李 想 吳 鋼 周 剛 畢 柯 湯智胤 張青枝 馬 計(jì)

(1海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院 武漢 430033)

(2中國(guó)科學(xué)院低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

基于Labview的激光光熱法界面熱阻測(cè)量系統(tǒng)

李 想1吳 鋼1周 剛2畢 柯1湯智胤1張青枝1馬 計(jì)1

(1海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院 武漢 430033)

(2中國(guó)科學(xué)院低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

根據(jù)激光光熱法原理，設(shè)計(jì)了一套低溫下界面熱阻測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)Labview操作平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)溫度的精確控制以及對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集記錄。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)低溫下超導(dǎo)帶材與導(dǎo)冷材料間界面熱阻的測(cè)量，為研究直接冷卻條件下超導(dǎo)磁體的應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

激光光熱法 低溫 界面熱阻 測(cè)量系統(tǒng) Labview

1 引言

界面熱阻是空間技術(shù)、能源、低溫超導(dǎo)、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中關(guān)注解決的重要問(wèn)題之一。如航天器的大多數(shù)儀表元件工作在真空條件下，內(nèi)部各部件、構(gòu)件、高功率密度器件之間的熱量傳遞主要是通過(guò)接觸導(dǎo)熱方式來(lái)完成的，接觸熱阻的存在會(huì)降低散熱效果［1］，超導(dǎo)電力電子系統(tǒng)熱控，電子芯片系統(tǒng)的散熱，動(dòng)力機(jī)械的熱控制，核設(shè)施中大熱流界面溫度的預(yù)測(cè)，低溫液體儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的設(shè)計(jì)，接觸熱阻都是不可忽略的因素［2］。界面熱阻受眾多因素的影響，其產(chǎn)生機(jī)理非常復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)測(cè)量一直是研究界面熱阻的主要手段。界面熱阻的實(shí)驗(yàn)研究方法主要可分為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法，穩(wěn)態(tài)法由于需要有穩(wěn)定熱流，故實(shí)驗(yàn)周期比瞬態(tài)法要長(zhǎng)很多，通常實(shí)驗(yàn)時(shí)間要長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月，并且需要大尺寸的樣品來(lái)布置傳感器。目前常見(jiàn)的瞬態(tài)法有激光閃光法［3］、激光光聲技術(shù)［4］、激光光熱位移技術(shù)［5］、光熱光偏轉(zhuǎn)技術(shù)［6］等。激光光熱法［7］具有測(cè)量周期短、精度高、測(cè)量樣品尺寸小、非接觸等特征，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在很多領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代檢測(cè)和電子儀器等技術(shù)的高速發(fā)展，虛擬儀器成為現(xiàn)今儀器發(fā)展的主流方向，LabVIEW作為虛擬儀器開(kāi)發(fā)工具，在數(shù)據(jù)采集和界面控制方面具有明顯優(yōu)勢(shì)［8］。鑒于此，本文根據(jù)激光光熱法測(cè)量界面熱阻原理，設(shè)計(jì)了一套高溫超導(dǎo)材料界面熱阻測(cè)量系統(tǒng)，并通過(guò)Labview編程實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)所需溫度的精確控制以及對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集記錄，能夠?qū)崿F(xiàn)低溫下10—300 K溫度區(qū)間的不同材料間界面熱阻的測(cè)量。

2 激光光熱法界面熱阻測(cè)量系統(tǒng)

激光光熱法測(cè)量界面熱阻原理，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中兩樣品片疊放在一起安裝在樣品夾具中(樣品夾具的結(jié)構(gòu)將在下文中介紹)，由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一定頻率的正弦信號(hào)，并分成兩路信號(hào)，一路作為參考信號(hào)輸入鎖相放大器，另一路作為調(diào)制信號(hào)來(lái)調(diào)制加熱激光，加熱激光照射到樣品1的一側(cè)表面(加熱面)，在樣品內(nèi)產(chǎn)生熱波，熱波經(jīng)過(guò)樣品內(nèi)部及接觸界面層到達(dá)樣品2的表面(探測(cè)面)時(shí)，探測(cè)面的溫度將隨調(diào)制頻率而波動(dòng)。探測(cè)激光器產(chǎn)生探測(cè)激光照射樣品的探測(cè)面，探測(cè)面溫度的變化將引起光反射率的變化，從而引起反射光強(qiáng)度的變化。反射光通過(guò)633 nm的濾光片進(jìn)入光電二極管，光電二極管將光強(qiáng)變化信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流強(qiáng)度變化信號(hào)輸入鎖相放大器信號(hào)輸入端，鎖相放大器通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)與參考信號(hào)的運(yùn)算得出兩信號(hào)的相位差，激光光熱法測(cè)量界面熱阻的原理如圖2所示。將該相位差帶入理論計(jì)算公式(1)［7］可得出兩樣品間的界面熱阻。

圖1 激光光熱法測(cè)量界面熱阻原理Fig.1 Principle figure of interface thermal resistance measurement based on laser photo-thermal method

圖2 激光光熱法測(cè)量樣品熱擴(kuò)散率系統(tǒng)圖1.防輻射屏;2.杜瓦;3.實(shí)驗(yàn)樣品;4.光學(xué)窗口;5.加熱激光器;6.激光器驅(qū)動(dòng)電源;7.鎖相放大器;8.光電二極管;9.濾光鏡;10.三棱鏡;11.探測(cè)激光器;12.信號(hào)發(fā)生器;13.真空泵;14.制冷機(jī)。Fig.2 Measurement system of interface thermal resistance based on laser photo-thermal method

2.1 激光光路

激光光路由加熱激光器、探測(cè)激光器、驅(qū)動(dòng)電源、三棱鏡、濾光片構(gòu)成，用以構(gòu)成測(cè)量所需的光路。加熱激光采用波長(zhǎng)為676 nm半導(dǎo)體紅外激光器，其功率為1 W，光斑直徑為1 mm。探測(cè)激光使用波長(zhǎng)為632.8 nm的氦氖激光器，輸出功率為5 mW，光斑直徑為0.5 mm，散度為1 mrad。濾光片安放在光電二極管前面，可以濾掉波長(zhǎng)為676 nm的加熱激光，只允許波長(zhǎng)為632.8 nm的探測(cè)激光束通過(guò)。光電二極管采用硅光電二極管，具有速度高，靈敏度高，暗電流低等特點(diǎn)，其光電轉(zhuǎn)換響應(yīng)度為0.5 μA/μW，光譜波長(zhǎng)的響應(yīng)范圍在400—1 100 nm間。

2.2 測(cè)量部分

測(cè)量部分由信號(hào)發(fā)生器、光電二極管、鎖相放大器、計(jì)算機(jī)構(gòu)成，用以檢測(cè)和記錄電信號(hào)。鎖相放大器的型號(hào)為RS830，其主要性能參數(shù)為:工作頻率范圍為0.001—1.024×105Hz，分辨率2×10-9— 1V，時(shí)間常數(shù)1×10-5—3×104s，增益精度±1%。鎖相放大器是測(cè)量單元中的核心儀器，在激光光熱法測(cè)量界面熱阻的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)所需的有用信號(hào)時(shí)非常微弱的，并且隱藏在大量的噪聲中，鎖相放大器能夠通過(guò)相關(guān)性原理從大量的噪聲中分辨出同頻的信號(hào)并進(jìn)行鎖相。

2.3 溫控部分

溫控部分由GM制冷機(jī)、溫控儀、加熱器、溫度傳感器組成。實(shí)驗(yàn)時(shí)樣品置于低溫環(huán)境中，其冷量由兩級(jí)GM制冷機(jī)的二級(jí)冷頭提供，并在一級(jí)冷頭和二級(jí)冷頭上安裝防輻射屏，減少輻射熱對(duì)樣品的影響。加熱器為25 Ω電阻型加熱片。控溫過(guò)程中首先通過(guò)制冷機(jī)將溫度降到設(shè)定溫度以下，然后打開(kāi)加熱器進(jìn)行加熱，溫度傳感器感受樣品溫度變化并反饋給溫控儀，溫控儀通過(guò)調(diào)節(jié)輸入到加熱器的電流實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品加熱量的控制，從而將樣品溫度控制在實(shí)驗(yàn)設(shè)定值。溫控儀采用的是Lakeshore公司生產(chǎn)的Model336溫控儀，具有高精度的控溫效果。其主要參數(shù)為:最大更新速率10次/s，(熱電偶5次/s)，控制類(lèi)型為PID控制或開(kāi)環(huán)控制，數(shù)模分辨率為24?；贚ab-VIEW的溫度測(cè)控系統(tǒng)的仿真界面如圖3所示，圖3左側(cè)從上到下4個(gè)窗口依次顯示的是A、B、C、D四個(gè)傳感器設(shè)置點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度變化，圖的右側(cè)主要是溫控參數(shù)設(shè)置面板。圖中顯示的為對(duì)B點(diǎn)的溫度進(jìn)行閉環(huán)控制，其中B點(diǎn)的設(shè)定溫度溫320 K，閉環(huán)控制參數(shù)分別設(shè)定為P=80、K=60、D=20，B點(diǎn)的溫度控制變化曲線如圖左側(cè)第2個(gè)窗口顯示，此時(shí)B點(diǎn)的測(cè)量溫度顯示在圖的右下角，其溫度幾乎穩(wěn)定在320 K，說(shuō)明該系統(tǒng)的控溫效果非常精確。該仿真界面主要可以實(shí)現(xiàn)的功能有溫度的設(shè)定、溫度控制PID參數(shù)設(shè)置、溫度測(cè)控曲線實(shí)時(shí)顯示、最大溫升的設(shè)定、控制類(lèi)型的選擇、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄等。圖4和圖5分別為實(shí)現(xiàn)溫度采集和溫度控制的部分程序圖。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)可靠性高，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)精確控溫的同時(shí)，具有操作界面簡(jiǎn)單、可視性好的特點(diǎn)。

圖3 溫度測(cè)量控制前面板Fig.3 Front panel of temperature measurement and control

圖4 溫度采集程序Fig.4 Program of temperature acquisition

圖5 溫度控制程序Fig.5 Program of temperature control

2.4 真空單元

真空單元由真空泵、真空傳感器(電阻規(guī)管、電離規(guī)管)、復(fù)合真空計(jì)組成，用來(lái)提供真空測(cè)試環(huán)境，降低對(duì)流輻射熱對(duì)樣品傳熱的影響。真空抽的好壞將直接影響到降溫效果，若果真空抽的不徹底，很可能導(dǎo)致樣品表面結(jié)霜，使實(shí)驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行。真空度測(cè)量的顯示面板如圖6所示，并能夠通過(guò)控制按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)真空度變化的記錄，圖7為實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)功能所對(duì)應(yīng)的程序。

圖6 真空度測(cè)量前面板Fig.6 Front panel of vacuum measurement

圖7 真空度測(cè)量程序Fig.7 Program of vacuum measurement

2.5 樣品部分

樣品部分主要涉及到樣品的制備和樣品夾具的設(shè)計(jì)。樣品的制備主要考慮到樣品的厚度、樣品加熱面對(duì)激光能量的吸收率、樣品探測(cè)面對(duì)探測(cè)激光的反射率。樣品夾具的設(shè)計(jì)主要根據(jù)影響界面熱阻的因素進(jìn)行考慮。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中夾具的設(shè)計(jì)主要考慮溫度和加載壓力。

2.5.1 樣品厚度的確定［7］

2.5.2 鍍膜材料的選擇［8］

用激光光熱法測(cè)定接觸熱阻時(shí)，為了加載檢測(cè)信號(hào)，探測(cè)面反射率應(yīng)越大越好，這樣可以盡量減小噪聲信號(hào)對(duì)檢測(cè)的干擾.由于金的反射率接近95%，同時(shí)具有較強(qiáng)的化學(xué)惰性，可有效防止探測(cè)膜因長(zhǎng)期使用而被氧化，因此實(shí)驗(yàn)中在樣品的探測(cè)面鍍上厚度為300 nm的金膜來(lái)增加對(duì)探測(cè)激光的反射率。同時(shí)為了增加樣品加熱面對(duì)加熱激光的吸收率，在樣品的加熱面鍍上厚度為50 nm的碳膜。這層非常薄的碳膜和金膜對(duì)相位差的影響可忽略不計(jì)。

2.5.3 夾具的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中需要對(duì)不同壓力下的界面熱阻進(jìn)行測(cè)量，故采用壓力可調(diào)的夾具，整套夾具的設(shè)計(jì)如圖8所示，主要包括施力螺栓1、彈簧2、均力絕熱墊片3和基座4，實(shí)驗(yàn)通過(guò)旋轉(zhuǎn)施力螺栓來(lái)改變兩樣品之間的壓力。施力螺栓和均力絕熱墊片的中心都有一小孔，可允許加熱激光通過(guò)。均力絕熱墊片3是用絕熱環(huán)氧材料做成，為理論模型提供絕熱的邊界條件，并能夠均勻加載在樣品上的壓力?；?的上部對(duì)應(yīng)的有一螺紋孔用來(lái)擰螺栓和裝樣品。并在基座上開(kāi)一錐形孔5，通過(guò)該錐形孔可將探測(cè)激光照射到樣品的探測(cè)面并反射出來(lái)。

圖8 界面熱阻測(cè)量夾具Fig.8 Clamp of interface thermal resistance measurement

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)激光光熱法原理構(gòu)建了界面熱阻測(cè)量系統(tǒng)，能夠進(jìn)行低溫下界面熱阻的測(cè)量。具有非接觸、測(cè)量周期短等優(yōu)點(diǎn)。采用Labview編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，方便人機(jī)交互，便于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，提高了測(cè)量精度和穩(wěn)定性。

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Measurement system of interface thermal resistance with laser photo-thermal method based on laser photo-thermal method

Li Xiang1Wu Gang1Zhou Gang2Bi Ke1Tang Zhiyin1Zhang Qingzhi1Ma Ji1

(1Power Engineering School，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)
(2Key Laboratory of Cryogenics，Chinese Academy of Science，Beijing 100190，China)

A measurement system to measure interface thermal resistance in low temperature was designed based on laser photo-thermal method，through Labview platform，accuracy control of experimental temperature and auto record of experimental data were realized.The experiment system can realize the measurement of interface thermal resistance between superconducting strip and cooling material，which can offer an experimental accordance to study the application of superconducting magnet under direct cooling condition.

laser photo-thermal method;low temperature;interface thermal resistance;measurement system;Labview

TB663

A

1000-6516(2013)01-0011-04

2012-12-15;

2013-02-02

國(guó)家自然科學(xué)基金(51076165)，中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(CRYO201221)資助。

李 想，男，27歲，博士研究生。