本发明属于红外热波，具体而言，尤其涉及一种考虑空间热损失的热扩散率测量方法。
背景技术：
1、热扩散率是材料传热性能的重要参数之一，它描述了材料在温度梯度下传导热量的能力。具有高热扩散率性能的材料能够迅速地传导热量，而具有低热扩散率性能的材料，则在传导热量时速度较慢。当前在许多工业和科学应用领域中，例如电子设备散热、热管理系统和材料科学研究中，十分精确的材料热扩散率对其设备或系统的运行和散热能力有着至关重要的影响。因此，能够准确地测量出材料的热扩散率对后续工作有着极其重要的指导意义。
2、传统的材料热扩散率测量方法主要分为稳态法和非稳态法两大类。稳态法是指在系统达到稳态条件后(即温度分布不再随时间变化)，通过测量温度梯度和热流密度来计算热扩散率，属于间接测量法，如平板测量法。然而，稳态法需要长时间等待系统达到稳态条件，通过测量温度梯度和热流密度来间接计算热扩散率。稳态法不适用于所有材料，尤其是导热系数较低的材料，其测量过程漫长且不够精确。
3、非稳态法是指系统处于非稳态条件下，利用材料在受到瞬时或周期性热扰动时的热响应特性，通过测量材料在瞬时或周期性热扰动下的温度响应来直接计算热扩散率。非稳态法的优势在于测量速度快、适用范围广。常见的非稳态法包括激光闪光法、周期加热法和热波法等。激光闪光法是通过对样品一侧施加瞬时激光脉冲来加热样品表面，通过测量热脉冲传到样品另一侧的温度响应曲线，并利用一维热传导方程来解析热扩散率。其优点是测量精度高，测试速度快，适用于高温条件。但其缺点是需要高精度的设备，样品准备要求更加严格。周期加热法的原理是利用样品表面的周期性加热和热响应，通过傅里叶变换，解析温度波动的幅值和相位变化来计算热扩散率。其优点是可同时测量多个热物性参数，适用于不同频率范围。其缺点是需要进行复杂的数据处理，对测量精度要求高。热波法的原理是利用热波在材料中的传播特性，测量热波的衰减和相移来计算热扩散率。其优点是适用于薄膜材料，可测量局部热物性参数。其缺点是实验装置复杂，对环境稳定性要求高。
4、锁相热像法(lock-in thermography,lit)是一种先进的非稳态测量技术，锁相热像法的测量原理是基于材料在周期性热激励下会产生热波，热波在材料中的传播速度和衰减特性与材料的热扩散率密切相关。通过测量样品表面的温度分布，并对温度响应进行相位锁定测量，可以获得热波的相位和振幅信息。通过傅里叶变换分析温度响应的频域表示，提取相位差和振幅衰减，利用热传导方程计算出材料的热扩散率。
5、然而，在传统的热传导研究，对于固体边界表面的散热，热损失系数往往被考虑成或假定成与温度或坐标无关的常数，以上所有的热扩散系数测量方法均没有考虑材料空间热损失的影响。而在实际问题中，材料表面的热损失系数是随着深度而变化的。这一变化将会导致与频率相关的材料热扩散系数不准确。然而，在现有的模型中，还没有考虑空间热损失的计算模型。
技术实现思路
1、本发明的目的在于针对将材料表面的热损失考虑在内，提供一种考虑空间热损失的热扩散率测量方法，进而可以测量出十分精确的材料热扩散系数。
2、为了实现以上目的，本发明采用的技术方案如下：
3、本发明包括以下步骤：
4、步骤s1：将待测样品试件前表面与光源发射器保持统一水平位置，使得光源发射器发出的调制热光源能够完全照射到待测样品试件前表面；
5、步骤s2：通过光源发射器设置具有不同调制频率的调制信号，分别对待测样品的前表面施加不同调制频率的热激励，使得样品在其内部产生热扩散并在表面产生热辐射；
6、步骤s3：利用红外热像仪采集并记录样品试件上表面在不同调制频率下的温度场数据；
7、步骤s4：建立热学模型；
8、步骤s5：提取温度响应相位和振幅深度信息，得到不同调制频率下的随深度变化的温度场数据分布结果；
9、步骤s6：通过对不同调制频率下的温度场数据分布结果进行拟合，得到不同调制频率下的个体最优拟合热损失系数模型参数和个体最优拟合热扩散系数；
10、步骤s7：依据不同调制频率下的个体最优拟合参数，获得全局最优拟合热损失系数模型参数和全局最优拟合热扩散系数，判断全局最优拟合热损失系数模型参数值是否满足残差最小化收敛准则，如果满足，则迭代结束，输出全局最优拟合热扩散系数，得到样品的热扩散率；如果不满足，则迭代继续，进一步调整热损失系数模型参数值，继续步骤s6和步骤s7，直到迭代结束。
11、作为一种优选方案，本发明所述步骤s1中，基于锁相热成像测量方法，将样品固定在实验台上，样品稳定且不会移动，样品试件与热激励源和红外热像仪之间保持适当距离，以确保热激励的均匀性和红外热像仪的视野覆盖样品表面。
12、作为另一种优选方案，本发明所述“适当距离”以样品大小进行调整，保持在20cm至50cm之间。
13、作为另一种优选方案，本发明设置窗型口，使热激励源经过窗型口后，仅能够照射且覆盖到样品试件的前表面，试件的其它面无热源照射。
14、作为另一种优选方案，本发明所述步骤s2中，对样品试件表面施加周期性的热激励，并调节热激励源的频率和功率，使热激励在样品试件中传播。
15、作为另一种优选方案，本发明热激励频率范围在0.01hz至10hz之间。具体频率应根据样品材料和厚度进行选择。
16、作为另一种优选方案，本发明所述热激励信号采用具有50％占空比的周期性方波。对于周期性热激励信号，与正弦余弦波形相比，具有50％占空比的周期性方波激励信号，能够有效提高信噪比。
17、作为另一种优选方案，本发明采用激光作为热激励的最小可接受功率范围应在5w至15w之间。优选为5w，降低检测的重复性和实现良好的成像质量。
18、作为另一种优选方案，本发明所述步骤s3中，使用红外热像仪记录样品试件表面的温度分布。确保捕捉到热激励周期内的完整温度响应。在测量之前，红外热像仪对试件进行校准，确保测量时的准确性。
19、作为另一种优选方案，本发明在用红外热像仪记录样品试件的温度数据前，确保样品的表面温度达到稳定状态。
20、作为另一种优选方案，本发明为保证样品试件的表面温度达到稳定状态，使用激光激励样品前表面时间保持在10min至20min。优选为15min。
21、作为另一种优选方案，本发明所述步骤s4具体包括以下步骤：
22、步骤s4-1：将样品试件材料的定常热损失考虑在内，建立全新的随时间而变化的二维空间热波方程；传统的二维热传导方程未考虑空间热损失的概念，往往将热损失系数设定为常数。而在本发明所提出的方法中，在传统的热传导方程中将定常热损失考虑在内，得到全新二维热传导方程。
23、步骤s4-2：将所得到的二维空间热波方程进行时频域变换，得到频域内的空间一维热波方程，进而可得到在定常热损失条件下的定常热通量方程；
24、步骤s4-3：构建空间热损失模型，空间热损失与样品试件的深度是相互依赖的，热扩散系数随着深度的增加而降低；
25、步骤s4-4：采用幂级数求解方法，得到具有空间热损失的热波场广义解；
26、步骤s4-5：通过比较确定广义解系数的表达式，进而可得到具有空间依赖的热损失系数和深度变化的热波场解。
27、作为另一种优选方案，本发明所述步骤s4-1中定常热损失表达式构建如下：
28、其中，h表示材料的热损失系数，k表示材料的热传导率，c表示样品前表面的几何周长c＝2(b+w)，s表示样品前表面的面积s＝bw，b表示样品高度，w表示样品宽度。
29、作为另一种优选方案，本发明所述步骤s4-2中，在步骤s4-1中所得到的二维空间热波方程仍然是温度与时间相关的函数，对其进行傅里叶变换，得到在温度响应下的频域表达式，进而得到在定常热损失条件下的定常热通量表达式t(x,ω)：
30、
31、其中，在样品试件的前表面(x＝0，横截面积大小为s)上，被可调制的光束照射，其产生的通量定义为q0；前表面(x＝0处)的热损失系数为hs0；泄露热波数定义为σ表示热波的衰减常数，m表示热波数，σ2+m2代表热波在材料中传播时的整体特性，eiωt表示温度由时间域变换到频域下的对应关系。
32、作为另一种优选方案，本发明所述步骤s4-3中，当试件的温度达到稳定状态时，进一步考虑样品试件在整个深度上的空间热损失系数，空间热损失系数与深度x是一个具有多项式型的依赖关系，构建空间热损失模型表达式：
33、
34、其中，hn,(n＝0,1,…,n)表示沿侧壁的热损失系数。
35、优选地，二次项空间热损失模型h(x)＝h0+h1x+h2x2用来拟合实验数据最优，其中hn＝hn+(w/b)hsn。
36、作为另一种优选方案，本发明所述步骤s4-4中，采用幂级数求解方法，将空间热损失模型表达式带入步骤s4-2中所求得的温度响应下的频域表达式中，进一步得到具有空间热损失的热波场广义解：
37、
38、其中，an是具有一系列解的代数方程组。
39、作为另一种优选方案，本发明所述步骤s4-5中，将步骤s4-4的空间热损失热波场广义解带入步骤s4-2求得的温度响应下的频域表达式中，执行代数运算后可得到an,(n＝0,1,…,n)与a0相关联的代数方程组，进而得到最终的空间热损失系数随深度变化的热波场解t(x,ω)：
40、
41、其中，在考虑空间热损失的条件下泄露热波数定义为是随空间热损失值变化而变化的。
42、其次，本发明所述步骤s5中，对所采集到的不同调制频率下的数据，进行锁相数字技术处理，得到与深度相关联的温度响应相位和振幅信息，进而得到与深度相关的相位温度场数据分布结果和与深度相关的振幅温度场数据分布结果。
43、另外，本发明所述步骤s7中，依据各调制频率下的个体最优拟合参数，计算parteo前沿，获得全局最优拟合参数范围，进一步对各个频率下的个体最优拟合参数进行综合拟合，得到全局最优拟合热损失系数模型参数和全局最优拟合热扩散系数，进而得到样品的热扩散率。
44、本发明与现有模型方法相比较，本发明所提出的模型算法具有如下有益效果：
45、1、本发明所提出的随深度变化的热波场计算模型，首次创新性地引入了空间热损失模型的概念，热损失系数和深度会影响热波场的振幅和相位。
46、2、本发明所提出的模型能表征热损失系数具有深度依赖性。结合附图结果证实了热损失系数是随深度变化而变化的，这与传统假设的恒定热损失系数不同，本发明所提出的这一模型，填补了该领率内的空白。
47、3、本发明所提出的模型可以进一步提高并优化材料的热物理参数测量结果精度(主要是热扩散系数)，可以避免由于忽略热损失系数随深度变化而导致的测量误差。
1.一种考虑空间热损失的热扩散率测量方法，其特征在于包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述一种考虑空间热损失的热扩散率测量方法，其特征在于所述步骤s1中，基于锁相热成像测量方法，将样品固定在实验台上，样品稳定且不会移动，样品试件与热激励源和红外热像仪之间保持适当距离，以确保热激励的均匀性和红外热像仪的视野覆盖样品表面。
3.根据权利要求1所述一种考虑空间热损失的热扩散率测量方法，其特征在于设置窗型口，使热激励源经过窗型口后，仅能够照射且覆盖到样品试件的前表面，试件的其它面无热源照射。
4.根据权利要求1所述一种考虑空间热损失的热扩散率测量方法，其特征在于所述步骤s2中，对样品试件表面施加周期性的热激励，并调节热激励源的频率和功率，使热激励在样品试件中传播。
5.根据权利要求1所述一种考虑空间热损失的热扩散率测量方法，其特征在于所述步骤s4具体包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述一种考虑空间热损失的热扩散率测量方法，其特征在于所述步骤s4-1中定常热损失表达式构建如下：
7.根据权利要求5所述一种考虑空间热损失的热扩散率测量方法，其特征在于所述步骤s4-2中，在步骤s4-1中所得到的二维空间热波方程仍然是温度与时间相关的函数，对其进行傅里叶变换，得到在温度响应下的频域表达式，进而得到在定常热损失条件下的定常热通量表达式t(x,ω)：
8.根据权利要求5所述一种考虑空间热损失的热扩散率测量方法，其特征在于所述步骤s4-3中，当试件的温度达到稳定状态时，进一步考虑样品试件在整个深度上的空间热损失系数，空间热损失系数与深度x是一个具有多项式型的依赖关系，构建空间热损失模型表达式：
9.根据权利要求5所述一种考虑空间热损失的热扩散率测量方法，其特征在于所述步骤s4-4中，采用幂级数求解方法，将空间热损失模型表达式带入步骤s4-2中所求得的温度响应下的频域表达式中，进一步得到具有空间热损失的热波场广义解：
10.根据权利要求5所述一种考虑空间热损失的热扩散率测量方法，其特征在于所述步骤s4-5中，将步骤s4-4的空间热损失热波场广义解带入步骤s4-2求得的温度响应下的频域表达式中，进而得到最终的空间热损失系数随深度变化的热波场解t(x,ω)：
