[发明专利]一种基于虚拟热源采用四参数匹配测定材料异质含量的方法

说明书

本发明提供了一种基于虚拟热源采用四参数匹配测定材料异质含量的方法，属于材料检测分析技术领域。本发明的目的在于基于匹配算法，使用虚拟热源原理改进热脉冲方法，通过建立强度连续可调的虚拟热源，等价近似外边界散热效应，使其可以准确的获取存在边界散热的小体积材料的异质含量。本方法由于考虑了材料外边界散热效应，对于材料外形尺寸的需求仅为传统方法的一半，解决了厚度不足的小体积材料异质含量无法准确测量的难题。

技术领域

本发明属于材料检测分析领域，涉及一种基于虚拟热源法并采用参数匹配测定材料异质含量的方法，尤其适用于测量存在边界散热的小体积材料的异质含量。

背景技术

材料中异质成分的含量对材料本身的特性有很大的影响，例如多孔保温材料处于潮湿环境中时容易吸收水分，吸水后的保温材料其隔热消声性能将大幅下降，还可能滋生霉菌。材料异质成分含量的测量，特别是材料中含水量的测量方法与相关研究较多，但是都存在一定的使用局限性。基于温度信号的热脉冲法，根据待测材料内部某点温度响应，得到材料的体积热容，从而推算含水量的方法，因其准确、简便且可行获得了广泛的研究。

“基于热脉冲法测定土壤比热容的探针”(Campbell G S,Calissendorff C,Williams J H.Probe for measuring soil specific heat using a heat-pulse method[J].Soil Science Society of America Journal,1991,55(1):291-293.)，文章首次提出了一种双探针热脉冲法，用于测量土壤的体积热容得到其含水量。双探针探头中一根探头为发热针，与其相距已知固定距离存在另一根温度传感器探头。发热针输出一个8秒的热脉冲，获取温度传感器的温度响应数据。根据线热源瞬时作用在无限大均匀介质的温度场分析解形式，使用传感器探头获取的最大温升推算体积热容数值，进而得到土壤水分含量。此方法由于理论公式使用了无限大均匀介质假设，只能在待测材料外形尺寸足够大、边界不存在散热的条件下使用，限制了其实际使用范围。

中国发明专利申请，公开号CN104964997A，公开了一种基于物性匹配快速测定材料中异质含量的方法，其利用考虑了有限半径、有限导热系数的圆柱发热体在无限大均匀介质作用有限长时间的温升分析解，将被测材料在不同的体积热容和导热系数组合下，计算所得的温升数据与实验所得的温升数据进行比较，得到温升差异小于所设定的阈值下的被测材料的体积热容范围，从而求得材料异质含量范围。此方法在更少的假设条件下使用了更加精准的理论公式，通过参数匹配的方式获取材料物性参数。但是该方法同样使用了无限大均匀介质假设，因而只适用于外形尺寸足够大、边界无明显散热的待测材料。

“双热针法由于平面边界的土壤不均匀性所引起的误差”(Philip J R,Kluitenberg G J.Errors of dual thermal probes due to soil heterogeneityacross a plane interface[J].Soil Science Society of America Journal,1999,63(6):1579-1585.)，文章分析了土壤表面对环境或植被的散热效应，认为土壤表面上使用绝热边界能够更加保守的估算出水分测量最大误差。通过构建与实际热源强度相等的虚拟热源，并将发热体当做线热源处理，推导出问题分析解，在假定上述分析能准确描述实际情形的条件下，分析了传统热脉冲法的测量误差。