Способ определения температуропроводности материала

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Белый Владимир НиколаевичКазак Николай СтаниславовичМащенко Александр ГеоргиевичМухуров Николай ИвановичРопот Петр ИосифовичХило Николай АнатольевичШрайбер Юрген(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Способ определения температуропроводности материала, при котором осуществляют импульсный нагрев поверхности образца в первой локальной области импульсным источником тепла с интенсивностью, достаточной для обеспечения распространения возбужденной в образце тепловой волны до его второй локальной области, которую освещают зондирующим лазерным излучением малой интенсивности для образования отраженным от образца упомянутым излучением спекл-картины, последовательно регистрируют в фиксированные моменты времени изменения спекл-картины, вызванные тепловой волной, Фиг. 1 13697 1 2010.10.30 определяют момент времени, при котором скорость изменения спекл-картины достигает максимума, измеряют расстояние между первой и второй локальными областями и определяют температуропроводностьматериала по выражению 2,2 0 где- расстояние между первой и второй локальными областями,0 - промежуток времени от момента начала импульсного нагрева материала до момента времени, при котором скорость изменения спекл-картины достигает максимума. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что момент времени, при котором скорость изменения спекл-картины достигает максимума, устанавливают путем определения экстремума производной по времени , прошедшего с момента начала импульсного нагрева материала, от корреляционной функции, ,)(,2 , ,)(,2 где - интенсивность спекл-картины во второй локальной области образца в точке с координатами (,) в момент времени 1 ,(,)(,,) - среднее значение интенсивности спекл-картины во 1, 1 второй локальной области образца в момент времени ,где (,) - координаты суммирования по второй локальной области образца. Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для массового и экспрессного определения температуропроводности материалов и изделий из них. Известен способ определения температуропроводности материала,,,,// . . - 1961. - .32. - . 1679-1684, основанный на возбуждении теплового поля импульсом лазера на одной из поверхности образца в виде тонкой плоской пластины и последующей регистрации зависимости температуры от времени на противоположной поверхности. По полученной зависимости температуры от времени рассчитывают температуропроводность исследуемого материала. Необходимость изготовления образцов специальной формы ограничивает область применения этого способа определения температуропроводности. Известен способ определения температуропроводимости материала Ивакин Е.В., Суходолов А.В., Ральченко В.Г., Власов А.В., Хомич А.В. Измерение теплопроводности поликристаллического -алмаза методом импульсных динамических решеток // Квантовая электроника. - 2002. - Т. 32. -4. - С. 367-372, основанный на формировании в образце тепловой дифракционной решетки путем облучения его лазерным импульсом,имеющим пространственно-периодическое распределение плотности энергии в образце. Одновременно образец освещается светом зондирующего лазера непрерывного действия. По измеренным значениям периода тепловой решетки и времени затухания интенсивности дифрагированного зондирующего света вычисляется температуропроводность в направлении вдоль поверхности образца. Данный способ определения температуропроводности пригоден для прозрачных и полупрозрачных материалов и требует подготовки специальных образцов. Известен способ определения температуропроводимости материала .,.,.// . .- 2001. - .17. . 95-98, прототип, в котором используется эффект миража. Исследуемый образец материала нагревают в первой локальной области световым импульсом интенсивностью до 2 13697 1 2010.10.30 статочной, чтобы порожденная тепловая волна дошла до выбранной близко расположенной второй локальной области и вызвала отклонение зондирующего светового пучка малой интенсивности, направленного в эту область. Регистрируют величину отклонения зондирующего пучка света датчиком, измеряют расстояние между первой и второй областями и из модельных расчетов находят температуропроводность материала. Данный способ позволяет определять температуропроводность полупрозрачных материалов и требует подготовки образцов специальной формы, а именно образцы должны быть подготовлены в виде плоскопараллельных пластин. Задачей данного изобретения является определение температуропроводности материалов и изделий произвольной формы в процессе их производства и эксплуатации. Поставленная задача решается следующим образом. В способе определения температуропроводности материала, при котором осуществляют импульсный нагрев поверхности образца в первой локальной области импульсным источником тепла с интенсивностью,достаточной для обеспечения распространения возбужденной в образце тепловой волны до его второй локальной области, которую освещают зондирующим лазерным излучением малой интенсивности для образования отраженным от образца упомянутым излучением спекл-картины, последовательно регистрируют в фиксированные моменты времени изменения спекл-картины, вызванные тепловой волной, определяют момент времени, при котором скорость изменения спекл-картины достигает максимума, измеряют расстояние между первой и второй локальными областями и определяют температуропроводностьматериала по выражению 2,2 0 где- коэффициент температуропроводности,- расстояние между первой и второй локальными областями, 0 - промежуток времени от момента начала импульсного нагрева материала до момента достижения максимальной скорости изменения спекл-поля. Момент наступления максимальной скорости изменения спекл-поля устанавливают путем определения экстремума производной по времениот корреляционной функции, ,)(,2 , ,)(,2 где - интенсивность спекл-поля во второй локальной области в точке с координа 1 ,тами (,) в момент времени , (,)(,,) - среднее значение интен 1, 1 сивности во второй локальной области в момент времени , (,) - координаты суммирования по второй локальной области,- промежуток времени, прошедший с момента включения нагревающего импульса накачки. Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана схема предлагаемого способа определения температуропроводности материала, на фиг. 2 приведена зависимость скорости изменения спекл-поля во второй выбранной локальной области от времени. Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. На поверхность материала, показанного на фиг. 1 в виде пластины 1, в первую локальную область 2 от лазера 3 направляется импульс света накачки 4 для возбуждения тепловой волны. Тепловая волна 5, распространяющаяся в направлении второй локальной области 6, обозначена на фиг. 1 штриховыми линиями. Вторая локальная область 6 освещается зондирующим излучением 7 с помощью лазера 8. Отраженное от образца 1 зондирующее лазерное излучение формирует в пространстве перед образцом спекл-поле, которое регистрируется с помощью скоростной цифровой камеры 10. 13697 1 2010.10.30 Возможность осуществления предлагаемого способа подтверждена экспериментально. В эксперименте для измерения температуропроводности использовались заготовки из стекла в виде пластин с известной величиной температуропроводности (коэффициент температуропроводности равен 5,810-7 м 2/с). Образцы были разделены на две группы. В первой группе образцов для возбуждения тепловой волны использовался полупроводниковый лазер. Для возбуждения тепловой волны во второй группе образцов применялось резистивное покрытие, которое было нанесено в виде полосы вдоль одной из сторон образцов методом напыления и подключалось к импульсному источнику напряжения. Зондирование области теплового возмущения в образцах в обоих случаях осуществлялосьлазером мощностью 10 мВт. Для регистрации динамики изменения спекл-поля использовалась скоростнаякамера (частота регистрации спекл-поля составляла 40 Гц). Во время проведения экспериментов изменялись интенсивность импульсного источника накачки, область нагревания объектов исследования и расстояние между первой и второй выбранными областями. При возбуждении тепловой волны с помощью полупроводникового лазера область нагревания уменьшалась с 0,6 мм до 0,2 мм и соответственно уменьшалось расстояние между областями с 0,5 мм до 0,1 мм. При возбуждении тепловой волны с помощью резистивного покрытия изменялось только расстояние между выбранными областями. После обработки экспериментальных данных было найдено, что значение коэффициента температуропроводности стекла, измеренное предлагаемым способом, лежит в интервале 5,210-75,910-7 м 2/с. Следует также отметить, что результаты измерения температуропроводности, полученные при возбуждении тепловой волны с помощью лазера и резистивного покрытия, практически совпали. В качестве примера на фиг. 2 приведена характерная полученная экспериментально зависимость скорости изменения спеклполя во второй области от времени. Таким образом, полученные в результате эксперимента данные, учитывая размер области, требуемой для измерения, подтверждают возможность определения температуропроводности материала предложенным способом. Источники информации,,// . . - 1961. - .32. - . 1679-1684. 2. Ивакин Е.В., Суходолов А.В., Ральченко В.Г., Власов А.В., Хомич А.В. Измерение теплопроводности поликристаллического -алмаза методом импульсных динамических решеток // Квантовая электроника. - 2002. - Т. 32. -4. - С. 367-372. 3..,.,.// . . - 2001. - .17. - . 95-98. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.