本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱性能測試試驗(yàn)平臺(tái)，尤其涉及一種熱源布局可變的均熱板導(dǎo)熱性能測試平臺(tái)及測試方法。

背景技術(shù)：

隨著優(yōu)化設(shè)計(jì)思想的不斷發(fā)展以及設(shè)計(jì)要求的日益嚴(yán)格，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法得到了很大的關(guān)注及研究。作為一種前沿的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，拓?fù)鋬?yōu)化方法主要應(yīng)用于承力以及散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在目標(biāo)函數(shù)以及約束條件下尋求最佳的材料分布。拓?fù)鋬?yōu)化在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中占有重要地位，其研究成果廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車設(shè)計(jì)等領(lǐng)域并取得顯著成效。

目前，在拓?fù)鋬?yōu)化研究領(lǐng)域，主要的研究手段有有限元分析以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

有限元分析是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的一項(xiàng)技術(shù)，在試驗(yàn)條件有限的情況下，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬，具有速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)。但是其計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性很大程度上取決于邊界條件與實(shí)際工況的符合程度，這就對(duì)有限元分析結(jié)果的可靠性帶來了一定的限制。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是通過相應(yīng)的試驗(yàn)平臺(tái)，最大程度地將實(shí)際工況以及邊界條件模擬復(fù)現(xiàn)。其適用性較廣，試驗(yàn)周期短，并且試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性較高，是一種有效的實(shí)驗(yàn)方法。但是，現(xiàn)有試驗(yàn)平臺(tái)采用的熱源結(jié)構(gòu)布局固定，無法滿足多種熱源結(jié)構(gòu)下結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱性能測試的需求，實(shí)驗(yàn)效率較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種熱源布局可變的結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱性能測試平臺(tái)及其測試方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：

一種熱源布局可變的結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱性能測試平臺(tái)，該測試平臺(tái)包括真空罩、紅外熱像儀、熱沉以及布局可變的熱源，所述紅外熱像儀設(shè)置于真空罩內(nèi)，熱沉設(shè)置于真空罩上；所述熱源包括加熱片陣列，加熱片陣列包括排布在真空罩內(nèi)的多個(gè)可單獨(dú)控制的加熱片單元，所述加熱片單元由至少一個(gè)加熱片組成。

所述測試平臺(tái)還包括熱源控制器，熱源控制器包括繼電器母板以及用于對(duì)加熱片單元進(jìn)行開關(guān)控制的繼電器，繼電器母板包括與繼電器相連的可編程控制器。通過所述熱源及其控制器，可模擬多種熱源布局情況。

所述加熱片單元的排布方式包括矩陣形式。

所述熱沉采用可控溫半導(dǎo)體制冷片，所述加熱片采用ptc恒溫加熱片。

所述測試平臺(tái)還包括支承部件，支承部件包括設(shè)置于真空罩上方的支架、設(shè)置于支架上的二維移動(dòng)平臺(tái)以及設(shè)置于二維移動(dòng)平臺(tái)上的升降裝置，紅外熱像儀與升降裝置相連。

所述熱源位于真空罩底部，紅外熱像儀位于所述熱源上方，真空罩的上端采用蓋板封閉。

上述熱源布局可變的結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱性能測試平臺(tái)的測試方法，該測試方法包括以下步驟：

1)將試件放入真空罩內(nèi)，使試件與所述熱源接觸；然后，將試件的一端通過導(dǎo)熱介質(zhì)與熱沉相連；

2)調(diào)節(jié)紅外熱像儀的位置，使紅外熱像儀能拍攝到試件表面處的圖像；

3)抽出真空罩中的空氣；然后通過控制所述熱源中對(duì)應(yīng)加熱片單元的開關(guān)調(diào)整所述熱源至預(yù)定的布局形式；

4)待試件溫度穩(wěn)定后，利用紅外熱像儀拍攝試件表面的溫度分布圖像，根據(jù)圖像得出試件的導(dǎo)熱性能。

所述試件選自均熱板。

所述測試方法還包括以下步驟：在調(diào)整所述熱源的布局形式的同時(shí)，啟動(dòng)對(duì)于所述熱沉的溫度控制，利用構(gòu)成該熱沉的半導(dǎo)體制冷片使熱沉在所述熱源對(duì)試件加熱的過程中保持在恒定的溫度。

本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：

本發(fā)明通過對(duì)加熱片單元的控制，可以實(shí)現(xiàn)在不同熱源布局情況下，對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行導(dǎo)熱性能測試試驗(yàn)，試驗(yàn)受外界干擾因素影響小，試驗(yàn)效率得到顯著提高。

進(jìn)一步的，通過設(shè)置不同的熱源布局以及熱沉的溫度，可以精確地模擬實(shí)際工況以及邊界條件，實(shí)現(xiàn)真實(shí)條件下結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱性能與有限元計(jì)算結(jié)果的對(duì)比。

附圖說明

圖1是實(shí)施例中所述試驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，真空罩1、真空泵2、支承部件3、紅外熱像儀4、布局可變的熱源5、熱沉6。

圖2是實(shí)施例中所述試驗(yàn)平臺(tái)的熱沉控制電路框圖。

圖3是實(shí)施例中所述試驗(yàn)平臺(tái)的熱源控制電路框圖。

圖4是實(shí)施例中所述試驗(yàn)平臺(tái)的熱源加熱片陣列產(chǎn)生多種熱源布局的示意圖；其中(a)均布熱源、(b)中心點(diǎn)熱源、(c)局部熱源、(d)任意形狀熱源。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

參見圖1，熱源布局可變的結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱性能測試試驗(yàn)平臺(tái)包括真空罩1、真空泵2、支承部件3、紅外熱像儀4、布局可變的熱源5及其控制部分、熱沉6及控制部分。其中真空罩1罩殼材料采用有機(jī)玻璃，熱沉6安裝在真空罩1側(cè)面上，布局可變的熱源5安放在真空罩1的底部，真空泵2與真空罩1之間通過管道連接，通過對(duì)真空罩1內(nèi)抽真空，主要作用是減小空氣流動(dòng)造成的對(duì)流換熱對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。支承部件3由鋁型材支架、直線導(dǎo)軌以及手動(dòng)升降裝置組成，位于真空罩1上方，利用直線導(dǎo)軌組成二維移動(dòng)平臺(tái)，將手動(dòng)升降裝置連接在二維移動(dòng)平臺(tái)上，將二維移動(dòng)平臺(tái)固定在鋁型材支架上，紅外熱像儀4固定在手動(dòng)升降裝置上，并伸入真空罩1內(nèi)(位于所述熱源上方)，通過支承部件3可以實(shí)現(xiàn)紅外熱像儀4的三軸移動(dòng)。紅外熱像儀4上方設(shè)置有電木蓋板，將真空罩1封閉。調(diào)節(jié)紅外熱像儀4時(shí)，先通過電木蓋板上的鎖緊螺絲將電木蓋板與升降裝置固連，然后輕微提起電木蓋板與紅外熱像儀4，水平移動(dòng)電木蓋板與紅外熱像儀4的位置，確定位置后放下電木蓋板與紅外熱像儀4，使電木蓋板與真空罩1上端開口處的密封圈接觸，完成真空罩的密封，之后松開電木蓋板上的鎖緊螺絲，調(diào)節(jié)升降裝置來單獨(dú)控制紅外熱像儀4的垂直方向位置。

試驗(yàn)平臺(tái)采用半導(dǎo)體tec制冷片作為熱沉6，控制部分中的熱沉控制器與該tec制冷片相連，利用對(duì)熱沉溫度的精確控制，實(shí)現(xiàn)恒定的散熱條件。布局可變的熱源5及其控制部分包括開關(guān)電源、ptc恒溫加熱片陣列、熱源控制器以及相應(yīng)的上位機(jī)軟件，通過改變陣列中不同加熱片的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)任意形式的熱源布局，構(gòu)造多種不同的加熱條件。紅外熱像儀4用于試驗(yàn)樣件(簡稱試件)表面溫度場的采集，與上位機(jī)(pc機(jī))相連，可以在電腦上直觀地顯示樣件表面的溫度云圖，便于與理論結(jié)果進(jìn)行比較分析。

如圖2所示，所述熱沉控制器的內(nèi)部連接關(guān)系為：pid溫度控制器與ds18b20溫度傳感器以及半導(dǎo)體tec制冷片相連，采用負(fù)反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，溫度傳感器采集熱沉6處的溫度信號(hào)，pid溫度控制器根據(jù)采集到的溫度信號(hào)，再結(jié)合熱沉處設(shè)定的溫度值及其內(nèi)部的pid算法(溫度顯示以及pid設(shè)置由上位機(jī)完成)，可以實(shí)時(shí)輸出電壓信號(hào)控制tec制冷片，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)熱沉處溫度的精確控制。

如圖3所示，所述的熱源控制器的內(nèi)部連接關(guān)系為：熱源控制器中繼電器子板上的繼電器直接與ptc恒溫加熱片相連，繼電器子板與繼電器母板(主要包括與繼電器相連的可編程控制器)相連，上位機(jī)(pc機(jī))通過串口通信向繼電器母板發(fā)送斷開與閉合指令，繼電器母板根據(jù)接收的通斷指令實(shí)時(shí)控制子板上繼電器的通斷從而控制ptc恒溫加熱片的工作與否。

如圖4所示，所述布局可變的熱源5由一個(gè)ptc恒溫加熱片陣列構(gòu)成，通過控制陣列中各個(gè)加熱片的工作狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)多種熱源布局形式。

為了對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性能進(jìn)行試驗(yàn)，本發(fā)明的工作過程如下：

試驗(yàn)中采用鑲嵌拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)高導(dǎo)熱材料的低導(dǎo)熱材料方形均熱板為試件，步驟如下：1)將試件放入真空罩1內(nèi)，置于布局可變的熱源5的上方，并保證試件與該熱源的良好接觸，試件上的散熱端通過導(dǎo)熱脂與真空罩1上的熱沉6(一側(cè)位于真空罩內(nèi),另一側(cè)位于真空罩外)相連。2)利用支承部件3調(diào)節(jié)紅外熱像儀4的位置，使紅外熱像儀4能拍攝到試件完整表面的圖像。3)開啟真空泵2，抽出真空罩1中的空氣。4)啟動(dòng)所述熱源以及熱沉6，通過上位機(jī)控制所述熱源的布局以及熱沉6處的溫度(通常為0-5攝氏度)，分別進(jìn)行試件的加熱以及散熱。5)通過紅外熱像儀4觀測到試件溫度穩(wěn)定后，拍攝試件表面的溫度分布，并將所拍攝圖像傳回上位機(jī)，通過圖像中試件各點(diǎn)溫度，可以計(jì)算出試件表面的平均溫度、溫度方差以及散熱弱度等導(dǎo)熱性能參數(shù)，并將這些參數(shù)與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以證明有限元計(jì)算的可靠性與初始設(shè)計(jì)的有效性，可以應(yīng)用在半導(dǎo)體電路(特別是集成電路)散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化拓?fù)湓O(shè)計(jì)中，顯著的提高了優(yōu)化設(shè)計(jì)效率。