基于红外热像仪的热参数反演测量装置

摘要

基于红外热像仪的热参数反演测量装置，属于热物性测试技术领域。为了解决现有热参数反演测量受噪声影响进而误差大的问题。包括保温装置、紧固支撑装置和采集处理装置；保温装置，用于对被测试样进行加热及保温；紧固支撑装置用于调节保温装置与被测试样之间的紧密度；在被测试样侧面上钻有多个小孔，根据逼近黑体法辐射测温原理，这些小孔构成了黑体空腔，其有效发射率接近1；采集处理装置，利用红外热像仪对被测试样的小孔的温度进行非接触式采集，对采集的信息进行处理，反演出热参数。所述采集处理装置，利用共轭梯度法，反演出热参数。本发明用于热参数反演。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于红外热像仪的热参数反演测量装置，属于热物性测试技术领域。

背景技术

红外热像仪能够测量出被测目标的温度。热参数反演技术是根据被测目标内部或边界的一点或多点的温度信息，通过热传导反问题的方法反演出被测目标的边界形状、热物性参数、历史温度等，是涉及到传热学、物理、数学、计算机、实验技术等学科的交叉领域。

热传导反问题的边界热流和换热状况是待测的，故其数学定解问题是不适定的，因而严格来说是无定解的，或者是很难求解的。它与导热正问题密切相关，这不仅仅是在求解反问题必然要涉及正问题，而且在正问题中，边界条件也是通过实验来确定的，特别是表面热流测量中误差大，这是由于安装传感器使表面状况破坏及热流测量的不确定性。相比之下，采用测量物体内部温度则比较准确，因此通过适当的求解反问题的方法，可使正问题边界条件更准确的被测定。所以导热正、反问题是导热过程的相互存在内在联系的两个方面。

由于实际工程问题的复杂性，只有极少数反问题能够得到解析解，绝大部分问题给出的是数值解。采用数值解是当前求解热传导反问题应用最为广泛的手段，其研究包含两个方面的意思：一方面为反演算法创新研究，在实际工程应用中，测量误差是客观存在的，如何克服反问题的不适定性是他们研究目的；另一方面为应用研究，针对实际问题中未知的量，采用现有的反演技术对各个量进行识别，这两方面的研究也往往联系在一起，在对各个量进行识别的同时，也验证了所提算法的可行性。

在上个世纪60年代，Stolz最早采用数值方法进行淬火反问题研究，对导热系数进行反演识别，指出热传导反问题的不适定性以及反问题的解依赖于所采用的方法，并且还指出当提供的信息为精确的数据时，解的不稳定性会得到抑制。此外，还有一些学者为了克服反问题的不适定性，提出了其它形式的正则化方法，并应用于热传导反问题的求解，对边界条件和导热系数进行了识别。在上个世纪早期的研究中，对热传导反问题的研究还相对较少，求解的问题也大多是较为简单的一维问题。

目前来说，大多数求解反问题都是针对一维热传导反问题提出的。测量中的随机噪声对未知量的估计影响非常大，如何量化噪声还没有具体的方法。对于信息误差的影响只是停留在理论上，而实际中信息误差非常复杂，相关研究非常少，在误差的预处理和算法抗噪性方面需要深入研究。随时间变化和温度变化的热物性系数的组合测量，目前大多只是进行理论探讨，对于实际问题，由于其复杂性，没有相关研究。热参数反演时，对于物体的不同形态如固体、液体，是否能利用相同的算法同时反演不同形态物体的热参数。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有热参数反演测量受噪声影响进而误差大的问题，本发明提供一种基于红外热像仪的热参数反演测量装置。

本发明的基于红外热像仪的热参数反演测量装置，包括保温装置、紧固支撑装置和采集处理装置；

保温装置，用于对被测试样8进行加热及保温；

紧固支撑装置用于调节保温装置与被测试样8之间的紧密度；

在被测试样8侧面上钻有多个小孔5，根据逼近黑体法辐射测温原理，这些小孔5构成了黑体空腔，其有效发射率接近1；

采集处理装置，利用红外热像仪对被测试样8的小孔5的温度进行非接触式采集，对采集的信息进行处理，反演出热参数。

所述采集处理装置，利用共轭梯度法，反演出热参数。

所述热参数为可变导热系数；

反演出可变导热系数的方法为：

利用红外热像仪测得被测试样8随位置变化的温度场信息，利用热流计测出被测试样8上下表面的热流密度，利用共轭梯度法，反演出被测试样8随温度变化的可变导热系数：

$\left(\begin{array}{c}\rho C\frac{\partial u(x,t)}{\partial t}=\frac{\partial }{\partial x}\left(K\right(u\left)\frac{\partial u(x,t)}{\partial x}\right),0<x<L,0<t\le t_f\\ -K\left(u\right)\frac{\partial u}{\partial x}{|}_{x=0}=q_1,0<t\le t_f\\ -K\left(u\right)\frac{\partial u}{\partial x}{|}_{x=L}=q_2,0<t\le t_f\\ u(x,0)=u_0\left(x\right),0<x<L\end{array}\right)$

其中，ρ为密度；C为比热容；u(x,t)为温度信息，δ为狄拉克函数，x为小孔5距离被测试样8上表面的距离，t表示不同时刻；u₀(x)为初始温度；q₁为被测试样8上表面的热流密度，q₂为被测试样8下表面的热流密度；t_f为采集温度的时间；L为被测试样8的厚度；

K(u)为可变导热系数。

所述热参数为加热源的加热功率；

反演出加热功率的方法为：

被测试样8为常导热系数材料，利用红外热像仪测得被测试样8随位置变化的温度场信息，利用共轭梯度法，反演出被测试样表面或内部的热源的加热功率：

$\left(\begin{array}{c}\rho C\frac{\partial u(x,t)}{\partial t}=\frac{\partial }{\partial x}\left(K\frac{\partial u(x,t)}{\partial x}\right)+G\left(t\right)\delta (x-x_s),0<x<L,0<t\le t_f\\ -K\frac{\partial u}{\partial x}{|}_{x=0}=0,0<t\le t_f\\ -K\frac{\partial u}{\partial x}{|}_{x=L}=0,0<t\le t_f\\ u(x,0)=u_0\left(x\right),0<x<L\end{array}\right)$

其中，ρ为密度；C为比热容；u(x,t)为温度信息，δ为狄拉克函数，x为小孔5距离被测试样8上表面的距离，t表示不同时刻；u₀(x)为初始温度；t_f为采集温度的时间；L为被测试样8的厚度；K为与温度无关的导热系数；x_s为热源与被测试样8上表面的距离；

G(t)为加热源的加热功率。

所述热参数为材料表面随温度变化的热流密度；

反演出材料表面随温度变化的热流密度的方法为：

利用红外热像仪测得被测试样8随位置变化的温度场信息，利用共轭梯度法，反演出被施加在被测试样8表面的随温度变化的热流密度：

$\left(\begin{array}{c}\rho C\frac{\partial u(x,t)}{\partial t}=\frac{\partial }{\partial x}\left(K\frac{\partial u(x,t)}{\partial x}\right),0<x<L,0<t\le t_f\\ -K\frac{\partial u}{\partial x}{|}_{x=0}=q\left(t\right),0<t\le t_f\\ -K\frac{\partial u}{\partial x}{|}_{x-L}=0,0<t\le t_f\\ u(x,0)=u_0\left(x\right),0<x<L\end{array}\right)$

其中，ρ为密度；C为比热容；u(x,t)为温度信息，δ为狄拉克函数，x为小孔5距离被测试样8上表面的距离，t表示不同时刻；u₀(x)为初始温度；t_f为采集温度的时间；L为被测试样8的厚度；K为与温度无关的导热系数；q(t)为随温度变化的热流密度。

所述保温装置包括下层绝热材料7、电热膜9和上层绝热材料10；

上层绝热材料10和下层绝热材料7分别设置在被测试样8的上下表面，电热膜9设置在上层绝热材料10和被测试样8的上表面之间。

所述测量装置还包括大功率可调直流电源，大功率可调直流电源为电热膜9供电。

所述紧固支撑装置包括手柄1、上层支架2、第一压板3、第二压板4、下层支架6和螺杆11；

上层支架2和下层支架6平行设置，采用四根螺杆11同时固定上层支架2和下层支架6，构成骨架，上层支架2和下层支架6之间采用一块有机玻璃板作为第二压板4；

采用顶端设有圆板的螺旋杆作为手柄1，螺旋杆的底端穿过上层支架2,连接第一压板3，转动手柄1带动第一压板3促使第二压板4在小范围内上下移动，以压紧和卸载待测试样8。

本发明的有益效果在于，本发明为满足第二类边界条件，被测试样材料上下表面需要放置绝热材料，与被测试样构成三明治结构，电热膜放置在上层绝热材料和被测试样之间。为了有效地减小接触热阻带来的影响，测试时釆用了紧固支撑装置使被测试样与电热膜和绝热材料间的接触紧密，有效排除接触面之间可能产生的空气层，减小测试误差。在被测试样8侧面上钻孔，根据逼近黑体法辐射测温原理，这些小孔构成了黑体空腔，其有效发射率接近1，减小红外热像仪发射率设定不准所造成的误差。

附图说明

图1为具体实施方式中基于红外热像仪的热参数反演测量装置的原理示意图。

图2为反演可变导热系数的原理示意图；

图3为反演加热源的加热功率的原理示意图；

图4为反演热流密度的原理示意图。

具体实施方式

结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于红外热像仪的热参数反演测量装置，包括保温装置、紧固支撑装置和采集处理装置；

本实施方式中的保温装置包括下层绝热材料7、电热膜9和上层绝热材料10；

上层绝热材料10和下层绝热材料7分别设置在被测试样8的上下表面，电热膜9设置在上层绝热材料10和被测试样8的上表面之间；

本实施方式中采用电热膜作为电加热元件，从被测试样8的上表面对其加热；

紧固支撑装置用于调节上层绝热材料10、电热膜9、被测试样8的上下表面和下层绝热材料7之间的紧密度；

本实施方式中的紧固支撑装置包括手柄1、上层支架2、第一压板3、第二压板4、下层支架6和螺杆11；

上层支架2和下层支架6平行设置，采用四根螺杆11同时固定上层支架2和下层支架6，构成骨架，上层支架2和下层支架6之间采用一块有机玻璃板作为第二压板4；采用顶端设有圆板的螺旋杆作为手柄1，螺旋杆的底端穿过上层支架2,连接第一压板3，转动手柄1带动第一压板3促使第二压板4在小范围内上下移动，以压紧和卸载待测试样8，第一压板3为圆形压板。

本实施方式中，测试前需要在被测试样侧面上钻有多个小孔5，根据逼近黑体法辐射测温原理，这些小孔5构成了黑体空腔，其有效发射率接近1；

采集处理装置对被测试样8的小孔5的温度进行非接触式采集，对采集的信息进行处理，反演出热参数；

本实施方式中，采集处理装置包括红外热像仪、热流计和计算机处理系统；

红外热像仪，用于非接触式采集；测量前，采用红外热像仪瞄准被测试样的带有钻孔的侧面；

热流计，用于测出被测试样8上下表面的热流密度；

计算机处理系统，用于发出触发信号启动红外热像仪完成被测试样8的温度场测试，并将红外热像仪传送来的红外图像转换成伪色彩温度图像，进行分析和计算，反演出被测试样8的热参数：可变导热系数、加热源的加热功率和材料表面随温度变化的热流密度，并将热参数保存及显示；

反演可变导热系数的方法：

利用红外热像仪测得被测试样8随位置变化的温度场信息，利用热流计测出被测试样8上下表面的热流密度，利用共轭梯度法，反演出被测试样8随温度变化的可变导热系数，如图2所示，具体过程为：

$\left(\begin{array}{c}\rho C\frac{\partial u(x,t)}{\partial t}=\frac{\partial }{\partial x}\left(K\right(u\left)\frac{\partial u(x,t)}{\partial x}\right),0<x<L,0<t\le t_f\\ -K\left(u\right)\frac{\partial u}{\partial x}{|}_{x=0}=q_1,0<t\le t_f\\ -K\left(u\right)\frac{\partial u}{\partial x}{|}_{x=L}=q_2,0<t\le t_f\\ u(x,0)=u_0\left(x\right),0<x<L\end{array}\right)$

其中，ρ为密度；C为比热容；u(x,t)为温度信息，δ为狄拉克函数，为小孔5距离被测试样8上表面的距离，t表示不同时刻；u₀(x)为初始温度；q₁为被测试样8上表面的热流密度，q₂为被测试样8下表面的热流密度；t_f为采集温度的时间；L为被测试样8的厚度；

K(u)为可变导热系数。

反演加热源的加热功率的方法：

被测试样8为常导热系数材料，利用红外热像仪测得被测试样8随位置变化的温度场信息，利用共轭梯度法，反演出施加在被测试样表面的加热功率，如图3所示，具体过程为：

$\left(\begin{array}{c}\rho C\frac{\partial u(x,t)}{\partial t}=\frac{\partial }{\partial x}\left(K\frac{\partial u(x,t)}{\partial x}\right)+G\left(t\right)\delta (x-x_s),0<L,0<t\le t_f\\ -K\frac{\partial u}{\partial x}{|}_{x=0}=0,0<t\le t_f\\ -K\frac{\partial u}{\partial x}{|}_{x=L}=0,0<t\le t_f\\ u(x,0)=u_0\left(x\right),0<x<L\end{array}\right)$

其中，ρ为密度；C为比热容；u(x,t)为温度信息，δ为狄拉克函数，x为小孔5距离被测试样8上表面的距离，t表示不同时刻；u₀(x)为初始温度；t_f为采集温度的时间；L为被测试样8的厚度；K为与温度无关的导热系数；x_s为热源与被测试样8上表面的距离；

G(t)为加热源的加热功率；

反演热流密度的方法：

利用红外热像仪测得被测试样8随位置变化的温度场信息，利用共轭梯度法，反演出被施加在被测试样8表面的随温度变化的热流密度，如图4所示，具体过程为：

$\left(\begin{array}{c}\rho C\frac{\partial u(x,t)}{\partial t}=\frac{\partial }{\partial x}\left(K\frac{\partial u(x,t)}{\partial x}\right),0<x<L,0<t\le t_f\\ -K\frac{\partial u}{\partial x}{|}_{x=0}=q\left(t\right),0<t\le t_f\\ -K\frac{\partial u}{\partial x}{|}_{x=L}=0,0<t\le t_f\\ u(x,0)=u_0\left(x\right),0<x<L\end{array}\right)$

其中，ρ为密度；C为比热容；u(x,t)为温度信息，δ为狄拉克函数，x为小孔5距离被测试样8上表面的距离，t表示不同时刻；u₀(x)为初始温度；t_f为采集温度的时间；L为被测试样8的厚度；K为与温度无关的导热系数；q(t)为随温度变化的热流密度；

本实施方式中还包括大功率可调直流电源，大功率可调直流电源为电热膜9供电。