基于Labview的激光光热法界面热阻测量系统

李 想 吴 钢 周 刚 毕 柯 汤智胤 张青枝 马 计

(1海军工程大学动力工程学院 武汉 430033)

(2中国科学院低温工程学重点实验室 北京 100190)

基于Labview的激光光热法界面热阻测量系统

李 想1吴 钢1周 刚2毕 柯1汤智胤1张青枝1马 计1

(1海军工程大学动力工程学院 武汉 430033)

(2中国科学院低温工程学重点实验室 北京 100190)

根据激光光热法原理，设计了一套低温下界面热阻测量系统，通过Labview操作平台实现对实验温度的精确控制以及对实验数据的自动采集记录。该实验系统能够实现低温下超导带材与导冷材料间界面热阻的测量，为研究直接冷却条件下超导磁体的应用提供实验依据。

激光光热法 低温 界面热阻 测量系统 Labview

1 引言

界面热阻是空间技术、能源、低温超导、生物、医学等领域中关注解决的重要问题之一。如航天器的大多数仪表元件工作在真空条件下，内部各部件、构件、高功率密度器件之间的热量传递主要是通过接触导热方式来完成的，接触热阻的存在会降低散热效果［1］，超导电力电子系统热控，电子芯片系统的散热，动力机械的热控制，核设施中大热流界面温度的预测，低温液体储运设备的设计，接触热阻都是不可忽略的因素［2］。界面热阻受众多因素的影响，其产生机理非常复杂，实验测量一直是研究界面热阻的主要手段。界面热阻的实验研究方法主要可分为稳态法和瞬态法，稳态法由于需要有稳定热流，故实验周期比瞬态法要长很多，通常实验时间要长达几个月，并且需要大尺寸的样品来布置传感器。目前常见的瞬态法有激光闪光法［3］、激光光声技术［4］、激光光热位移技术［5］、光热光偏转技术［6］等。激光光热法［7］具有测量周期短、精度高、测量样品尺寸小、非接触等特征，已经广泛应用在很多领域。随着计算机、现代检测和电子仪器等技术的高速发展，虚拟仪器成为现今仪器发展的主流方向，LabVIEW作为虚拟仪器开发工具，在数据采集和界面控制方面具有明显优势［8］。鉴于此，本文根据激光光热法测量界面热阻原理，设计了一套高温超导材料界面热阻测量系统，并通过Labview编程实现对实验所需温度的精确控制以及对实验数据的自动采集记录，能够实现低温下10—300 K温度区间的不同材料间界面热阻的测量。

2 激光光热法界面热阻测量系统

激光光热法测量界面热阻原理，如图1所示。实验过程中两样品片叠放在一起安装在样品夹具中(样品夹具的结构将在下文中介绍)，由信号发生器产生一定频率的正弦信号，并分成两路信号，一路作为参考信号输入锁相放大器，另一路作为调制信号来调制加热激光，加热激光照射到样品1的一侧表面(加热面)，在样品内产生热波，热波经过样品内部及接触界面层到达样品2的表面(探测面)时，探测面的温度将随调制频率而波动。探测激光器产生探测激光照射样品的探测面，探测面温度的变化将引起光反射率的变化，从而引起反射光强度的变化。反射光通过633 nm的滤光片进入光电二极管，光电二极管将光强变化信号转化为电流强度变化信号输入锁相放大器信号输入端，锁相放大器通过对输入信号与参考信号的运算得出两信号的相位差，激光光热法测量界面热阻的原理如图2所示。将该相位差带入理论计算公式(1)［7］可得出两样品间的界面热阻。

图1 激光光热法测量界面热阻原理Fig.1 Principle figure of interface thermal resistance measurement based on laser photo-thermal method

图2 激光光热法测量样品热扩散率系统图1.防辐射屏;2.杜瓦;3.实验样品;4.光学窗口;5.加热激光器;6.激光器驱动电源;7.锁相放大器;8.光电二极管;9.滤光镜;10.三棱镜;11.探测激光器;12.信号发生器;13.真空泵;14.制冷机。Fig.2 Measurement system of interface thermal resistance based on laser photo-thermal method

2.1 激光光路

激光光路由加热激光器、探测激光器、驱动电源、三棱镜、滤光片构成，用以构成测量所需的光路。加热激光采用波长为676 nm半导体红外激光器，其功率为1 W，光斑直径为1 mm。探测激光使用波长为632.8 nm的氦氖激光器，输出功率为5 mW，光斑直径为0.5 mm，散度为1 mrad。滤光片安放在光电二极管前面，可以滤掉波长为676 nm的加热激光，只允许波长为632.8 nm的探测激光束通过。光电二极管采用硅光电二极管，具有速度高，灵敏度高，暗电流低等特点，其光电转换响应度为0.5 μA/μW，光谱波长的响应范围在400—1 100 nm间。

2.2 测量部分

测量部分由信号发生器、光电二极管、锁相放大器、计算机构成，用以检测和记录电信号。锁相放大器的型号为RS830，其主要性能参数为:工作频率范围为0.001—1.024×105Hz，分辨率2×10-9— 1V，时间常数1×10-5—3×104s，增益精度±1%。锁相放大器是测量单元中的核心仪器，在激光光热法测量界面热阻的实验中，实验所需的有用信号时非常微弱的，并且隐藏在大量的噪声中，锁相放大器能够通过相关性原理从大量的噪声中分辨出同频的信号并进行锁相。

2.3 温控部分

温控部分由GM制冷机、温控仪、加热器、温度传感器组成。实验时样品置于低温环境中，其冷量由两级GM制冷机的二级冷头提供，并在一级冷头和二级冷头上安装防辐射屏，减少辐射热对样品的影响。加热器为25 Ω电阻型加热片。控温过程中首先通过制冷机将温度降到设定温度以下，然后打开加热器进行加热，温度传感器感受样品温度变化并反馈给温控仪，温控仪通过调节输入到加热器的电流实现对样品加热量的控制，从而将样品温度控制在实验设定值。温控仪采用的是Lakeshore公司生产的Model336温控仪，具有高精度的控温效果。其主要参数为:最大更新速率10次/s，(热电偶5次/s)，控制类型为PID控制或开环控制，数模分辨率为24。基于Lab-VIEW的温度测控系统的仿真界面如图3所示，图3左侧从上到下4个窗口依次显示的是A、B、C、D四个传感器设置点的实时温度变化，图的右侧主要是温控参数设置面板。图中显示的为对B点的温度进行闭环控制，其中B点的设定温度温320 K，闭环控制参数分别设定为P=80、K=60、D=20，B点的温度控制变化曲线如图左侧第2个窗口显示，此时B点的测量温度显示在图的右下角，其温度几乎稳定在320 K，说明该系统的控温效果非常精确。该仿真界面主要可以实现的功能有温度的设定、温度控制PID参数设置、温度测控曲线实时显示、最大温升的设定、控制类型的选择、实验数据的自动记录等。图4和图5分别为实现温度采集和温度控制的部分程序图。仿真结果表明，系统可靠性高，在实现系统精确控温的同时，具有操作界面简单、可视性好的特点。

图3 温度测量控制前面板Fig.3 Front panel of temperature measurement and control

图4 温度采集程序Fig.4 Program of temperature acquisition

图5 温度控制程序Fig.5 Program of temperature control

2.4 真空单元

真空单元由真空泵、真空传感器(电阻规管、电离规管)、复合真空计组成，用来提供真空测试环境，降低对流辐射热对样品传热的影响。真空抽的好坏将直接影响到降温效果，若果真空抽的不彻底，很可能导致样品表面结霜，使实验无法进行。真空度测量的显示面板如图6所示，并能够通过控制按钮实现对真空度变化的记录，图7为实现该项功能所对应的程序。

图6 真空度测量前面板Fig.6 Front panel of vacuum measurement

图7 真空度测量程序Fig.7 Program of vacuum measurement

2.5 样品部分

样品部分主要涉及到样品的制备和样品夹具的设计。样品的制备主要考虑到样品的厚度、样品加热面对激光能量的吸收率、样品探测面对探测激光的反射率。样品夹具的设计主要根据影响界面热阻的因素进行考虑。在实验过程中夹具的设计主要考虑温度和加载压力。

2.5.1 样品厚度的确定［7］

2.5.2 镀膜材料的选择［8］

用激光光热法测定接触热阻时，为了加载检测信号，探测面反射率应越大越好，这样可以尽量减小噪声信号对检测的干扰.由于金的反射率接近95%，同时具有较强的化学惰性，可有效防止探测膜因长期使用而被氧化，因此实验中在样品的探测面镀上厚度为300 nm的金膜来增加对探测激光的反射率。同时为了增加样品加热面对加热激光的吸收率，在样品的加热面镀上厚度为50 nm的碳膜。这层非常薄的碳膜和金膜对相位差的影响可忽略不计。

2.5.3 夹具的设计

实验中需要对不同压力下的界面热阻进行测量，故采用压力可调的夹具，整套夹具的设计如图8所示，主要包括施力螺栓1、弹簧2、均力绝热垫片3和基座4，实验通过旋转施力螺栓来改变两样品之间的压力。施力螺栓和均力绝热垫片的中心都有一小孔，可允许加热激光通过。均力绝热垫片3是用绝热环氧材料做成，为理论模型提供绝热的边界条件，并能够均匀加载在样品上的压力。基座4的上部对应的有一螺纹孔用来拧螺栓和装样品。并在基座上开一锥形孔5，通过该锥形孔可将探测激光照射到样品的探测面并反射出来。

图8 界面热阻测量夹具Fig.8 Clamp of interface thermal resistance measurement

3 结语

根据激光光热法原理构建了界面热阻测量系统，能够进行低温下界面热阻的测量。具有非接触、测量周期短等优点。采用Labview编程技术实现温度的精确控制以及实验数据的自动采集，方便人机交互，便于实时监测和控制，提高了测量精度和稳定性。

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4 高椿明，鲁 旭，张希仁，等.光声方法测量金属材料的热扩撒率及热溢出率［J］.电子科技大学学报，2011，40(6):946-949.

5 杨淑连.基于激光光热位移技术纳米材料热扩散率的测量［J］.激光技术，2007，31(2):29-30.

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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

国家自然科学基金(51076165)，中国科学院重点实验室基金项目(CRYO201221)资助。

李 想，男，27岁，博士研究生。