基于紅外熱成像技術(shù)的金屬薄板熱導(dǎo)率測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于材料熱導(dǎo)率測量技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地講，涉及一種基于紅外熱成像 技術(shù)的金屬薄板熱導(dǎo)率測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 熱導(dǎo)率，又稱導(dǎo)熱系數(shù)，是指在穩(wěn)定傳熱條件下，Im厚的材料，兩側(cè)表面的溫差為 1度，在1秒內(nèi)，通過1平方米面積傳遞的熱量，單位為瓦/米?度。材料導(dǎo)熱系數(shù)的測量對 材料特性研宄和工業(yè)應(yīng)用都有重要的意義。
[0003] 通常，物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)可以通過理論和實驗兩種方式來獲得。理論上，從物質(zhì)微觀 結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過研宄物質(zhì)的導(dǎo)熱機(jī)理，建立導(dǎo)熱的物理模型，經(jīng)過復(fù)雜的數(shù)學(xué)分析和計算可 以獲得導(dǎo)熱系數(shù)。但由于理論的適用性受到限制，而且隨著新材料的快速增多，仍未找到足 夠精確且適用于范圍廣泛的理論方程。實驗測定方法現(xiàn)已發(fā)展了多種，它們有不同的適用 領(lǐng)域、測量范圍、精度、準(zhǔn)確度和試樣尺寸要求等，目前導(dǎo)熱系數(shù)的實驗測定方法分為穩(wěn)態(tài) 法和非穩(wěn)態(tài)法兩大類，具有各自不同的測試原理。穩(wěn)態(tài)法是經(jīng)典的保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)測 定方法，至今仍受到廣泛應(yīng)用，它適合在中等溫度下測量的導(dǎo)熱系數(shù)材料。
[0004] 非穩(wěn)態(tài)法是最近幾十年內(nèi)開發(fā)的新方法，用于研宄高導(dǎo)熱系數(shù)材料，或在高溫度 條件下進(jìn)行測量。熱線法是應(yīng)用比較多的方法，這種方法測量時間比較短，所測量材料的導(dǎo) 熱系數(shù)范圍寬。激光閃光法測量材料導(dǎo)熱系數(shù)是根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)與熱擴(kuò)散系數(shù)a、比熱容C和 體積密度P三者之間的關(guān)系，在測出試樣的P、a和c后，計算得到材料的導(dǎo)熱系數(shù)。不同 方法對同一樣品的測量結(jié)果可能會有較大的差別，因此選擇合適的測試方法是首要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于紅外熱成像技術(shù)的金屬薄 板熱導(dǎo)率測量方法，通過分析待測金屬薄板表面的熱輻射能分布變化數(shù)據(jù)得到熱導(dǎo)率，具 有測量精度高、操作簡單、對測量環(huán)境要求低且測量速度快的優(yōu)點。
[0006] 為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明基于紅外熱成像技術(shù)的金屬薄板熱導(dǎo)率測量方法， 包括以下步驟：
[0007] Sl :在預(yù)設(shè)時間T內(nèi)按照預(yù)設(shè)功率P向待測金屬薄板注入熱量；
[0008] S2 :采用紅外熱成像儀連續(xù)獲取若干幅待測金屬薄板表面的熱輻射能量圖像；
[0009] S3 :在時刻tQ的熱福射能量圖像中選擇N個待測像素點p η1，η = 1，2,…，N，得到 在溫度傳導(dǎo)方向上、位于待測點Pnl前后、與待測點s "均為距離d的兩個像素點ρ n(l、Pn2,計 算出溫度梯度\ ，其中五：〇表示像素點Pn。在熱輻射能量圖像t ^的熱輻射能量， 表示像素點Pn2在熱輻射能量圖像t ^的熱輻射能量；
[0010] S4 :選擇時刻t1= t。+ Λ t的熱輻射能量圖像，計算熱輻射能量變化率Λ = ， 其中S1表示待測像素點Pnl在熱輻射能量圖像t ^的熱輻射能量，< 表示待測像素點Pnl在 熱輻射能量圖像^的熱輻射能量；
[0011] S5 :計算各個待測像素點的相對熱導(dǎo)率= ; Sn Λ 1 -, Λ
[0012] S6 :計算待測金屬薄板的相對熱導(dǎo)率d = ; 丄\ η:\
[0013] S7 :用步驟SI至S6的相同方法得到已知熱導(dǎo)率為γ。的金屬薄板的相對熱導(dǎo)率 $ ^計算得到比例系數(shù);
[0014] S8 :計算待測金屬薄板的熱導(dǎo)率_./ =衫。
[0015] 本發(fā)明基于紅外熱成像技術(shù)的金屬薄板熱導(dǎo)率測量方法，在短時間內(nèi)向待測金屬 薄板注入熱量，然后采用紅外熱成像儀連續(xù)獲取若干幅待測金屬薄板表面的熱輻射能量圖 像，選取時刻h的熱輻射能量圖像，選擇若干個待測像素點，根據(jù)待測像素點沿?zé)醾鲗?dǎo)方 向上前后兩個點的像素點的熱輻射能量，計算得到溫度梯度，再根據(jù)時刻h和時刻1 1= At的熱輻射能量圖像計算得到熱輻射能量變化率，計算得到相對熱導(dǎo)率；然后采用同 樣方法對已知熱導(dǎo)率的金屬薄板進(jìn)行測量得到對應(yīng)的相對熱導(dǎo)率，計算得到比例系數(shù)，然 后根據(jù)比例系數(shù)和待測金屬薄板的相對熱導(dǎo)率計算得到待測金屬薄板的熱導(dǎo)率。
[0016] 本發(fā)明通過計算熱輻射能量圖像中某點熱輻射能在熱傳導(dǎo)方向上的梯度和時間 軸方向上的差值，間接測量材料該點的瞬時溫度梯度和熱流密度進(jìn)而計算得到相對熱傳導(dǎo) 系數(shù)。本發(fā)明技術(shù)方案的測量時間短、操作簡單；溫度范圍與導(dǎo)熱系數(shù)范圍寬；計算精度 高，對環(huán)境要求低。
【附圖說明】
[0017] 圖1是金屬薄板表面熱輻射能時空數(shù)據(jù)分布示意圖；
[0018] 圖2是沿?zé)醾鲗?dǎo)方向的熱平衡過程曲線示意圖；
[0019] 圖3本發(fā)明基于紅外熱成像技術(shù)的金屬薄板熱導(dǎo)率測量方法的流程圖；
[0020] 圖4是采用脈沖激勵空心線管對待測金屬薄板進(jìn)行加熱的示意圖；
[0021] 圖5是待測金屬薄板的紅外熱成像示例圖。
【具體實施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進(jìn)行描述，以便本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地 理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當(dāng)已知功能和設(shè)計的詳細(xì)描述也許 會淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時，這些描述在這里將被忽略。
[0023] 為了更好地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，首先對本發(fā)明所運用的原理進(jìn)行說明。
[0024] 圖1是金屬薄板表面熱輻射能時空數(shù)據(jù)分布示意圖。圖2是沿?zé)醾鲗?dǎo)方向的熱平 衡過程曲線示意圖。如圖1和圖2所示，以X軸作為金屬薄板表面的熱傳導(dǎo)方向。紅外熱 成像儀所采集到的金屬薄板表面熱輻射能量圖像序列，包含了熱輻射能時空分布數(shù)據(jù)，記 錄了熱量沿?zé)醾鲗?dǎo)方向熱平衡的整個過程。特定的某點（圖1和圖2中的P 1)在整個熱傳 導(dǎo)過程中溫度的絕對值變化很小，熱輻射能與溫度之間、熱能量之間都可近似為線性關(guān)系， 那么沿?zé)醾鲗?dǎo)方向（X軸）的熱導(dǎo)率γ的計算公式可表示為：
[0025] ?Μ'-Ρ?'ψ- ⑴ \ ut J OX
[0026] 其中，#為熱輻射能隨時間的變化率，$表示表面熱輻射能在熱傳導(dǎo)方向（X Ot CX 軸）上的梯度，k表示比例系數(shù)。
[0027] 圖3本發(fā)明基于紅外熱成像技術(shù)的金屬薄板熱導(dǎo)率測量方法的流程圖。如圖3所 示，本發(fā)明基于紅外熱成像技術(shù)的金屬薄板熱導(dǎo)率測量方法包括以下步驟：
[0028] S301 :注入熱量：
[0029] 在預(yù)設(shè)時間T內(nèi)按照預(yù)設(shè)功率P向待測金屬薄板注入熱量。注入熱量的時間不宜 過長，功率也不宜過大，一般來說時間T應(yīng)當(dāng)控制在T < 2秒，功率可以根據(jù)金屬薄板的材 質(zhì)、大小和厚度來確定。
[0030] S302 :獲取熱輻射能量圖像：
[0031] 在注入熱量后，采用紅外熱成像儀連續(xù)獲取若干幅待測金屬薄板表面的熱輻射能 量圖像。顯然，紅外熱成像儀應(yīng)該在熱量注入完成之后即開始獲取圖像。
[0032] S303 :計算待測像素點的溫度梯度：
[0033] 選擇時刻h的熱輻射能量圖像中的N個待測像素點p η1，η = 1，2,…，N，N的取值 范圍為N多1，得到在溫度傳導(dǎo)方向上、位于待測點ρη1前后、與待測點s "均為距離d的兩個 像素點P