Способ измерения коэффициента температуропроводности твердых тел

(56) Филиппов Лсвойств твердых исоких температур СР М. 1627949,КОЭФФИЦИ- ОВОДНОСТИ фициента темпея к эксперименеплофизических . Цель изобрете- измерения коэксперименеплофизичеристаллов сма информап)1 2 (Л(/2мпераощью спосоце сойв,то 1 ЛР в тстоявдоль ратурИзвестн туропровод температур бов состоит здать темпе по сдвигу ф двух точках щих друг о направлеников создаю более часто 1 е электрон м в качестве их тем- иСпольые или регист- термо- ческие меня ютс тоэлектр ОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР) 1"ч. 1горный институтева, В.В, Докучаев, А.А. Стаатов и Ю.А. Шихов ,П. Измерение тепловых жидких металлов при выах. М.: М ГУ, 1967, с,300 Авторское свидетельств0 01 М 25/18, 1989,(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЕНТА ТЕМПЕРАТУРОПР ТВЕРДЫХ ТЕЛ(57) Способ измерения коэф ратуропроводности относитс тальной технике измерения т свойств веществ и материалов ния - повышение точности Изобретение относитсятальной технике измеренияских свойств материалов,использованием лазерного сь ы способы измерения тености твердых тел с помных волн, Сущность этихв том, что если в образратурные волны с частотоаз колебаний температурьоднородного образца, от друга на расстоянии 1я распространения темпе эффициента температуропроводности, Исследуемый материал помещают под источник теплового,( лазерного) излучения модулированной частоты, что вызывает появление в материале температурной волны, запаздывание которой по фазе регистрируется тепловым приемником, Исследуемый материал полированной поверхностью размещен на оптически поозрачной подставке, а два когерентных пучка излучения направлены сквозь подставку параллельно грани, на которой размещен исследуемый материал, при этом один направлен на расстоянии длины волны излучения теплового лазера от поверхности соприкосновения, а другой - на расстоянии больше 5 длин волн излучения теплового лазера от поверхности соприкосновения. Обработка интерференционной картины, созданной лучами, продшедшими сквозь подставку, позволяет высчитать коэффициент температуропроводности, 1 ил. нои волны, можно определить темпера ропроводность такого образца по формул В качестве источни пературные волны, на зуются модулированн лазерные лучи, При эт Рирующих устройств электрические либо преобразователи,Уалая чувствительность термопар приводит к тому, гго к образцу необходимо подводить большие тепловые мощности, Кроме того, необходимо учитывать теплообмен между термопарой и образцом, Необходимость надежного контакта термопары с образцом исключает применение этого типа датчиков для методов неразрушающего контроля например, при использовании теплофизических свойств кристаллов, тон- ко"т 1 лЕ 1 Гок в радиоэлектронной промышленности и т,п,),Для регистрации температурных волн на поверхности твердых тел широко используются фотоэлектрические преобразователи фотодиоды, фотосопротивления и т и.). Однако этот бесконтактный способ регистрирования температурных волн также имеет существенный недостаток. Он обусловлен тем, что фотоприемники чувствительны к определенному диапазону спектра 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 измерения коэффициента температуропроводности зеркально-отражающих материалов, включающий нагрев материала пучком лазера модулированной частоты, воздействие на материал опорным и сигнальным лучами для съема информации, регистрацию запаздывания по фазе температуоной волны, по которой определяют коэффициент температуропроводности, при этом нагрев материала лазерным лучом производят в точке поверхности, лучи для съема информации направляют на материал под углом к его поверхности в плоскости греющего луча лазера, причем сигнальный луч направляют на нагретый участок, а опорный - на холодный, отраженные от материала сигнальный и опорный лучи собирают в одну точку, получая при этом интерференционную картину, по которой регистрируют запаздывание по фазе температурной волны,Основным недостатком данного способа является низкая точность определения коэффициента, Это объясняется тем, что отраженные лучи имеют низкий коэффициент преобразования колебаний материала (температуры материала) в отклонения лазерного считывающего излучения,Целью изобретения является повышение точности измерения коэффициента температуропроводности кристаллов твердых тел с одной полированной поверхностью, 5 10 15 20 25 ЗО 35 40 45 50 55 Цель достигается тем, что с целью повышения точности измерений материал полированной поверхностью клад.т на прозрачную подставку, на которую и направляют оба сигнальных луча, при этом один сигнальный луч направляют на расстоянии длины волны излучения теплового лазера от поверхности соприкосновения, а второй сигнальный луч - на расстоянии больше 5 длин волн излучения лазера от поверхности соприкосновения, прошедшие через пластину лучи собирают в одну точку и получают интерференционную картину, по которой регистрируют запаздывание по фазе температурной волны, и по полученной информации определяют коэффициент по формуле (1),Предлагаемый способ позволяет более точно измерять температуропроводность кристаллов твердых веществ с одной полированной гранью, Повышение точности достигается тем, что один сигнальный луч, проходя на расстоянии длины волны излучения теплового лазера от плоскости соприкосновения, обеспечивает независимость траектории прохождения луча от величины шероховатости плоскости соприкосновения материала с подставкой, в то же время такое расстояние дает возможность установить однозначное соответствие зависимости траектории хода сигнального луча от модуляции излучения теплового лазера и возникает эффект, связанный с изменением оптической длины пути луча по отношению к другому сигнальному лучу, который, проходя ниже первого сигнального луча на расстоянии более 5 длин волн излучения теплового лазера, имеет оптическую длину пути, которая не зависит от модуляции излучения теплового лазера, Это дает возможность постоянного сравнения длины пути, проходимого одним сигнальным лучом, с длиной пути, проходимого другим сигнальным лучом, и так как траектория пути следовательно, оптическая длина пути) одного сигнального луча, который проходит вблизи плоскости соприкосновения, зависит от модуляции излучения теплового лазера, а другого сигнального луча не зависит, то наложение сигнальных лучей после прохождения подставки друг на друга дает интерференционную картину, которая несет информацию о величине коэффициента температуропроводности и в то же время не зависит от нестабильности считывающего лазера, Все перечисленное дает возможность свести величину погрешности в определении коэффициента температуропроводности к величине погрешности в определении модулирующей частоты о) и за 1786411паздывания по фазе Лр, которые составляют соответственно 0,5 и 1,5,4.Вновь предложенные операции для определения температуропроводности не были обнаружены заявителем, Поэтому можно 5сделать вывод, что предложенное техническое решение соответствует критерию "существенные отличия", Новые свойства,возникающие при проведении заявляемыхопераций, позволяют достичь положительного эффекта, а именно повышения точности измерения температуропроводноститвердых тел,На чертеже показана схема устройства,с помощью которого реализуется заявляемый способ,Устройство состоит из источника 1теплового излучения (ОКГ марки ЛГ), модулятора 2, опорного генератора 3, Не - Мелазера 4, дифракционной решетки 5, линзы 206, оптического клина 7, линзы 8, фотоэлектрического приемника 9 (см. Ивлиев А,ДЗиновьев В.Е, Теплофизика высоких температур, 1980, т,18, М.3, с,532), амплитудногофазового измерителя 10 (см, Зиновьев В,Е 25Талуц С.Г., Полев В.Ф. и др, Измерительчаятехника, 1985, ЬЬ 11, с.64 - 66), ЭВМ 11, частотомера 12,С помощью устройства способ осуществляется следующим образом. 30Лазерный луч из источника 1, модулированный по гармоническому закону модулятором 2 и опорным генератором 3, попадаетв точку О исследуемого материала, Луч Не -Ме-лазера 4 проходит через дифракционную решетку 5, через оптическую линзу 6 иразделенный на два сигнальных луча попадает на прозрачную подставку, Один сигнальный луч попадает в точку Х 1 и проходитот поверхности соприкосновения материала с подставкой на расстоянии длины волныизлучения теплового лазера, доугой сигнальный луч попадает в точку Х 2 и проходитот поверхности соприкосновения на расстоянии больше 5 длин волн излучения теплового лазера, Сигнальный луч, которыйпопадает в точку Х, в дальнейшем проходитсквозь подставку, сквозь оптический клин 7и попадает на фотоэлектрический приемник9, Сигнальный луч, который попадает в точку Х 2, проходит сквозь подставку, сквозьоптический клин 7, сквозь линзу 8 и попадает на фотоэлектрический приемник 9, гдеоба сигнальных луча интерферируют,Следует заметить, что сигнальный луч, 55попадающий в точку Х, попадает в фотоприемник 9 под влиянием модуляции лучатеплового лазера и в результате фототермического эффекта модулируется с частотой щ, приобретая фазу колебания, соответствующую фазе колебания температурной волны, создаваемой лучом теплового лазера, Сигнальный луч, который попадает в точку Х 2, вследствие затухания температурной волны не подвержен ее модуляциям,Построенный таким образом ход сигнальных лучей дает возможность существенно увеличить оптическую длину пути луча, попадающего в точку Х 1, по сравнению с оптическим путем луча, попадающего в точку Хг.После интерференции сигнальных лучей в фотоприемнике 9 из него поступает информация о фазе колебаний температуры подставки вблизи поверхности исследуемого материала. С помощью амплитудно-фазового детектора 10 производится измерение фазового сдвига колебаний температуры в точке О и в зоне прохождения сигнального луча, Эта информация поступает в ЭВМ 11, где по формуле (1) производится определение температуропроводности исследуемого материала. Частота модуляции постоянно контролируется частотомером 12,П о и м е р. Способом, предложенным в прототипе, невозможно выполнить замеры температуоопроводности железа, а предлагаемым способом были выполнены замеры коэффициента для образца из железа с одной полированной гранью, При калибровочных замерах получено значение коэффициента температуропроводности, которое отличается от стандартных данных всего на 5 - 6%, Частота модуляции лазерного излучения была принята равной 30 Гц, откуда циклическая частота в= 188,4 рад/с, Расстояние отточки падения модулированного лазерного луча О до точки прохождения сигнального луча, попадающего на подставку в точке Х 1, составляло 2 10 м. Измеренное запаздывание по фазе температурной волны на расстояниисоставляло 241 = 4,20 оад. По формуле (1) имеема ---- 21,5 10 м /с.1884 4 10 -6 22 (4 20)Предлагаемый способ позволяет более точно измерять температуропроводность кристаллов твердых материалов, что непосредственно дает возможность бесконтактного исследования теплофиэических свойств кристаллов, сплавов, металлов, конструкционных материалов, покрытий, тонких пленок элементов микроэлектронной техники в широком интервале температур (включая области низких и высоких температур),1786411 Составитель В, ЗиновьевТехред М,Моргентал Корректор М,Самборская Редактор Л. Пигина Заказ 244 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Формула изобретенияСпособ измерения коэффициента температуропроводности твердых тел, включающий нагрев образца в точке поверхности лучом лазера модулирован ной частоты, воздействие двумя когерентными пучками излучения для сьема информации с получением интерференционной картины, регистрацию по полученной картине запаздывания 10 по фазе температурной волны и по полученной информации определение коэффициента температуропроводности, о т л и ча ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерений и рас ширения класса исследуемых материалов за счет определения температуропроводности материалов произвольной формы, образец полированной поверхностью размещают на оптически прозрачной подставке, а два когерентных пучка излучения направляют сквозь подставку параллельно грани, на которой расположен образец, при этом один направляют на расстоянии длины волны излучения теплового лазера от поверхности соприкосновения, а второй - на расстоянии больше 5 длин волн излучения теплового лазера от поверхности соприкосновения,