高斯脉冲激光激励热电偶时间常数测试及有限元仿真

发布时间：2021-09-28 00:59

　　为了研究高斯脉冲激光激励下的热电偶时间常数测试方法,构建以半导体激光器为加热源的热电偶动态性能测试系统,采用负阶跃信号法分析不同温度下结点裸露式K型热电偶的动态响应曲线。实验首先通过调整激光器输出功率,为热电偶提供目标温度。然后立即停止激光加热,使热电偶产生负阶跃形式的动态测温过程。最后通过负阶跃信号法分析热电偶动态响应曲线计算得出时间常数。以目标温度为812.8℃和666.7℃为例分析其动态响应曲线中负阶跃部分,计算得出对应的时间常数值分别为0.357 6 s和0.316 9 s。同时,基于ANSYS有限元仿真软件平台进行高斯脉冲激光加热热电偶结点的瞬态传热分析研究。设定球形结点半径为1 mm,导热系数为20 W/（m·K）,激光光斑半径为4 mm。通过仿真分析得到结点温度由957℃降至负阶跃温差的63.2%时所对应的时间为0.59 s,这为热电偶时间常数值的精准测试提供一定的理论依据和测试方法。 

【文章来源】：应用激光. 2020,40(03)北大核心CSCD

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【部分图文】：

正阶跃信号法测时间常数

图1 正阶跃信号法测时间常数图1中t1、t2分别表示正阶跃信号下热电偶初始温度时刻和温度上升到阶跃温升的63.2%所对应的时刻;图2中τ表示负阶跃信号下的热电偶时间常数。

利用输出功率为0～500 W,中心波长为980 nm,脉冲上升时间小于10 μs的大功率半导体激光器构建热电偶动态性能测试系统,系统结构如图3所示。半导体激光器作为热电偶表面温度加热源,红外辐射温度计和被测热电偶分别放置于椭球面反射镜的两个共轭焦点处,为了防止二者之间产生直接的辐射热传递,加入一隔热块。激光经过光学整形系统整形后激励在被测热电偶表面,热电偶表面迅速升温。位于另一焦点处的高速红外辐射温度计实时检测热电偶表面温度变化。通过数据采集设备得到电压值可以计算得出对应的温度值。调整激光器输出功率及出光时间可以实现热电偶不同温度的阶跃温升。


本文编号：3410941