[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

摘要

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。

主权项

1.一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，其特征在于，步骤如下：(1)将待测材料置于遮阳环境中，避免外环境与待测材料表面存在强烈的热辐射；在待测材料中布置长条形发热体，其沿长度方向与待测材料散热外边界面平行且相距距离D，在距发热体已知距离和已知方向的两个以上位置处布置温度传感器；(2)发热体发热前，待测材料初始温度均匀分布，记为初始温度；发热源按照已知的发热强度发热后，采集传感器的温度数据，与初始温度数据相减得到传感器温升数据；(3)使用考虑了有限半径、有限导热系数的圆柱发热体在无限大均匀介质中作用有限长时间的温升分析解，公式如下：其中，φ(u)和ψ(u)表达式为：其中，r为所关注位置点与实际发热体的中心距离，单位m；ΔT_M,th(q,r)为在无限大介质中，由于强度恒定为q的加热源的作用，距发热体距离为r处的温度响应，单位℃；τ为时间，单位s；q为发热体热源强度，单位长度热功率Wm^‑1；k为介质的导热系数，单位Wm^‑1K^‑1；ρ为介质密度，单位kgm^‑3；c为介质比热容，单位Jkg^‑1K^‑1；ρc为介质体积热容，单位Jm^‑3K^‑1；r₀为发热体半径，单位m；k_E为发热体导热系数，单位Wm^‑1K^‑1；ρ_E为发热体材料密度，单位kgm^‑3；c_E为发热体材料比热容，单位Jkg^‑1K^‑1；J₀为第一类贝塞尔0阶函数；Y₀为第二类贝塞尔0阶函数；J₁为第一类贝塞尔1阶函数；Y₁为第二类贝塞尔1阶函数；根据虚拟热源原理计算温升近似解，即认为发热体发热后，考虑待测材料某一外边界面的环境散热效应，待测材料内部温度场等价为两个发热体在无限大材料内形成的温度场的叠加；其中，一发热体在实际发热体位置，热源强度q_real为实际发热强度；另一发热体为虚拟发热体，位置在实际发热体相对于散热外边界的镜像处，虚拟热源强度q_virtual＝nq_real，n为任意有理数，在‑1到1之间取值；n等于‑1和1时分别准确描述外边界对流换热系数无穷大和零时的温度场；实际测试中，绝大部分边界散热具有有限大换热系数，因此，n取在‑1到1之间的数值近似描述边界对流换热系数为有限大时的温度场；由此得到温升近似解，公式如下：ΔT_M＝ΔT_M,th(q_real,r_real)+ΔT_M,th(q_virtual,r_virtual)                    (4)其中q_virtual的计算方法为：q_virtual＝nq_real                               (5)其中n为任意有理数，在‑1到1之间取值；r_virtual的计算方法与实际温度传感器的布置位置有关，是r_real和D的函数；考虑温度传感器的位置，r_virtual的计算公式如下：其中，ΔT_M为使用虚拟热源法的温升近似解计算所得温度响应，单位℃；r_real为测温点与实际发热源的中心距离，单位m；r_virtual为测温点与虚拟发热源的中心距离，单位m；ΔT_M,th(q,r)为在无限大介质中，由于强度恒定为q的加热源的作用，距发热体距离为r处的温度响应，单位℃；q_real为实际发热体热源强度；q_virtual为虚拟发热体热源强度；单位长度热功率Wm^‑1；D为实际加热源位置距散热边界垂直距离，单位m；n为虚拟热源强度q_virtual与实际热源强度q_real之比；近似解计算温升与测量传感器温升数据的平均偏差，公式如下：其中，ΔT_M,i为通过温升近似解计算得到的第i时刻的温升，单位℃；ΔT_E,i为测量传感器采样得到的第i个时刻的温升，单位℃；m为测量过程中采样点的总个数；DEV为传感器获得的温升数据与近似解计算温升的平均偏差，单位℃；(4)通过查找匹配的方法对比传感器温升数据与考虑待测材料外边界散热效应的温升近似解，获取四个最佳匹配参数的数值或数值范围：待测材料的导热系数k、体积热容ρc、虚拟热源强度与实际热源强度之比n和实际热源位置距散热边界垂直距离D，使传感器温度数据与上述温升近似解匹配最佳或满足预设的匹配误差范围；(5)通过待测材料的体积热容ρc与无异质时材料体积热容的差值，计算待测材料异质含量的数值或数值范围。