实验6先进的热加工测试技术

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1、实验六 先进的热加工测试技术一、实验目的1、通过液晶测温实验，掌握液晶测温原理，标定方法和实际应用。2、通过红外测温实验，熟悉红外测温原理和应用领域，掌握红外热像仪的标定。3、通过PIV测速实验，了解PIV测速原理，并掌握二维流场的实际测试技术。4、了解其他先进测温方法，如示温片、示温膏等。5、提高由实验结果分析物理现象的能力。二、实验内容1、应用PIV测速测速试验台测得二维速度场并进行分析。2、应用热电偶对红外热像仪进行标定，并应用红外热像仪测量计算机箱体内部、肋片、辐射平板等进行测量，并实时监控。3、应用热电偶对液晶进行标定。4、应用液晶测温测量冲击冷却、自然对流圆柱体、自然对流平板以及搅

2、拌槽中的温度场。5、操作示温片测温、示温膏测温等先进技术的测温方法。三实验仪器 HY-3088G型非致冷焦平面红外热像仪两台、 BM/R60C20W/S40型测温液晶、 CANNON数码相机两台、 PIV测试系统（主要包括高速摄像头，水槽，激光器等）、 示温片、 示温膏、 计算机箱体、 肋片、 辐射平板、 冲击冷却台、 自然对流圆柱体、 自然对流平板、 搅拌槽等四实验原理1、液晶测温的原理液晶是对介于液态和固态之间状态的一种中间相的一些有机化合物的称呼。液晶材料根据其分子结构可以分为三种：近晶型液晶、向列型液晶和胆甾型液晶。不同类的液晶在不同的电磁场、应力、压力和温度场影响下，其分子的排列是不

3、一样的。在液晶相状态下，分子失去了位序但保留了相序。相序使得液晶显示出晶体的某些光学性质，而缺乏位序则使之呈现出液态流动性。图1.1(a), 图1.1(b)和图1.2分别描述了近晶相和向列相及向列相液晶分子的分子取向。图1.1.(a) 近晶相 图1.1.(b) 向列相 图1.2向列相大多数胆甾型液晶表现为它们的颜色是随着温度的变化而变化，并且这种变化是可逆的，因此可用于传热和流动的研究。因为它们的颜色随温度变化，因此胆甾型液晶又被称为热色液晶。热色液晶颜色发生变化时，在低温段显示红色，之后出现绿色，最后出现波长最短的蓝色。之所以如此与液晶温度变化的原理即液晶的分子结构变化很有关系。参阅图1.1

4、，观察者能看到向列相液晶分子的排布。液晶显示的颜色和液晶分子旋向的螺距、入射光的入射角度和光谱范围，以及相对观察者的位置等有关。根据Bragg法则，如果入射光垂直分子层面入射，且分子层距等于光入射的半波长，那么将会出现等幅波的干涉现象。因此，入射光中波长等于分子层距即螺距的光，就会被选择性地反射。如果入射光不垂直于分子层面，那么液晶分子反射波长是,其中是入射光与分子层面间的夹角。因此，液晶颜色和入射光的入射角度是很有关系的。同时，由于液晶反射的波长和螺距有关，而螺距是温度的函数，和温度成反方向的关系，即红色温度低，而蓝色温度高；然而红色波长长，蓝色波长短。之所以如此是与液晶从近晶相向向列相转变

5、过程中的分子螺距变化有关。根据文献的进一步解释，液晶分子分层而整齐地排列着，每一层中的分子长轴互相平行，且平行于层面。当不同层的分子长轴排列沿螺旋方向（左旋或右旋）经历360o的变化之后，又回到初始取向，这个周期性的层间距称为热色液晶的螺距P，P随着温度的改变而变化。当用一束白光照射液晶层状结构时，液晶对光波的选择反射与P密切相关，其关系式中定义为： 式中：Max为最大反射光的波长，nm；1为入射角，2为反射角，(o)；n为该液晶的折射率。当固定1和2时，则液晶显示的颜色将只随P，即液晶显示颜色将只随温度的变化而变化。热色液晶通常以水浆的形式存在，而对于液晶来说，污染、溶剂、极端温度、紫外线都

6、能导致其分解，因此通常采用两种方法保护使用，一种是微胶囊法，另外一种则是把液晶和多分子粘合剂混合，用喷、涂、浸泡等手段使其在物体表面形成涂层。并且发现，将液晶喷涂于以黑色为背景的表面时随温度变化可获得较亮的颜色图像。另外，液晶层的厚度必须小心地加以控制。如果涂层太薄，则色彩太弱，而涂层太厚则会导致乳白斑的形成，对温度的响应时间长。综上所述，液晶随着温度的不同会显示出不同的颜色，通常在温度区间的下边界处显示红色，而在上边界显示蓝色，温度区间之外没有颜色变化，因而液晶在精确标定的基础之上可用来作为温度的准确量度。它可以被涂在一个表面上，或是将液晶粒子悬浮于流体之中，我们便可以观察到一个可见的温度分

7、布。2、红外测温的原理一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。黑体是一种理想化的辐射体，它吸收所有波长的辐射能量，没有能量的反射和透过，其表面的发射率为1。应该指出，自然界中并不存在真正的黑体，但是为了弄清和获得红外辐射分布规律，在理论研究中必须选择合适的模型，这就是普朗克提出的体腔辐射的量子化振子模型，从而导出了普朗克黑体辐射的定律，即以波长表示的黑体光谱辐射度，这是一切红外辐射理论的出发点

8、，故称黑体辐射定律。自然界中存在的实际物体，几乎都不是黑体。所有实际物体的辐射量除依赖于辐射波长及物体的温度之外，还与构成物体的材料种类、制备方法、热过程以及表面状态和环境条件等因素有关。因此，为使黑体辐射定律适用于所有实际物体，必须引入一个与材料性质及表面状态有关的比例系数，即发射率。该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度，其值在零和小于1的数值之间。根据辐射定律，只要知道了材料的发射率，就知道了任何物体的红外辐射特性。影响发射率的主要因素在：材料种类、表面粗糙度、理化结构和材料厚度等。当用红外辐射测温仪测量目标的温度时首先要测量出目标在其波段范围内的红外辐射量，然后由测温仪计算出被

9、测目标的温度。3、 PIV测速原理在流场中撒入跟随性好的示踪粒子，用激光形成片光源找在随流体运动的示踪粒子上，通过跟踪记录粒子随流体的位置变化来得到一定时间间隔内的速度，进而得到流场的速度。五、实验步骤1、液晶测温实验件实验步骤 1）首先对液晶进行标定，标定装置如图2所示。将冰块打碎放入冰瓶中，将热电偶丝参考端接入冰瓶，将加热端与电源接通，将电压调至10V，当铜块表面的颜色变化时，用数码相机拍照，同时记录下热电偶的 mv 值，每变化0.1mv拍一张照片，若加热量不够可加大加热电压，但电压不得超过24V。当液晶表面的颜色由由彩色变为黑色时，停止加热。将热电偶的mv值转化为温度值，将数码照片输入电

10、脑，用Photoshop软件读出中心处的色度值，将色度值与温度值输入Origin 6.0拟和出标定曲线及标定公式。针对不同的实验要分别进行标定工作。图2比较法标定用铜试验件2）将自然对流的平板实验件放入实验箱中，接上电源，将加热电压调至10V，待稳定后用数码相机对表面进行拍照，输入电脑，用Photoshop软件截取照片的中间一条照片存盘。用标定拟和出的曲线方程替换调VB处理程序中原有的方程，用VB程序对照片进行处理，得到在自然对流状态下的温度场。作完上述实验后，作冲击冷却实验。将冲击冷却的靶面加热电源调至50V，待靶面变色后，开通气泵的阀门，注意气泵阀门不要开的过大，待实验稳定后，用数码相机进

11、行拍照，按照上述同样的方法将照片转化为温度场。3）应用液晶测量流体中的温度场，必须针对流体进行标定，当流体被加热变色后，用数码相机对流体进行拍摄，用Photoshop软件读出放入温度计处的流体照片的色度值，同时记录温度计的温度示数。按前述方法拟和出标定曲线及方程。标定完成后，将搅拌槽加热棒的电极接入调压器，开通搅拌电机，待流体的颜色发生变化时，用数码相机拍摄流体变色的照片，输入电脑按前述步骤进行处理，得到搅拌槽的温度场。 图3 搅拌槽内示温示意图完成搅拌槽的测量后，对自然对流的圆柱体进行测量。测量方法与前述相同。2、红外测温实验件实验步骤1）首先对红外热像仪进行标定。将标定实验台的接上电源，逐

12、渐的调高电压，同时用红外热像仪测量标定铜块表面的温度，加热电压不得超过30V。以红外热像仪测得的温度为横坐标，以标准热电偶测得的温度为纵坐标，做出标定曲线。2）用红外热像仪拍摄计算机箱内部的温度场，进行数据处理，输出二维的温度场；拍完后，接通辐射热源的电源，通过热像仪拍摄被辐射加热的平板的温度场。3）用红外热像仪拍摄截面积与肋片高度不相同的肋片，得到肋片的温度场。然后拍摄平放自然对流圆柱体的温度场。附件1：红外热像仪使用步骤（可采用两种方式进行温度测量，建议采用第一种方法）一、通过电脑采集卡与热像仪相连对温度进行测量的方法1、将黄色的数据线与红外热像仪的视频接口和电脑采集卡的接口相连。2、自动

13、校正装上电池，打开电源（注：此时不要开镜头盖），热像仪进行自动校正，此时可听到哒、哒的声音。当声音停止则表示校正结束，此时液晶屏幕上出现图像及数字。完成自动校正后打开镜头盖。（注：如果热像仪显示屏上的室温与环境温度相差很大，可在“菜单”“环境温度”中对温度进行重新设置）3、红外图像的采集将红外测温软件打开，在“图像处理”里点“打开红外摄像机”-“初始化”-“参数设置”，此时在电脑显示器上可以看到被拍摄物体的红外热像图，调节热像仪的镜头焦距，使图像最清晰，保持红外热像仪不动。点击“抓拍”按钮，输入保存文件的名称并“保存”，此时完成图像的采集。如果在红外热像仪的液晶显示屏上出现“超量程”字样，表明

14、热像仪所选择的温度量程过小，此时需更换换量程。方法：盖上镜头盖，将光圈调至下一个量程，然后按热像仪机身上的“量程”按钮，用“上下箭头键”来更换量程，然后按“校正”键重新进行校正。（注：光圈与量程的对应关系如下表）光圈值0.71.42.85.6量程值12344、对图像进行数据处理在软件界面上点击“静态图像”-“读入BMP文件”，然后在“辅助显示”菜单里点击“全屏数据采集”，选择保存文件的目录及文件名，将温度场的数值输出到数据文件中，得到了全场的温度值。5、可对数据作进一步处理用记事本的格式打开刚保存的数据文件，在文件的开头输入variables=x,y,tzone I=320 J=240 F=p

15、oint用tecplot软件读入数据文件，可对数据作进一步的处理。二、通过热像仪自身存储，并通过USB口传入电脑的方法1、自动校正装上电池，打开电源（注：此时不要开镜头盖），热像仪进行自动校正，此时可听到哒、哒的声音。当声音停止则表示校正结束，此时液晶屏幕上出现图像及数字。完成自动校正后打开镜头盖。（注：如果热像仪显示屏上的室温与环境温度相差很大，可在“菜单”“环境温度”中对温度进行重新设置）2、拍摄图像将镜头对准被测物体，调节镜头焦距，使图像清晰，此时被测物体的测试在屏幕上有两处显示：C代表十字交叉处的温度；M代表被测物体的最高温度。当屏幕上显示清晰的被测物体图像时，保持机器的稳定，轻轻按下

16、“定格”按钮，图像被定格。如果对图像不满意可再按下“定格”键重新拍摄。（注：如果屏幕上出现“超量程”字样，需对热像仪的量程进行更换，方法与第一种方法的步骤三中相同）。3、存储如果对上步所拍摄的图像比较满意可进行存储，按“存储” 按钮，屏幕下方显示“图像存储：n”，表示此时存储的图像为第n幅 ，存储完毕后，按“定格”后回到摄像状态。4、回放在摄像状态下，按“回放”按钮，可对刚刚拍摄的按钮进行回放，用箭头键对图像进行翻阅。5、数据处理用专用数据线将红外热像仪USB口语电脑的USB口相连，打开图像处理软件的NEW.EXE，点击“接收装置”按钮，选择图像存储的起始序号；然后点击头像按钮，连接红外热像仪

17、，完成会出现成功对话框；最后点击保存按钮，开始图像传输。在dos命令下输入E:binImgToTemp d02.img out.tmp。及完成全场温度的数据采集。(注：d02为照片名称。out为保存的数据文件名称，此时得到数据文件为二进制文件，需要自己编成转换为十进制文件)。附件2：数码相机使用步骤1、将数码相机与三脚架相连，并摆放好位置。2、打开电源，使电源指示灯保持点亮，然后打开液晶显示屏。3、通过调节拍摄和播放按钮可对数码相机的模式进行切换。将数码相机调至拍摄模式，并通过闪光灯按钮关闭闪光灯。4、调节好焦距后，按下快门完成拍照，图像可自动保存在CF卡中。5、完成拍照后，用数据线将数码相机

18、与计算机的USB口相连，将图像复制到计算机中。附件3：PIV成像仪使用步骤一、图像采集1、调整相机架至合适位置 。将相机架（三脚架）放置于合适位置并将之调整至合适高度以放置相机。 将CCD相机固定于相机架上；连接好CCD的电源线以及CCD与图像板之间的数据线。注意：安装CCD需要切断电源插座供电，盖上镜头盖，镜头光圈调至最小。 2、打开MicroVec2.0图像处理软件。3、实时显示图像调出实时显示拍摄图像功能（“图像”菜单“实时显示图像”命令或按钮）；打开镜头盖，将镜头光圈调整至合适大小，依照片光照射区域中粒子将实时显示图像调节清楚。至此，测量系统调焦完毕。光圈的调节与普通相机的对焦方法完全

19、相同。4、图像记录打开“图像记录”窗口（“图像”菜单“记录图像”命令或按钮），在“图像缓存”栏目中“开始位置”及“截止位置”中输入存放图像的缓存位置，比如，“开始位置”输入1，“截止位置”处输入10，表示所记录图像保存在图像缓存中1-10中，一共采集10幅图。 运行实验，在合适时间点击“图像记录”窗口中“记录”按钮，图像会被依次保存于图像缓存中（注意：此时图像保存在内存中，并没有保存在硬盘上）。 5、查看图像是否符合实验要求 查看图像分为两步进行，首先查看图像中粒子分布是否比较好，主要标志在于粒子数量比较多，且分布比较均匀。 其次，对经过第一步筛选图像进行初步计算： 调出“数字标尺”窗口（“分

20、析”菜单“标尺测量”命令或）。 在待分析图像中选择合适的计算区域，并调用“PIV向量计算”窗口（“查看”菜单“PIV计算窗口”命令或），设置好合适的计算参数，进行PIV计算。 如果计算所得向量分布比较平滑，明显的错误矢量较小，或经过修正后结果令人比较满意，均表示所采集图像满足实验要求。如果对采集图像不满意，重复4、5 两个步骤至采集到满意的粒子图像。 6、保存记录图像 （注：保存原始试验图像是非常重要的工作）六、实验准备及预习要求通过阅读使用说明，了解红外热像仪的基本操作；清楚液晶测温和红外测温的原理，能够解决在实验中的问题，了解PIV的基本原理和基本应用。七、实验报告内容实验报告要包括试验目的、实验内容、实验仪器、实验原理、实验步骤、最后得到的实验结果（温度场、速度场），以及实验结果的处理和分析，实验思考题和实验设计。