关于测试材料热物性热脉冲法的新探讨

　　1 引 言

　　国内发展起的测定材料热物性的热脉冲法,具有装置简单、测试迅速、能同时测定材料的热扩散系数和导热系数等优点。与常功率平面热源法相比,采用热脉冲法测量材料的导热系数时,加热器的蓄热性能所引起的测试误差较小。然而,热脉冲法比常功率平面热源法难于控制,因为常功率平面热源法只需控制N等于指定值[1],而热脉冲法则需同时控制y和F这一对值都等于指定值[2],并需对待测材料的A值有较准确的预估,从而使实验条件的控制不如前一种方法简单。由于预估的A值往往不能恰巧就是真值,因而要在只做一次实验的情况下使y和F都在指定值附近是相当困难的。为此,利用热脉冲法得到一组真正满意的数据,往往需要通过几次实验。本文建立起热脉冲法的新理论模型,提出了应当加以控制的测试条件。

　　新的测试方法只需控制y等于指定值,可采用微机测试系统通过提出的最佳实验参数逼近法实现对y的控制,无需对A值进行预估,从而使测试工作简单、快捷,测量准确度大为提高。

　　2 测试原理

　　由面积为F的平面热源隔开的两个半无限厚物体,初始温度分布均匀,各为ti。若平面热源的热功率为Q,作用时间为S1,则热源的发热强度为q=Q/F,以过余温度H=t-ti表示的一维导热微分方程可写为:

　　这是一个非齐次抛物型方程,用冲量定理法求解,则有

式中ierfc(N)表示变量N的高斯误差补函数的一次积分。

　　在加热过程中(0

　　加热过程中另一时刻S0,热源面x=0上的过余温度为:

　　于是,由试验中测出的H(x1,S')和H(0,S0)及所控制的S'、S0就可由式(7)算出B(y)的值,再由B(y)函数表查出y值,由式(9)算出A值。根据测出的H(0,S2)和所控制的S1、S2可由式(11)算出K值。

　　为了数据处理的方便,也为了提高计算的精度,我们制成了y=0.600~0.700、准确到三位小数的B(y)函数表。

　　3 测试技术

　　3.1 测试系统

　　图1是微机测试系统示意图。测试装置的主体为测温系统和加热系统。测温系统包括热电偶、热偶放大电路、冰点补偿电路、多路开关、A/D转换器和单片机等。加热系统包括加热箔、稳压电源和单片机等。稳压电源由单片机控制,电压可调,以便选择加热功率。加热箔采用光刻腐蚀法用康铜箔材料制成,保证了加热箔具有足够大的加热电阻。

　　3.2 最佳实验参数的提出和实现

　　若控制y=0.7~0.6,相应地B(y)=0.2129~0.2764,则

　　由上述分析可知,y最佳=0165时,|$y/y|取最小值,相应地|$A/A|和|$K/K|亦取最小值。