Способ измерения коэффициента температуропроводности

(141 ЬР - 1,11)2 ГОСУДАРСТВЕ Н ЮЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(71) Свердловский горный институт им.В.В. Вахрушева(56) Загребин Л.Д. и др, Определение импульсным методом коэффициентов температуропроводности и теплопроводностиполусферических образцов ИФЖ, 1981, т.15, М 5, с. 864 - 869,Филиппов Л,Л. Исследование тепловыхсвойств твердых и жидких металлов при высоких температурах М, МГУ, 1968, с, 99,Изобретение относится к области экспериментальной техники измерения тепло- физических свойств веществ и материалов с использованием лазерного съема информации.Извей ны способы измерения температуропроводности твердых тел с помощью температурных волн. Сущность этих способов состоит в том, что, если в образце создать температурные волны с частотой со, то по сдвигу фаз колебаний температурной волны Ьр на противоположной поверхности однородного образца толщинойможно определить температуропроводность такового образца а по формуле(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИцИЕНТА ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ (57) Изобретение относится к способам измерения коэффициента температуроп роводности веществ и материалов с использованием лазерного съема информации. Сущность изобретения: к поверхности, противоположной нагреваемой, прикрепляют пленку с отража-" ющей поверхностью, зондируют материал лазерным лучом, отраженный от материала луч - делят на два и формируют с помощью интернн ферометра Майкельсона интерференционнукукартину, а по смещению интерференционнрхко полос относительно точки наблюдения апра деляют запаздывание по фазе температурной волны. 1 ил,Ю В качестве источни,ов. создающих температурные волны, наиболее часто используются модулированные электронные или лазерные лучи, При этом в качестве регист-р рирующих устройств применяются термоэлектрические либо фотоэлектрические преобразователи.Малая чувствительность термопар при"- О водит к тому, что к образцу необходимо под-И водить большие тепловые мощности. Кроме С 0 того, необходимо учитывать теплообмен между термопарой и образцом. Необходимость надежного контакта термопары с образцом исключает применение этого типо датчиков для методов нераэрушающего контроля (например, при исследовании теплофизических свойств тонких пленок в радиоэлектронной промышленности и т, и.),Для регистрации температурных волн на поверхности твердых тел широко испог,1822958(2)= О+ и сов вт,облучает переднюю поверхность образца (выполненного в виде плоскопараллельной пластины). К противоположной поверхности температурная волна приходит со сдвигом по фазе Ьр, который и позволяет по соотношению (1) определить коэффициент температуропроводности образца, При этом колебания температуры регистрируются фотоприемником и через усилитель поступают на амплитудно-фазовый измеритель, работающий по принципу синхронного детектирования. Сигнал, пропорциональный сдвигу фаз, регистрируется и обрабатывается устройство, в качестве которого используется микро-ЭВМ.Существенным недостатком изложенного способа является зависимость величины теплового импульса от температуры разогрева исследуемого материала, что диктуется параметрами чувствительности фотоприемника, что приводит к необходимости увеличения площади раэогревающего светового пятна, что приводит к снижениюточности, а подход к нижним границам чувствительности фотоприемника приводит к резкому снижению точности способа, поэтому погрешность подобных измерений, особенно вблизи нижней границы работы фотоприемника, может достигать десятков процентов (2),Цель изобретения - повышение точности измерения и расширения класса исслезуются фотоэлектрические преобразователи (фотодиоды, фотосопротивления и т. и), Однако, этот бесконтактный способ регистрации температурных волн также имеет существенный недостаток. Он обусловлен тем, что фотоприемники чувствительны к определенному спектру электромагнитных волн. Это не позволяет использОвать фотоприемники для регистрации температурных волн на поверхности вещества в широком интервале температур.Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ определения температуропроводности твердых тел 21, основанный на создании температурной волны в плоскопараллельной пластинке толщинойи измерения сдвига фаз температурной волны на противоположной стороне, что позволяет определить коэффициент температуропроводности по формуле (1), Сущность способа состоит в следующем. Источником модулированного потока является лазер, модулированный модулятором и звуковым генератором. Энергия лазера, модулированная по закону:5055 Устройство состоит иэ теплового лазера 1, соединенного с обтюратором 2, насаженным наось генератора-модулятора 3, и производящего нагрев материала 4 с прикрепленной к нему пленкой 5, иэ теплового лазера 6 испускающего сигнальные лучи, интерферометра 7, регистрирующего устройства 9, усилителя 10, который связан с амплитудно-фазовым измерителем 11, который соединен с ЭВМ 12. дуемых объектов при измерении коэффициента температуропроводности,Поставленная цель достигается тем, чтов способе, включающем нагрев материала5 лучом модулированной частоты, зондирование материала лазерным лучом со стороны,противоположной точке нагрева и регистрацию запаздывания по фазе температурнойволны, что к поверхности, противоположной нагреваемой, прикрепляют пленку с отражающей поверхностью, зондирующийлазерный луч, отраженный от поверхностипленки, делят на два, формируют с помощью интерферометра Майкельсона ин 15 терференционную картину, и по смещениюинтерференционных полос относительноточки наблюдения определяют запаздывание по фазе температурной волны.Пропускание луча через интерферометр20 позволит разделить его на два составляющих луча, один из которых направляют натонкую пленку, прикрепленную к материалу. Тонкая пленка, воспринимая все изменения, происходящие в материале от тепловоговоздействия на него, начинает "дышать", т, е.как бы отделяясь или приближаясь к интерферометру, изменяя тем самым длину сигнального луча, отражающегося от пленки. Такимобразом, сигнальный луч через тонкую пленЗ 0 ку, получает всю информацию о тепловых изменениях в материале, которую несет винтерферометр, он объединяется с второйчастью сигнального луча получаем интерференционную картину.З 5 Использование тонкой пленки, как элемента, реагирующего на тепловые изменения в материале, позволяет испольэоватьспособ для материалов любой формы, т. к,не составит труда прикрепить тонкую плен 40 ку,Все выше сказанное позволяет сделатьвывод, что применение предлагаемогоспособа позволит повысить точность измерения и расширить класс исследуемых ма 45 териалов.На чертеже изображено предлагаемоеустройство для реализации предлагаемогоспособа, общий вид.1822958 ф о р мула изобретения АактоР Т. Шаговд оргентал орректор С. Патрушева аказ 2177 ТиражВНИИПИ Государственного комитета и113035, Москва, ЖПодписноезобретениям и открытиям иРаушская нэб., 4/5 Т ССС Проиаеодсгеенно издательский камбинат "Патент",г, ужгород.ге,Гагарина 1г С помощью устройства способ осуществляется следующим образом. Излучение непрерывного теплового лазера 1 модулируется обтюратором 2, насаженным на ось генератора-модулятора 3 так, что в точке (Х - Хо) создается периодическое тепловое воздействие: р-росоэв 1 (3) Это периодическое тепловое воздействие приводит к распространению температурной волны по поверхности образца 4. Сигнальный луч лазера, проходя через интерферометр 7, делится на две части луча одна из которых направляется на исследуемый материал и, попадая на тонкую пленку, воспринимает всю информацию о скорости прохождения тепловой волны через исследуемый материал, отражается и, "воссоединяясь" со второй частью сигнального луча, попадает в регистрирующее устройство 9, где преобразуется в электрический сигнал, который усиливаетсяусилителем 10 и поступает в амплитудно-фазовый измеритель 11, в котором производится измерение сдвига фаз Ьр, после этого информация поступает в ЭВМ 12, где с использование формулы (1) вычисляется коэффициент температуропро- ВОДНОСТИ,Предлагаемый способ позволяет измерять коэффициент температуропроводности для исследуемого тела любой конфигурации и в условиях бесконтактных измерений увеличивает точность определения коэффициента темперэтуропроводности 5 металлов, сплавов, конструкционных материалов, покрытий, тонких пленок, элементов микроэлектронной техники в широком интервале температур (включая области низких и высоких температур).10 Способ, измерения коэффициенте температропроводности, включающий нагрев 15 материала лучом модулированноЯ частоты,зондирование материала лазерным лучом со стороны, противоположной точке нагрева, и регистрацию запаздывания по фазе температурной волны, о т л и ч а ю щ и Я с я 20 тем, что, с целью повышения точности измерения и расширения класса исследуемых обьектов, к поверхности, противоположно 9 нагреваемой, прикрепляют пленку с отражающей поверхностью, зондирующий лазерный луч, отраженныЯ от поверхности пленки, делят на два, формируют спомощью интерферометрэ МэЯкельсона интерференционную картину, и по смещению интерференционных полос относительно 30 точки наблюдения определяют запаздывание по фазе температурной волны,