一种点热源测固体材料热物性参数实验装置

摘要

本发明涉及材料热物性参数测试技术领域，具体涉及一种点热源测固体材料热物性参数实验装置，包括：激光点热源单元，试样实验单元，信号采集单元。本发明利用激光发射器所发射的斑点，在试样上形成点热源的手段研制激光点热源非稳态传热模型测固体材料热物性参数的实验装置。被测试样处于真空环境中，减小实验过程中外部环境对测点采集温度的影响。同时本实验装置避免了因试样表面不平整而造成的试样表面加热不均匀，有效提高了参数测试精度。

说明书

技术领域：

本发明涉及材料热物性参数测试技术领域，具体涉及一种点热源测固体材料热物性参数实验装置。

背景技术：

材料的热物性是材料的重要特征参量，它指的是材料在热学过程中所表现出来的反映各种热力学特性的参数的总称，包括密度、比热、热导率、热扩散率、熔解率、热膨胀系数、粘度、表面发射率与吸收率、熔点、沸点等，它系统地反映了材料的载热能力和热输运能力。热物理性质测试研究是横跨多领域的研究，它与空间技术、能源技术、材料科学、信息技术、微电子机械系统都有密切的关系。随着新型材料的广泛研究及运用，首先要解决材料的检测设备和方法问题，材料热物性参数测试方法方面的研究将得到持续关注和发展。

现有测试方法中，激光脉冲技术测材料热物性参数因具有测试周期短、温度范围宽、对试样几何尺寸无特殊要求等一系列优点而得到广泛的研究和应用。其中，激光闪射法作为当今发展最快，最具代表性，是国际热物理学界普遍承认的瞬态测法，但其对试件表面平整度要求较高，否则将会因试样表面不平而造成的表面积计算误差，给激光加热功率换算带来明显影响。

因此，有必要提供一种新的以激光作为点热源的新型固体材料热物性测试系统解决上述技术问题。

发明内容：

针对现有技术的不足，本发明公开了一种点热源测固体材料热物性参数实验装置，本发明是通过以下技术方案实现：

一种点热源测固体材料热物性参数实验装置，包括：试样实验单元、激光点热源单元、信号采集单元，从左至右依次安装在所述操作台上。

所述试样实验单元包括：操作台，PVC管，真空泵，抽气阀，卡箍，十字四通阀，气压表，上端盖，橡胶套，泄气阀，真空箱箱体，激光透镜，绕线轮，绕线轮主体，线杯，定位线，控制轮，试样。

所述真空泵安装在所述操作台上；所述真空泵通过所述PVC管连接所述抽气阀，并通过卡箍固定在两端接口；所述抽气阀右端端口通过所述管螺纹连接所述十字四通阀的左端端口；所述十字四通阀的上方端口通过管螺纹连接所述气压表，所述十字四通阀右端端口通过管螺纹连接所述泄气阀。所述十字四通阀下端端口通过螺钉安装在所述上端盖上，所述上端盖包裹有所述橡胶套；所述激光透镜位于带有孔的所述真空箱箱体右端面中心；所述真空箱左端外侧壁面以及右端外侧壁面均通过玻璃胶粘有两个间距一定的所述绕线轮，所述绕线轮主体粘在所述真空箱箱体上；所述绕线轮的转动部件为带有手摇把的所述线杯，其特征在于收放所述定位线功能；所述控制轮连接在所述绕线轮主体的另一侧，与所述线杯位于同一轴线，其特征在于控制所述线杯的旋转方向，防止定位线脱落功能；所述定位线通过左右两端成对的所述线杯悬空架在所述真空箱箱体上方；所述试样为固体材料，其通过所述定位线悬空架在所述真空箱箱体上方；所述试样表面贴有所述温度传感器，所述温度传感器特征在于检测所述试样温度功能。所述被测试样处于真空环境中，减小实验过程中外部环境对测点采集温度的影响。同时本实验装置避免了因试样表面不平整而造成的试样表面加热不均匀，有效提高了参数测试精度。

所述信号采集单元由电源，温度变送器，温度传感器，STM32单片机，蓝牙模块，电脑，变压器，电控底板，护线框构成。所述温度变送器与温度传感器连接，其特征在于将采集的信号处理并传送给所述STM32单片机；所述STM32单片机引脚外接所述蓝牙模块，上述电气元件均安装在所述电控底板上；所述电源通过所述限位槽固定在所述电控底板上，由于所述电源可提供伏数恒定，所以采用所述变压器为以上电气元件提供所需不同伏数电力；所述护线框横纵向交错排列，其特征在于隔开所述电气元件功能，收拢连接线，保持所述电控底板上连接线整洁功能；所述电脑固定在操作台上，其特征在于在通过所述蓝牙模块接收数据的同时运用LABVIEW软件开发数据采集界面，便于对所述试样测点的温度进行观测和储存功能。

所述激光点热源单元包括激光连接件，支撑杆，激光底座，激光固定架，激光发射器，金属管，激光发生器。所述激光底座通过螺钉固定在所述操作台上，位于所述真空箱右端，所述支撑杆插入所述激光底座的孔里，所述支撑杆顶端开有孔，通过紧定螺钉固定在所述激光连接件轴向顶端的孔上，所述激光连接件上开有轴向以及垂直轴向的孔，所述激光连接件上垂直轴向的孔通过紧定螺钉固定有激光固定架，所述激光固定架为带有孔的长柄，所述激光发射器通过螺钉固定在激光固定架上，其特征在于形成点热源；所述激光发射器通过所述金属管连接所述激光发生器。所述激光发生器安装在操作台上。

附图说明：

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的实验装置总体结构示意图；

图2是本发明实施例试样实验单元的正视结构示意图；

图3是本发明实施例试样实验单元轴侧结构示意图；

图4是本发明实施例激光点热源单元结构示意图；

图5是本发明实施例信号采集单元结构示意图。

图中，1-真空泵，2-PVC管，3-上端盖，4-激光发生器，5-电脑，6-操作台，7-绕线轮，8-信号采集单元，9-橡胶套，10-定位线，11-卡箍，12-抽气阀，13-十字四通阀，14-气压表，15-泄气阀，16-真空箱箱体，17-试样，18-温度传感器，19-线杯，20-绕线轮主体，21-控制轮，22-激光透镜，23-激光连接件，24-激光固定架，25-激光发射器，26-支撑杆，27-激光底座，28-温度变送器，29-护线框，30-电源，31-限位槽，32-蓝牙模块，33-STM32单片机，34-变压器。

实施方式：

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参照图2，真空泵1安装在所述操作台6上，其创造了真空环境，减小实验过程中外部环境对实验温度的影响，从而提高测试精度。实验开始，打开真空泵1，真空泵1通过由卡箍11连接在真空泵1的抽气口的PVC管2，将真空箱中抽成真空，十字四通阀13通过螺钉安装在上端盖3中央，上端盖3周围包裹有橡胶套9；抽气阀12右端端口通过管螺纹连接十字四通阀13左端端口，十字四通阀13的上方端口通过管螺纹连接气压表14，十字四通阀13右端端口连接泄气阀15。抽真空时，真空箱中空气通过抽气阀12抽出，真空箱箱盖的橡胶套9起到密封作用，直到真空箱中真空度达到设定值。气压表14显示真空箱中空气真空度大小，待真空箱中真空度达到设定值，调节抽气阀12使箱体内保持恒定负压。此时调整试样17到合适高度。实验结束，打开泄气阀15，真空箱中进气，恢复正常大气压。

参照图3，激光透镜22位于带有孔的真空箱箱体16右壁面中心；真空箱箱体16左端外侧壁面以及右端壁面各通过玻璃胶粘有两个间距一定的绕线轮7，绕线轮主体21粘在真空箱箱体16上；绕线轮7的转动部件为带有手摇把的线杯19，控制轮21连接在绕线轮主体20的另一侧，与线杯19位于同一轴线；定位线10通过左端和右端的成对的绕线轮7架在真空箱上方，试样17为固体材料，并放于定位线10上方，转动真空箱左端和右端的多个绕线轮7的手摇柄，带动绕线轮线杯19转动，定位线10缠绕在线杯19上，线杯19的转动带动定位线10的收放，控制轮21控制线杯19的旋转方向，防止线杯20反方向旋转，从而达到实现调整试样17的高度的功能。实验结束，通过反转控制轮21将定位线10松开，取下试样。

参照图4，激光底座27通过螺钉固定在操作台6上，位于真空箱右端，支撑杆26插入激光底座27的孔里，支撑杆26顶端开有孔，通过紧定螺钉固定在激光连接件23轴向顶端的孔上，激光连接件23上开有轴向以及垂直轴向的孔，激光连接件23上垂直轴向的孔通过紧定螺钉固定有激光固定架24，激光固定架24为后端为圆柱体，前端为中空的长柄，激光发射器25通过螺钉固定在激光固定架24上，激光发射器25通过金属管连接激光发生器4。激光发生器4固定在操作台6上。工作之前，需要调整激光发射器25的平行度以及调整激光发射器25的高度，使其发射的激光能正好穿过激光透镜22，并射出。工作时，激光发生器4接通电源30，此时激光发生器4运转，激光发生器4工作所产生的激光，通过与金属管连接的激光发射器25发射出去，所发出激光射在试样17上，形成点热源使试样17开始加热。

参照图5，信号采集单元8的实施例在于，试样17的表面贴有温度传感器18，温度传感器18连接温度变送器28，电源30通过限位槽31固定在操作台6。STM32单片机33通过连接线连接变压器34端口，蓝牙模块32引脚通过连接线连接STM32单片机33上引脚；护线框29横纵向交错排列，将电气元件隔开并收拢连接线，保持电控底板上线路整洁。上述电气元件均固定在电控底板上，电脑5固定在操作台6上。温度传感器18所采集信号通过温度变送器28传送给STM32单片机33进行处理，STM32单片机33外接蓝牙模块32，蓝牙模块32将STM32单片机33所获得温度信号传输至电脑5的蓝牙接收端，并通过所制成LABVIEW界面实现温度信号检测，进而对试样17测点的温度进行观测和储存。由于电源30可提供伏数恒定，所以采用变压器34为以上电气元件提供所需不同伏数电力。