液晶测温技术研究.docVIP

液晶测温技术研究 1、液晶测温技术的意义 自然现象本身是一种物性参数具有场分布和非定常物性的复杂过程。科学发展到现在，依靠传统的观测手段，以静态或以点参数为判断依据的测试技术，己不能圆满解决科学所面临的各种复杂问题。随着高新技术的飞速发展，尤其是计算机、近代光学技术、信息图象技术的迅猛发展，在实验观测技术领域中正经历着一场重大变革。一个统称之为全场测量技术的领域正在兴起，这意味着利用新型的感测手段，以光学、光电物理诊断方法为基础，以图象系统为核心的第四代实验观测技术时代的到来。理想的或近于理想的实验观测手段应具备如下的技术性能。 ①非接触式的，对现象无干扰作用; ②既能展示对象的时空结构形态，又能获取定量的数据; ③有高的时空分辨率; ④能以最直观、最丰富的信息形式描述被观测的现象; ⑤能实时或几乎实时地取得测量信息; ⑥成本低廉、使用方便。 在温度测量领域中，各种面测量方法相继出现，如红外热像仪、荧光材料、感温涂料、相变漆等。本文所涉及的热色液晶定量测热技术，以它能全面逼近上述“理想的实验观测手段”的技术优势，正在国内外迅速发展起来。它是利用热色液晶随温度的变化迅速改变其反射的可见光颜色的特性，在现代光学、光电仪器及计算机图象技术的支持下，提供温度场的定量面分布信息。热色液晶定量测热技术具有如下特点： ①属于非接触式测量方法，由于液晶是喷涂在实验件表面上的约20μm厚的膜层，所以不会改变实验件的几何形状，也不会对现象产生干扰作用; ②空间分辨率高，可达到1~量级 ③能把不可见的温度场转变为可视性极强的全彩色光显示信息，得到有定量依据的数字化彩色热图结果，国外已达到10%的定量测定精度; ④反应速度快，光信号滞后于温度变化的时间约为4ms，基本上能实时动态测量非定常的温度变化; ⑤是一种无源信号变换材料，不需电源供电，无信号传输线，能反复使用，所以操作方便，实验成本低。 这项技术在国外已有三十多年的发展历史。在航空航天领域中，主要应用于各种复杂流动现象的研究，例如:附面层转挟、湍流结构、激波与附面层干扰引起的分离和旋涡流动等在工程热物理领域中，主要用于强化传热、射流冷却技术、复杂形体中的传热现象等。 1966年Klein首次将液晶热色图象技术用于空气动力学实验中川，他成功地取得了三角翼飞机表面附面层转挟位置的定性热图影象。第一个定量测定结果是1974年由美国的Cooper给出的I2j，他观测了横向流动中圆柱体表面上附面层转抉位置以及Nu数的变化。此后，大量的定性及定量的研究工作陆续在西欧、日本开展起来。射流冲击冷却是一种极其有效的强化传热方法。由于流体直接冲击需要冷却的表面，流程短而边界层很薄，因此换热系数比通常的管内换热要高出几倍至一个数量级。为此，它得到了越来越广泛的应用。在工业生产中，纺织品、纸张、木材等的干燥，玻璃的回火，钢材的冷却，内燃机活塞的油冷等，都普遍地应用了射流冲击技术。在尖端技术领域中，射流冲击也是很有效的冷却手段。例如，航空发动机涡轮叶片的冷却已广泛采用冲击冷却技术。现在，计算机高热负荷微电子元件的冷却也己正式采用了这种方法阴。 2、国内外研究现状 近年来，随着液晶技术的不断成熟及计算机辅助色彩图象处理技术的应 用，液晶越来越多地广泛用于传热及流体实验研究中。液晶的应用为研究重要 而有意义的传热、流体问题提供了新的测试手段。近十多年来，英国和美国的一批专家学者相继投入了热色液晶热图技术应用于射流冲击冷却技术的研究工作。这方面文献的大量出现，一方面表现了射流冲击传热的重要性;另一方面也是因为这种测温技术特别适用于对射流冲击传热现象的研究。射流冲击传热的特征是，自驻点以外，换热系数迅速下降，因而驻点表面温度最低，沿径向方向，壁温的变化梯度很大，形成变化剧烈的温度场。对这种温度场使用热色液晶来测定和分析，是很合适的。因此，无论是二维轴对称射流[5]，还是二维平面射流[6]，都可采用热色液晶显示技术进行研究。如单束空气圆形自由射流冲击平板[7]，圆形矩阵射流冲击平板[8]，椭圆形射流冲击平板[9l等不同形状、不同布置形式的射流均有采用液晶显示研究的文献报道。采用热色液晶瞬态法测定射流冲击传热特性的文献不多。1993年Clemson大学的研究者首次发现脉冲射流可以使传热提高50%以上1101，因而引起了学术界对脉冲射流研究的兴趣。Metzger，Bunker，Bosch用非稳态法，对旋转圆盘的空气射流冲击传热作了比较深入的分析。美国南依利诺大学的阎小军教授用非稳态法，对单束空气射流冲击平板的传热进行了研究，并与稳态法测定结果相比较，取得了很好的一致效果。 3、液晶测温技术原理 热色液晶定量测热系统是一套以计算机为中心的图象采集处理系统。它建立在热色液晶的热变色效应原理基础上，通过彩色CCD摄象机对热色图象进行光一电