[發明專利]基于激光干涉和衰減的接觸熔化中微液膜厚度與溫度測量裝置及方法

有效

• 申請號: 201810663359.5
• 申請日: 2018-06-25
• 公開（公告）號: CN108981592B
• 公開（公告）日: 2021-08-17
• 發明（設計）人: 范利武;李梓瑞;胡楠;涂敬;朱子欽;邵雪峰;馮飆;鄭夢蓮;俞自濤
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01B11/06
• 分類號: G01B11/06;G01K11/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 鄭海峰

本發明公開了一種基于激光干涉和衰減的接觸熔化中微液膜厚度與溫度測量裝置及方法。所述裝置應用于接觸熔化傳熱研究領域。包括激光器、反射鏡、分束鏡和補償透明板組成的光學測量系統，圖像采集器、激光光束探測器和計算機組成的數據采集與處理系統，透明加熱底板和相變材料組成的測量主體。本發明通過光學測量系統同時實現對液膜的激光干涉測量和光束衰減測量功能，再利用數據采集與處理系統分析干涉條紋圖案和光強比值，實現了對測量主體中的接觸熔化過程底部微液膜厚度和溫度的同時在線測量。

技術領域

本發明屬于接觸熔化傳熱研究領域，具體涉及一種基于激光干涉的基于激光干涉和衰減的接觸熔化中微液膜厚度與溫度測量裝置及方法。

背景技術

接觸熔化現象廣泛出現在能源存儲、減材制造、地質鉆探和核技術等工程領域中，準確預測接觸熔化的傳熱傳質過程對工程應用具有重要意義。以相變儲熱為背景的研究專注于預測相變材料的宏觀熔化速率，在各類簡化假設的基礎上得到了多種多樣的預測模型。而接觸熔化過程中微液層厚度、固體相對運動速度和驅動外力相互耦合導致的非線性運動，使得精確求解下方所示的微液層數學模型十分困難。

盡管已經有大量的數值模擬工作預測了熔化過程中液膜厚度的變化情況，但研究者們對微液層內的是否穩態、速度邊界條件、溫度分布以及熱源表面等問題并沒有達成一致。

實驗發現在接觸熔化過程中的主要傳熱機理是微液膜內導熱，其中微液膜的厚度決定了傳熱熱阻大小，而液膜內的溫度決定了過熱度大小。因此根據公式

其中q為熱流密度，k為導熱系數，T為微液膜的溫度，δ為微液膜的厚度，由此可知微液膜的溫度和厚度直接決定了微液膜內的熱流密度。但目前尚不存在有效的實驗手段和方法對接觸熔化過程中微液層的厚度及溫度進行有效測量。

發明內容

本發明針對上述技術難點，提出了一種基于激光干涉的基于激光干涉和衰減的接觸熔化中微液膜厚度與溫度測量裝置及方法。本發明通過光學測量系統同時實現對液膜的激光干涉測量和光束衰減測量功能，再利用數據采集與處理系統分析干涉條紋圖案和光強比值，實現了對測量主體中的接觸熔化過程底部微液膜厚度和溫度的同時在線測量。

基于激光干涉和衰減的接觸熔化中微液膜厚度與溫度測量裝置包括光學測量系統、數據采集與處理系統和測量主體；

所述的光學測量系統包括激光器、第一分束鏡、第二分束鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、補償透明板和激光光路；所述的數據采集與處理系統包括圖像采集儀器、第一光束探測器、第二光束探測器和計算機；所述的測量主體包括透明加熱板、相變材料和位于透明加熱板及相變材料之間的微液膜；

第一分束鏡位于激光器發射的激光光路上，且第一分束鏡的法線方向與所述激光光路存在夾角；第一分束鏡對激光進行反射，第二分束鏡位于第一分束鏡的反射光路上，且其法線方向與反射光路存在夾角；激光經第二分束鏡反射和透射，其中透射光束經補償透明板后由第二反射鏡反射至第二光束探測器；

第二分束鏡的反射光束導向至透明加熱板，在微液膜的上下界面反射后形成能反映液膜厚度變化的干涉條紋，隨后含有干涉信息的光束一方面依次經第二分束鏡反射和第一分束鏡透射后被圖像采集儀器記錄；另一方面經第二分束鏡透射后經第一反射鏡反射至第一光束探測器；

第二分束鏡的圖像采集儀器、第一光束探測器、第二光束探測器均分別與計算機相連。

優選的，所述測量主體的透明加熱板使相變材料受重力作用出現接觸熔化現象并形成厚度變化的微液膜。相變材料和透明加熱板的大小尺寸可以根據需求設計。若需要嚴格控制實驗條件，亦可對測量主體部分進行完善和優化。