[发明专利]一种基于荧光法的物质导热分析装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于荧光法的物质导热分析装置，可用于测量气体、液体、固体的热扩散系数，并进一步得到物质的热导率，属于材料的热物特性分析领域。

背景技术

  热扩散系数是物质的一个很重要的热物理学参数，热扩散系数表征的是温度不均匀的材料的温度均匀化速度。每一种物质都有一个本征热扩散系数值，通过测量物质的热扩散系数，可以计算出物质热传导特性。

  物质的热导率含义为单位时间单位面积通过物质的热流和温度梯度的比值，表示的是物质传热的一种能力。一维傅里叶传导定律为：

dq/dt=-λ·dA·(dT/dx)                (1)

 其中，dq/dt表示单位时间的热流，dA表示单位面积，dT/dx表示温度梯度，λ表示热导率。

当测量出物质的热扩散系数时，就可以根据以下关系得到物质的热导率。在同一温度下，物质热导率和热扩散系数的关系为: 

λ=α·ρ·C_p                      （2）    

λ为热导率，α为热扩散系数，ρ为密度，C_p为比热容。

  因为热导率不同的物质应用于不同的领域，所以测量物质热导率具有重要的实际意义，比如在材料科学中，人们通过测量新材料的热导率来知道此种新材料的应用前景；在建筑领域，人们需要测量一些材料的热导率来判断其具备的隔热能力。

   现有测量的热扩散系数的方法，比如热板法、热线法、激光闪射法等，这些测量方法在一定程度上解决了热扩散系数的测量难题，但是这些方法均有着某些不足。例如，利用热板法测量物质热扩散系数需要比较长的测量时间，这就限制了它在工业控制领域的应用，因为在工业控制领域往往需要较快的反应时间；激光闪射法是一种瞬态测量方法，都是该方法对被测样品要求较高，并且利用该方法进行测量时所使用的温度测量方法为红外线测温法和热电偶测温法。这些测量方法因为采用电子元器件作为温度敏感元件所以容易受到电磁干扰，因而需要一定的保护措施，即便在设计上采取保护措施，这一类的温度测量方法仍然不能胜任于特定复杂环境容易受到外界干扰，无法广泛应用于工业测量领域。

对于利用材料的荧光特性来测量温度，是温度测量领域新发展的一种方法，其原理为：某些对温度敏感的荧光材料在不同的温度环境中发射荧光的光学特性随着温度的变化而变化，具体地说，荧光材料受到紫外光照射后其激发荧光的余晖寿命是温度的单值函数，通过一定的方法，可以检测出所发射荧光的余晖寿命就可以得到荧光传感材料的温度。[K.T.V.Grattan and Z.Y.Zhang, Fiber Optic Fluorescence Thermometry,《Topics in Fluorescence Spectroscopy》 ，Volume 4, 2002, pp 335-376]。

  光纤具有优良的导光特性，光信号在光纤中的传输不会受到外界的电磁干扰；并且光纤具有良好的电绝缘性，所以即便光纤损坏也不会导致系统出现短路故障或者电火花；光纤还具有耐腐蚀的特性，能够在特定高温高湿度环境下工作，所以光纤能够在应用于很多极端工业环境。

发明内容

  本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中指出的缺陷，提出一种用激光加热结合荧光测温法进行物质导热测量装置，并且具备更好的测量精度和抗电磁干扰能力。所提出的测量方法还必须具备小型化、智能化和能够实现在线监测的功能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出一种基于荧光法的物质导热分析装置，包括探头、光电模块、数据处理模块；所述探头用于探测设置在被测物上的荧光传感材料，然后将探测到的光信号通过光纤传输至光电模块；所述光电模块将接收的光信号转换为电信号并且将电信号转化为温度信号，然后将温度信号发送至数据处理模块；所述数据处理模块根据每一次激励脉冲所对应的温度信号得到温度变化曲线，由温度变化曲线得到温度变化的平均速率和温度从最高到最低所经历的时间，通过将上述平均速率和经历的时间和标准数据比对得到被测物质的热扩散系数，再将上述热扩散系数传输至上位计算机进行导热分析。