本发明专利技术公开了一种基于双材料微悬臂梁的辐射热通量测量装置，特征是在复合结构的微悬臂梁中作为反光膜层的材料为铝或金；作为辐射吸收膜层的材料是氮化硅；激光经透镜会聚在反光膜层上反射到光信号接收器范围之内经信号传输线接至模数转换器将变化的电压信号转化为数字信号，再输送到电脑计算出微悬臂梁两种材料之间的应力差与翘曲度的大小，进一步计算得出火灾辐射功率的大小。本发明专利技术基于双材料微悬臂梁的辐射热通量测量装置时间响应快，适于瞬态变化辐射热信号测量；非接触式测量，对目标无干扰、测量精度高；双材料微悬臂梁敏感器件采用真空腔封装，不受环境因素及被测目标的损伤、污染等影响，适用于火灾等热灾害现场使用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于 辐射热通量测量
，具体涉及采用双材料微悬臂梁受热翘曲原理测量目标辐射热通量的方法及装置。
技术介绍
美国国家标准与技术研究所(NationalInsitiute of Standards and Technology, NIST)出版的国际论坛论文集《Measurement needs for fire safety》 (Thomas J. 0. , Erik L. J. and Richard G. Gann，NISTIR 6527,2000)中，将火焰辐射热通量列为在火安全科学与技术研究中必须通过实验测量获取的重要参量之一。而现有热通量的测量基本上局限于差温法(Differential temperature techniques)、量热法 (Calorimetric techniques)禾口传质类比法(Mass transfer techniques)等/L禾中方法，且因受传感器制作材料的影响和限制，以及测量方法本身的局限性，上述方法的响应时间、稳定性、灵敏度等特性都比较差。此外，现有热通量传感器因其热接收面易于被污染、划损等原因，其测量性能和结果往往很易受到测试对象或外界因素的影响。因此，亟需发展基于新原理和新技术的辐射热通量测量方法，以实现对火焰等目标辐射热通量高灵敏度、高精度的现场动态测量。黄渊在他的博士论文《基于光学读出的微悬臂梁生化传感技术研究》(中国科学技术大学博士论文，2009)中提到，微悬臂粱的上下表面应力差与微悬臂粱的端部位移之间遵循斯托尼(Stoney)公式权利要求1.一种基于双材料微悬臂梁的辐射热通量测量装置，包括壳体(6)内壁上设有支架 (8)，模数转换器(1)、激光器(3)、透镜(4)和光信号接收器(9)固定在支架(8)上；其特征在于内部抽成真空的腔体(10)密闭固定在壳体(6)的透明下端面(5-2)上，真空腔体 (10)朝向激光器(3)的方向设有透明窗口(5-1)；所述激光器(3)发出的入射光(Bi)经透镜(4)后会聚在微悬臂梁(11)的梁体(D)的反光膜层(Cl)上；光信号接收器(9)置于可接收到反光膜层(Cl)产生的反射光束(B2)形成光斑位置范围之内；所述微悬臂梁(11)包括上表面镀有双材料薄膜的单晶硅基底(C3)和在基底(C3)上表面向一侧探出的双材料复合薄膜微悬臂梁梁体(D)，该双材料微悬臂梁梁体(D)为由铝层和氮化硅层或由金层和氮化硅层所构成的双层复合平面板；梁体(D)长百微米至千微米量级，宽十微米至百微米量级， 双层复合平面板各层厚千纳米至微米量级；单晶硅基底(C3)长毫米量级到厘米量级，宽十微米至百微米量级，厚百微米量级，梁体(D)的长度与基底(C3)的长度之比为1 100至 1 1 ；其中作为反光膜层(Cl)的材料为铝或金；作为辐射吸收膜层(C2)的材料是氮化硅； 所述光信号接收器(9)将接收到的光信号转换为电压信号经信号传输线(7)传输至模数转换器1转换为数字信号后，再经数据线(2)输送至电脑(12)，根据所记录下来的信号的变化计算辐射功率大小根据由斯托尼方程、热变形理论公式和球形面积公式推导得到微悬臂梁梁体的翘曲距离2.如权利要求1所述基于双材料微悬臂梁的辐射热通量测量装置，特征在于所述双材料微悬臂梁梁体(D)的制作，采取先在长度为毫米到厘米量级、宽度十微米至百微米、厚度为十微米至百微米的单晶硅基底(C3)表面采用镀膜或者低压化学气相沉积法沉积一层氮化硅辐射吸收膜层(C2)，沉积厚度为百纳米量级至十微米量级，然后采用蒸发镀膜、溅射或脉冲激光沉积法镀膜方法在氮化硅辐射吸收膜层(C2)上表面镀一层膜厚为百纳米量级至十微米量级的铝或金反光膜层(Cl)，在氮化硅辐射吸收膜层(C2)表面形成双层平面板型复合结构；采用光刻和刻蚀方法对作为反光膜层(Cl)和作为辐射吸收膜层(C2)的双材料复合结构进行精细加工得到所需尺寸的及表面形状为三角形或矩形的几何图形部件；继而再次采用刻蚀法去除准备作为微悬臂梁梁体(D)悬臂部分下面的基底，得到微悬臂梁梁体 (D)；所述刻蚀法采用湿法腐蚀或干法刻蚀。3.如权利要求1所述基于双材料微悬臂梁的辐射热通量测量装置，特征在于所述激光器(3)选用毫瓦级半导体激光器、二极管激光器或氦氖激光器。4.如权利要求1所述基于双材料微悬臂梁的辐射热通量测量装置，特征在于所述会聚透镜(4)采用单个凸透镜或准直透镜组。5.如权利要求(1)所述基于双材料微悬臂梁的辐射热通量测量装置，特征在于所述壳体(6)的材料选用金属材料铝合金、铜或不锈钢，或硬度相当的塑胶材料，壳体(6)的形状选用圆筒形或空心长方柱体。6.如权利要求1所述基于双材料微悬臂梁的辐射热通量测量装置，特征在于所述光信号接收器(9)采用位置敏感器，包括一维位移传感器或二维位移传感器，或采用电荷耦合器件。7.如权利要求1所述基于双材料微悬臂梁的辐射热通量测量装置，特征在于所述真空腔体(10)采用透明材料包括玻璃、有机玻璃或者石英玻璃来制作。全文摘要本专利技术公开了一种基于双材料微悬臂梁的辐射热通量测量装置，特征是在复合结构的微悬臂梁中作为反光膜层的材料为铝或金；作为辐射吸收膜层的材料是氮化硅；激光经透镜会聚在反光膜层上反射到光信号接收器范围之内经信号传输线接至模数转换器将变化的电压信号转化为数字信号，再输送到电脑计算出微悬臂梁两种材料之间的应力差与翘曲度的大小，进一步计算得出火灾辐射功率的大小。本专利技术基于双材料微悬臂梁的辐射热通量测量装置时间响应快，适于瞬态变化辐射热信号测量；非接触式测量，对目标无干扰、测量精度高；双材料微悬臂梁敏感器件采用真空腔封装，不受环境因素及被测目标的损伤、污染等影响，适用于火灾等热灾害现场使用。文档编号G01J5/12GK102288300SQ20111012006公开日2011年12月21日 申请日期2011年5月10日 优先权日2011年5月10日专利技术者刘冰, 王喜世, 陶常法 申请人:中国科学技术大学本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种基于双材料微悬臂梁的辐射热通量测量装置，包括壳体（６）内壁上设有支架（８），模数转换器（１）、激光器（３）、透镜（４）和光信号接收器（９）固定在支架（８）上；其特征在于：内部抽成真空的腔体（１０）密闭固定在壳体（６）的透明下端面（５－２）上，真空腔体（１０）朝向激光器（３）的方向设有透明窗口（５－１）；所述激光器（３）发出的入射光（Ｂ１）经透镜（４）后会聚在微悬臂梁（１１）的梁体（Ｄ）的反光膜层（Ｃ１）上；光信号接收器（９）置于可接收到反光膜层（Ｃ１）产生的反射光束（Ｂ２）形成光斑位置范围之内；所述微悬臂梁（１１）包括上表面镀有双材料薄膜的单晶硅基底（Ｃ３）和在基底（Ｃ３）上表面向一侧探出的双材料复合薄膜微悬臂梁梁体（Ｄ），该双材料微悬臂梁梁体（Ｄ）为由铝层和氮化硅层或由金层和氮化硅层所构成的双层复合平面板；梁体（Ｄ）长百微米至千微米量级，宽十微米至百微米量级，双层复合平面板各层厚千纳米至微米量级；单晶硅基底（Ｃ３）长毫米量级到厘米量级，宽十微米至百微米量级，厚百微米量级，梁体（Ｄ）的长度与基底（Ｃ３）的长度之比为１∶１００至１∶１；其中作为反光膜层（Ｃ１）的材料为铝或金；作为辐射吸收膜层（Ｃ２）的材料是氮化硅；所述光信号接收器（９）将接收到的光信号转换为电压信号经信号传输线（７）传输至模数转换器１转换为数字信号后，再经数据线（２）输送至电脑（１２），根据所记录下来的信号的变化计算辐射功率大小：根据由斯托尼方程、热变形理论公式和球形面积公式推导得到微悬臂梁梁体的翘曲距离（ｍａｔｈ）??（ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）＆Ｄｅｌｔａ；ｚ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｉ）ｋ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＆ＣｅｎｔｅｒＤｏｔ；（／ｍｏ）?（ｍｆｒａｃ）?（ｍｓｕｐ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｎ）５（／ｍｎ）?（ｍｉ）Ｌ（／ｍｉ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｎ）４（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｐ）?（ｍｓｕｐ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｎ）８（／ｍｎ）?（ｍｉ）＆ｐｉ；Ｒ（／ｍｉ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｐ）?（／ｍｆｒａｃ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）Ｐ（／ｍｉ）?（ｍｉ）ｆ（／ｍｉ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）＆ｅｔａ；（／ｍｉ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍａｔｈ）通过测得微悬臂梁梁体翘曲距离Δｚ的大小，得出辐射热源的辐射功率Ｐｆ的大小；式中ｋ是与微悬臂梁相关的特性参数，Ｌ是微悬臂梁的长度，Ｒ是微悬臂梁距热辐射源的距离，Ｐｆ表示热辐射源的功率大小，η是微悬臂梁辐射吸收膜层（Ｃ２）的辐射吸收系数。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王喜世，陶常法，刘冰，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：34
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