一种基于热成像的平板状样品导热性能测试装置
阅读说明：本技术 一种基于热成像的平板状样品导热性能测试装置 (Flat-plate-shaped sample heat-conducting property testing device based on thermal imaging ) 是由 侯德鑫 叶树亮 于 2021-09-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于热成像的平板状样品导热性能测试装置。本发明包括热像仪、可控温恒温槽和隔热板,在所述的可控温恒温槽内设置有待测试的平板状样品,所述的可控温恒温槽通过隔热板将样品控温区与观测区进行隔热分离,所述的隔热板上开槽,用于热像仪对所述的平板状样品的观测。所述的平板状样品的观测面喷涂有黑体漆,观测面的相对面设置有用于热激励的电热片。本发明可测定多个热参数,采用热像仪作为温度数据采集器,其数据量大且直接获得二维平面数据及50Hz以上的时间变量数据,给基于三维传热模型进行测试和反演分析带来了足够数据源支撑,且无需破坏制样,可直接对多层薄膜堆叠制品的等效导热系数进行准确测试。(The invention discloses a device for testing the heat-conducting property of a flat-plate-shaped sample based on thermal imaging. The thermal imager comprises a thermal imager, a temperature-controllable constant temperature groove and a thermal insulation plate, wherein a flat-plate-shaped sample to be tested is arranged in the temperature-controllable constant temperature groove, the temperature-controllable constant temperature groove is used for carrying out thermal insulation separation on a temperature-controlled area and an observation area of the sample through the thermal insulation plate, and a groove is formed in the thermal insulation plate and used for the thermal imager to observe the flat-plate-shaped sample. The observation surface of the flat-plate-shaped sample is sprayed with black body paint, and the opposite surface of the observation surface is provided with an electric heating sheet for thermal excitation. The invention can measure a plurality of thermal parameters, adopts the thermal imager as a temperature data collector, has large data volume, directly obtains two-dimensional plane data and time variable data above 50Hz, brings enough data source support for testing and inversion analysis based on a three-dimensional heat transfer model, does not need to destroy sample preparation, and can directly and accurately test the equivalent thermal conductivity coefficient of a multilayer film stacking product.)
技术领域
本发明属于涉及导热性能测试领域，涉及一种基于热成像的平板状样品导热性能测试装置。
背景技术
常规的导热系数测试有稳态法、闪光法、热线法以及Hot Disk法。
稳态法对于样品的尺寸要求较高，多层非均质特性无法满足理想的测试条件；此外，为减小待测样品与测试元件之间的接触热阻，通常需要对样品施加一定的压力，这将导致样品内部状态发生变化，测量出的结果也无法反映正常状态下样品的热物性，且通常测试时间过长，效率较低。因此，常见的稳态法不适用于结构复杂、外形及尺寸差异较大的样品。
闪光法对测试对象的要求较高，需要将样品制成薄片，最后通过理论计算求得样品整体的导热系数，但是这种方法无法正确评估内部复杂结构的影响，计算结果与真实的导热系数有较大差距。
热线法与闪光法相似，复杂的封装结构使得该方法无法对样品进行原位测量，只可用于测量锂电池电芯组成元件的导热系数。
Hot Disk法从原理上只适用于均匀介质，比如锂电池这样的样品，其电芯与外壳包装物的热物性存在明显差异，因此测量结果易受到外部铝塑膜的影响而无法正确测量电池整体的导热性能。
由上述分析可知，常规的导热系数测试都不太适用于各向异性平板及多层非均质平板的热参数测试问题。
以锂电池为代表的各向异性平板及多层非均质平板的热参数测试，由于测试对象的特殊性，多层薄膜复合、多孔疏松、固液两相，边缘不规则，规格多样，不可加工改变形状尺寸。而像动力锂电池这样的样品，其热相关问题关系着电池的性能、安全性、寿命及使用成本。电池温度较高时可能会产生热失控的风险，温度较低时会降低电池的能量和功率密度。因此，必须对锂电池进行热设计和热管理。导热系数是电池重要的热物理参数之一，反映了电池的导热能力。在电池热模拟中，导热系数等热物性参数接近一个数量级的差异会导致预测的温度梯度也相差一个数量级，因此电池导热系数的准确测量对分析电池的热特性并有针对性地使用热控措施具有十分重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对以多层复合板及锂电池为代表的各向异性平板及多层非均质平板的热参数测试，提出了一种基于热成像的平板状样品导热性能测试装置，通过热像仪记录样品表面温度场的演变数据，可同时反演电池的面向导热系数、纵向导热系数、比热容、热扩散系数、接触热阻、界面换热系数、总热阻等多个热参数，避免了传统接触式表面测温引入的不确定因素。
本发明解决技术问题所采取的技术方案为：
本发明包括热像仪、可控温恒温槽和隔热板，在所述的可控温恒温槽内设置有待测试的平板状样品，所述的可控温恒温槽通过隔热板将样品控温区与观测区进行隔热分离，所述的隔热板上开槽，用于热像仪对所述的平板状样品的观测；
所述的平板状样品的观测面喷涂有黑体漆，观测面的相对面设置有用于热激励的电热片。
进一步说，所述的隔热板开槽方式为一字槽或者十字槽。
进一步说，还配置有同步加热信号区，用于辅助记录热平板状样品开始加热时刻。
进一步说，在观测区配置有用于消除热像仪温漂的合作黑体。
进一步说，利用电热片以透射式方式加热样品，加热激励方式为脉冲周期或双脉冲周期。
进一步说，带有激光定位坐标，用于实现热像仪与平板状样品的空间位置对齐。
本发明的有益效果：本发明可实现应用于平板状材料导热性能参数，适合各种不同规格、表面硬度、粗糙度、孔隙率的均质或非均质样品；非接触测量，自动补偿表面散热、支架散热等干扰，测试结果更准确，尤其可以解决常规方法无法适用的各向异性平板及多层非均质平板热传导性能、多部件结构内部热阻等特殊对象热参数测试，可测定特定温度下样品面向导热系数、纵向导热系数、比热容、热扩散系数、接触热阻、界面换热系数、总热阻等多个热参数，装置采用热像仪作为温度数据采集器，其数据量大且直接获得二维平面数据及50Hz以上的时间变量数据，给基于三维传热模型进行测试和反演分析带来了足够数据源支撑，且无需破坏制样，可直接对多层薄膜堆叠制品的等效导热系数进行准确测试。
附图说明
图1为本发明的结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点清楚明白，以及结合附图对本发明做进一步说明：
本发明涉及一种应用于测定平板状样品的热传导性能专业测试装置，特别是针对常规方法无法解决的各向异性平板及多层非均质平板的各种热参数测量问题：例如面向导热系数、纵向导热系数、比热容、热扩散系数、接触热阻、界面换热系数、总热阻等。其以热像仪作为温度观测设备，直接获得二维温度数据及一维时间数据信息，给后期样品数据测试及模型反演提供了基础。
本发明采用透射式脉冲加热方式，对样品背面利用电热片进行加热，对样品的正面喷黑体漆作为观测面，保证样品的发射率在0.94及以上，其观测面的热响应则可以反映样品整体的导热性能。由于热像仪测温易受环境噪声影响，为确保数据的可靠性，本发明以样品观测面最大温升高约3～5℃为标准测试条件，保证样品温度明显高于环境温度。热像仪记录样品加热后的温度变化，建立三维传热模型进行测试和反演分析以反演计算样品热参数。
本发明对样品环境进行控温，控温的方式可以为：恒温槽，温度范围-10～80℃，以测定特定温度下的样品热参数。设计一端可翻转的隔热板，将样品控温区与观测区(观测面与热像仪围成的区域作为观测区)进行隔热分离，阻止空气对流，尽量降低热像仪镜头受热源干扰。对观测窗口(即在隔热板处)进行开“一”字或带有“一”字的其他形状开口进行观测温度，其中“十”字形状尤为常见。
本发明还设计有同步加热信号区，具体可采用同步加热小电热片，记录加热起始时刻。开始实验时，样品上粘贴的加热片与小电热片同时开始加热，2s后将小加热片的电源关断，由于小电热片自身热容较小，且拥有较大的功率密度，实测其升温速度可达到5℃/s以上。因此该小电热片可通过自身快速发热作为同步信号被热像仪记录下来，在数据处理时可根据小电热片局部高温区域的数据拟合出升温曲线，根据该近似直线求出小电热片开始加热的时刻所对应的帧数作为时间零点。显然，利用该方式计算得到的时间零点精度要优于直接根据温升确定的起始加热帧，其误差最大不超过1帧，因此时间同步误差主要来源于热像仪采样帧频。
本发明还设计合作黑体。在观测窗口内(隔热板上方)，放置一小块喷了黑体漆的金属板，其表面发射率可达0.94。将合作黑体的观测数据作为热像仪观测样品的参考数据，消除不同时间热像仪因温度漂移引起的偏差。
本发明还设计有激光定位坐标，用于实现热像仪和样品的空间位置对齐。
实施例：
如图1所示：热像仪1安装位于正上方，隔热板2与热像仪形成的空间作为观测窗口，形成观测区，隔热板上方放置合作黑体6及同步加热小电热片7：隔热板开“一”字窗口8，“十”字激光坐标中心定位与样品中心、热像仪中心一致。锂电池3置于可控温恒温槽5中，样品表面均匀喷涂发射率为0.94的黑体漆并充分晾干，非观测面通过电热片4提供任意规律的热激励，并在恒温槽内设计风扇，提高恒温效率。
使用该装置的测试方法为：
测试前，锂电池的正面均匀喷黑体漆，至少两遍以上，保证观测面发射率在0.94及以上；锂电池的背面粘电热片，一般考虑粘在中心位置，注意电热片尺寸与锂电池的比例关系，其直接影响导热反演的计算模型，且贴合紧密，尽量减小接触热阻。
打开隔热板，将锂电池放入测试台上，接通导线，开启电源；设定同步小电热片加热、冷却时间以及电压。
将喷涂黑体漆面作为观测面，打开激光，将锂电池位置摆正，利用激光将样品、热像仪、“一”字槽三者中心对齐；关闭激光，关闭隔热板(隔热板设计为一端固定的翻转板)。设定恒温槽温度，启动恒温槽电源；打开风扇，一定时间后关闭风扇，静置一定时间(等待锂电池达到恒温槽设定温度)。
设定加热片加热冷却时间、周期以及电压参数记录合作黑体数据。
导热系数具体反演计算方法为：已知锂电池的几何形状尺寸、热源分布、边界条件和初始条件、除导热系数外的所有热物性参数，以及在特定热激励下的温度场数据，求解导热系数，是一个典型的热传导反问题。通过非线性最小二乘法来求解热参数反演问题，其基本思想就是通过调整待求参数使得生成的数值计算结果与实际实验数据之间的偏差最小，反演的优化目标可以写为下式
式中：J(x)为反演目标函数，x为待反演参数向量；N为温度测量点的数量；为测量点温度的数值计算值，为测量点温度的实验测量值。
热参数反演即寻找最佳的一组x使得目标函数J(x)达到最小值，即：
当同时计算纵向和面向导热系数时，以选择锂电池中心处与电热片尺寸相当的矩形区域作为感兴趣区域以保证反演精度。每次迭代计算偏差时，将热图像感兴趣区域内所有测温点所有时刻的数据与数值仿真数据进行比较，计算总体的偏差值，取偏差最小的一组数据为结果。
点击启动测试，等待实验结束，返回加热功率等热参数信息。
本说明书实施例所述内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思能够想到的同等技术手段。
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