基于激光干涉和衰减的接触熔化中微液膜厚度与温度测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于激光干涉和衰减的接触熔化中微液膜厚度与温度测量装置及方法。所述装置应用于接触熔化传热研究领域。包括激光器、反射镜、分束镜和补偿透明板组成的光学测量系统，图像采集器、激光光束探测器和计算机组成的数据采集与处理系统，透明加热底板和相变材料组成的测量主体。本发明专利技术通过光学测量系统同时实现对液膜的激光干涉测量和光束衰减测量功能，再利用数据采集与处理系统分析干涉条纹图案和光强比值，实现了对测量主体中的接触熔化过程底部微液膜厚度和温度的同时在线测量。

【技术实现步骤摘要】
基于激光干涉和衰减的接触熔化中微液膜厚度与温度测量装置及方法
本专利技术属于接触熔化传热研究领域，具体涉及一种基于激光干涉的基于激光干涉和衰减的接触熔化中微液膜厚度与温度测量装置及方法。
技术介绍
接触熔化现象广泛出现在能源存储、减材制造、地质钻探和核技术等工程领域中，准确预测接触熔化的传热传质过程对工程应用具有重要意义。以相变储热为背景的研究专注于预测相变材料的宏观熔化速率，在各类简化假设的基础上得到了多种多样的预测模型。而接触熔化过程中微液层厚度、固体相对运动速度和驱动外力相互耦合导致的非线性运动，使得精确求解下方所示的微液层数学模型十分困难。尽管已经有大量的数值模拟工作预测了熔化过程中液膜厚度的变化情况，但研究者们对微液层内的是否稳态、速度边界条件、温度分布以及热源表面等问题并没有达成一致。实验发现在接触熔化过程中的主要传热机理是微液膜内导热，其中微液膜的厚度决定了传热热阻大小，而液膜内的温度决定了过热度大小。因此根据公式其中q为热流密度，k为导热系数，T为微液膜的温度，δ为微液膜的厚度，由此可知微液膜的温度和厚度直接决定了微液膜内的热流密度。但目前尚不存在有效的实验手段和方法对接触熔化过程中微液层的厚度及温度进行有效测量。
技术实现思路
本专利技术针对上述技术难点，提出了一种基于激光干涉的基于激光干涉和衰减的接触熔化中微液膜厚度与温度测量装置及方法。本专利技术通过光学测量系统同时实现对液膜的激光干涉测量和光束衰减测量功能，再利用数据采集与处理系统分析干涉条纹图案和光强比值，实现了对测量主体中的接触熔化过程底部微液膜厚度和温度的同时在线测量。基于激光干涉和衰减的接触熔化中微液膜厚度与温度测量装置包括光学测量系统、数据采集与处理系统和测量主体；所述的光学测量系统包括激光器、第一分束镜、第二分束镜、第一反射镜、第二反射镜、补偿透明板和激光光路；所述的数据采集与处理系统包括图像采集仪器、第一光束探测器、第二光束探测器和计算机；所述的测量主体包括透明加热板、相变材料和位于透明加热板及相变材料之间的微液膜；第一分束镜位于激光器发射的激光光路上，且第一分束镜的法线方向与所述激光光路存在夹角；第一分束镜对激光进行反射，第二分束镜位于第一分束镜的反射光路上，且其法线方向与反射光路存在夹角；激光经第二分束镜反射和透射，其中透射光束经补偿透明板后由第二反射镜反射至第二光束探测器；第二分束镜的反射光束导向至透明加热板，在微液膜的上下界面反射后形成能反映液膜厚度变化的干涉条纹，随后含有干涉信息的光束一方面依次经第二分束镜反射和第一分束镜透射后被图像采集仪器记录；另一方面经第二分束镜透射后经第一反射镜反射至第一光束探测器；第二分束镜的图像采集仪器、第一光束探测器、第二光束探测器均分别与计算机相连。优选的，所述测量主体的透明加热板使相变材料受重力作用出现接触熔化现象并形成厚度变化的微液膜。相变材料和透明加热板的大小尺寸可以根据需求设计。若需要严格控制实验条件，亦可对测量主体部分进行完善和优化。优选的，所述经第一分束镜反射的激光到达第二分束镜后，其透射光路从第二分束镜直至第二光束探测器的距离为ae+ef，其反射光路从第二分束镜经微液膜界面反射直至第一光束探测器的距离为ab+ba+ac+cd；所述的距离ae+ef等于距离ab+ba+ac+cd。优选的，所述的补偿透明板的材料与透明加热板相同且厚度是透明加热板2倍，使得第一光束探测器和第二光束探测器探测光束的光强之差即为激光在微液膜内的衰减损失。本专利技术还公开了一种所述测量装置的基于激光干涉和衰减的接触熔化中微液膜厚度与温度测量方法：首先，按照实验要求的材料、形状和大小制备好相变材料，并根据研究所需的边界条件选择并设置好透明加热板的材料、大小和加热条件，开启激光器、图像采集器、第一光束探测器、第二光束探测器并调试到良好状态；当透明加热板预热至要求状态，将相变材料放置在透明加热板上，相变材料底部受到加热并在重力作用下发生接触熔化现象并出现微液膜，图像采集器、第一光束探测器和第二光束探测器分别接收不同的光束信息，计算机对这些光束信息在线处理，得到了接触熔化过程中底部微液膜的厚度变化和温度变化情况。进一步的，所述图像采集器实时记录干涉条纹的变化图像，并传输至计算机，计算机实时统计同一位置处明暗条纹从0开始的变化次数m，根据以下公式得到接触熔化的瞬时液膜厚度：明条纹处的液膜厚度为明条纹处的液膜厚度为其中δ是液膜厚度，λ为激光波长，n为液膜折射率。进一步的，第一光束探测器和第二光束探测器分别实时记录测量光和参考光的光强大小并传输回计算机，计算机比较测量光与参考光的相对大小，之后根据以下公式和实时得到的液膜厚度δ推算得到微液膜当地的温度大小T，其中It为第二光束探测器测量得到的光强大小，Ir为第一光束探测器测量得到的光强大小,I为入射第二分束镜的激光光强，L为激光穿过aef路线或abbacd路线的等效衰减长度，ε为衰减系数，δ0为液膜的等效衰减长度，δ是液膜厚度，ε0为等效衰减系数，T为液膜当地温度，T0为参考温度。与现有技术相比，本专利技术具有如下显著优点：(1)采用了激光干涉原理，无干扰、高精度测量得到接触熔化过程微液膜局部或全场的厚度大小和增长过程。(2)采用了光强衰减比值原理，能高精度测量得到接触熔化过程微液膜局部或全场的温度大小和变化情况。(3)让光束探测器和图像采集器与计算机在线连接，利用同时获得的液膜厚度推算当地的温度情况。(3)采用透明加热板解决了光学测量和实现底部加热的矛盾。(4)设置了透明补偿板使得光强衰减比值的原理公式更加简洁方便。(5)利用同一光路系统实现液膜厚度和温度的同时测量，并可根据经典理论实现瞬时质量熔化率的在线监控。附图说明图1为一种基于激光干涉的基于激光干涉和衰减的接触熔化中微液膜厚度与温度测量装置及方法示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术实施方式作进一步详细说明。如图1所示，本专利技术的基于激光干涉和衰减的接触熔化中微液膜厚度与温度测量装置包括光学测量系统、数据采集与处理系统和测量主体；所述的光学测量系统包括激光器10、第一分束镜6、第二分束镜4、第一反射镜5、第二反射镜13、补偿透明板14和激光光路7；所述的数据采集与处理系统包括图像采集仪器8、第一光束探测器11、第二光束探测器12和计算机9；所述的测量主体包括透明加热板3、相变材料1和位于透明加热板3及相变材料1之间的微液膜2；第一分束镜6位于激光器10发射的激光光路上，且第一分束镜6的法线方向与所述激光光路存在夹角；第一分束镜6对激光进行反射，第二分束镜4位于第一分束镜6的反射光路上，且其法线方向与反射光路存在夹角；激光经第二分束镜4反射和透射，其中透射光束经补偿透明板14后由第二反射镜13反射至第二光束探测器12；第二分束镜4的反射光束导向至透明加热板3，在微液膜2的上下界面反射后形成能反映液膜厚度变化的干涉条纹，随后含有干涉信息的光束一方面依次经第二分束镜4反射和第一分束镜6透射后被图像采集仪器8记录；另一方面经第二分束镜4透射后经第一反射镜5反射至第一光束探测器11；第二分束镜4的图像采集仪器8、第一光束探测器11、第二光束探测器12均分别与计算机9相连；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于激光干涉和衰减的接触熔化中微液膜厚度与温度测量装置，其特征在于包括光学测量系统、数据采集与处理系统和测量主体；所述的光学测量系统包括激光器(10)、第一分束镜(6)、第二分束镜(4)、第一反射镜(5)、第二反射镜(13)、补偿透明板(14)和激光光路(7)；所述的数据采集与处理系统包括图像采集仪器(8)、第一光束探测器(11)、第二光束探测器(12)和计算机(9)；所述的测量主体包括透明加热板(3)、相变材料(1)和位于透明加热板(3)及相变材料(1)之间的微液膜(2)；第一分束镜(6)位于激光器(10)发射的激光光路上，且第一分束镜(6)的法线方向与所述激光光路存在夹角；第一分束镜(6)对激光进行反射，第二分束镜(4)位于第一分束镜(6)的反射光路上，且其法线方向与反射光路存在夹角；激光经第二分束镜(4)反射和透射，其中透射光束经补偿透明板(14)后由第二反射镜(13)反射至第二光束探测器(12)；第二分束镜(4)的反射光束导向至透明加热板(3)，在微液膜(2)的上下界面反射后形成能反映液膜厚度变化的干涉条纹，随后含有干涉信息的光束一方面依次经第二分束镜(4)反射和第一分束镜(6)透射后被图像采集仪器(8)记录；另一方面经第二分束镜(4)透射后经第一反射镜(5)反射至第一光束探测器(11)；第二分束镜(4)的图像采集仪器(8)、第一光束探测器(11)、第二光束探测器(12)均分别与计算机(9)相连。...

【技术特征摘要】
1.一种基于激光干涉和衰减的接触熔化中微液膜厚度与温度测量装置，其特征在于包括光学测量系统、数据采集与处理系统和测量主体；所述的光学测量系统包括激光器(10)、第一分束镜(6)、第二分束镜(4)、第一反射镜(5)、第二反射镜(13)、补偿透明板(14)和激光光路(7)；所述的数据采集与处理系统包括图像采集仪器(8)、第一光束探测器(11)、第二光束探测器(12)和计算机(9)；所述的测量主体包括透明加热板(3)、相变材料(1)和位于透明加热板(3)及相变材料(1)之间的微液膜(2)；第一分束镜(6)位于激光器(10)发射的激光光路上，且第一分束镜(6)的法线方向与所述激光光路存在夹角；第一分束镜(6)对激光进行反射，第二分束镜(4)位于第一分束镜(6)的反射光路上，且其法线方向与反射光路存在夹角；激光经第二分束镜(4)反射和透射，其中透射光束经补偿透明板(14)后由第二反射镜(13)反射至第二光束探测器(12)；第二分束镜(4)的反射光束导向至透明加热板(3)，在微液膜(2)的上下界面反射后形成能反映液膜厚度变化的干涉条纹，随后含有干涉信息的光束一方面依次经第二分束镜(4)反射和第一分束镜(6)透射后被图像采集仪器(8)记录；另一方面经第二分束镜(4)透射后经第一反射镜(5)反射至第一光束探测器(11)；第二分束镜(4)的图像采集仪器(8)、第一光束探测器(11)、第二光束探测器(12)均分别与计算机(9)相连。2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述测量主体的透明加热板(3)使相变材料(1)受重力作用出现接触熔化现象并形成厚度变化的微液膜(2)。3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于所述经第一分束镜(6)反射的激光到达第二分束镜(4)后，其透射光路从第二分束镜(4)直至第二光束探测器(12)的距离为ae+ef，其反射光路从第二分束镜(4)经微液膜(2)界面反射直至第一光束探测器(12)的距离为ab+ba+ac+cd；所述的距离ae+ef等于距离ab+ba+ac+cd。4.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：范利武，胡楠，涂敬，李梓瑞，朱子钦，邵雪峰，冯飙，郑梦莲，俞自涛，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33