[发明专利]一种高温接触热阻的无损快速测量方法

说明书

本发明公开了一种高温接触热阻的无损快速测量方法，根据介质温度‑超声传播特性，采用超声回波法，获得瞬态传热条件下超声传播时间，优化求解热传导反问题，可快速、无损、非接触地测量随温度变化的界面接触热阻参数。本发明的方法所需测量装置简单、测量周期短，且不需要传感器与被测试件接触，避免了传感器与被测试件接触的干扰以及测量范围受到传感器耐高温性能的限制。

技术领域

本发明涉及超声检测领域，具体来说是涉及一种高温接触热阻的无损快速测量方法。

背景技术

在结构传热特性分析与防热设计中，接触热阻是重要参数之一，其取值准确与否直接关系到热控设计的质量。过高或过低估计接触界面间的热阻都会对结构传热产生影响，严重时会导致结构使用效率低下或引发安全隐患。因此，界面处的接触热阻测量在航空航天、机械制造、微电子、生物医学、仪器仪表等领域具有重要的应用价值。接触热阻是一个受温度、载荷、介质、材料热物性、表面粗糙度、材料机械特征、材料表面性质、环境等众多因素耦合影响的非线性问题。现有的理论模型难以用于实践，接触热阻的实验研究已经成为工程应用的主要方法。

根究实验热流是否稳定，一般把接触热阻测量方法分为稳态测量方法和瞬态测量方法两种。稳态法装置简单、方法成熟，但测量时间长。瞬态法包括激光光热测量法、热成像法、flash闪光法等，其优点是响应快、非接触、测量样件的尺寸可以小到纳米数量级，但其测量过程易受各种因素影响，且公式推导相对复杂，测量精度也难以保证。本发明通过超声回波的声时特性进行热传导方程的优化求解，获得两被测试件界面处的接触热阻，本质上是稳态法和瞬态法相结合，即加热方式上采用了瞬态加热，而接触热阻的计算上则采用了稳态法的测量原理，因此兼具有两种方法的优点而避免了其缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种高温接触热阻的无损快速测量方法，采用超声回波法，获得瞬态传热条件下超声传播时间，快速、无损、非接触地测量界面随温度变化的接触热阻。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:

步骤一：取两个被测试件，分别命名为第一被测试件和第二被测试件，两个被测试件相互接触。

步骤二：由标定实验，获取第二被测试件内部超声波传播速度V与温度T的对应关系。

步骤三：对第一被测试件进行加热，由常用的超声波脉冲回波法，获得第二被测试件t_i时刻的超声波传播时间t_i,exp。

步骤四：建立高温接触热阻测量的优化模型。优化的目标函数为：

其中：R为两被测试件界面处待测量的接触热阻；t_i,cal为数值计算得到的t_i时刻的超声波传播时间，下标i表示的测量时间序数，n表示总的测量时间点数；L₂为第二被测试件被测方向的长度。

约束条件为：

其中：T₁(x,t),T₂(x,t)为两被测试件内的温度场，k，C和ρ分别为被测试件材料的导热系数、比热容和密度；T(t)_x＝0为加热边界，由加热器进行加热；为接触界面边界，T₂为第二被测试件接触界面处的温度。

步骤五：由红外或者接触式热电偶等方法，获得表面的温度变化。

步骤六：采用常用的序列二次规划法或下降单纯形法求解热传导反问题，获得第一被测试件和第二被测试件接触面的接触热阻R。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：