CN105928625B - 基于反射率变化的金属表面动态温度点测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于反射率变化的金属表面动态温度点测量方法，包括加热光源，所述加热光源连接有金属样品，金属样品上镀有金属膜层材料，金属样品设置在加热光源射出的加热激光束的路径上，金属样品连接有反射光强变化测试系统，反射光强变化测试系统连接有光电转换触发器。本系统可获取具有高热导率特性、致使无法焊接热电偶的如铝合金、铜等常用金属材料表面的动态温度数据，实现金属材料激光辐照热效应的分析与评估，为激光切割、激光清洗等激光加工过程中优化激光参数提供依据，达到提高激光能量利用效率、降低加工成本等经济利益。

Description

基于反射率变化的金属表面动态温度点测量方法

技术领域

本发明属于光学领域的测量系统，具体涉及一种基于反射率变化的金属表面动态温度点测量方法。

背景技术

激光在军事、民用领域有着广泛的用途和广阔的拓展前景，如激光焊接、激光清洗、激光切割等。激光辐照金属材料产生的热效应是激光与材料相互作用诸多效应中的一种，温度作为热效应中重要的表征参量，是材料激光辐照效应及机理研究中需要首要测量的参量。因此，国、内外一直都很重视金属材料表面动态温度测量系统与方法的建立及改进，以满足相关激光技术应用的需求。

目前，国内、外针对激光与材料相互作用研究中温度效应参数的测量，多以使用热电偶、红外热像仪和辐射高温计等器件或设备为主。铝合金、铜等作为较为常用的金属材料，由于其热导率大的热物理特性，现有的热电偶焊接方式（放电焊接、激光焊接、氩弧焊接等）无法将热电偶稳固在材料未受激光辐照表面，实施测量。另外利用热电偶对材料温度的测量需要将其稳固在测量位置，具有一定的空间尺寸要求，同时利用热电偶进行温度测量，探头与测量点达到温度平衡需要一定的时间，使得其无法较好地获取如材料在纳秒时间尺度范围内的瞬态温度变化历史。红外热像仪对温度的测量，需要以准确地知道材料的发射率为前提，具有一定的局限性，同时产品级红外热像仪在测量响应时间相对较慢，多为毫秒量级，无法满足高于毫秒量级时间尺度范围下的瞬态温度测量；同时产品级红外热像仪响应时间越快，仪器价格也越昂贵。辐射高温计可较好地使用于2000K以上的温度范围，但对于室温至1000K这一温度范围无法实现准确测量。

发明内容

为得到激光辐照过程中，具有高热导率、致使无法焊接热电偶如铝合金、铜等金属材料未受激光辐照表面关注点的动态温度数据，本发明提供了基于反射率变化的金属表面动态温度点测量方法。

本发明通过下述技术方案实现：

基于反射率变化的金属表面动态温度点测量系统，包括加热光源，所述加热光源连接有金属样品，光束是传输作用于实验靶样品上形成连接，金属样品上镀有金属膜层材料，金属样品设置在加热光源射出的加热激光束的路径上，金属样品连接有反射光强变化测试系统，反射光强变化测试系统连接有光电转换触发器。为得到激光辐照过程中，铝合金、铜等具有高热导率特性，致使无法焊接热电偶材料未受激光辐照表面关注点的动态温度数据，实现材料激光辐照热效应的准确评估，进而减少激光加工成本及提高能源利用效率，亟需一种金属材料表面动态温度变化的测量系统，用于更好地揭示材料激光辐照效应机理与热效应评估。目前，从国内外公开报道的文献来看，尚未见到解决上述问题的技术。将待测金属实验样品其中一个表面抛光后喷镀镜面状态的金属膜层材料，为待测金属实验样品激光作用过程中，提供金属膜层材料随温度变化的反射光强变化数据，本方案在激光辐照金属样品的同时，同步测量被辐照金属样品非激光辐照表面上镀有金属膜层材料的反射光强来获取反射率变化数据，通过镜面状态金属膜层材料反射率与温度定标数据唯一对应关系，来获取激光辐照过程中被辐照金属样品的动态温度数据，而且使得获得的数据准确性高。

反射光强变化测试系统包括探测激光束、积分球、光电探测器和数据采集记录存贮器，在探测激光束的路径上安装有分束镜，光电探测器安装在积分球外壁上，且光电探测器与数据采集记录存贮器连接，数据采集记录存贮器与光电转换触发器连接；探测激光束作用于金属膜层材料表面的光束大小为百微米量级，视为点测量；探测激光束经分束镜后垂直作用于金属膜层材料表面以及被引至积分球内，其反射光束的光强变化为垂直角度状态。积分球是反射光强变化的收集装置，光电探测器是反射光强变化的测量器件，其设置在积分球探测口，设置在积分球探测口的光电探测器开始测量金属膜层材料反射光强的变化信号的同时，数据采集记录存贮器同步采集与记录变化信号数据。上述部件都是现有成熟产品，能够在市场上直接购买得到。

加热光源射出的加热激光束的路径上设置有分光镜，通过分光镜将光束引导至金属样品未镀有金属膜层材料的表面和光电转换触发器上。加热激光束输出作用于金属样品材料表面的同时，加热激光束触发光电转换触发器，致使设置在积分球探测口的光电探测器开始同步测量金属膜层材料反射光强的变化信号。光电转换触发器能够将金属膜层材料反射光变化信号实现同步测量，分光镜是现有成熟产品，能够在市场上直接购买得到。

本方案结合积分球测量反射率，将待测金属实验样品其中一个表面抛光后喷镀镜面状态的金属膜层材料，为待测金属实验样品激光作用过程中，提供金属膜层材料随温度变化的反射光强变化数据，本方案在激光辐照金属样品的同时，同步测量被辐照金属样品非激光辐照表面上镀有金属膜层材料的反射光强来获取反射率变化数据，通过镜面状态金属膜层材料反射率与温度定标数据唯一对应关系，来获取激光辐照过程中被辐照金属样品的动态温度数据，而且使得获得的数据准确性高。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：本系统可获取具有高热导率特性、致使无法焊接热电偶的如铝合金、铜等常用金属材料表面的动态温度数据，实现金属材料激光辐照热效应的分析与评估，为激光切割、激光清洗等激光加工过程中优化激光参数提供依据，达到提高激光能量利用效率、降低加工成本等经济利益。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明结构示意图；

图2为探测波长为488nm时金膜材料反射率与温度的定标关系图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-加热激光束，2-分光镜，3-金属样品，4-金属膜层材料，5-分束镜，6-探测激光束，7-积分球，8-光电探测器，9-数据采集记录存贮器，10-光电转换触发器，11-导引光。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：

如图1所示，将加热激光束辐照的金属样品3的其中一个表面光学抛光，利用蒸镀或磁控溅射的方式在该表面喷镀微米量级厚度的金属膜层材料4形成待测金属实验样品，本实施例采用金作为金属膜层材料4。待测金属实验样品被加热激光束1作用前，将探测激光束6通过分束镜5垂直作用至待测金属实验样品镀有金膜层材料表面的关注点，光束直径为百微米量级，其反射光再次通过分束镜5被引至积分球7内；光电探测器8与数据采集记录存贮器9连接，使其处于待测状态。

利用导引光11将加热激光束1通过分光镜2分束，实现一束被引至待测金属实验样品未镀有金膜层材料的表面；另一束被引至光电转换触发器10，使得加热激光束1辐照待测金属实验样品时，金膜层材料反射光变化信号能够同时被设置在积分球探测口的光电探测器8测量，且同步被数据采集记录存贮器9采集、记录。

实验测量时，打开加热光源输出加热激光束1，加热激光束1加热测试金的同时，光电转换触发器10被加热激光束1作用，快速形成电触发信号，使得设置在积分球探测口的光电探测器8同步测量金膜层材料反射光强变化信号，且数据采集记录存贮器9同步采集与记录金膜层材料反射光强的变化数据，通过金膜层材料已知初始反射率与对应反射光强电压数据形成的对比系数，可计算出金属样品激光加热过程中，镀有金膜层材料的反射率变化数据。基于金膜材料反射率与温度的一一定标对应关系，如图2所示，可为金膜材料的金膜反射率随温度变化定标曲线，探测光束波长488nm，可得到金膜层材料的温度变化数据，由于金膜层材料为微米量级，该温度可视为激光辐照过程中，金属实验样品未受激光辐照表面关注点的动态温度数据。也可以采用其它波长来作为探测光束，不同金属在照射有对应的反射率，通过利用本方案来得到相应的反射率数值，查找对应的定标曲线，就可得到金膜层材料的温度变化数据。

利用积分球测量反射率及其计算方法本身是常用手段，已在公开文献有利用该方法获取反射率的报道，所以本方案中未详细介绍积分球测量反射率及其计算方法，但是现有测量技术却无法得到具有高热导率、致使无法焊接热电偶如铝合金、铜等金属材料未受激光辐照表面关注点的动态温度数据，而本方案是通过在激光辐照金属样品的同时，同步测量被辐照金属样品非激光辐照表面上镀有金膜层材料的反射光强来获取反射率变化数据，通过镜面状态金膜层材料反射率与温度定标数据唯一对应关系，来获取激光辐照过程中被辐照金样品的动态温度数据，而且使得获得的数据准确性高。其温度是利用已掌握了金膜材料反射率与温度定标的唯一对应关系，通过一一对应关系得到的。或者已掌握了金膜材料反射率与温度定标的唯一对应关系可拟合成温度与反射率的表达式，如图2所示，可为金膜材料的金膜反射率随温度变化定标曲线，探测光束波长488nm，可得到金膜层材料的温度变化数据，温度测量范围与金膜材料反射率和温度对应关系的范围、以及测试实验中材料反射率变化的温度变化范围有关，故无温度范围的限定数值。

通过本发明能够准确获取具有高热导率特性、致使无法焊接热电偶的如铝合金、铜等常用金属材料表面的动态温度数据，实现金属材料激光辐照热效应的分析与评估，为激光切割、激光清洗等激光加工过程中优化激光参数提供依据，达到提高激光能量利用效率、降低加工成本等经济利益。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于反射率变化的金属表面动态温度点测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将加热激光束辐照的金属样品（3）的其中一个表面光学抛光，利用蒸镀或磁控溅射的方式在该表面喷镀微米量级厚度的金属膜层材料（4），形成待测金属实验样品；

（2）待测金属实验样品被加热激光束（1）作用前，将探测激光束（6）通过分束镜（5）垂直作用至待测金属实验样品镀有金属膜层材料表面的关注点，光束直径为百微米量级，其反射光再次通过分束镜（5）被引至积分球（7）内；光电探测器（8）与数据采集记录存贮器（9）连接，使其处于待测状态；

（3）利用导引光（11）将加热激光束（1）通过分光镜（2）分束，实现一束被引至待测金属实验样品未镀有金属膜层材料的表面；另一束被引至光电转换触发器（10），使得加热激光束（1）辐照待测金属实验样品时，金属膜层材料反射光变化信号能够同时被设置在积分球探测口的光电探测器（8）测量，且同步被数据采集记录存贮器采集、记录；

（4）实验测量时，打开加热光源输出加热激光束（1），加热激光束（1）加热测试金属材料的同时，光电转换触发器（10）被加热激光束（1）作用，快速形成电触发信号，使得设置在积分球探测口的光电探测器（8）同步测量金属膜层材料反射光强变化信号，且数据采集记录存贮器（9）同步采集与记录金属膜层材料（4）反射光强的变化数据，通过金属膜层材料（4）已知初始反射率与对应反射光强电压数据形成的对比系数，计算出金属样品激光加热过程中，镀有金属膜层材料的反射率变化数据；

还包括基于反射率变化的金属表面动态温度点测量系统，所述测量系统包括加热光源，所述加热光源连接有金属样品（3），金属样品（3）上镀有金属膜层材料（4），金属样品（3）设置在加热光源射出的加热激光束（1）的路径上，金属样品（3）连接有反射光强变化测试系统，反射光强变化测试系统连接有光电转换触发器（10）。

2.根据权利要求1所述的基于反射率变化的金属表面动态温度点测量方法，其特征在于，所述反射光强变化测试系统包括探测激光束（6）、积分球（7）、光电探测器（8）和数据采集记录存贮器（9），在探测激光束（6）的路径上安装有分束镜（5），光电探测器（8）安装在积分球（7）外壁上，且光电探测器（8）与数据采集记录存贮器（9）连接，数据采集记录存贮器（9）与光电转换触发器（10）连接。

3.根据权利要求1所述的基于反射率变化的金属表面动态温度点测量方法，其特征在于，所述加热光源射出的加热激光束（1）的路径上设置有分光镜（2），通过分光镜（2）将光束引导至金属样品（3）未镀有金属膜层材料（4）的表面和光电转换触发器（10）上。

4.根据权利要求2所述的基于反射率变化的金属表面动态温度点测量方法，其特征在于，所述探测激光束（6）作用于金属膜层材料（4）表面的光束大小为百微米量级，视为点测量。

5.根据权利要求2所述的基于反射率变化的金属表面动态温度点测量方法，其特征在于，所述探测激光束（6）经分束镜（5）后垂直作用于金属膜层材料（4）表面以及被引至积分球（7）内，其反射光束的光强变化为垂直角度状态。

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