用于激光清洗设备转镜液氮喷雾热流密度测量装置及方法

1.本发明涉及液氮喷雾热流密度的测量，具体涉及用于激光清洗设备转镜液氮喷雾热流密度测量装置及方法。


背景技术：

2.一种激光清洗设备内部的激光光路经过转动式反射镜片时，转动式反射镜片表面在激光波段的光谱吸收率无法达到0％，因此部分激光辐射会在该镜片表面转换成热量，由于激光功率较大，转动式反射镜的导热系数较低，通过水冷导热或者风冷导热的方式无法满足转动式反射镜镜片的热排散需求，因此需要通过液氮喷雾对转动式反射镜镜片进行冷却。由于该镜片材质为石英玻璃，若液氮喷雾热流密度分布不均匀，会造成该镜片表面存在较大的温度梯度，从而引起该镜片的热变形和热应力，若热应力超过许用应力，则极易损坏该镜片，因此需要对液氮喷雾热流密度进行测量。然而，现有技术测量的是轴向的温度梯度，测温点是固定的，只能测量一个点的液氮喷雾热流密度，而且未考虑到漏热问题，导致测量效果差。


技术实现要素：

3.本发明的目的是解决因现有技术只能测量一个点的液氮喷雾热流密度以及未考虑到漏热问题而导致测量效果差的技术问题，而提供一种用于激光清洗设备转镜液氮喷雾热流密度测量装置及方法。
4.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.一种用于激光清洗设备转镜液氮喷雾热流密度测量装置，其特殊之处在于：包括三维位移平台、转接件、箱体、热流密度测量单元以及恒温单元；
6.所述热流密度测量单元包括第一隔热支撑件、加热器、第二隔热支撑件、金属块、温度传感器组件以及第三隔热支撑件；所述第一隔热支撑件设置在所述箱体内，箱体通过所述转接件安装在所述三维位移平台上，第一隔热支撑件的上端与所述第三隔热支撑件的下端相连；所述第三隔热支撑件为中空结构；所述金属块、第二隔热支撑件从上到下依次同轴设置在第三隔热支撑件的中空结构内，金属块上端密封连接在第三隔热支撑件中空结构的上端，且位于箱体外部，金属块上端的端面用于正对液氮喷雾的喷嘴；所述加热器设置在所述第二隔热支撑件上，其加热端与金属块下端面相接触，输入端与外部直流电源相连；所述金属块的侧壁上设置有两个凹槽；所述温度传感器组件包括两个第一铂电阻；所述两个第一铂电阻的输入端分别嵌入所述两个凹槽内，两个第一铂电阻的输出端分别与外部数据采集器相连；所述第一隔热支撑件中间段的外周、第三隔热支撑件中间段的外周均包覆有隔热材料；
7.所述恒温单元设置在箱体内，且与外部温度控制器相连，用于控制箱体内的温度。
8.进一步地，为了进一步减小加热器向下的漏热，所述第二隔热支撑件下端依次同轴设置有修切垫与垫片，用于压紧加热器和金属块；所述第一隔热支撑件的上端沿轴向设
置有t形通道，加热器的输入端依次穿过所述修切垫、垫片、t形通道后与外部直流电源相连。
9.进一步地，为了更好地固定金属块以及减小金属块侧壁与第三隔热支撑件之间的导热漏热，所述金属块为圆柱状结构，其侧壁沿轴向设置有多个环形凸起，环形凸起与第三隔热支撑件的中空结构内壁过盈配合；所述金属块上端与第三隔热支撑件上端面接触的位置设置有5400胶，5400胶外侧涂覆有硅橡胶；所述加热器通过涂覆硅橡胶设置在第二隔热支撑件上。
10.进一步地，为了方便拆装以及观察箱体内部情况，所述箱体由铝型材框架以及可拆卸安装在所述铝型材框架上的亚克力板组成。
11.进一步地，为了防止接线操作过程中拽出第一铂电阻，所述第三隔热支撑件中间段的侧壁设置有两个第一通孔，第三隔热支撑件下端设置有两个第二通孔；所述第一隔热支撑件上端设置有两个第三通孔；所述两个第一铂电阻的输出端分别依次穿过所述两个第一通孔、两个第二通孔、两个第三通孔后与外部数据采集器相连；
12.所述两个凹槽的槽口朝向相反，两个凹槽分别与两个第一通孔的位置相对应；所述两个第二通孔相互对称，且分别与两个第三通孔的轴线重合。
13.进一步地，所述恒温单元包括恒温风扇以及设置在所述恒温风扇内侧壁的第二铂电阻；所述第二铂电阻与外部温度控制器相连，用于控制箱体内的温度。
14.进一步地，所述第一隔热支撑件、第二隔热支撑件以及第三隔热支撑件均采用四氟乙烯材料；所述隔热材料采用聚氨酯泡沫，且聚氨酯泡沫的直径、第一隔热支撑件上端面的直径以及第三隔热支撑件下端面的直径相同；所述金属块为6061铝；所述6061铝下端面与加热器之间涂覆有导热硅脂，第一铂电阻表面涂覆有导热硅脂。
15.同时，本发明还提供了一种用于激光清洗设备转镜液氮喷雾热流密度测量方法，基于一种用于激光清洗设备转镜液氮喷雾热流密度测量装置，其特殊之处在于，包括以下步骤：
16.步骤1、调整三维位移平台的位置，使液氮喷雾的喷嘴中心和金属块的中心点对齐，将喷嘴调整至距离金属块中心点的预设高度；
17.步骤2、调节温度控制器，将温度设置为预设温度t；
18.步骤3、打开液氮开关，调节直流电源旋钮，让金属块内部两测点温度t1和t2维持在t
±
δt；
19.步骤4、待金属块内部两测点温度t1和t2的波动小于
±
0.2℃/min时，通过加热功率q和金属块下端的直径d计算中心点的冷却热流密度q1：
[0020][0021]
根据测得的金属块内部两测点温度t1和t2、两测点间的距离δx和金属块的导热系数λ，通过傅里叶公式计算中心点的冷却热流密度q2：
[0022]
[0023]
定义误差η＝(q
2-q1)/q1，若误差η在测量精度要求范围内，则中心点的冷却热流密度测量结果满足要求；否则中心点的冷却热流密度测量结果不满足要求；
[0024]
步骤5、关闭直流电源，关闭液氮开关；
[0025]
步骤6、调节三维位移平台x和y方向的位置，重复操作步骤3～5获得二维平面内的冷却热流密度分布。
[0026]
进一步地，所述t为20℃；所述δt为3℃。
[0027]
本发明的有益效果：
[0028]
1、本发明提供了一种用于激光清洗设备转镜液氮喷雾热流密度测量装置，其中，通过三维位移平台可以测量整个二维平面内不同位置的冷却热流密度；本发明中的恒温单元可以防止低温冷氮气冷却第一隔热支撑、第二隔热支撑件、第三隔热支撑件以及隔热材料，进而减小加热器向下的散热，还可以防止冷却温度传感器组件，进而避免形成沿温度传感器组件的漏热问题，因此可以大大提高测量精度。此外，本发明中的箱体方便拆装，组成箱体的亚克力板易加工且透明，便于观察箱体内部的情况。
[0029]
2、本发明中的修切垫与垫片可以进一步地减小加热器向下的漏热，第一隔热支撑件以及第二隔热支撑件用于走线和隔热，可以减小加热器与三维位移平台之间的漏热。
[0030]
3、本发明中的金属块采用6061铝，其侧壁的环形凸起可以减小与第三隔热支撑件之间的导热漏热，此外，由于温差太小或太大均会对冷却热流密度测量结果产生影响，6061铝的导热系数引起的温差在10℃左右，可以减小对冷却热流密度测量结果的影响；另外，5400胶耐低温强度高，其外侧涂覆硅橡胶可以进一步实现密封，防止液氮或者冷氮气通过缝隙进入金属块侧壁。
[0031]
4、本发明提供了一种用于激光清洗设备转镜液氮喷雾热流密度测量方法，可以测量整个二维平面内不同位置的冷却热流密度，其中，调节温度控制器，将温度设置在两测点的平均温度，以减小漏热。
附图说明
[0032]
图1为本发明一种用于激光清洗设备转镜液氮喷雾热流密度测量装置实施例的结构示意图(未示出第二铂电阻)；
[0033]
图2为本发明中热流密度测量单元的结构示意图；
[0034]
图3为本发明一种用于激光清洗设备转镜液氮喷雾热流密度测量方法实施例中测量装置的连接结构示意图。
[0035]
附图标号：1-三维位移平台，2-转接件，3-箱体，31-铝型材框架，32-亚克力板，4-热流密度测量单元，41-第一隔热支撑件，411-第三通孔，412-t形通道，42-加热器，43-第二隔热支撑件，431-修切垫，432-垫片，44-金属块，441-凹槽，45-温度传感器组件，451-第一铂电阻，46-第三隔热支撑件，461-第一通孔，462-第二通孔，47-隔热材料，5-恒温单元，51-恒温风扇，6-数据采集器，7-直流电源，8-24v电源，9-温度控制器，10-笔记本电脑。
具体实施方式
[0036]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0037]
如图1-2所示，一种用于激光清洗设备转镜液氮喷雾热流密度测量装置，包括三维位移平台1、转接件2、箱体3、热流密度测量单元4以及恒温单元5。具体地，热流密度测量单元4包括第一隔热支撑件41、加热器42、第二隔热支撑件43、金属块44、温度传感器组件45以及第三隔热支撑件46，本实施例中的金属块44采用6061铝；第一隔热支撑件41设置在箱体3内，箱体3通过转接件2安装在三维位移平台1上，第一隔热支撑件41的上端与第三隔热支撑件46的下端相连；第三隔热支撑件46为轴向截面为工字形的中空结构；6061铝、第二隔热支撑件43从上到下依次同轴设置在第三隔热支撑件46的中空结构内，其中，6061铝为圆柱状结构，其侧壁沿轴向设置有多个环形凸起，环形凸起与第三隔热支撑件46的中空结构内壁过盈配合，6061铝上端密封连接在第三隔热支撑件46中空结构的上端，且位于箱体3外部，6061铝上端的端面用于正对液氮喷雾的喷嘴，本实施例中6061铝上端与第三隔热支撑件46上端面接触的位置设置有5400胶，且5400胶外侧涂覆有硅橡胶，可以防止液氮或者冷氮气通过缝隙进入6061铝侧壁；第二隔热支撑件43下端依次同轴设置有修切垫431与垫片432，用于压紧加热器42和6061铝；加热器42通过涂覆硅橡胶设置在第二隔热支撑件43上，加热器42的加热端与6061铝下端面相接触，第一隔热支撑件41的上端沿轴向设置有t形通道412，加热器42的输入端依次穿过修切垫431、垫片432、t形通道412后与外部直流电源7相连；此外，6061铝下端面与加热器42之间涂覆有导热硅脂，6061铝的侧壁上设置有两个凹槽441，两个凹槽441的槽口朝向相反；第三隔热支撑件46中间段的侧壁设置有两个第一通孔461，两个第一通孔461分别与两个凹槽441的位置相对应；第三隔热支撑件46下端设置有两个第二通孔462；第一隔热支撑件41上端设置有两个第三通孔411，两个第二通孔462相互对称，且分别与两个第三通孔411的轴线重合；温度传感器组件45包括两个第一铂电阻451，两个第一铂电阻451表面涂覆有导热硅脂；两个第一铂电阻451的输入端分别嵌入两个凹槽441内，两个第一铂电阻451的输出端分别依次穿过两个第一通孔461、两个第二通孔462、两个第三通孔411后与外部数据采集器6相连；第一隔热支撑件41的轴向截面为工字形，第一隔热支撑件41中间段的外周、第三隔热支撑件46中间段的外周均包覆有隔热材料47；本实施例中的隔热材料47采用聚氨酯泡沫，且聚氨酯泡沫的直径、第一隔热支撑件41上端面的直径以及第三隔热支撑件46下端面的直径相同。本实施例中的第一隔热支撑件41、第二隔热支撑件43、第三隔热支撑件46以及垫片432均采用四氟乙烯材料。
[0038]
恒温单元5设置在箱体3内，恒温单元5包括恒温风扇51以及设置在恒温风扇51内侧壁的第二铂电阻，第二铂电阻与外部温度控制器9相连，用于控制箱体3内的温度。本实施例中的箱体3由铝型材框架31以及可拆卸安装在铝型材框架31上的亚克力板32组成。
[0039]
如图3所示，为上述用于激光清洗设备转镜液氮喷雾热流密度测量装置在测量系统中的连接结构，基于此，本发明还提供了一种用于激光清洗设备转镜液氮喷雾热流密度测量方法，包括以下步骤：
[0040]
步骤1、调整三维位移平台1的位置，使液氮喷雾的喷嘴中心和金属块44的中心点对齐，将喷嘴调整至距离金属块44中心点的预设高度；本实施例中的金属块44为6061铝；
[0041]
步骤2、检查线路连接是否正确，调节温度控制器9，将温度设置为20℃；
[0042]
步骤3、打开液氮开关，调节直流电源7旋钮，让6061铝内部两测点温度t1和t2维持
在20
±
3℃；
[0043]
步骤4、待6061铝内部两测点温度t1和t2的波动小于
±
0.2℃/min时，通过加热功率q和6061铝下端的直径d计算中心点的冷却热流密度q1：
[0044][0045]
根据测得的6061铝内部两测点温度t1和t2、两测点间的距离δx和6061铝的导热系数λ，通过傅里叶公式计算中心点的冷却热流密度q2：
[0046][0047]
定义误差η＝(q
2-q1)/q1，若误差η在测量精度要求范围内，则中心点的冷却热流密度测量结果满足要求；否则中心点的冷却热流密度测量结果不满足要求；
[0048]
步骤5、关闭直流电源7，关闭液氮开关；
[0049]
步骤6、调节三维位移平台1的x和y方向的位置，重复操作步骤3～5，得到金属块44上端面不同位置的冷却热流密度q2，从而获得二维平面内冷却热流密度q2的分布。
[0050]
步骤2中，检查线路连接具体为：笔记本电脑10和数据采集器6连接，用于读取温度值；第一铂电阻451、第二铂电阻均与数据采集器6连接，数据采集器6用于采集两测点温度t1、t2以及采集箱体3内的温度；24v电源8、温度控制器9以及恒温风扇51串联，温度控制器9控制恒温风扇51供电开关，温度控制器9设置温度为20℃。另外，本实施例中的6061铝设置在第三隔热支撑件46工字形的中空结构内，且因6061铝直径较小，可以近似测出液氮喷雾某一点的冷却热流密度，从而测出液氮喷雾的冷却热流密度分布场。
[0051]
在液氮喷雾对转动式反射镜镜片冷却之前，使用上述激光清洗设备转镜的液氮喷雾热流密度测量装置可以测出液氮喷雾在不同位置的冷却热流密度，将液氮喷雾冷却热流密度分布和激光辐射热载荷代入转动式反射镜镜片模型，分析转动式反射镜镜片表面的热应力分布，若热应力大于石英玻璃的许用应力，则需要优化液氮喷雾的各项参数，当热应力小于石英玻璃的许用应力时，此时的液氮喷雾可用于激光清洗设备内部转动式反射镜镜片的散热。
[0052]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何在本发明披露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种用于激光清洗设备转镜液氮喷雾热流密度测量装置，其特征在于：包括三维位移平台(1)、转接件(2)、箱体(3)、热流密度测量单元(4)以及恒温单元(5)；所述热流密度测量单元(4)包括第一隔热支撑件(41)、加热器(42)、第二隔热支撑件(43)、金属块(44)、温度传感器组件(45)以及第三隔热支撑件(46)；所述第一隔热支撑件(41)设置在所述箱体(3)内，箱体(3)通过所述转接件(2)安装在所述三维位移平台(1)上，第一隔热支撑件(41)的上端与所述第三隔热支撑件(46)的下端相连；所述第三隔热支撑件(46)为中空结构；所述金属块(44)、第二隔热支撑件(43)从上到下依次同轴设置在第三隔热支撑件(46)的中空结构内，金属块(44)上端密封连接在第三隔热支撑件(46)中空结构的上端，且位于箱体(3)外部，金属块(44)上端的端面用于正对液氮喷雾的喷嘴；所述加热器(42)设置在所述第二隔热支撑件(43)上，其加热端与金属块(44)下端面相接触，输入端与外部直流电源(7)相连；所述金属块(44)的侧壁上设置有两个凹槽(441)；所述温度传感器组件(45)包括两个第一铂电阻(451)；所述两个第一铂电阻(451)的输入端分别嵌入所述两个凹槽(441)内，两个第一铂电阻(451)的输出端分别与外部数据采集器(6)相连；所述第一隔热支撑件(41)中间段的外周、第三隔热支撑件(46)中间段的外周均包覆有隔热材料(47)；所述恒温单元(5)设置在箱体(3)内，且与外部温度控制器(9)相连，用于控制箱体(3)内的温度。2.根据权利要求1所述的用于激光清洗设备转镜液氮喷雾热流密度测量装置，其特征在于：所述第二隔热支撑件(43)下端依次同轴设置有修切垫(431)与垫片(432)，用于压紧加热器(42)和金属块(44)；所述第一隔热支撑件(41)的上端沿轴向设置有t形通道(412)，加热器(42)的输入端依次穿过所述修切垫(431)、垫片(432)、t形通道(412)后与外部直流电源(7)相连。3.根据权利要求1或2所述的用于激光清洗设备转镜液氮喷雾热流密度测量装置，其特征在于：所述金属块(44)为圆柱状结构，其侧壁沿轴向设置有多个环形凸起，环形凸起与第三隔热支撑件(46)的中空结构内壁过盈配合；所述金属块(44)上端与第三隔热支撑件(46)上端面接触的位置设置有5400胶，5400胶外侧涂覆有硅橡胶；所述加热器(42)通过涂覆硅橡胶设置在第二隔热支撑件(43)上。4.根据权利要求3所述的用于激光清洗设备转镜液氮喷雾热流密度测量装置，其特征在于：所述箱体(3)由铝型材框架(31)以及可拆卸安装在所述铝型材框架(31)上的亚克力板(32)组成。5.根据权利要求4所述的用于激光清洗设备转镜液氮喷雾热流密度测量装置，其特征在于：所述第三隔热支撑件(46)中间段的侧壁设置有两个第一通孔(461)，第三隔热支撑件(46)下端设置有两个第二通孔(462)；所述第一隔热支撑件(41)上端设置有两个第三通孔(411)；所述两个第一铂电阻(451)的输出端分别依次穿过所述两个第一通孔(461)、两个第二通孔(462)、两个第三通孔(411)后与外部数据采集器(6)相连；所述两个凹槽(441)的槽口朝向相反，两个凹槽(441)分别与两个第一通孔(461)的位置相对应；所述两个第二通孔(462)相互对称，且分别与两个第三通孔(411)的轴线重合。6.根据权利要求5所述的用于激光清洗设备转镜液氮喷雾热流密度测量装置，其特征在于：所述恒温单元(5)包括恒温风扇(51)以及设置在所述恒温风扇(51)内侧壁的第二铂
电阻；所述第二铂电阻与外部温度控制器(9)相连，用于控制箱体(3)内的温度。7.根据权利要求6所述的用于激光清洗设备转镜液氮喷雾热流密度测量装置，其特征在于：所述第一隔热支撑件(41)、第二隔热支撑件(43)以及第三隔热支撑件(46)均采用四氟乙烯材料；所述隔热材料(47)采用聚氨酯泡沫，且聚氨酯泡沫的直径、第一隔热支撑件(41)上端面的直径以及第三隔热支撑件(46)下端面的直径相同；所述金属块(44)为6061铝；所述6061铝下端面与加热器(42)之间涂覆有导热硅脂；所述第一铂电阻(451)表面涂覆有导热硅脂。8.一种用于激光清洗设备转镜液氮喷雾热流密度测量方法，基于权利要求1-7任一所述的用于激光清洗设备转镜液氮喷雾热流密度测量装置，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、调整三维位移平台(1)的位置，使液氮喷雾的喷嘴中心和金属块(44)的中心点对齐，将喷嘴调整至距离金属块(44)中心点的预设高度；步骤2、调节温度控制器(9)，将温度设置为预设温度t；步骤3、打开液氮开关，调节直流电源(7)旋钮，让金属块(44)内部两测点温度t1和t2维持在t
±
δt；步骤4、待金属块(44)内部两测点温度t1和t2的波动小于
±
0.2℃/min时，通过加热功率q和金属块(44)下端的直径d计算中心点的冷却热流密度q1：根据测得的金属块(44)内部两测点温度t1和t2、两测点间的距离δx和金属块(44)的导热系数λ，通过傅里叶公式计算中心点的冷却热流密度q2：定义误差η＝(q
2-q1)/q1，若误差η在测量精度要求范围内，则中心点的冷却热流密度测量结果满足要求；否则中心点的冷却热流密度测量结果不满足要求；步骤5、关闭直流电源(7)，关闭液氮开关；步骤6、调节三维位移平台(1)x和y方向的位置，重复操作步骤3～5获得二维平面内的冷却热流密度分布。9.根据权利要求8所述的激光清洗设备转镜的液氮喷雾热流密度测量方法，其特征在于：所述t为20℃；所述δt为3℃。

技术总结
本发明涉及用于激光清洗设备转镜液氮喷雾热流密度测量装置及方法，为解决现有技术只测一个点的热流密度和未考虑漏热的技术问题，该装置包括三维位移平台、转接件、箱体、热流密度测量单元和位于箱体内的恒温单元；热流密度测量单元包括第一隔热支撑件、加热器、第二隔热支撑件、金属块、温度传感器组件和第三隔热支撑件；第一隔热支撑件位于箱体内，其上端第三隔热支撑件相连，箱体通过转接件安装于三维位移平台；金属块、第二隔热支撑件位于第三隔热支撑件内，加热器位于第二隔热支撑件上且与金属块接触；温度传感器组件输入端嵌入金属块侧壁凹槽，输出端与外部数据采集器相连。输出端与外部数据采集器相连。输出端与外部数据采集器相连。


技术研发人员：邹天琦 杨文刚 姜广文 穆猷
受保护的技术使用者：中国科学院西安光学精密机械研究所
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/7/21