Способ определения температуропроводности твердых тел

 

Изобретение относится к области теплофизики , а именно к определению теплофизических характеристик твердых тел. Цель изобретения - расширение интервала толщин исследуемых образцов, повышение точности, упрощение и ускорение процесса определения. Способ состоит в облучении поверхности исследуемого образца модулированным по интенсивности лазерным пучком (частота модуляции выбирается в пределах 10 Гц); сканировании лазерного пучка вдоль образца; определении зависимости амплитуды S акустического сигнала, регистрируемого на противопопожной (по отношению к облучаемой) поверхности образца, от координаты X падения лазерного луча; измерении длины горизонтального участка на зависимости S(X); определении температуропроводности твердого тела с помощью полученных данных. Способ может быть использован для экспрессного определения температуропроводности твердых тел при проектировании и создании различных тепловых систем, а также систем и устройств малой энергетики и измерительной техники. 1 ил., 1 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)ю G 01 N 25/18

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4712015/25 (22) 28.06.89 (46) 07,11.91. Бюл, |Ф 41 (71) Институт полупроводников АН УССР (72) П.И.Баранский, А,Д.Беляев, B.Â.Ñàâÿê (SU), Збигнев Сушиньский (PL) и Б.А,Цыганок (SU) (53) 536.6(088.8) (56) Винокуров С.А. Оптикоакустический эффект и температуропроводность твердых тел. — Инженерно-физический журнал, 1983, т. 44, N. 11, с. 60-66.

Винокуров С,А. и др. Оптикоакустический метод определения коэффициента температуропроводности твердых тел. — В сб.: Тепловые приемники излучения. Под ред. H.À.Ïàíêðàòoâà, — Л.: Изд.-во ГОИ, 1981, с. 38-39, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ (57) Изобретение относится к области теплофизики, а именно к определению теплофизических характеристик твердых тел. Цель изобретения — расширение интервала толИзобретение относится к теплофизике, а именно к определению теплофизических параметров твердых тел, и может быть использовано для экспрессного определения их тем пературоп ро водности.

Целью изобретения является расширение интервала толщин исследуемых образцов, повышение точности, упрощение и ускорение процесса определения, Сущность изобретения заключается в следующем.

Я3. 1689827 А1 щин исследуемых образцов, повышение точности, упрощение и ускорение процесса определения. Способ состоит в облучении поверхности исследуемого образца модулированным по интенсивности лазерным пучком (частота модуляции выбирается в пределах 10» 1= 300 Гц); сканировании лазерного пучка вдоль образца; определении зависимости амплитуды S акустического сигнала, регистрируемого на противоположной (по отношению к облучаемой) nîверхности образца, от координаты Х падения лазерного луча; измерении длины горизонтального участка на зависимости

S(X); определении температуропроводности твердого тела с помощью полученных данных. Способ может быть использован 3 для экспрессного определения температуропроводности твердых тел при проектировании и создании различных тепловых систем, а также систем и устройств малой энергетики и измерительной техники. 1 ил„Я

1 табл.

Ю

Одну поверхность образца в виде плоскопараллельной пластины непрерывно сканируют с частотой 0,1 Гц модулированным лазерным излучением с частотой модуляции f, лежащей в пределах (10» f» 300) Гц, и на противоположной поверхности пластины регистрируют амплитуду возбужденного акустического сигнала Б в зависимости от координаты Х падения луча, где О < Х «» L/2, L — длина образца. Температуропроводность а определяют. по формуле а = Х, к f, где Х0— г длина (см) горизонтального участка в начале зависимости S(X), При способе используется экспериментально установленная закономерность изменения амплитуды акустического сигнала, снимаемого с одной поверхности плоскопараллельной пластины при облучении ее противоположной 1оверхности модулированным сфокусированным лазерным лучом и сканировании последнего вдоль исследуемой пластины. Характерная особенность этой закономерности— наличие практически Гооиэонтального уча стка в начале зависимости S(X) при частотах модуляции 10 — 300 Гц, использовавшихся в экспериментах с выбранными образцами.

При этом обнаружено, что длина этого горизонтального участка при постоянной частице модуляции лазерного пучка однозначно связана с температуропроводностью исследуемого материала.

На черте>ке представлены типичные зависимости амплитуды Я>т акустического сигнала в относительных единицах от координаты падения Х лазерного луча на образец для трех частот модуляции f7 = 300 Гц, тэ = 10 Гц и 12 иэ диапазона (т1 fj) (соответ ственно кривые 1 — 3), Физическая сущность предлагаемого способа состоит в следующем.

Модулированный по интенсивности лазерный луч, попадая на исследуемый образец, в результате поглощения приводит к возникновению в последнем температурного поля, Деформации, возникающие в облучаемом образце вследствие меняющегося во времени температурного поля, приводят к появлению акустических колебаний той же частоты, т,е, частоты модуляции лазерного луча. Акустические колебания регистрируются пьезоэлектрическим преобразователем (датчиком), на котором возникает электрическое напряжение, пропорциональное,и, S-р =— а л f где ps — длина тепловой диффузии, на которой тепловая волна затухает в е раэ, При достаточной удаленности от края прямоугольного образца и при его толщине

d p, тепловая волна, возбуждаемая сфокусированным лазерным лучом, характеризуется сферической симметрией. C приближением зондирующего лазерного луча к краю образца фронт тепловой волны иска>кается, что приводит к появлению некоторых особенностей в зависимости амплитуды акустического сигнала от координаты падения лазерного луча, 3та

ry О

35 .чО

60 особенность проявляется в виде горизонтального участка в начале зависимости S(X) при О.МЕ/2, При предложенном способе возможно использование образцов с широким интервалом толщин 0,5 d 10,и, Нижний и верхний пределы ограничены малым наклоном кривой 3(Х) (для X р } в случае, когда d не соответствует указанному пределу, что ухудшает условия точного определения длины горизонтального участка.

Диапазон частот модуляции ограничен теми же причинами. Дополнительное ограничение для f = 300 Гц состоит в том, что горизонтальный участок на зависимости

S(X) становится слишком малым, определить точно его длину затруднительно, что также ведет к понижению точности определения темпе ратуропроводности.

8 отличие от известных способов в данном случае абсолютная величина амплитуды регистрируемого акустического сигнала не входит в выражение для определения температуропроводности а. В нашем случае регистрируется зависимость Яотн(Х).

Пример. Предлагаемый способ был апробирован на двух типах материалов, При 20 С была определена температуропроводность металла (алюминий) и полупроводника (кремний). Использованы образцы разной толщины и разные частоты модуляции лазерного луча. Некоторые из полученных данных представлены в таблице.

Из таблицы следует, что для образцов разной толщины при разных частотах полученные значения коэффициента температуропроводности отличается от среднего значения (для алюминия 0,83, для кремния

0,59) не более чем íà 5%, Таким образом, предлагаемый способ определения температуропроводности твердых тел позволяет использовать образцы с интервалом толщин гораздо более широким, чем в прототипе, он значительно проще, очность определения коэффициента температуропроводности выше, Предлагаемое техническое решение может быть использовано в измерительной технике для экспрессного определения температуропроводности твердых тел. Метод контроля — неразрушающий, Формула изобретения

Способ определения температуропроводности твердых тел, включающий облучение модулированным по интенсивности лазерным пучком поверхности образца s виде плоскопараллельной пластины и регистрацию с противоположной поверхности пластины акустического сигнала, возбуж1689827 денного лазерным пучком. о т л и ч а юшийся тем, что, с целью расширения интервала толщин исследуемых образцов, повышения точности, упрощения и ускорения процесса определения, частоту модуляции лазерного излучения f выбирают в пределах 10 « f Е 300 Гц, лазерным пучком сканируют вдоль образца и снимают зависимость амплитуды акустического сигнала 3 от координаты падения Х на образец сфокусированного лазерного пучка, определяют длину Хо горизонтального участка в начале зависимости S(X) при изменении Х or

0 до LI2, где L — длина образца в направле5 нии сканирования, и рассчитывают температуропроводность а материала образца по формуле д=Х2