改进型瞬态平面热源法的实验研究

摘要

导热系数是材料的重要热物性参数之一，广泛应用于建筑节能、石油化工、航空航天等领域中，准确快速的测量导热系数对材料的使用意义重大。瞬态平面热源法是导热系数的测量方法之一，具有测量范围广、时间短、试件容易制备等优点;但受环境温度及电源波动、接触热阻等的影响，测量精度较低。本文以瞬态平面热源法为基础，建立了固体导热系数的BP神经网络模型，并用L-M算法替代传统BP算法，旨在进一步提高测量精度。主要完成以下工作:
　　理论分析了半无限大物体的瞬态导热过程，得到了探头表面的温升表达式;简述了改进型TPS法的测量原理，推导出了导热系数的计算公式，并分析了测量误差的主要来源;介绍了热电阻的测温原理，探头选材及尺寸设计、试件加工制作的过程等，设计探头半径r=6.4mm、厚h=60μm，试件最小直径和最小厚度分别为4.4r、1.2r;介绍了稳流直流电源的基本原理，并根据设计要求，选定AgilentE3642A型直流电源为辅助加热电源。对设计的探头、采样电阻进行标定和校准;用C-Therm TCi导热仪，对磷青铜、铝金属、Pyrex玻璃、LAF6720泡沫及微晶玻璃等材料进行测量;以加热功率、加热时间、密度、环境温度、电压变化（或电压变化率）及温升（或温升速率）为关键输入变量，建立了固体导热系数的BP网络模型，并用MATLAB7.5完成对网络的创建、训练及检验等过程。
　　实验结果:模型1、模型2、模型3的相对误差分别为≤3.5％、≤2％、≤10％，表明模型2的网络结构比模型1、模型3的好，以模型2为参考建立的固体导热系数的BP网络模型值得推荐;也表明，用BP网络的方法来减小TPS法相对误差的实验方案是可行的;输入变量对网络的性能影响很大。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．1．1 热传导基本特性

1．1．2 导热系数的测量

1．2 瞬态平面热源法导热仪现状分析

1．2．1 瞬态平面热源法简介

1．2．2 瞬态平面热源法应用现状

1．2．3 瞬态平面热源法存在的问题

1．3 人工神经网络简介

1．3．1 人工神经网络发展史

1．3．2 神经网络模型

1．4 ANN在导热系数测量中的应用

1．5 论文各章节的主要内容安排

第2章 TPS法测量原理

2．1 概述

2．2 半无限大物体的瞬态导热

2．2．1 基本概念

2．2．2 方程求解

2．3 TPS探头测量模型简介

2．3．1 基本原理

2．3．2 理想模型的建立

2．3．3 理想模型求解

2．4 误差分析

2．4．1 测试材料的影响

2．4．2 接触热阻的影响

2．4．3 测试设备的影响

2．4．4 校正方法的影响

2．5 本章小结

第3章 TPS法测固体导热系数的BP网络模型

3．1 概述

3．2 BP神经网络原理

3．2．1 BP网络的结构

3．2．2 BP算法的基本原理

3．2．3 BP网络的计算过程

3．2．4 BP网络的性能评价

3．3 BP网络存在的问题及改进

3．3．1 BP网络存在的问题

3．3．2 BP算法的改进

3．4 MATLAB神经网络工具箱简介

3．4．1 MATLAB简介

3．4．2 神经网络工具箱简介

3．4．3 图形用户界面简介

3．5 固体导热系数的BP网络模型

3．5．1 关键输入参数分析

3．5．2 BP网络结构参数的设计

3．5．3 样本问题

3．6 本章小结

第4章 实验测量设备

4．1 概述

4．2 C-Therm TCi导热仪简介

4．3 TPS探头的设计

4．3．1 热电阻传感器基本原理

4．3．2 探头设计

4．4 测量桥路的设计

4．5 稳流直流电源

4．6 计算机配置

4．7 其它必需设备

4．8 本章小结

第5章 实验研究与结果分析

5．1 实验材料的准备

5．2 仪器的标定和校准

5．2．1 探头的标定

5．2．2 采样电阻的校准

5．3 实验结果与数据分析

5．3．1 实验数据整理

5．3．2 网络模型的训练、验证及结果分析

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢

附表

攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作