非接觸式高溫?zé)嵛锢硇阅軈?shù)測量裝置及方法
【專利摘要】一種非接觸式高溫?zé)嵛锢硇阅軈?shù)測量裝置及方法，由電加熱系統(tǒng)、激光發(fā)生系統(tǒng)、載荷系統(tǒng)和應(yīng)變測量系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)獲取和分析系統(tǒng)組成。激光作為瞬間能量來源，降低了測量時間；激光比長儀測量材料在高溫環(huán)境中的形變，非接觸式的激光比長儀測量高溫下被測材料樣品的變形量，可以避免由于熱膨脹引起的變形誤差，通過精細(xì)刻度，激光比長儀可以精確測定在高溫加載情況下樣品的精確位移或應(yīng)變，提高了測量結(jié)果的可靠性，簡化了測量過程，使得測量過程易于控制。低溫階段采用熱電偶測量溫度，高溫階段采用遠(yuǎn)紅測溫儀測溫，使得設(shè)備可以實現(xiàn)室溫至2000℃范圍的材料熱物理性能測量。通過驗證表明：本設(shè)備有運行過程易于控制，測量時間短，準(zhǔn)確性高等優(yōu)點。
【專利說明】非接觸式高溫?zé)嵛锢硇阅軈?shù)測量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種測量材料熱物理性能參數(shù)的裝置及方法，更具體地說，涉及高溫環(huán)境下測量材料熱物理性能的方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和跨越式進(jìn)步，科學(xué)研究、工業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域?qū)ΜF(xiàn)有材料提出越來越高的要求，這使得人們不得不開發(fā)新材料，而新材料在開發(fā)過程中一些性能需要評價和測試，但是現(xiàn)有的設(shè)備往往達(dá)不到這些新材料測試過程中所需要的測試環(huán)境，這反過來限制了新材料的開發(fā)和應(yīng)用。熱物理性能是材料的基本特征，是材料諸多性能中最關(guān)鍵的性能之一，幾乎一切【技術(shù)領(lǐng)域】都會涉及熱物理性能:高溫力學(xué)性能，比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、相變和線膨脹系數(shù)等熱物理性能。因為熱物理性能不但影響新材料在高溫環(huán)境中的物理狀態(tài)，還影響新材料的功能和作用。特別是應(yīng)用在高溫環(huán)境中防熱結(jié)構(gòu)材料，這些材料較為普遍地應(yīng)用在航天、冶金工業(yè)等領(lǐng)域，由于防熱結(jié)構(gòu)材料具有復(fù)雜性和非均質(zhì)性等特點，使得防熱材料在高溫環(huán)境下自身熱物理性能產(chǎn)生明顯的改變，這種改變必須進(jìn)行實際測量和研究，以便更為精準(zhǔn)地控制高溫環(huán)境下材料的結(jié)構(gòu)特征。為此，材料熱、力學(xué)性質(zhì)的表征和準(zhǔn)確測量對于熱防護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和材料構(gòu)件的傳熱性精確分析和評價是涉及到高溫防熱結(jié)構(gòu)的一個關(guān)鍵問題。目前現(xiàn)有的測量高溫環(huán)境下材料熱物理性能的設(shè)備普遍具有如下缺點:1、測量成本高；2、測量結(jié)果可靠性低；3測量過程復(fù)雜且難于控制；4、設(shè)備可測量的溫度范圍偏低，無法在超高溫度下進(jìn)行測量；5、測量時間過長。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明針對目前現(xiàn)有的高溫環(huán)境下測量材料熱物理性能設(shè)備普遍存在的缺點和限制，為了提高測量材料熱物理性能的準(zhǔn)確性、降低測量時間和提高測量溫度范圍，提供了一種能夠準(zhǔn)確測量材料熱物理性能的非接觸式高溫?zé)嵛锢硇阅軈?shù)測量裝置及方法，能夠同時易于控制地在超高溫度下測量材料熱導(dǎo)率及力學(xué)性能。本發(fā)明裝置不但測量結(jié)果準(zhǔn)確，還具有制造簡單，測量過程易于操作等特點。
[0004]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了非接觸式高溫?zé)嵛锢硇阅軈?shù)測量裝置，包括內(nèi)部設(shè)置被測物夾具的密封式爐體；所述爐體腔內(nèi)圍繞被測物四周間隔設(shè)置電極石墨棒，所述電極石墨棒分別連接了外部供電模塊及水冷模塊。所述爐體設(shè)置有由蓋體封閉的進(jìn)氣口和連接真空抽氣泵的排氣口。所述爐體還開設(shè)有檢測被測物的激光源入射孔和接收孔；所述接收孔處設(shè)置接收器，所述接收器連至數(shù)據(jù)獲取和分析系統(tǒng)。所述激光源固定于所述爐體外側(cè)的滑軌上，經(jīng)透鏡射入所述入射孔；所述滑軌上還設(shè)置有激光比長儀，所述激光比長儀輸出位移信號送至所述數(shù)據(jù)獲取和分析系統(tǒng)。此外，所述被測物夾具還配設(shè)有載荷施加模塊和傳感器，所述傳感器輸出載荷信息送至所述數(shù)據(jù)獲取和分析系統(tǒng)。所述數(shù)據(jù)和分析系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)接收模塊、計算機(jī)處理模塊，根據(jù)接收的數(shù)據(jù)獲得被測物的物理性能參數(shù)。此外，所述爐體內(nèi)還設(shè)置有測溫控制模塊，包括熱電偶測溫組件和多波段遠(yuǎn)紅測溫儀，分別將溫度信號送至儀表顯示，并送至所述電極石墨棒的外部供電模塊調(diào)控爐內(nèi)溫度。
[0005]優(yōu)選方式下，所述熱電偶測溫組件以所述爐體內(nèi)外移動的方式設(shè)置。所述電極石墨棒直徑為5mm-20mm,數(shù)量為4_8根,在爐腔內(nèi)均勻分布。所述夾具包括可拆換低溫金屬夾具和高溫陶瓷夾具。此外，所述數(shù)據(jù)獲取和分析系統(tǒng)所接收的信號，根據(jù)需要，分別經(jīng)放大器放大送至所述數(shù)據(jù)獲取和分析系統(tǒng)。
[0006]根據(jù)以上裝置，本發(fā)明還提供了一種利用上述裝置實現(xiàn)非接觸式高溫?zé)嵛锢硇阅軈?shù)測量的方法，包括以下步驟:
[0007]第一步、取被測物，固定于夾具中，封閉爐體，抽至真空環(huán)境，加熱至檢測溫度。
[0008]第二步、激光源發(fā)射單脈沖激光照射到被測物前表面，同時接收器接收被測物背面溫度變化數(shù)據(jù)，傳輸至數(shù)據(jù)獲取和分析系統(tǒng)，計算出熱導(dǎo)率。
[0009]第三步、滑軌模塊置于激光比長儀模塊，計算機(jī)自動化控制載荷單元施加目標(biāo)載荷，激光比長儀測出變形及位移數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)獲取和分析系統(tǒng)，由計算機(jī)計算應(yīng)變并根據(jù)載荷數(shù)據(jù)計算獲得高溫力學(xué)性能參數(shù)。
[0010]優(yōu)選方式下，測量時，所述爐體內(nèi)由真空抽氣泵抽真空至0.05-lPa ;所述激光源為較高功率密度的激光發(fā)生器，功率6-80W，激光頻率lOkHz-lOOkHz。此外，在溫度小于1200°C時，采用熱電偶進(jìn)行溫度測量；在溫度1000°C -3000°C時，退出熱電偶，采用多波段遠(yuǎn)紅測溫儀進(jìn)行溫度測量。
[0011]本發(fā)明的有益效果在于:將熱導(dǎo)率測量工具與高溫力學(xué)測量工具置于同一可切換滑軌，一次加熱即可方便測出所有參數(shù)。本測試方法采用非接觸激光比長儀，降低高溫誤差提高準(zhǔn)確性。本測試方法采用激光源脈沖閃射，顯著減少測量時間。本測試方法采用分段溫度檢測工具，提高了測量溫度范圍。
[0012]為了提高測量材料熱物理性能的準(zhǔn)確性、降低測量時間和提高測量溫度范圍，本發(fā)明設(shè)計了一套能夠準(zhǔn)確測量材料熱物理性能的裝置，該裝置主要由電加熱系統(tǒng)、激光發(fā)生系統(tǒng)、載荷系統(tǒng)和應(yīng)變測量系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)獲取和分析系統(tǒng)組成。采用激光作為瞬間能量來源，這降低了測量時間；采用激光比長儀測量材料在高溫環(huán)境中的形變，非接觸式的激光比長儀測量高溫下被測材料樣品的變形量，該方法可以避免由于熱膨脹而引起的變形誤差，通過精細(xì)刻度，激光比長儀可以精確測定在高溫加載情況下樣品的精確位移或應(yīng)變，這種辦法提高了測量結(jié)果的可靠性，而且簡化了測量過程，使得測量過程易于控制；低溫階段采用熱電偶測量溫度，在高溫階段采用遠(yuǎn)紅測溫儀測量溫度，這使得本發(fā)明制造的設(shè)備可以實現(xiàn)在室溫至2000°C范圍內(nèi)的材料熱物理性能測量；通過大量的實施例的測量結(jié)果表明:本設(shè)備有運行過程易于控制，測量時間短，準(zhǔn)確性高等優(yōu)點。
[0013]相對于其他已有設(shè)備測量溫度通常都是低于1500°C，本發(fā)明中的設(shè)備測量溫度范圍0-2000°C。為了突出顯示本發(fā)明的技術(shù)創(chuàng)新點和優(yōu)點，在具體的實施例中只列出1500-2000°C的例子，此外為了評價本發(fā)明設(shè)備的測量準(zhǔn)確性，采用已知熱物理性能的二硼化鉿材料作為標(biāo)準(zhǔn)樣件，通過改變不同參數(shù)測量該試樣的熱物理性能，然后評價本發(fā)明設(shè)備的可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明測試裝置原理結(jié)構(gòu)示意圖?！揪唧w實施方式】
[0015]如圖1所示，本發(fā)明一種新型、實用非接觸式高溫?zé)嵛锢硇阅軈?shù)測量裝置，包括:電加熱系統(tǒng)、激光發(fā)生系統(tǒng)、應(yīng)變測量系統(tǒng)、載荷系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)獲取和分析系統(tǒng)；所述的電加熱系統(tǒng)包括:柱形中空爐體、電極石墨棒、水冷模塊、測溫控制模塊、真空系統(tǒng)，其中:電極石墨棒均勻固定于爐腔內(nèi)壁，圍繞于樣品5 (被測物)夾具3四周，與外部供電線路及水冷接頭相連；測溫控制模塊通過熱電偶和多波段遠(yuǎn)紅測溫儀檢測溫度，輸出至數(shù)字式智能儀表顯示并調(diào)控爐腔溫度；真空系統(tǒng)包括真空抽氣泵6，接于爐內(nèi)腔，保持爐內(nèi)真空環(huán)境，此外圖中標(biāo)號2為進(jìn)氣口，由蓋體密封。
[0016]所述的激光發(fā)生系統(tǒng)包括:激光源、接收器、放大器9，其中:激光源置于固定在爐體一側(cè)開孔外的滑軌I上，使激光可穿過透鏡4照射于試樣上；接收器置于同一直線爐體另側(cè)開孔外，接收樣品輻射信號并通過放大器后將信號傳輸至數(shù)據(jù)獲取和分析系統(tǒng)。
[0017]所述的應(yīng)變測量系統(tǒng)包括:激光比長儀、放大器8，其中:激光比長儀置于激光源同一滑軌上，輸出變形及位移信號通過放大器后傳輸至數(shù)據(jù)獲取和分析系統(tǒng)。
[0018]所述的載荷系統(tǒng)包括:載荷施加模塊、傳感器，其中:載荷施加模塊通過傳感器作用于爐內(nèi)可拆卸夾具，傳感器連接數(shù)據(jù)獲取和分析系統(tǒng)。此處，載荷施加單元全部采用計算機(jī)軟線系統(tǒng)自動化控制，包括載荷施加量，載荷施加速度以及載荷施加方向。
[0019]所述的數(shù)據(jù)和分析系統(tǒng)包括:數(shù)據(jù)接收模塊，計算機(jī)處理模塊，其中:數(shù)據(jù)接收模塊接收信號傳輸于計算機(jī)篩選分析計算，獲得試樣高溫?zé)嵛锢硇阅軈?shù)。
[0020]優(yōu)選方式下，所述的電極石墨棒直徑為5mm-20mm，數(shù)量為4_8根，在爐腔內(nèi)均勻分布。采用多根高溫物理和化學(xué)性能穩(wěn)定的碳棒作為加熱元件，一方面可以獲得較高的實驗溫度(最高可達(dá)2500°C，在本發(fā)明中，主要是運行在2000°C以下)，另一方面通過均勻布置碳棒可以獲得較好的等溫區(qū)域，該加熱系統(tǒng)可以為導(dǎo)熱系數(shù)參數(shù)測量提供所需溫度場。同時通過調(diào)節(jié)石墨棒直徑和分部位置，可以有效的實現(xiàn)溫度靈敏性。
[0021]所述的真空系統(tǒng)最低實現(xiàn)壓力0.05-lPa。
[0022]所述的測溫控制模塊在低溫段(1200°C以下)采用熱電偶進(jìn)行溫度測量，對于高溫段，采用多波段遠(yuǎn)紅測溫儀(測量范圍1000°c -3000°c)進(jìn)行溫度測量。測高溫時熱電偶自動退出。低溫階段采用熱電偶測量溫度，在高溫階段采用遠(yuǎn)紅測溫儀測量溫度，這使得本發(fā)明制造的設(shè)備可以實現(xiàn)在室溫至2000°C范圍內(nèi)的材料熱物理性能測量。
[0023]所述的激光源為較高功率密度的激光發(fā)生器，功率6-80W，激光頻率IOkHz-1OOkHz0采用激光作為能量來源，可以顯著降低測量時間。
[0024]所述的激光比長儀用于測量高溫下樣品的變形及位移量。采用非接觸式的激光比長儀測量高溫下被測材料樣品的變形量，該方法可以避免由于熱膨脹而引起的變形誤差，通過精細(xì)刻度，激光比長儀可以精確測定在高溫加載情況下樣品的精確位移或應(yīng)變，這種辦法提高了測量結(jié)果的可靠性，而且簡化了測量過程，使得測量過程易于控制。
[0025]所述的滑軌機(jī)械加工精度為5.0ii m-30.0ii m，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可根據(jù)不同的測量需求來回滑動切換與激光源與激光比長儀。
[0026]所述的夾具包含低溫金屬夾具(低于1000°C)和高溫陶瓷夾具(高于1000°C)。同時夾具有不同形狀，可以根據(jù)需求，在不同溫度對不同形狀的樣品測量不同的力學(xué)性能參數(shù)。也就是說，夾具根據(jù)預(yù)設(shè)溫度要求安裝金屬夾具或陶瓷夾具，根據(jù)要獲得的力學(xué)性能參數(shù)選擇對應(yīng)類型夾具。
[0027]根據(jù)以上裝置，本發(fā)明還提供了一種新型、實用非接觸式高溫?zé)嵛锢硇阅軈?shù)測量方法，包括以下步驟:
[0028]第一步、取待測試樣，固定于爐內(nèi)夾具中，關(guān)閉爐門，抽至真空環(huán)境，加熱至指定溫度。
[0029]第二步、滑軌模塊置于激光源模塊，發(fā)射單脈沖激光照射到試樣前表面，同時接收器接收試樣背面溫度變化數(shù)據(jù)，傳輸至計算機(jī)計算出熱導(dǎo)率。
[0030]第三步、滑軌模塊置于激光比長儀模塊，計算機(jī)自動化控制載荷單元施加目標(biāo)載荷，激光比長儀測出位移數(shù)據(jù)傳輸至計算機(jī)，由計算機(jī)計算應(yīng)變并根據(jù)載荷數(shù)據(jù)計算獲得力學(xué)性能參數(shù)。
[0031]所述的夾具根據(jù)預(yù)設(shè)溫度要求安裝金屬夾具(低于IOO(TC)或陶瓷夾具(高于10000O0所述的加熱至指定溫度是指:溫度最高可達(dá)2500°C，主要運行在2000°C以下，對于溫度的檢測，在低溫段(1200°C以下)熱電偶端部伸入爐腔中心進(jìn)行測量，對于高溫段(高于IOO(TC)采用多波段遠(yuǎn)紅測溫儀進(jìn)行溫度測量，同時熱電偶自動退出。
[0032]下面通過實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，本發(fā)明的應(yīng)用不局限于實施例所舉材料。
[0033]實施例1:
[0034]采用4根石墨棒作為加熱元件，石墨棒直徑為20mm，激光發(fā)生器功率6W，激光頻率10kHz，滑道和激光發(fā)生系統(tǒng)的機(jī)械加工精度為5.0 ii m，真空泵最低實現(xiàn)壓力0.05Pa，測量溫度為1500°C，采用本發(fā)明的設(shè)備測量二硼化鉿試樣的熱物理性能，試樣尺寸為30mm X 2mm X 2mm (長 X 寬 X 高)。
[0035]滑軌模塊置于激光源模塊采用國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T22588-2008)方法測量二硼化鉿的熱導(dǎo)率，測得試樣背面到達(dá)最高溫升一半的時間t1/2，由計算機(jī)利用公式:a =0.13879L2/t1/2計算熱擴(kuò)散系數(shù)為0.2862^8-1,并利用公式:X = a Cp P計算出試樣在真空條件下，1500°C時的熱導(dǎo)率為 69.94 ~70.58ffm_1°C '
[0036]滑軌模塊置于激光比長儀模塊采用國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T14390-2008)方法測量二硼化鉿的彎曲強(qiáng)度，載荷施加由位移控制，速度為0.5mm/min,數(shù)據(jù)記錄門檻值設(shè)置為2N，獲得試樣的應(yīng)力一應(yīng)變曲線，根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，測得試樣在真空條件下，1500°C時的最大彎曲強(qiáng)度的范圍為 349.18 ~351.24Mpa。
[0037]測試二硼化鉿熱物理性能如下表所示:
[0038]
【權(quán)利要求】
1.一種非接觸式高溫?zé)嵛锢硇阅軈?shù)測量裝置，其特征在于， 包括內(nèi)部設(shè)置被測物夾具的密封式爐體；所述爐體內(nèi)壁上圍繞被測物四周間隔設(shè)置電極石墨棒，所述電極石墨棒分別連接了外部供電模塊及水冷模塊； 所述爐體設(shè)置有由蓋體封閉的進(jìn)氣口和連接真空抽氣泵(6)的排氣口 ； 所述爐體還開設(shè)有檢測被測物的激光源入射孔和接收孔；所述接收孔處經(jīng)透鏡設(shè)置接收器，所述接收器連至數(shù)據(jù)獲取和分析系統(tǒng)； 所述激光源固定于所述爐體外側(cè)的滑軌上，經(jīng)透鏡射入所述入射孔；所述滑軌上還設(shè)置有激光比長儀，所述激光比長儀輸出變形及位移信號送至所述數(shù)據(jù)獲取和分析系統(tǒng)； 所述被測物夾具還配設(shè)有通過所述夾具作用于被測物的載荷施加模塊和傳感器，所述傳感器輸出載荷信息送至所述數(shù)據(jù)獲取和分析系統(tǒng)； 所述數(shù)據(jù)和分析系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)接收模塊、計算機(jī)處理模塊，所述計算機(jī)處理模塊根據(jù)接收的溫度數(shù)據(jù)計算獲得被測物的熱導(dǎo)率參數(shù)，根據(jù)接收的載荷及變形數(shù)據(jù)計算獲得被測物的高溫力學(xué)性能參數(shù)； 此外，所述爐體內(nèi)還設(shè)置有測溫控制模塊，包括熱電偶測溫組件和多波段遠(yuǎn)紅測溫儀，分別將溫度信號送至儀表顯示，并送至所述電極石墨棒的外部供電模塊調(diào)控爐內(nèi)溫度。
2.根據(jù)權(quán)利I所述非接觸式高溫?zé)嵛锢硇阅軈?shù)測量裝置，其特征在于，所述熱電偶測溫組件以所述爐體內(nèi)外移動的方式設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利I所述非接觸式高溫?zé)嵛锢硇阅軈?shù)測量裝置，其特征在于，所述電極石墨棒直徑為5mm-20mm，數(shù)量為4_8根，在爐腔內(nèi)均勻分布。
4.根據(jù)權(quán)利I所述非接觸式高溫?zé)嵛锢硇阅軈?shù)測量裝置，其特征在于，所述夾具為拆換使用的低溫金屬夾具和高溫陶瓷夾具。
5.一種利用上述裝置實現(xiàn)非接觸式高溫?zé)嵛锢硇阅軈?shù)測量的方法，其特征在于，包括以下步驟: 第一步、取被測物，固定于夾具中，封閉爐體，抽至真空環(huán)境，加熱至檢測溫度。 第二步、激光源發(fā)射單脈沖激光照射到被測物前表面，同時接收器接收被測物背面溫度變化數(shù)據(jù)，傳輸至數(shù)據(jù)獲取和分析系統(tǒng)，計算出熱導(dǎo)率。 第三步、滑軌模塊置于激光比長儀模塊，計算機(jī)自動化控制載荷單元施加目標(biāo)載荷，激光比長儀測出變形及位移數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)獲取和分析系統(tǒng)，由計算機(jī)計算應(yīng)變并根據(jù)載荷數(shù)據(jù)計算獲得高溫力學(xué)性能參數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述利用上述裝置實現(xiàn)非接觸式高溫?zé)嵛锢硇阅軈?shù)測量的方法，其特征在于,測量時,所述爐體內(nèi)由真空抽氣泵抽真空至0.05-lPa。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述利用上述裝置實現(xiàn)非接觸式高溫?zé)嵛锢硇阅軈?shù)測量的方法，其特征在于，在溫度小于1200°C時，采用熱電偶進(jìn)行溫度測量；在溫度1000°C -3000°C時，熱電偶退出爐體，采用多波段遠(yuǎn)紅測溫儀進(jìn)行溫度測量。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述利用上述裝置實現(xiàn)非接觸式高溫?zé)嵛锢硇阅軈?shù)測量的方法，其特征在于，所述激光源為較高功率密度的激光發(fā)生器，功率6-80W，激光頻率IOkHz-1OOkHz。
【文檔編號】G01N25/20GK103499603SQ201310451008
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月27日
【發(fā)明者】沙建軍, 代吉祥, 張兆甫, 王智 申請人:大連理工大學(xué)