JP2864097B2 - Method and apparatus for analyzing thermal diffusivity, biot number and specific heat data in laser flash method - Google Patents
Method and apparatus for analyzing thermal diffusivity, biot number and specific heat data in laser flash methodInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、高精度で試料の熱拡散
率及びビオー数を決定することのできるレーザフラッシ
ュ法における熱拡散率、ビオー数及び比熱データの解析
方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for analyzing thermal diffusivity, biot number and specific heat data in a laser flash method capable of determining the thermal diffusivity and biot number of a sample with high accuracy.
【0002】[0002]
【従来の技術】レーザフラッシュ法は均質材料の熱拡散
率測定方法として、近年急速に普及してきた。本方法は
レーザによる熱パルスを試料面に照射して、該試料の裏
面温度を放射温度計等を用いて測定し、その温度応答特
性のデータから試料の熱拡散率を求めるものである。熱
伝導率κが定常熱流に関するものであるのに対して、熱
拡散率は非定常の熱流に関する熱定数であり、1次元の
物質内部に非定常の熱流がある場合、δT/δt=α・
(δ2 T/δx2 )式によるαで定義される。Tは温
度、xは1次元座標変数である。また、この式の比例定
数αはα=κ/(Cp ・ρ)=κ/cである。ここで、
Cp 、ρ、cは定圧比熱、密度、体積比熱である。従っ
て、測定試料の比熱及び密度がわかれば、熱拡散率αを
用いて試料の熱伝導率κを求めることができる。2. Description of the Related Art In recent years, the laser flash method has rapidly spread as a method for measuring the thermal diffusivity of a homogeneous material. In this method, a sample surface is irradiated with a heat pulse by a laser, the back surface temperature of the sample is measured using a radiation thermometer or the like, and the thermal diffusivity of the sample is obtained from the data of the temperature response characteristics. The thermal conductivity κ is related to a steady heat flow, whereas the thermal diffusivity is a heat constant related to an unsteady heat flow. When there is an unsteady heat flow inside a one-dimensional material, δT / δt = α ·
It is defined by α according to the equation (δ 2 T / δx 2 ). T is temperature and x is a one-dimensional coordinate variable. Further, the proportionality constant α in this equation is α = κ / (C p · ρ) = κ / c. here,
C p , ρ and c are constant pressure specific heat, density and volume specific heat. Therefore, if the specific heat and the density of the measurement sample are known, the thermal conductivity κ of the sample can be obtained using the thermal diffusivity α.
【0003】レーザフラッシュ法における熱拡散率測定
データの一般的な解析方法は、測定試料裏面温度の測定
値データに理論解を一致させるものとして求められる。
即ち、一次元熱伝導方程式による試料裏面温度の理論
解:Tは、最高上昇温度:Tm 、熱拡散率:α、熱損失
に関わるパラメータであるビオー数:hをそれぞれ仮定
すると、時間:tを用いてT=T(Tm 、α、h、t)
の関係式によって厳密に示される。しかし、現実の温度
応答測定データを前記Tによるパターンに合致させる条
件で、未知数α、h、Tm を求めるには、式中に三角関
数、指数関数を含む陰関数が含まれ、実際の数値計算は
極めて困難となるため、一般的には特定の変数について
近似値を用い、計算に使用するデータを特定の領域内の
データのみに限定する等により、計算を簡略化する方法
が取られている。現在、このようなレーザフラッシュ法
による熱拡散率データの代表的解析方法として以下に示
すようなt1/2 法と面積法とが知られている。A general method of analyzing the thermal diffusivity measurement data in the laser flash method is obtained by making the theoretical solution coincide with the measured value data of the measured sample back surface temperature.
That is, assuming the theoretical solution of the sample back surface temperature by the one-dimensional heat conduction equation: T, the maximum rise temperature: T m , the thermal diffusivity: α, and the Biot number, which is a parameter relating to the heat loss: h, time: t T = T (T m , α, h, t) using
Exactly given by However, in order to determine the unknowns α, h, and T m under the condition that the actual temperature response measurement data matches the pattern based on T, the equations include an implicit function including a trigonometric function and an exponential function, and Since the calculation becomes extremely difficult, a method of simplifying the calculation is generally used by using an approximate value for a specific variable and limiting data used for the calculation to only data in a specific area. I have. At present, the t 1/2 method and the area method as described below are known as typical analysis methods of the thermal diffusivity data by such a laser flash method.
【0004】t1/2 法:温度応答曲線上で最高上昇温
度Tm の半分の値に温度が上昇するまでの時間t1/2 を
用いて、熱損失がないと仮定した時成立するα0 =1.
36975L2 /(π2 ・t1/2 )式により、熱拡散率
α0 を計算する。ここで、Lは測定試料の厚さである。
前記最高上昇温度Tm は、温度立ち上がり後の減衰曲線
をパルス照射時刻に外挿して求める。ついで該減衰曲線
の緩和係数k(減衰曲線の時定数τの逆数)と前記t
1/2 との積により、熱損失補正係数を求め、該熱損失補
正係数に前記熱拡散率α0 をかけて熱拡散率αを求め
る。[0004] t 1/2 method: α is established when it is assumed that there is no heat loss, using a time t 1/2 until the temperature rises to half the maximum rise temperature T m on the temperature response curve. 0 = 1.
The thermal diffusivity α 0 is calculated according to the expression 36975L 2 / (π 2 · t 1/2 ). Here, L is the thickness of the measurement sample.
The maximum rise temperature Tm is obtained by extrapolating the decay curve after the temperature rise to the pulse irradiation time. Then, the relaxation coefficient k of the decay curve (the reciprocal of the time constant τ of the decay curve) and the aforementioned t
A heat loss correction coefficient is obtained from the product of 1/2 and the heat loss correction coefficient is multiplied by the heat diffusion coefficient α 0 to obtain a heat diffusion coefficient α.
【0005】面積法:温度応答曲線上に設定した区間
領域での平均温度と、理論式から求められる平均温度と
の偏差Rを計算することにより、熱拡散率αを求める方
法であって、温度立ち上がり後の温度応答の減衰曲線を
レーザパルス照射時刻に外挿して最高上昇温度Tm とし
て、該減衰曲線の時定数τを用いてビオー数hを熱拡散
率αの関数として表記し、前記偏差Rを求め、ついで該
偏差Rを最小とする条件式δR/δα=0により、熱拡
散率αを計算する方法である。Area method: A method of calculating a deviation R between an average temperature in a section region set on a temperature response curve and an average temperature obtained from a theoretical formula to obtain a thermal diffusivity α. as the highest temperature increase T m by extrapolating decay curve to the laser pulse irradiation time of the temperature response after the rising, expressed the Biot's number h as a function of the thermal diffusivity α using the time constant τ of the decay curve, said deviation R is obtained, and then the thermal diffusivity α is calculated by the conditional expression δR / δα = 0 that minimizes the deviation R.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記し
たレーザフラッシュ法における熱拡散率の解析方法は、
現実に存在する試料面での熱損失による効果あるいは、
試料に照射するレーザパルス波形等の条件が厳密に反映
されておらず、しかも測定データ内で限定された領域で
のデータを使用して得られる結果であるために、測定誤
差が大きく、高精度で試料の熱拡散率及びビオー数を決
定することが困難であるという問題点があった。本発明
はこのような事情に鑑みてなされたもので、高精度でか
つ効率的に測定試料の熱拡散率、ビオー数及び比熱を決
定することのできるレーザフラッシュ法における熱拡散
率、ビオー数及び比熱データの解析方法及びその装置を
提供することを目的とする。However, the above-described method of analyzing the thermal diffusivity in the laser flash method is as follows.
The effect of heat loss on the actual sample surface, or
Conditions such as the laser pulse waveform applied to the sample are not strictly reflected, and the results are obtained using data in a limited area within the measurement data. However, there is a problem that it is difficult to determine the thermal diffusivity and biot number of the sample. The present invention has been made in view of such circumstances, the thermal diffusivity of the measurement sample, the thermal diffusivity in the laser flash method that can determine the biot number and specific heat with high accuracy and efficiency, biot number and An object of the present invention is to provide a method and an apparatus for analyzing specific heat data.
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】前記目的に沿う請求項1
記載のレーザフラッシュ法における熱拡散率、ビオー数
及び比熱データの解析方法は、板状の測定試料の表面側
からレーザフラッシュを照射し、裏面側の温度を測定し
て、該測定試料の熱拡散率、ビオー数及び比熱データの
解析方法であって、前記測定試料のビオー数及び熱拡散
率の各初期値を測定した時定数をもとに以下の(A)及
び(B)式により設定すると共にレーザパルス波形を設
定する第1工程と、前記レーザパルス波形、ビオー数、
熱拡散率及び理論最高温度値を変数として含む熱伝導方
程式から、前記測定試料の裏面における理論温度値を求
める第2工程と、時間空間における前記理論温度値と前
記測定試料の裏面の測定温度値との偏差が小さくなるよ
うに以下の(A)及び(B)式の条件のもとに数値計算
を行い、前記ビオー数又は前記熱拡散率を更新する第3
工程と、前記偏差、前記ビオー数及び前記熱拡散率が規
定値以下になるまで前記第2工程から第3工程までを繰
り返して前記測定試料の熱拡散率及びビオー数を決定す
る第4工程と、放射損失がない場合の最高理論温度を求
めた後、比熱を計算する第5工程を有する。 h0=β0〔1/sin(β0)−1/tan(β0)〕・・・(A) β0=L/sqrt(α0・τ)・・・(B) h0:ビオー数 β0:固有値 L:測定試料の厚さ α0:熱拡散率 τ:時定数 また、請求項2記載のレーザフラッシュ法における熱拡
散率、ビオー数及び比熱データの解析方法は、請求項1
記載のレーザフラッシュ法における熱拡散率、ビオー数
及び比熱データの解析方法において、前記時間空間にお
ける前記理論温度値と前記測定試料の裏面の測定温度値
との偏差に代えて、ラプラス空間における前記理論温度
値と前記測定試料の裏面の測定温度値との順2乗偏差、
逆数の2乗偏差、又は対数の2乗偏差のいずれかの偏差
としている。請求項3記載のレーザフラッシュ法におけ
る熱拡散率、ビオー数及び比熱データの解析方法は、板
状の測定試料の表面側からレーザフラッシュを照射し、
裏面側の温度を測定して、該測定試料の熱拡散率、ビオ
ー数及び比熱データの解析方法であって、前記測定試料
のビオー数及び熱拡散率の各初期値を設定すると共にレ
ーザパルス波形を設定する第1工程と、前記レーザパル
ス波形、ビオー数、熱拡散率及び理論最高温度値を変数
として含む熱伝導方程式から、前記測定試料の裏面にお
ける理論温度値を求める第2工程と、前記熱拡散率及び
前記ビオー数の一方をA、他方をBとして、Aの初期値
の近傍に複数のAを設定し、該複数のAに対して、偏差
を最小とするBを個々に求め、次に該A及び該Bの組み
合わせに対して前記偏差を求め、該偏差の極小値を与え
る方向に新たなAを更新する第3工程と、前記偏差、前
記ビオー数及び前記熱拡散率が規定値以下になるまで前
記第2工程から第3工程までを繰り返して前記測定試料
の熱拡散率及びビオー数を決定する第4工程と、放射損
失がない場合の最高理論温度を求めた後、比熱を計算す
る第5工程を有し、しかも、前記偏差は、ラプラス空問
における前記理論温度値と前記測定試料の裏面の測定温
度値との順2乗偏差、逆数の2乗偏差、又は対数の2乗
偏差のいずれかの偏差とする。According to the present invention, there is provided a semiconductor device comprising:
The method of analyzing the thermal diffusivity, biot number and specific heat data in the laser flash method described is to irradiate a laser flash from the front side of the plate-shaped measurement sample, measure the temperature on the back side, and measure the thermal diffusion of the measurement sample. A method for analyzing the ratio, biot number and specific heat data, wherein the data is set by the following equations (A) and (B) based on the time constants at which the initial values of the biot number and the thermal diffusivity of the measurement sample are measured. A first step of setting a laser pulse waveform together with the laser pulse waveform, biot number,
A second step of obtaining a theoretical temperature value on the back surface of the measurement sample from a heat conduction equation including a thermal diffusivity and a theoretical maximum temperature value as variables; and a theoretical temperature value in time space and a measurement temperature value on the back surface of the measurement sample. Is calculated under the conditions of the following equations (A) and (B) so as to reduce the deviation from
And a fourth step of determining the thermal diffusivity and biot number of the measurement sample by repeating the second to third steps until the deviation, the biot number and the thermal diffusivity are equal to or less than a specified value. And a fifth step of calculating the specific heat after obtaining the maximum theoretical temperature without radiation loss. h 0 = β 0 [1 / sin (β 0 ) −1 / tan (β 0 )] (A) β 0 = L / sqrt (α 0 · τ) (B) h 0 : biot Number β 0 : eigenvalue L: thickness of measurement sample α 0 : thermal diffusivity τ: time constant Further, the method of analyzing thermal diffusivity, biot number and specific heat data in the laser flash method according to claim 2 is described in claim 1.
In the method for analyzing thermal diffusivity, Biot number and specific heat data in the laser flash method according to the above, in place of the deviation between the theoretical temperature value in the time space and the measured temperature value on the back surface of the measurement sample, the theoretical value in the Laplace space is used. Forward square deviation between the temperature value and the measured temperature value on the back surface of the measurement sample,
It is either the squared deviation of the reciprocal or the squared deviation of the logarithm. The method for analyzing thermal diffusivity, biot number and specific heat data in the laser flash method according to claim 3, irradiates a laser flash from the surface side of the plate-shaped measurement sample,
A method for analyzing the thermal diffusivity, biot number and specific heat data of the measurement sample by measuring the temperature on the back side, wherein each initial value of the biot number and the thermal diffusivity of the measurement sample is set and a laser pulse waveform is set. A first step of setting a theoretical temperature value on the back surface of the measurement sample from a heat conduction equation including the laser pulse waveform, biot number, thermal diffusivity, and a theoretical maximum temperature value as variables. Assuming that one of the thermal diffusivity and the biot number is A and the other is B, a plurality of A's are set near the initial value of A, and for each of the plurality of A's, B that minimizes the deviation is individually obtained, Next, a third step of obtaining the deviation for the combination of the A and the B and updating a new A in a direction that gives a minimum value of the deviation, wherein the deviation, the Biot number and the thermal diffusivity are defined From the second step to the A fourth step of determining the thermal diffusivity and biot number of the measurement sample by repeating the steps up to and including a fifth step of calculating the specific heat after obtaining the maximum theoretical temperature when there is no radiation loss, and The deviation is any one of a forward squared deviation, a reciprocal squared deviation, or a logarithmic squared deviation between the theoretical temperature value in Laplace's space and the measured temperature value on the back surface of the measurement sample.
【0008】請求項4記載のレーザフラッシュ法におけ
る熱拡散率、ビオー数及び比熱データの解析方法は、請
求項1記載のレーザフラッシュ法における熱拡散率、ビ
オー数及び比熱データの解析方法において、前記第5工
程は、以下の(C)式により放射損失がない場合の最高
理論温度を求める。 Tm=ΔT/(A0∫exp(a0t’)・f(t’)dt’)・・・(C) ここで、 とする。 Tm:放射損失がない場合の最高理論温度 ΔT:測定温度規格値 β0:固有値 α:熱拡散率 L:測定試料の厚さ 請求項5記載のレーザフラッシュ法における熱拡散率、
ビオー数及び比熱データの解析方法は、請求項2又は3
記載のレーザフラッシュ法における熱拡散率、ビオー数
及び比熱データの解析方法において、前記第5工程は、
前記順2乗偏差、逆数の2乗偏差、又は対数の2乗偏差
に対応して、それぞれ(D)式、(E)式、又は(F)
式により放射損失がない場合の最高理論温度を求める。 Tm:放射損失がない場合の最高理論温度ここで偏差と
は、レーザフラッシュ法により実際に測定された試料裏
面温度の測定データと、理論的に計算されるレーザフラ
ッシュに対する温度応答理論解との差で定義する。According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method of analyzing thermal diffusivity, biot number and specific heat data in the laser flash method, wherein the method of analyzing thermal diffusivity, biot number and specific heat data in the laser flash method is provided. In the fifth step, the maximum theoretical temperature in the case where there is no radiation loss is determined by the following equation (C). T m = ΔT / (A 0 ∫exp (a 0 t ′) · f (t ′) dt ′) (C) where And T m : maximum theoretical temperature when there is no radiation loss ΔT: measurement temperature specification value β 0 : eigenvalue α: thermal diffusivity L: thickness of measurement sample Thermal diffusivity in the laser flash method according to claim 5,
The method for analyzing biot number and specific heat data is described in claim 2 or 3
In the method for analyzing thermal diffusivity, biot number and specific heat data in the laser flash method described above, the fifth step includes:
Corresponding to the forward squared deviation, the reciprocal squared deviation, or the logarithmic squared deviation, formula (D), formula (E), or formula (F), respectively.
The maximum theoretical temperature when there is no radiation loss is calculated by the formula. T m : the maximum theoretical temperature in the absence of radiation loss. Here, the deviation is the difference between the measured data of the back surface temperature of the sample actually measured by the laser flash method and the theoretically calculated solution of the temperature response to the laser flash. Define by difference.
【0009】[0009]
【作用】一次元熱伝導方程式による試料裏面温度の理論
解:Tは、最高上昇温度:Tm、熱拡散率:α、熱損失
に関わるパラメータであるビオー数:h、入熱パルス波
形:f(t)をそれぞれ設定すると、時間:tによって
厳密に表される。そこで、現実の温度応答測定データに
前記理論解によって計算されるパターンを合致させる条
件で、熱拡散率α、ビオー数h、最高上昇温度Tmを求
めるために、請求項1〜5記載のレーザフラッシュ法に
おける熱拡散率、ビオー数及び比熱データの解析方法で
はこれら3つの未知数α、h、Tmを設定して得られる
理論解と現実の温度応答測定データとの偏差を比較し予
め求めてある各変数間の関係データを反映させることに
より、該未知数の値を逐次効率的に更新し、漸近的に実
際の温度応答の測定データを満たす前記未知数の値を決
定する。[Function] Theoretical solution of the back surface temperature of the sample by the one-dimensional heat conduction equation: T is the maximum rise temperature: T m , the thermal diffusivity: α, the biot number which is a parameter related to heat loss: h, the heat input pulse waveform: f When each (t) is set, it is strictly represented by time: t. The laser according to any one of claims 1 to 5, wherein the thermal diffusivity α, the biot number h, and the maximum temperature rise Tm are determined under conditions that match the pattern calculated by the theoretical solution with actual temperature response measurement data. thermal diffusivity in the flash method, these three unknowns α is Biot number and analysis methods specific heat data, h, obtained in advance by comparing the deviation between the theoretical solution and the actual temperature response measurement data obtained by setting T m The value of the unknown is sequentially and efficiently updated by reflecting the relationship data between certain variables, and the value of the unknown that satisfies the measured data of the actual temperature response is asymptotically determined.
【0010】請求項1〜5記載のレーザフラッシュ法に
おける熱拡散率、ビオー数及び比熱データの解析方法に
おいては、第1工程としてレーザフラッシュ法における
測定試料のビオー数及び熱拡散率の各初期値と該測定試
料に照射するレーザパルス波形を設定する。測定試料の
熱拡散率の初期値は、従来のt1/2法による測定値を
採用してもよいが、以降の計算では熱拡散率が更新され
る都度、真の値に漸近するので、特にこの値に設定する
必要はない。時定数法によるビオー数の初期値は温度応
答測定データから求められる減衰曲線の時定数τと前記
熱拡散率αとにより、設定され、以降の繰り返し演算で
はこの関数関係によってビオー数が順次更新される。し
かし、前記の時定数法によらない場合には、例えば適当
にビオー数を定めて、このビオー数初期値の近傍に複数
のビオー数を設定し、該複数のビオー数に対して偏差が
最小となる熱拡散率を求め、該熱拡散率と該ビオー数の
組合わせに対して偏差を求め、該偏差の極小値を与える
方向に新たなビオー数初期値を設定し、この繰り返し計
算により、該偏差の極小値を与える熱拡散率とビオー数
を求めることもできる。パルス波形は実際に試料に照射
されたレーザ入力の波形をレーザパルス検出装置によっ
て測定し、これを時間tの関数として表現したものを以
下の計算において用いる。In the method for analyzing the thermal diffusivity, biot number and specific heat data in the laser flash method according to claims 1 to 5, each of the initial values of the biot number and the thermal diffusivity of the sample to be measured in the laser flash method as the first step. And a laser pulse waveform for irradiating the measurement sample. The initial value of the thermal diffusivity of the measurement sample may be a value measured by the conventional t 1/2 method, but in the subsequent calculations, the thermal diffusivity asymptotically approaches the true value each time the thermal diffusivity is updated. There is no particular need to set this value. The initial value of the Biot number by the time constant method is set by the time constant τ of the attenuation curve obtained from the temperature response measurement data and the thermal diffusivity α, and the Biot number is sequentially updated by this functional relationship in the subsequent repetitive operations. You. However, when the time constant method is not used, for example, an appropriate biot number is set, and a plurality of biot numbers are set in the vicinity of the initial biot number. Is determined, a deviation is determined for the combination of the thermal diffusivity and the Biot number, a new Biot number initial value is set in a direction that gives the minimum value of the deviation, and by this repetitive calculation, The thermal diffusivity and Biot number that give the minimum value of the deviation can also be obtained. As the pulse waveform, the waveform of the laser input actually irradiated on the sample is measured by a laser pulse detection device, and a representation of the waveform as a function of time t is used in the following calculation.
【0011】次に、第2工程として前記レーザパルス波
形、前記ビオー数、前記熱拡散率及び前記最高上昇温度
とを変数として含む熱伝導方程式から測定試料裏面にお
ける理論温度値を求めるが、ここで該熱伝導方程式は、
上記の各変数を設定することにより、レーザパルスによ
る試料裏面の温度応答を厳密に決定することのできる熱
伝導の基本式を採用する。前記理論温度値と前記測定試
料裏面の測定温度値との偏差Rが小さくなるように前記
ビオー数及び前記熱拡散率を更新する第3工程に、ニュ
ートン法及び時定数法を適用する場合には、熱伝導率及
びビオー数の一方をA、他方をBとして、Aが時定数を
介してBの関数であることを利用して偏差Rを最小とす
るための条件式δR/δB=0を満たす解をニュートン
法の数値計算により求める。この結果として偏差Rの最
小値を与える前記Bの更新された値であるAnew 、B
new 及びR(Bnew )の値が得られる。第3工程にニュ
ートン法及び時定数法を適用した場合には、時定数を介
して熱拡散率αとビオー数hが一意の関係にあることを
利用して、偏差Rの極小値を求めたが、この方法では時
定数を精度よく求める必要があり、特性時間の10倍近
いデータ量が必要である。これに対して偏差Rの極小値
を直接求める方法(以下直接法という。)として、偏差
Rとその変数h及びαとの関数構造を予め把握してお
き、該把握した関数構造をもとに適正な更新値を設定
し、偏差Rの極小値に到達する方法があり、これにより
データ量が少ない場合であっても、高精度の解析を行う
ことができる。例えば、複数のビオー数に対して、δR
/δα=0を満たす熱拡散率αを求め、各αとhの組合
わせに対して偏差Rを計算し、偏差Rの極小値を与える
方向に次のビオー数を設定して、以上の計算を繰り返す
ことにより、偏差Rの極小値に到達することが可能であ
り、求める熱拡散率α及びビオー数hは、この極小値を
与える熱拡散率α、ビオー数hの組として与えられる。Next, as a second step, a theoretical temperature value on the back surface of the measurement sample is obtained from a heat conduction equation including the laser pulse waveform, the biot number, the thermal diffusivity, and the maximum temperature rise as variables. The heat conduction equation is
By setting each of the above variables, a basic equation of heat conduction that can strictly determine the temperature response of the back surface of the sample due to the laser pulse is adopted. When applying the Newton method and the time constant method to the third step of updating the biot number and the thermal diffusivity so that the deviation R between the theoretical temperature value and the measured temperature value on the back side of the measurement sample is reduced, , Where one of the thermal conductivity and the biot number is A and the other is B, a conditional expression δR / δB = 0 for minimizing the deviation R by utilizing that A is a function of B via a time constant The solution that satisfies is calculated by Newton's method. As a result, the updated values A new , B of the B giving the minimum value of the deviation R
The values of new and R (B new ) are obtained. When the Newton method and the time constant method were applied to the third step, the minimum value of the deviation R was determined by utilizing the fact that the thermal diffusivity α and the Biot number h had a unique relationship via the time constant. However, in this method, the time constant needs to be obtained with high accuracy, and a data amount that is nearly 10 times the characteristic time is required. On the other hand, as a method of directly obtaining the minimum value of the deviation R (hereinafter, referred to as a direct method), the function structure of the deviation R and its variables h and α is grasped in advance, and based on the grasped function structure. There is a method of setting an appropriate update value and reaching the minimum value of the deviation R, whereby a highly accurate analysis can be performed even when the data amount is small. For example, for a plurality of biot numbers, δR
/ Δα = 0 is determined, a deviation R is calculated for each combination of α and h, and the next Biot number is set in a direction that gives a minimum value of the deviation R, and the above calculation is performed. Is repeated, it is possible to reach the minimum value of the deviation R, and the required thermal diffusivity α and the Biot number h are given as a set of the thermal diffusivity α and the Biot number h that give this minimum value.
【0012】第4工程は、前記偏差R、熱拡散率αある
いはビオー数hの値が実質的に更新されないようなレベ
ルの規定値以下になるまで前記第2工程から前記第3工
程までを繰り返して前記測定試料の熱拡散率α及びビオ
ー数hを最終的に決定する。この熱拡散率α、ビオー数
h及びレーザフラッシュの温度応答測定データより放射
損失がない場合の最高上昇温度を求め、試料に吸収され
たレーザパルスのエネルギー、試料重量とのデータと合
わせてC=Q/(VρTm )式により試料の比熱を求め
ることができる。ここでQは試料に吸収されたレーザパ
ルスエネルギー、Vは試料の体積、Cは試料の比熱であ
る。また、前記熱伝導方程式として一次元における熱伝
導基本式の時間空間における温度応答理論解を使用でき
るが、ラプラス空間における一次元熱伝導基本式の温度
応答理論解を使用することにより計算を簡略化できると
ともに、測定データを広範囲に使用できて、より精度の
高い熱拡散率データの解析が可能である。ここで、前記
偏差Rは、計算を単純にするために実測定データ上の区
間における平均温度あるいは測定温度の合計をとって、
対応する区間での理論解から得られる平均温度あるいは
理論温度の合計との差とすることもでき、また、順2乗
偏差、逆数の2乗偏差、あるいは対数の2乗偏差を使用
することもできる。ニュートン法及び時定数法を適用し
た場合におけるビオー数hは、測定試料裏面の温度減衰
曲線の時定数τと熱拡散率αから設定される式により、
関連付けられており、ビオー数hを熱拡散率αと時定数
τとの関数として表記することにより、新たに更新され
たαnew をもとにしてビオー数hの更新を継続的に行う
ことができる。In a fourth step, the steps from the second step to the third step are repeated until the value of the deviation R, the thermal diffusivity α or the Biot number h becomes equal to or less than a specified value of a level that is not substantially updated. Thus, the thermal diffusivity α and the biot number h of the measurement sample are finally determined. From the thermal diffusivity α, Biot number h, and the temperature response measurement data of the laser flash, the maximum rise temperature without radiation loss is obtained, and the data of the energy of the laser pulse absorbed by the sample and the sample weight are combined with C = The specific heat of the sample can be obtained from the formula Q / (VρT m ). Here, Q is the laser pulse energy absorbed by the sample, V is the volume of the sample, and C is the specific heat of the sample. Although the heat transfer equation can use the theoretical solution of the temperature response in the one-dimensional heat conduction basic equation in time space, the calculation is simplified by using the temperature response theoretical solution of the one-dimensional heat conduction basic equation in Laplace space. As well as being able to use measurement data in a wide range, it is possible to analyze thermal diffusivity data with higher accuracy. Here, the deviation R is calculated by taking the average temperature or the sum of the measured temperatures in the section on the actual measurement data to simplify the calculation,
It can be the difference from the average temperature or the sum of the theoretical temperatures obtained from the theoretical solution in the corresponding section, and the forward squared deviation, the reciprocal squared deviation, or the logarithmic squared deviation can be used. it can. The Biot number h when the Newton method and the time constant method are applied is given by an equation set from the time constant τ and the thermal diffusivity α of the temperature decay curve on the back of the measurement sample,
By relating the biot number h as a function of the thermal diffusivity α and the time constant τ, it is possible to continuously update the biot number h based on the newly updated α new. it can.
【0013】レーザパルス発生装置は測定試料面に必要
な熱パルスを発生させ、放射温度計等の応答時間の短い
測温装置によって試料裏面の応答温度を測定する。前記
の放射温度計で試料裏面温度を測定する場合には黒体輻
射の条件が成立する様に試料を取り付けることが望まし
い。レーザパルス検出装置は実際に試料面に照射された
レーザパルスの波形を検出するものである。コンピュー
タは前記測温装置と該レーザパルス検出装置からの信号
を基にして熱拡散率及びビオー数を決定する演算手段を
有しており、該コンピュータに接続される出力装置に熱
拡散率等の演算結果が表示される。前記熱拡散率を求め
る計算は、時間tと一次元上の座標変数xとで表記した
時間空間において取り扱う場合と、一次元熱伝導方程式
をラプラス変換した、即ちラプラス空間において取り扱
う場合とのいずれにおいても本発明の適用が可能であ
る。The laser pulse generator generates a necessary heat pulse on the surface of the sample to be measured, and measures the response temperature on the back surface of the sample by a temperature measuring device such as a radiation thermometer having a short response time. When measuring the back surface temperature of the sample with the radiation thermometer, it is desirable to attach the sample so that the condition of black body radiation is satisfied. The laser pulse detection device detects the waveform of a laser pulse actually applied to the sample surface. The computer has arithmetic means for determining the thermal diffusivity and the biot number based on the signals from the temperature measuring device and the laser pulse detecting device. The output device connected to the computer has the thermal diffusivity and the like. The calculation result is displayed. The calculation of the thermal diffusivity is performed in either the case where the time is represented in the time space represented by the time t and the coordinate variable x in one dimension, or the case where the one-dimensional heat conduction equation is subjected to the Laplace transform, that is, the case where the thermal diffusivity is treated in the Laplace space. The present invention can also be applied to this.
【0014】以下、時間空間及びラプラス空間における
前記一次元熱伝導方程式の理論解についての基本概念を
説明する。一次元における熱伝導の基本方程式は(1)
式で表記される。入熱がδ関数形即ち時間幅が0で有限
の値を与えるQδ(x)であると仮定した場合には、初
期条件はδ関数を用いて(2)式で表される。さらに境
界条件を(3)、(4)式とした場合の解は、(5)式
で与えられる。即ち一次元熱伝導方程式の時間空間にお
ける解は、βn を固有値とした級数解により表記され
る。ここで、固有値βn は(6)式を満たし、測定試料
の表面と裏面におけるビオー数h0 及びh1 の値により
決まる無限個の数列である。Hereinafter, the basic concept of the theoretical solution of the one-dimensional heat conduction equation in the time space and the Laplace space will be described. The basic equation of heat conduction in one dimension is (1)
It is represented by an expression. Assuming that the heat input is a δ function type, that is, Qδ (x) giving a finite value with a time width of 0, the initial condition is expressed by equation (2) using the δ function. Further, the solution in the case where the boundary conditions are expressed by equations (3) and (4) is given by equation (5). That is, the solution in the time space of the one-dimensional heat conduction equation is represented by a series solution using β n as an eigenvalue. Here, the eigenvalue β n satisfies the expression (6), and is an infinite number sequence determined by the values of the biot numbers h 0 and h 1 on the front and back surfaces of the measurement sample.
【0015】さらに、入熱が任意の時間関数Qf(t)
によって与えられる場合の温度応答は、該時間関数f
(t)を時間tで規格化し、即ち(7)式を満足するも
のとして、前記入熱がδ関数形である場合の前記した温
度応答(5)式をTδ(x,t)として表記すると、こ
れを基にすることにより、(8)式で与えられる。これ
を更に展開したものが(9)〜(13)式であり、これ
が、ビオー数によって表記される熱損失条件及び、レー
ザパルスの任意の波形条件を含んだ場合のレーザパルス
の温度応答の一般解を与える基本式となる。Furthermore, the heat input is an arbitrary time function Qf (t)
Is given by the time function f
When (t) is normalized by time t, that is, assuming that the equation (7) is satisfied, the above-mentioned temperature response (5) when the heat input is a δ function form is expressed as Tδ (x, t). , Based on this, is given by equation (8). Expressions (9) to (13) are further expanded from these expressions, which are general expressions of the heat loss condition expressed by the Biot number and the temperature response of the laser pulse when the arbitrary laser pulse waveform condition is included. It is a basic formula that gives a solution.
【0016】[0016]
【数1】 (Equation 1)
【0017】つぎにラプラス空間上における一次元熱伝
導方程式の温度応答理論解について説明する。一次元熱
伝導基本式、初期条件及びδ関数δ(t)を含む境界条
件は(14)〜(17)式でそれぞれ与えられる。Next, the solution of the one-dimensional heat conduction equation in Laplace space to the theoretical temperature response will be described. The boundary conditions including the one-dimensional heat conduction basic expression, the initial condition, and the δ function δ (t) are given by Expressions (14) to (17), respectively.
【0018】[0018]
【数2】 (Equation 2)
【0019】これらをラプラス変換して(18)、(1
9)、(20)式を得る。(18)式を解いて積分定数
A及びBを含む一般解(21)式を得る。これを微分
し、(19)式、(20)式に代入して積分定数A及び
Bを求め(21)式に代入することによりラプラス空間
における入熱がδ関数形である場合の解(22)式を得
る。つぎに、入熱が一般の時間関数Qf(t)で与えら
れる場合のラプラス空間における温度応答を求める。こ
こに時間関数f(t)は時間で規格化された関数を用い
(23)式を満足するものとして、それをラプラス変換
したものをf(p)と表記する。入熱が任意の時間関数
で与えられる場合の温度応答は、このf(p)と前記
(22)式に示した入熱がδ関数である場合の温度応答
解を改めてTδ(x,p)と表記した式とにより、(2
5)式で与えられる。これを展開表示したラプラス空間
における温度応答の一般解は(26)〜(29)式で示
される。These are Laplace-transformed (18), (1)
9) and (20) are obtained. The general solution (21) including the integration constants A and B is obtained by solving the formula (18). This is differentiated, and the integral constants A and B are obtained by substituting into equations (19) and (20) to be substituted into equation (21). ) Get the equation. Next, the temperature response in the Laplace space when the heat input is given by the general time function Qf (t) is obtained. Here, the time function f (t) uses a function standardized by time, and satisfies the expression (23). The temperature response in the case where the heat input is given by an arbitrary time function is obtained by re-calculating the temperature response solution in the case where the heat input shown in the equation (22) is a δ function and f (p) is Tδ (x, p). By the expression described as (2
It is given by equation 5). The general solution of the temperature response in the Laplace space in which this is expanded is shown by the equations (26) to (29).
【0020】[0020]
【数3】 (Equation 3)
【0021】ここで、前記一次元熱伝導方程式の固有値
について考察する。前記(6)式により決まる固有値β
n は測定試料面の表面及び裏面のビオー数が等しい場合
には、(30)式となる。そして、ビオー数がh<1の
場合に、Cape&Lehmanは(30)式は(3
1)、(32)式で近似できることを示している。以下
では固有値βn がビオー数とどのような数量的関係にあ
るかを確認し、近似式(31)、(32)式の適用範囲
を検討した。 図5、図6はn=0〜7に対するビオー
数と固有値βn との関係を示し、図7、図8はn=0〜
5に対する近似式(31)、(32)式の計算精度を示
す図である。(31)、(32)式で与えられる近似式
はnが小さい程、また、ビオー数が大きい程計算誤差が
大きい。ビオー数h〜1における固有値の精度は、n=
1が最も悪く約4%である。この近似式を用いて固有値
を計算精度1%以下で求めたい場合には、h<0.1の
範囲に限定する必要があることが分かる。本発明ではこ
の近似式を使用せず(31)、(32)式で与えられる
近似固有値を初期値として(33)式を偏差としたニュ
ートン法により求められる固有値を採用した。Here, the eigenvalue of the one-dimensional heat conduction equation will be considered. Eigenvalue β determined by equation (6)
n is given by equation (30) when the number of bios on the front surface and the back surface of the measurement sample surface is equal. Then, when the biot number is h <1, Cape & Lehman expresses (30) as (3
1) and (32) indicate that the approximation can be made. In the following, it was confirmed how the eigenvalue β n has a quantitative relationship with the Biot number, and the applicable range of the approximate expressions (31) and (32) was examined. 5 and 6 show the relationship between the biot number and the eigenvalue β n for n = 0 to 7, and FIGS.
FIG. 13 is a diagram illustrating calculation accuracy of approximate expressions (31) and (32) with respect to No. 5; In the approximation expressions given by the expressions (31) and (32), the calculation error increases as n decreases and the biot number increases. The precision of the eigenvalue in the Biot number h to 1 is n =
1 is the worst, about 4%. When it is desired to obtain the eigenvalue with a calculation accuracy of 1% or less using this approximate expression, it is understood that it is necessary to limit the range to h <0.1. In the present invention, this approximation formula is not used, and the eigenvalue obtained by the Newton method using the approximation eigenvalue given by the formulas (31) and (32) as an initial value and using the formula (33) as a deviation is adopted.
【0022】[0022]
【数4】 (Equation 4)
【0023】請求項1〜5記載のレーザフラッシュ法に
おける熱拡散率、ビオー数及び比熱データの解析方法に
おいては、レーザフラッシュ法におけるパルス波形と熱
損失の条件を同時に正確に計算に反映させることにより
効率的に高精度の熱拡散率を求めることができる。そし
て、試料裏面の温度応答の理論式において、未知数であ
るビオー数、熱拡散率及び最高上昇温度の初期値から出
発して、計算を繰り返すことにより漸近的に実測した温
度応答データを満足する前記熱拡散率及びビオー数の値
を求め、その後求められた熱拡散率及びビオー数より最
高上昇温度を求め、試料に吸収されたレーザパルスエネ
ルギーのデータとを合わせて試料の比熱を求める。特
に、請求項1記載のレーザフラッシュ法における熱拡散
率、ビオー数及び比熱データの解析方法は、時間空間に
おける一次元熱伝導基本式の温度応答理論解を使用する
ため、従来t1/2法による熱拡散率の値を初期値とし
て使用できるなど簡便な数値の取り扱いが可能である。
請求項1、2記載のレーザフラッシュ法における熱拡散
率、ビオー数及び比熱データの解析方法は、ビオー数
が、測定試料裏面の温度減衰曲線の時定数と熱拡散率の
値から設定され、この両者の値が更新されながら求める
値に漸近するため解析精度をさらに向上させることがで
きる。請求項2又は3記載のレーザフラッシュ法におけ
る熱拡散率、ビオー数及び比熱データの解析方法におい
ては、熱伝導方程式及び測定データをラプラス変換され
た空間上で扱うために計算が簡略化されるとともに、時
間空間法における測定データ領域の設定における制約が
少なく広範なデータを反映させて熱拡散率の解析精度を
高めることができる。また、同レーザフラッシュ法にお
ける熱拡散率、ビオー数及び比熱データの解析方法は、
偏差として2乗偏差を使用するため、計算結果について
の信頼性が高く、常に妥当性のある結果が得られる。同
レーザフラッシュ法における熱拡散率、ビオー数及び比
熱データの解析方法は、逆2乗偏差を使用するため、計
算結果についての信頼性が高く、常に妥当性のある結果
が得られる。同レーザフラッシュ法における熱拡散率、
ビオー数及び比熱データの解析方法は、対数の2乗偏差
を使用するため、広範囲の領域において、誤差の少ない
データの取り扱いができて、かつ正確な結果が得られ
る。請求項3記載のレーザフラッシュ法における熱拡散
率、ビオー数及び比熱データの解析方法は偏差が小さく
なるようにビオー数及び熱拡散率を更新する第3工程
が、例えば前記ビオー数の初期値の近傍に複数のビオー
数を設定し、該複数のビオー数に対して偏差が最小とな
る熱拡散率を求め、該熱拡散率と該ビオー数の組合わせ
に対して偏差を求め、該偏差の極小値を与える方向に新
たなビオー数初期値を設定し、この繰り返し計算によ
り、該偏差の極小値を与える熱拡散率とビオー数を求め
る方法であり、少ないデータ量でも精度良く、熱拡散
率、ビオー数を解析することができる。あるいは前記熱
拡散率の初期値の近傍に複数の熱拡散率を設定し該複数
の熱拡散率に対して偏差を最小とするビオー数を求め、
該熱拡散率と該ビオー数の組合わせに対して偏差を求
め、該偏差の極小値を与える方向に数値を更新すること
も可能である。In the method for analyzing the thermal diffusivity, biot number and specific heat data in the laser flash method according to the first to fifth aspects, the pulse waveform and the heat loss conditions in the laser flash method are simultaneously and accurately reflected in the calculation. A highly accurate thermal diffusivity can be efficiently obtained. Then, in the theoretical formula of the temperature response on the back surface of the sample, starting from the initial values of the unknown Biot number, thermal diffusivity and maximum temperature rise, the temperature response data asymptotically measured by repeating the calculation is satisfied. The values of the thermal diffusivity and the Biot number are obtained, the highest temperature is obtained from the obtained thermal diffusivity and the Biot number, and the specific heat of the sample is obtained by combining with the data of the laser pulse energy absorbed by the sample. In particular, the thermal diffusivity in the laser flash method according to claim 1, the method of analysis Biot number and specific heat data for the use of temperature-responsive theoretical solution of one-dimensional heat conduction basic equation in the time-space, conventional t 1/2 method The use of a simple numerical value is possible, for example, the value of the thermal diffusivity can be used as an initial value.
In the method for analyzing thermal diffusivity, biot number and specific heat data in the laser flash method according to claims 1 and 2, the biot number is set from the time constant of the temperature decay curve on the back surface of the measurement sample and the value of the thermal diffusivity. Since both values asymptotically approach the desired value while being updated, the analysis accuracy can be further improved. In the method for analyzing the thermal diffusivity, biot number and specific heat data in the laser flash method according to claim 2 or 3, the calculation is simplified because the heat conduction equation and the measured data are handled in the Laplace-transformed space. In addition, the accuracy of the thermal diffusivity analysis can be improved by reflecting a wide range of data with less restrictions on the setting of the measurement data area in the spatiotemporal method. The method of analyzing the thermal diffusivity, biot number and specific heat data in the same laser flash method,
Since the squared deviation is used as the deviation, the result of the calculation is highly reliable and always valid. The method of analyzing the thermal diffusivity, biot number and specific heat data in the laser flash method uses the inverse square deviation, so that the calculation results are highly reliable and always valid. Thermal diffusivity in the laser flash method,
Since the analysis method of the Biot number and the specific heat data uses the square deviation of the logarithm, data with little error can be handled in a wide range and an accurate result can be obtained. In the method for analyzing the thermal diffusivity, biot number and specific heat data in the laser flash method according to claim 3, the third step of updating the biot number and the thermal diffusivity so as to reduce the deviation includes, for example, the initial value of the biot number. A plurality of Biot numbers are set in the vicinity, a thermal diffusivity that minimizes the deviation with respect to the plurality of Biot numbers is determined, a deviation is determined with respect to a combination of the thermal diffusivity and the Biot number, and the deviation is calculated. A new biot number initial value is set in the direction to give the local minimum value, and the thermal diffusivity and biot number that give the local minimum value of the deviation are obtained by this repetitive calculation. , The biot number can be analyzed. Alternatively, a plurality of thermal diffusivities are set in the vicinity of the initial value of the thermal diffusivity, and a Biot number that minimizes a deviation with respect to the thermal diffusivities is determined,
It is also possible to obtain a deviation with respect to the combination of the thermal diffusivity and the Biot number, and update the numerical value in a direction that gives the minimum value of the deviation.
【0024】[0024]
【実施例】続いて添付した図面を参照しつつ、本発明を
具体化した実施例につき説明し、本発明の理解に供す
る。ここに図1は本発明の一実施例に係るレーザフラッ
シュ法における熱拡散率、ビオー数及び比熱データの解
析装置の構成図、図2は同データの時間空間解析法のフ
ロー図、図3は同データのラプラス空間の時定数解析法
のフロー図、図4は同データのラプラス空間の直接解析
法のフロー図、図5はビオー数と固有値βnとの関係を
示す図、図6はビオー数と固有値βn との関係を示す
図、図7はビオー数と固有値βn の計算精度との関係を
示す図、図8はビオー数と固有値βn の計算精度との関
係を示す図、図9は順2乗偏差の場合の(70)式によ
る2乗偏差の構造を示す図、図10は順2乗偏差の場合
の(71)式による2乗偏差の構造を示す図、図11は
逆2乗偏差の場合の(74)式による2乗偏差の構造を
示す図、図12は逆2乗偏差の場合の(75)式による
2乗偏差の構造を示す図、図13は2乗偏差Rの構造を
示す鳥瞰図、図14は2乗偏差R凹溝のα−h面への写
影を示す図、図15は2乗偏差R凹溝のR−α面への写
影を示す図、図16は2乗偏差R凹溝のR−h面への写
影を示す図、図17はラプラス空間における(56)式
に示す2乗偏差を用いた時定数解析法での計算誤差を特
性時間とパルス幅との比に対して示した図、図18は同
ラプラス空間における対数による(60)式に示す2乗
偏差を用いた時定数解析法での計算誤差を特性時間とパ
ルス幅との比に対して示した図、図19は同ラプラス空
間における2乗偏差及び逆2乗偏差を用いた直接解析法
での計算誤差を特性時間とパルス幅との比に対して示し
た図、図20はラプラス空間直接解析法による計算誤差
を特性時間を単位としたデータ量に対して示した図、図
21は時間空間における偏差として特定時間領域の平均
温度差を使用した場合の計算誤差を特性時間とパルス幅
との比に対して示した図、図22はラプラス空間直接解
析法における熱拡散率を1%より良い精度で計算可能な
ptmin を特性時間を単位としたデータ量に対して示し
た図、図23はラプラス空間直接解析法において、特性
時間を単位としたデータ量が10の場合に熱拡散率を1
%以下の良い精度で計算可能なptmin を特性時間とパ
ルス幅の比に対して示した図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention; FIG. 1 is a block diagram of an apparatus for analyzing thermal diffusivity, biot number and specific heat data in a laser flash method according to one embodiment of the present invention, FIG. 2 is a flow diagram of a time-space analysis method of the data, and FIG. FIG. 4 is a flow chart of a Laplace space time constant analysis method of the same data, FIG. 4 is a flow chart of a Laplace space direct analysis method of the same data, FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the biot number and the eigenvalue β n, and FIG. FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the number and the eigenvalue β n , FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the biot number and the calculation accuracy of the eigenvalue β n , FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the biot number and the calculation accuracy of the eigen value β n , FIG. 9 is a diagram showing the structure of the squared deviation according to the equation (70) in the case of the forward squared deviation, FIG. 10 is a diagram showing the structure of the squared deviation according to the equation (71) in the case of the forward squared deviation, and FIG. FIG. 12 is a diagram showing the structure of the squared deviation according to the equation (74) in the case of the inverse squared deviation. FIG. FIG. 13 is a bird's-eye view showing the structure of the square deviation R according to equation (75), FIG. 13 is a bird's-eye view showing the structure of the square deviation R, and FIG. 14 is a diagram showing the projection of the square deviation R groove on the α-h plane. FIG. 15 is a diagram showing the mapping of the square deviation R groove on the R-α surface, FIG. 16 is a diagram showing the mapping of the square deviation R groove on the Rh surface, and FIG. 17 is a Laplace space. Fig. 18 is a diagram showing the calculation error in the time constant analysis method using the square deviation shown in the equation (56) with respect to the ratio between the characteristic time and the pulse width. Fig. 18 shows the equation (60) based on the logarithm in the Laplace space. FIG. 19 shows the calculation error in the time constant analysis method using the squared deviation shown in FIG. 19 with respect to the ratio between the characteristic time and the pulse width. FIG. 19 shows the squared deviation and the inverse squared deviation in the same Laplace space. FIG. 20 shows the calculation error in the direct analysis method with respect to the ratio between the characteristic time and the pulse width. FIG. 20 shows the calculation by the Laplace space direct analysis method. FIG. 21 shows an error with respect to a data amount in units of characteristic time, and FIG. 21 shows a calculation error when an average temperature difference in a specific time region is used as a deviation in time space with respect to a ratio between characteristic time and pulse width. FIG. 22 is a diagram showing pt min at which the thermal diffusivity in Laplace space direct analysis can be calculated with better accuracy than 1% with respect to a data amount in units of characteristic time, and FIG. 23 is a diagram showing Laplace space. In the direct analysis method, when the data amount per unit of characteristic time is 10, the thermal diffusivity becomes 1
FIG. 9 is a diagram showing pt min that can be calculated with good accuracy of not more than% with respect to the ratio between the characteristic time and the pulse width.
【0025】以下に試料に照射されるパルス入熱が時間
的な幅を持ち、また、試料表面より温度に比例した熱放
射の損失がある場合の解析法を時間空間及びラプラス空
間において展開する。なお、本解析法においては、以下
の条件が成立するものとして解析計算を行った。 入熱パルスの試料面上における強度分布がなく一次元
熱伝導が成立する。 測定する試料温度としては、試料裏面の温度とする。 試料の表面と裏面のビオー数が等しい。 試料は均一であり、また、測定中熱拡散率は一定であ
る。 図1に示すレーザフラッシュ法における熱拡散率、ビオ
ー数及び比熱データの解析装置について説明する。レー
ザパルス発生装置を用い、薄板を測定試料として熱拡散
率等を測定する。レーザパルス発生装置は必要により任
意波形のパルスの発生が可能であり、測定試料の物性値
の範囲及び熱拡散率の解析方法に応じて特殊な波形を選
択することで計算を簡略化したり特定領域での測定精度
を向上させることもできる。試料裏面の温度応答は放射
温度計等による測温装置で測定する。放射温度計で試料
を測定する場合には、試料は黒体輻射条件が可能な限り
成り立つ様に取り付ける。例えば試料の外形と同形状の
筒状体を、レーザパルスを受ける前記試料の裏面側に取
り付け、前記筒状体を通して試料裏面の温度応答を放射
温度計で測定する様にする。但し、比熱を測定しない場
合には黒体炉条件は不要である。前記測定試料に照射し
たレーザパルスの波形信号は該測定試料と前記レーザパ
ルス発生装置との間に設けたハーフミラー11等を経由
してレーザパルス検出装置に取り込まれる。また、光路
途中における漏れ光を測定することにより、パルス波形
を測定することも可能である。そして前記測温装置及び
レーザパルス検出装置からの信号データをコンピュータ
に取り込み、該信号データを基にして熱拡散率及びビオ
ー数を決定する演算処理を行い、データ及び演算結果を
コンピュータに接続する出力装置に表示できるように全
体を構成した。以下、実施例1の時間空間法について詳
しく説明する。An analysis method in the case where the pulse heat input applied to the sample has a temporal width and there is a heat radiation loss proportional to the temperature from the sample surface will be developed in the time space and the Laplace space. In this analysis method, the analysis calculation was performed assuming that the following conditions were satisfied. There is no intensity distribution of the heat input pulse on the sample surface, and one-dimensional heat conduction is established. The temperature of the sample to be measured is the temperature of the back surface of the sample. The number of bios on the front and back surfaces of the sample is equal. The sample is uniform and the thermal diffusivity is constant during the measurement. An apparatus for analyzing thermal diffusivity, biot number and specific heat data in the laser flash method shown in FIG. 1 will be described. The thermal diffusivity and the like are measured using a thin plate as a measurement sample using a laser pulse generator. The laser pulse generator can generate a pulse with an arbitrary waveform if necessary.Selecting a special waveform according to the range of the physical property value of the measurement sample and the method of analyzing the thermal diffusivity simplifies the calculation or makes it possible to specify a specific area. Measurement accuracy can be improved. The temperature response on the back of the sample is measured by a temperature measuring device such as a radiation thermometer. When measuring a sample with a radiation thermometer, the sample is mounted so that black body radiation conditions are established as much as possible. For example, a tubular body having the same shape as the outer shape of the sample is attached to the back side of the sample receiving the laser pulse, and the temperature response of the back side of the sample is measured by the radiation thermometer through the tubular body. However, when the specific heat is not measured, the black body furnace conditions are unnecessary. The waveform signal of the laser pulse applied to the measurement sample is captured by a laser pulse detection device via a half mirror 11 provided between the measurement sample and the laser pulse generator. Further, it is also possible to measure a pulse waveform by measuring leaked light in the middle of the optical path. Then, the signal data from the temperature measuring device and the laser pulse detecting device are taken into a computer, a calculation process for determining a thermal diffusivity and a biot number is performed based on the signal data, and the data and the calculation result are connected to a computer. The whole was configured so that it could be displayed on the device. Hereinafter, the spatio-temporal method according to the first embodiment will be described in detail.
【0026】図2は本発明の一実施例に係るレーザフラ
ッシュ法における熱拡散率及びビオー数データの時間空
間解析法のフロー図である。図2に示すように、測定試
料裏面の温度データとパルスデータを基にして以下の解
析を行う。レーザパルスの波形条件及び試料表面の熱損
失を表す無次元数であるビオー数とを考慮した試料裏面
温度の理論解は数式(9)によって与えられる。これを
以下の展開に都合がよいように(34)式のように変形
して用いる。ここで、An及びan は(35)、(3
6)式でそれぞれ与えられる級数である。FIG. 2 is a flow chart of a time-space analysis method of the thermal diffusivity and biot number data in the laser flash method according to one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the following analysis is performed based on the temperature data and pulse data on the back surface of the measurement sample. The theoretical solution of the back surface temperature of the sample in consideration of the waveform condition of the laser pulse and the Biot number which is a dimensionless number representing the heat loss of the front surface of the sample is given by Expression (9). This is modified and used as in equation (34) for convenience in the following development. Here, A n and a n (35), (3
6) The series given by the equations.
【0027】[0027]
【数5】 (Equation 5)
【0028】βn は固有値であり、(30)式tan
(βn )=2hβn /(βn 2 −h2)の根である。ま
ず、熱拡散率の初期値α0 を、熱放射損失がないものと
仮定し、従来のt1/2 法を用いて求める。測定試料裏面
の温度データを用い、パルス入熱の重心位置から最高上
昇温度の半分まで上昇する時間t1/2 を求め、この値よ
りα0 =1.36975L2 /(π2 ・t1/2 )式を用
いて熱拡散率の初期値α0 を計算する。もしくは適当な
熱拡散率初期値を設定してもよい。ここで、時間原点は
レーザパルス波形の重心位置に設定した。Β n is an eigenvalue, and tan (30)
The root of (β n ) = 2hβ n / (β n 2 −h 2 ). First, the initial value of the thermal diffusivity α 0 is determined using the conventional t 1/2 method, assuming that there is no heat radiation loss. Using the temperature data on the back side of the measurement sample, a time t 1/2 from the center of gravity of the pulse heat input to the half of the maximum temperature rise was determined, and from this value, α 0 = 1.336975 L 2 / (π 2 · t 1 / 2 ) Calculate the initial value of the thermal diffusivity α 0 using the equation. Alternatively, an appropriate initial value of the thermal diffusivity may be set. Here, the time origin was set at the position of the center of gravity of the laser pulse waveform.
【0029】つぎに、この熱伝導現象の時間的尺度を表
すものとしての特性時間t0 をt0=L2 /(π2 ・α
0 )と定義すると、正の定数をmとして、t=mt0 》
t0を満足する時間領域(通常mは8以上の数値に設定
する。)においては、数式(34)の第2項以下(n≧
1)は初項に比較して無視できるほど小さくなるため
に、数式(37)によって近似できる。従って、数式
(37)が成立するt》t0 の時間領域において、温度
データの対数を時間に対しプロットして、その傾きから
時定数τを求めることができる。時定数τはτ=1/a
0 =L2 /(β0 2・α0 )であり、ビオー数の初期値h
0 は前記時定数τと熱拡散率の初期値α0 の関数である
β0 を用いて、(30)式を変形した(38)式により
求められる。Next, the characteristic time t 0 representing the time scale of the heat conduction phenomenon is represented by t 0 = L 2 / (π 2 · α
0 ), t = mt 0 , where m is a positive constant.
In a time domain satisfying t 0 (m is usually set to a value of 8 or more), the second term or less (n ≧
Since 1) is so small that it can be ignored compared to the first term, it can be approximated by Expression (37). Accordingly, in the time domain of t >> t 0 where Expression (37) holds, the logarithm of the temperature data is plotted against time, and the time constant τ can be obtained from the slope. The time constant τ is τ = 1 / a
0 = L 2 / (β 0 2 · α 0 ), and the initial value of the biot number h
0 is obtained by a formula (38) obtained by modifying the formula (30) by using the time constant τ and β 0 which is a function of the initial value of the thermal diffusivity α 0 .
【0030】[0030]
【数6】 (Equation 6)
【0031】上記で求めた時定数τを用いて、測定温度
データを時間原点(t=0)に外挿し、その値で温度デ
ータを規格化して数式(40)を得る。測定温度データ
を数式(40)に従い規格化した後、特定時間領域(t
3 ≦t4 )で平均温度を求め、この値をsumとする。
この値は、上式左辺を用いて表すと数式(41)とな
る。Using the time constant τ obtained above, the measured temperature data is extrapolated to the time origin (t = 0), and the temperature data is normalized with the value to obtain the equation (40). After normalizing the measured temperature data according to equation (40), a specific time region (t
The average temperature is determined by 3 ≦ t 4 ), and this value is defined as sum.
This value is expressed by Expression (41) using the left side of the above expression.
【0032】[0032]
【数7】 (Equation 7)
【0033】理論温度式である数式(40)を用いて測
定温度データと同じ時間領域で理論平均温度を求め、こ
の値をthtavとする。ここで、thtavに用いる
入熱パルス関数f(t)は、測定パルス波形の規格化し
たものを用いる。thtavは数式(42)で示され
る。ここに、Bn は数式(43)で与えられる。ここ
で、熱拡散率αをα=α0 ・xとしてthtavをxの
関数として(44)式のように書き直す。Using the theoretical temperature equation (40), a theoretical average temperature is obtained in the same time domain as the measured temperature data, and this value is defined as thtav. Here, as the heat input pulse function f (t) used for thav, a normalized measurement pulse waveform is used. thtav is represented by equation (42). Here, B n is given by Expression (43). Here, assuming that the thermal diffusivity α is α = α 0 · x, thtav is rewritten as a function of x as in equation (44).
【0034】[0034]
【数8】 (Equation 8)
【0035】特定時間領域の理論平均温度thtavと
測定温度の平均sumとの差をR(x)として、この値
を0とするようなxをニュートン法により求める。熱拡
散率αはα0 xにより与えられる。ニュートン法により
熱拡散率を更新する式を以下(45)〜(49)式に示
す。The difference between the theoretical average temperature thtav in a specific time region and the average sum of the measured temperatures is defined as R (x), and x that makes this value 0 is obtained by Newton's method. The thermal diffusivity α is given by α 0 x. The equations for updating the thermal diffusivity by the Newton method are shown in the following equations (45) to (49).
【0036】[0036]
【数9】 (Equation 9)
【0037】次に熱拡散率と固有値を関係づける時定数
式(39)に更新した熱拡散率αnew を代入して固有値
β0 を更新し、その固有値β0 を用いて数式(38)に
てビオー数を更新する。以下この手順を繰り返して、特
定時間領域の理論平均温度thtavと測定温度の平均
sumとの差が規定値以下になるまで実行し、最終的に
得られる熱拡散率α、及びビオー数の値をもって前記測
定データの熱拡散率及びビオー数とする。比熱は以下の
様にして求められる。最終的に得られた熱拡散率、ビオ
ー数及び測定温度規格値より最高上昇温度を求める。
最高上昇温度Tm は、測定温度規格値をΔTとすると、
(40)式の分母より次式で与えられる。 Tm =ΔT/(A0 ∫exp(a0 t’)・f(t’)
dt’) さらに試料の比熱Cは、最高上昇温度Tm 、試料重量
w、試料に吸収されたレーザパルスエネルギーQを用い
て、C=Q/(wTm )式により与えられる。試料に吸
収されたレーザパルスエネルギーは測定試料と吸収率が
同じになる様に設定した比熱が既知の標準試料に対する
最高温度上昇値Tm により求められる。以上は熱拡散率
を独立変数として扱ったが、ビオー数を独立変数とし、
熱拡散率は時定数を介したビオー数の関数として扱うデ
ータ解析法も同様に成立する。図2のフローでは判定基
準として偏差Rを用いたが、図3に示す熱拡散率を用い
た判定基準あるいは、ビオー数で用いた同様の判定基準
でもよい。時定数計算領域は特性時間を時間の単位とし
て決めているが、t1/2 法に基づく熱拡散率αの初期値
を用いた特性時間を使用すると、通常放射損失の影響を
受け特性時間が小さい値となり、目的とする時定数計算
領域よりずれてしまう。このため、一度計算した熱拡散
率を用いて再度特性時間を計算することにより、目的と
する時間領域で時定数を計算することができ所定の精度
での時定数が得られる。但し、時定数の精度を問わない
のであれば、t1/2 法に基づく熱拡散率α初期値による
特性時間を用いてmt0 》t0 を満足する十分余裕のあ
るmを設定すれば、この繰り返しは不要である。例え
ば、熱拡散率αを1%より良い精度で求めるにはm>8
に、好ましくはm=15〜20程度に設定すればよい。
図2は一度計算した熱拡散率をもとに、特性時間を再度
計算して、時定数法により繰り返し計算が可能なフロー
を示す。図21はビオー数0.10場合の熱拡散率αと
ビオー数hの計算誤差をパルス波形の補正をしたもの
と、していないものとについて示しており、パルス波形
の補正を行ったものは、特性時間/パルス幅が小さい領
域においても、熱拡散率αとビオー数hを精度よく解析
できる。一方、パルス波形を考慮しないものは、特性時
間/パルス幅が3より小さくなると精度が次第に悪くな
ることが分かる。The next time a constant expression that relates the thermal diffusivity and eigenvalues (39) to by substituting the updated thermal diffusivity alpha new new updated eigenvalues beta 0, the equation (38) using the eigenvalues beta 0 To update the number of bios. Hereinafter, this procedure is repeated until the difference between the theoretical average temperature thtav in the specific time region and the average sum of the measured temperatures becomes equal to or less than a specified value, and the finally obtained thermal diffusivity α and the value of the Biot number are obtained. The thermal diffusivity and biot number of the measurement data are used. The specific heat is determined as follows. The maximum temperature rise is determined from the finally obtained thermal diffusivity, biot number and standard value of the measured temperature.
The maximum rise temperature T m is given by ΔT as the measured temperature specification value.
It is given by the following equation from the denominator of the equation (40). T m = ΔT / (A 0 ∫exp (a 0 t ′) · f (t ′)
dt ′) Further, the specific heat C of the sample is given by the formula C = Q / (wT m ) using the maximum temperature rise T m , the sample weight w, and the laser pulse energy Q absorbed by the sample. It absorbed laser pulse energy to the sample specific heat measurement sample and the absorption rate was set such that the same is determined by the maximum temperature increase value T m for a known standard sample. In the above, the thermal diffusivity was treated as an independent variable.
A data analysis method in which the thermal diffusivity is treated as a function of the Biot number via a time constant also holds. Although the deviation R is used as a criterion in the flow of FIG. 2, a criterion using the thermal diffusivity shown in FIG. 3 or a similar criterion using the biot number may be used. In the time constant calculation area, the characteristic time is determined as a unit of time, but if the characteristic time using the initial value of the thermal diffusivity α based on the t 1/2 method is used, the characteristic time is usually affected by radiation loss, This is a small value, which deviates from the target time constant calculation area. For this reason, by calculating the characteristic time again using the thermal diffusivity once calculated, the time constant can be calculated in the target time region, and the time constant with a predetermined accuracy can be obtained. However, if the accuracy of the time constant does not matter, if m is set to have a sufficient margin to satisfy mt 0 >> t 0 using the characteristic time based on the thermal diffusivity α initial value based on the t 1/2 method, This repetition is unnecessary. For example, to determine the thermal diffusivity α with an accuracy better than 1%, m> 8
Preferably, m is set to about 15 to 20.
FIG. 2 shows a flow in which the characteristic time is calculated again based on the thermal diffusivity once calculated and can be repeatedly calculated by the time constant method. FIG. 21 shows the calculation errors of the thermal diffusivity α and the Biot number h when the Biot number is 0.10, with and without the correction of the pulse waveform. Even in a region where the characteristic time / pulse width is small, the thermal diffusivity α and the Biot number h can be analyzed with high accuracy. On the other hand, in the case where the pulse waveform is not taken into account, it can be seen that the accuracy gradually deteriorates when the characteristic time / pulse width is smaller than 3.
【0038】ついで図3に示す第2の実施例であるラプ
ラス空間における時定数解析法について述べる。本方法
は、ラプラス空間において、熱拡散率及びビオー数を解
析するために測定データ及び理論解ともにラプラス変換
されたものを用いて最小2乗法、ニュートン法及び時定
数法を用いて解析する。この2乗偏差の例として、測
定データ及び理論解のラプラス変換したものの2乗偏差
と、それぞれの対数をとったものの2乗偏差(以下で
対数法と表記する。)について説明する。ビオー数につ
いては時定数法(時間空間における固有値式及び時定数
式を用いて熱拡散率より求める)により求めるものとす
る。この解析はラプラス変数が正の実数空間において行
うものである。Next, a method of analyzing a time constant in a Laplace space according to a second embodiment shown in FIG. 3 will be described. In this method, in order to analyze the thermal diffusivity and the Biot number in Laplace space, both the measured data and the theoretical solution are subjected to the Laplace transform, and the analysis is performed using the least squares method, the Newton method, and the time constant method. As an example of the squared deviation, a squared deviation of the Laplace transform of the measured data and the theoretical solution and a squared deviation of the logarithm of each of them (hereinafter referred to as a logarithmic method) will be described. The biot number is determined by the time constant method (determined from the thermal diffusivity using the eigenvalue equation and the time constant equation in the time space). This analysis is performed in a real space where the Laplace variable is positive.
【0039】図3に示すレーザフラッシュ法における熱
拡散率、ビオー数及び比熱データの解析方法のラプラス
空間における解析方法の概要を以下に述べる。 熱拡散率初期値α0 の計算:通常のt1/2 法に従って
パルス入熱の重心位置から最高上昇温度の半分の温度ま
で上昇する時間を求め、この値より熱拡散率αの初期値
α0 を計算する。もしくは適当な熱拡散率初期値を設定
しても良い。 時定数τの計算:パルス入熱後、充分時間が経過して
試料裏面温度の時間空間理論解の初項のみの近似が成立
する時間領域において、測定試料温度の減衰曲線から時
定数τを求める。 ビオー数初期値h0 の計算:熱拡散率初期値α0 、時
定数τ及び固有値式からビオー数の初期値を求める。 ニュートン法による熱拡散率の計算:測定パルスを用
いたラプラス空間理論温度とラプラス変換した測定温度
の2乗偏差が0になるように熱拡散率偏差Δαを求め
る。Δα/αが充分小さくなるまで繰り返し計算を行
う。繰り返し計算は、αnew =α+Δαとし、このα
new と時定数式及び固有値式とにより、ビオー数hを更
新する。(時定数法) また、最終的に得られた熱拡散率及びビオー数より最高
上昇温度を求め、この最高上昇温度より比熱を求める。An outline of a method of analyzing the thermal diffusivity, biot number and specific heat data in the Laplace space in the laser flash method shown in FIG. 3 will be described below. Calculation of the initial value of thermal diffusivity α 0 : The time required to rise from the center of gravity of pulse heat input to half the maximum temperature is calculated according to the usual t 1/2 method, and the initial value α of thermal diffusivity α is obtained from this value. Calculate 0 . Alternatively, an appropriate initial value of the thermal diffusivity may be set. Calculation of time constant τ: In the time domain in which sufficient time has elapsed after pulse heating and only the first term of the time-space theoretical solution of the sample backside temperature is approximated, the time constant τ is obtained from the decay curve of the measured sample temperature. . Calculation of Biot number initial value h 0 : An initial value of the Biot number is obtained from the thermal diffusivity initial value α 0 , the time constant τ, and the eigenvalue formula. Calculation of thermal diffusivity by Newton's method: The thermal diffusivity deviation Δα is determined so that the square deviation between the Laplace space theoretical temperature using the measurement pulse and the Laplace-transformed measured temperature becomes zero. The calculation is repeated until Δα / α becomes sufficiently small. Iterative calculation is performed by setting α new = α + Δα, and this α
The biot number h is updated by new , the time constant expression, and the eigenvalue expression. (Time constant method) In addition, the maximum temperature rise is determined from the finally obtained thermal diffusivity and Biot number, and the specific heat is determined from the maximum temperature rise.
【0040】図3に示すフロー図のうち、熱拡散率の初
期値α0 の計算、時定数τの計算及び時定数によるビオ
ー数の計算は、前述した時間空間の解析法と同一である
ので省略し、以下では最小2乗法及びニュートン法によ
る熱拡散率解析法について記述する。測定データのラプ
ラス変換は測定データをE(t)として(50)式に従
ってラプラス変換を行う。ここにtdataは測定データの
取り込み時間である。温度データとパルスデータではこ
のtdataを共通に用いて両データのラプラス変換変数p
を(51)式に従って設定する。ここで、ptmin 、p
tmax はptdataの最小値、最大値であり、この範囲内
にn個のラプラス変数を設定する。この近似の程度につ
いては一般にはpとtdataの積に依存し、ptdata≧8
で充分近似でき、また、同値が過大だと温度変化の初期
データだけを重視して結果を評価することになるので、
8≦ptdata≦12の範囲にラプラス変数を選ぶべきで
あるとされているが、変数間の関数構造を把握して適正
な値を選ぶことが肝要である。測定データのラプラス変
換は、一連のデータ処理の中で一回行えばよい。図3に
示すフローでは、繰り返しループ内に入っているが、ラ
プラス変換済みの場合には、このステップを省略するも
のとする。あるいは測定データのラプラス変換をこのル
ープに入る前に実施しても良い。図3のフローでは、図
2のフローと同様に得られた熱拡散率αをもとに計算さ
れる特性時間t0 を用いて、再度計算領域を設定しなお
して、時定数を計算しなおすことが可能なフローとして
いる。この場合も、m>8(例えばm=15〜20)を
満たすデータの場合であれば、この繰り返しを行わなく
とも精度良く熱拡散率α、ビオー数hを求めることがで
きる。In the flowchart shown in FIG. 3, the calculation of the initial value of the thermal diffusivity α 0 , the calculation of the time constant τ, and the calculation of the Biot number based on the time constant are the same as those in the above-described time-space analysis method. In the following, a thermal diffusivity analysis method using the least squares method and the Newton method will be described. The Laplace transform of the measured data is performed according to the equation (50) using the measured data as E (t). Here, t data is a measurement data capture time. For the temperature data and the pulse data, the t data is commonly used, and the Laplace transform variable p of both data is used.
Is set according to equation (51). Where pt min , p
t max is the minimum value and the maximum value of pt data , and n Laplace variables are set within this range. The degree of this approximation generally depends on the product of p and t data , and pt data ≧ 8
And if the value is too large, the result will be evaluated with emphasis on only the initial data of the temperature change.
It is said that a Laplace variable should be selected in the range of 8 ≦ pt data ≦ 12, but it is important to grasp the function structure between the variables and select an appropriate value. The Laplace transform of the measurement data may be performed once in a series of data processing. In the flow shown in FIG. 3, the process is in a repetitive loop, but if Laplace transform has been completed, this step is omitted. Alternatively, the Laplace transform of the measurement data may be performed before entering this loop. In the flow of FIG. 3, the calculation region is set again using the characteristic time t 0 calculated based on the thermal diffusivity α obtained in the same manner as the flow of FIG. 2, and the time constant is calculated again. It is possible flow. Also in this case, if the data satisfies m> 8 (for example, m = 15 to 20), the thermal diffusivity α and the biot number h can be obtained with high accuracy without repeating the above.
【0041】[0041]
【数10】 (Equation 10)
【0042】ラプラス空間における理論解は、先に示し
た(26)式を用い試料裏面の温度応答を与える関数
(52)、(53)式を使用する。ここにラプラス変数
は離散的な値を設定し、pj (j=1、2、・・・・
k)と表す。また、この理論解中のf(p)は測定した
パルスデータをラプラス変換したものを用いる。(5
3)式中のuj及びgjは(54)、(55)式で与え
られる。The theoretical solution in the Laplace space uses the functions (52) and (53) which give the temperature response of the back surface of the sample using the above-mentioned equation (26). Here, the Laplace variable sets a discrete value, and p j (j = 1, 2,...)
k). Further, f (p) in this theoretical solution is obtained by Laplace transform of the measured pulse data. (5
Uj and gj in the expression 3) are given by the expressions (54) and (55).
【0043】[0043]
【数11】 [Equation 11]
【0044】最小2乗法及びニュートン法による熱拡散
率α、ビオー数hの計算を以下に示す。ラプラス変換し
た測定データ(50)式及び理論データ(52)式を用
いて離散的ラプラス変数をパラメータとした2乗偏差R
を求める。この2乗偏差の例として(50)、(52)
式をそのまま用いるラプラス空間方法とその対数を用
いる対数方法について定式化する。ここにE(pj )
=Ej とした。 ラプラス空間方法においては、測定データ及び理論デ
ータを用いて(56)式により2乗偏差Rを求め、独立
変数であるTm 、αで偏微分をとり、それぞれの式を0
とするものが求める値である。δR/δTm =0より、
(57)式が得られ、δR/δα=0に(57)式を代
入して(58)式を得る。t1/2 法により求めた、もし
くは適当に設定した熱拡散率及び時定数法により求めた
ビオー数の初期値を用いて(58)式を満たす熱拡散率
αをニュートン法によって求める。まず(59)式を用
いてΔαを求める。従って、熱拡散率αはαnew =α0
+Δαにより更新される。ビオー数の更新はこのαnew
を用いて時間空間における時定数法により行う。以上の
手順を繰り返し、Δα/αが充分小さくなった時の値が
求める熱拡散率及びビオー数である。さらに試料の比熱
Cは、最終的に得られた熱拡散率、ビオー数及びラプラ
ス変換した測定デ─タを(57)式に代入して得られる
最高上昇温度Tm 、試料重量w、試料に吸収されたレー
ザパルスエネルギーQを用いて、C=Q/(wTm )式
により与えられる。試料に吸収されたレーザパルスエネ
ルギーは測定試料と吸収率が同じになる様に設定した比
熱が既知の標準試料に対する最高温度上昇値Tm により
求められる。また、図3では、熱拡散率値の更新前後の
差について判定基準を適用したが、ビオー数を用いた同
様の式あるいは偏差Rを用いて、R<εとしても良い。
この場合のεが、規定値に相当する。Calculations of the thermal diffusivity α and the Biot number h by the least squares method and the Newton method are shown below. Using the Laplace transform measurement data equation (50) and the theoretical data equation (52), square deviation R using discrete Laplace variables as parameters
Ask for. (50), (52)
The Laplace space method using the equation as it is and the logarithmic method using the logarithm are formulated. Where E (p j )
= E j . In the Laplace space method, the squared deviation R is obtained by the equation (56) using the measured data and the theoretical data, and the partial differentiation is performed with the independent variables T m and α.
Is the value to be obtained. From δR / δT m = 0,
Equation (57) is obtained, and Equation (57) is substituted for δR / δα = 0 to obtain Equation (58). The thermal diffusivity α satisfying the equation (58) is determined by the Newton method using the thermal diffusivity determined by the t 1/2 method or the initial value of the biot number determined by the time constant method. First, Δα is obtained using Expression (59). Therefore, the thermal diffusivity α is α new = α 0
+ Δα. Update the number of Biot's this α new
By using the time constant method in the time space. The above procedure is repeated, and the values obtained when Δα / α becomes sufficiently small are the thermal diffusivity and the biot number to be obtained. Further, the specific heat C of the sample is obtained by substituting the finally obtained thermal diffusivity, Biot number and Laplace-transformed measurement data into the equation (57), the maximum temperature rise Tm , the sample weight w, and the sample weight. Using the absorbed laser pulse energy Q, C = Q / (wT m ). It absorbed laser pulse energy to the sample specific heat measurement sample and the absorption rate was set such that the same is determined by the maximum temperature increase value T m for a known standard sample. Further, in FIG. 3, the determination criterion is applied to the difference between before and after the update of the thermal diffusivity value. However, R <ε may be set using the same equation using the biot number or the deviation R.
In this case, ε corresponds to the specified value.
【0045】[0045]
【数12】 (Equation 12)
【0046】次に対数法について述べる。測定データ
及び理論データの対数を用いて(60)式の2乗偏差R
を求める。ここで、独立変数であるTm 、αで偏微分を
とり、それぞれの式を0とするものが求めるものであ
る。即ちδR/δTm =0より(61)式が得られる。
よってTm は(62)式で与えられる。(60)式の2
乗偏差Rを用いて、δR/δα=0より(63)式を得
る。ここにTm は(62)式で表される。(63)式を
満足する熱拡散率をニュートン法により求める。熱拡散
率、ビオー数の初期値は前述のによる方法と同様に時
間空間における解析で用いた方法即ち、熱拡散率の初期
値はt1/2 法を用いて求めた値、もしくは適当に設定し
た値を使用し、ビオー数の初期値は時定数法によって求
められる。比熱は以下の様にして求められる。最終的に
得られた熱拡散率、ビオー数及びラプラス変換した測定
デ─タより最高上昇温度を求める。即ち最高上昇温度T
mは(62)式で与えられる。さらに試料の比熱Cは、
最高上昇温度Tm 、試料重量w、試料に吸収されたレー
ザパルスエネルギーQを用いて、C=Q/(wTm )式
により与えられる。試料に吸収されたレーザパルスエネ
ルギーは測定試料と吸収率が同じになる様に設定した比
熱が既知の標準試料に対する最高温度上昇値Tm により
求められる。以上ラプラス空間時定数解析法の2例では
熱拡散率を独立変数として扱ったが、ビオー数を独立変
数とし、熱拡散率は時定数を介したビオー数の関数とし
て扱うデータ解析法も同様に成立する。また、2乗偏差
の他の例としては(72)式に示す温度の逆数を用いた
ものも適用可能である。Next, the logarithmic method will be described. Using the logarithm of the measured data and the theoretical data, the square deviation R of the equation (60)
Ask for. Here, partial differentiation is performed with the independent variables T m and α, and the respective equations are set to 0 to obtain the values. That is, Expression (61) is obtained from δR / δT m = 0.
Therefore, T m is given by equation (62). Equation 2 of Equation (60)
Equation (63) is obtained from δR / δα = 0 using the power deviation R. Here, T m is expressed by equation (62). The thermal diffusivity satisfying the equation (63) is obtained by the Newton method. The initial values of the thermal diffusivity and biot number are the methods used in the analysis in time and space in the same manner as the method described above, that is, the initial value of the thermal diffusivity is a value obtained by using the t 1/2 method, or set appropriately. The initial value of the biot number is determined by the time constant method. The specific heat is determined as follows. The highest temperature rise is determined from the finally obtained thermal diffusivity, Biot number and Laplace-transformed measurement data. That is, the maximum rise temperature T
m is given by equation (62). Further, the specific heat C of the sample is
C = Q / (wT m ) using the maximum temperature T m , the sample weight w, and the laser pulse energy Q absorbed by the sample. It absorbed laser pulse energy to the sample specific heat measurement sample and the absorption rate was set such that the same is determined by the maximum temperature increase value T m for a known standard sample. In the Laplace spatial time constant analysis method described above, the thermal diffusivity is treated as an independent variable. However, the data analysis method in which the Biot number is treated as an independent variable and the thermal diffusivity is treated as a function of the Biot number via the time constant is also used. To establish. Further, as another example of the squared deviation, one using the reciprocal of the temperature shown in Expression (72) is also applicable.
【0047】[0047]
【数13】 (Equation 13)
【0048】先に示した時間空間解析法、ラプラス空間
における時定数解析法においては、時定数を求め、時定
数を介して熱拡散率αとビオー数hが一意の関係にある
ことを利用して熱拡散率及びビオー数hを同時に更新し
た。しかし、この方法ではデータ量が特性時間の10倍
以上ないと熱拡散率αとビオー数hを高精度で求められ
ないという問題がある。そこで2乗偏差の極小値を直接
求めることができれば、時定数の計算が不要となり、よ
り少ないデータ量による解析が可能となる。以下にラプ
ラス空間において、最小2乗法を適用する場合に特に重
要となる、2乗偏差Rの構造について詳述する。2乗偏
差Rには3個の独立変数(最高上昇温度Tm 、熱拡散率
α、ビオー数h)が有り、各独立変数の取るべき値は、
2乗偏差が単純に下に凸の構造であれば、各々で2乗偏
差を偏微分し各式を0とする値を求めればそれがそれぞ
れの解となる。しかし、この2乗偏差の場合、この方法
で解析を試みたが収束解を求めることができなかった。
このことから、この2乗偏差は単純に下に凸の関数にな
っていないと考えられる。従って、この2乗偏差を用い
て各独立変数の解を求めるには、予め2乗偏差の構造を
明らかにする必要があることが分かる。In the time space analysis method and the time constant analysis method in the Laplace space described above, the time constant is obtained, and the fact that the thermal diffusivity α and the Biot number h have a unique relationship via the time constant is used. The thermal diffusivity and the biot number h were simultaneously updated. However, this method has a problem that the thermal diffusivity α and the biot number h cannot be determined with high accuracy unless the data amount is at least 10 times the characteristic time. Therefore, if the minimum value of the squared deviation can be directly obtained, the calculation of the time constant becomes unnecessary, and the analysis with a smaller data amount becomes possible. Hereinafter, the structure of the square deviation R, which is particularly important when applying the least square method in the Laplace space, will be described in detail. The square deviation R has three independent variables (maximum rise temperature T m , thermal diffusivity α, Biot number h), and the value to be taken for each independent variable is
If the squared deviation is simply a downwardly convex structure, a partial solution of the squared deviation to obtain a value that sets each equation to 0 will be the respective solution. However, in the case of this square deviation, an analysis was attempted by this method, but a convergent solution could not be obtained.
From this, it is considered that this square deviation is not simply a function of convex downward. Therefore, it is understood that the structure of the squared deviation needs to be clarified in advance in order to obtain the solution of each independent variable using the squared deviation.
【0049】ここで、試料裏面温度のラプラス空間にお
ける理論式及び測定データのラプラス変換式を(6
4)、(65)、(66)、(67)式に示す。ここ
で、測定データをE(t)として、このラプラス変換し
たものを #E(p)として表示し、試料表面及び裏面の
ビオー数は等しいとした。2乗偏差として(64)、
(67)式をそのまま用いる場合(順2乗偏差)とそれ
ぞれの逆数をとって、その2乗偏差(逆2乗偏差)をと
る場合について以下に示す。Here, the theoretical equation of the sample back surface temperature in the Laplace space and the Laplace transform equation of the measured data are expressed by (6)
4), (65), (66), and (67). Here, the measurement data as E (t), displayed as a material obtained by this Laplace transform # E (p), Biot number of the sample surface and the back surface were equal. (64) as the squared deviation,
The case where the equation (67) is used as it is (forward square deviation) and the case where the reciprocals thereof are taken and the square deviation (reverse square deviation) is taken will be described below.
【0050】[0050]
【数14】 [Equation 14]
【0051】順2乗偏差を(68)式に与える。これを
独立変数Tm で偏微分をとり、その値を0として(6
9)式を得る。つぎに(69)式を(68)式に代入し
て熱拡散率とビオー数のみで表された2乗偏差式(7
0)を得る。また、(70)式の分子のみをとってR’
とする。R’は(71)式で示される。The forward squared deviation is given to equation (68). This takes a partial differential in the independent variable T m, the value as 0 (6
9) Obtain the equation. Next, the equation (69) is substituted into the equation (68), and the squared deviation equation (7
0) is obtained. Further, taking only the molecule of the formula (70), R ′
And R ′ is represented by equation (71).
【0052】[0052]
【数15】 (Equation 15)
【0053】逆2乗偏差を(72)式に示す。これを独
立変数Tm で偏微分しその値を0として(73)式を得
る。(73)式を(72)式に代入して熱拡散率及びビ
オー数のみで表された逆2乗偏差式(74)を得る。又
は、分子のみをとってR’として(75)式を得る。The inverse square deviation is shown in equation (72). This is partially differentiated with the independent variable Tm , and its value is set to 0 to obtain the equation (73). By substituting the equation (73) into the equation (72), an inverse square deviation equation (74) expressed only by the thermal diffusivity and the biot number is obtained. Alternatively, the formula (75) is obtained as R 'by taking only the molecule.
【0054】[0054]
【数16】 (Equation 16)
【0055】2乗偏差が順2乗偏差の場合は(70)
式、あるいは(71)式で、逆2乗偏差の場合には(7
4)式あるいは(75)式でそれぞれの偏差の関数関係
が表される。この2乗偏差の構造を試料厚さ0.497
mm、熱拡散率1.0×10-4m2 /s、ビオー数0.
2、鋸歯状のパルス波形としてパルス幅1msの条件で
作成した理論データをもとに確認した。If the squared deviation is a forward squared deviation (70)
In equation (71) or equation (71), (7)
The functional relationship between the respective deviations is expressed by equation 4) or equation (75). The structure of the square deviation was determined to be 0.497 in sample thickness.
mm, thermal diffusivity 1.0 × 10 −4 m 2 / s, biot number 0.
2. A saw-tooth pulse waveform was confirmed based on theoretical data created under the condition of a pulse width of 1 ms.
【0056】順2乗偏差の場合の(70)式による2乗
偏差の構造を図9に、(71)式による2乗偏差の構造
を図10に示す。逆2乗偏差の場合の(74)式による
2乗偏差構造を図11に、(75)式による2乗偏差の
構造を図12に示す。いずれの場合も2乗偏差の構造は
基本的に同一である。更にこの2乗偏差の詳細構造を逆
数を用いた2乗偏差式である(74)式を用いて検討し
た。この2乗偏差の熱拡散率α及びビオー数hをXY軸
に、2乗偏差の対数をとったものをZ軸にした鳥瞰図を
図13に示す。この2乗偏差Rは下に凸の溝構造をと
り、この溝を熱拡散率とビオー数平面に写影したものを
図14に、2乗偏差と熱拡散率の平面に写影したものを
図15に、また2乗偏差とビオー数平面に写影したもの
を図16に示す。以上の結果からこの2乗偏差の関数構
造は次のような特徴をもつことが明らかになった。FIG. 9 shows the structure of the square deviation according to the equation (70) in the case of the forward square deviation, and FIG. 10 shows the structure of the square deviation according to the equation (71). FIG. 11 shows the structure of the squared deviation according to the equation (74) in the case of the inverse squared deviation, and FIG. 12 shows the structure of the squared deviation according to the equation (75). In each case, the structure of the square deviation is basically the same. Further, the detailed structure of the squared deviation was examined using a squared deviation formula (74) using a reciprocal. FIG. 13 shows a bird's-eye view in which the thermal diffusivity α and Biot number h of the square deviation are plotted on the XY axes, and the logarithm of the square deviation is plotted on the Z axis. The square deviation R has a downwardly convex groove structure. FIG. 14 shows the groove projected on the plane of the thermal diffusivity and the Biot number, and FIG. 14 shows the groove projected on the plane of the square deviation and the thermal diffusivity. FIG. 15 and FIG. 16 show the square deviation and the projection onto the Biot number plane. From the above results, it has been clarified that the function structure of the square deviation has the following characteristics.
【0057】2乗偏差の極小値は、求める熱拡散率及
びビオー数の位置に存在する。 ビオー数を固定した場合、極小値を示す熱拡散率は、
ビオー数の変化に対してその変化の割合は少なく、安定
した極値をとる。 熱拡散率を固定した場合、極小値を示すビオー数は、
熱拡散率の変化に対してその変化の割合が大きい。 2乗偏差の熱拡散率による偏微分を0とする曲線の位
置とビオー数による偏微分を0とする曲線の位置は、と
もにこの溝の極近傍に位置する。2乗偏差の熱拡散率α
による偏微分を0として熱拡散率αを更新して、この更
新した熱拡散率αを基にして、さらにビオー数による偏
微分を0とする手順を繰り返して熱拡散率及びビオー数
を求めたとしても2乗偏差の極小値に至らず熱拡散率と
ビオー数が求められない場合がある。これは2乗偏差の
熱拡散率による偏微分を0とする曲線とビオー数による
偏微分を0とする曲線が溝付近で互いにずれていると、
ビオー数の初期値を求めるべき値より小さい値に設定し
て、熱拡散率による偏微分を0とする熱拡散率を計算す
ると、求めるべき値よりも大きい熱拡散率が得られ、次
にこの熱拡散率を用いてビオー数による偏微分を0とす
るビオー数を求めたとき、最初に用いたビオー数より小
さい値が求まることになると考えられる。このため、こ
の一連の計算は収束せずに発散してしまい、熱拡散率及
びビオー数は求められないことになる。以上の問題を克
服するためには、例えば以下に示すように複数のビオー
数初期値を設定し、該複数のビオー数に対して、δR/
δα=0を満たす熱拡散率を個々に求め、次にこの熱拡
散率αとビオー数hの各組合わせに対して偏差Rを求め
た後、偏差Rの極小値を与える方向に新たなビオー数を
設定し、以上の計算を繰り返すことにより、偏差Rの極
小値及びこの極小値を与える熱拡散率αとビオー数hを
求めることができる。The minimum value of the square deviation exists at the position of the required thermal diffusivity and biot number. When the Biot number is fixed, the thermal diffusivity showing the minimum value is
The ratio of the change is small with respect to the change in the biot number, and a stable extreme value is obtained. When the thermal diffusivity is fixed, the Biot number showing the minimum value is
The rate of change is large relative to the change in thermal diffusivity. The position of the curve where the partial differential based on the thermal diffusivity of the square deviation is 0 and the position of the curve where the partial differential based on the Biot number are 0 are both located very near the groove. Thermal diffusivity α of square deviation
The thermal diffusivity α is updated by setting the partial differential by 0 to 0, and based on the updated thermal diffusivity α, the procedure of further setting the partial differential by the biot number to 0 is repeated to obtain the thermal diffusivity and the biot number. In some cases, the thermal diffusivity and the Biot number cannot be obtained without reaching the minimum value of the square deviation. This is because, when the curve with the partial differential according to the thermal diffusivity of the square deviation being 0 and the curve with the partial differential due to the Biot number being 0 are shifted from each other near the groove,
When the initial value of the Biot number is set to a value smaller than the value to be obtained, and the thermal diffusivity with the partial differential by the thermal diffusivity set to 0 is calculated, a thermal diffusivity larger than the value to be obtained is obtained. It is considered that when a biot number with the partial differential based on the biot number being 0 is obtained using the thermal diffusivity, a value smaller than the biot number used first is obtained. For this reason, this series of calculations does not converge but diverges, and the thermal diffusivity and Biot number cannot be obtained. In order to overcome the above problem, for example, a plurality of biot numbers are set as follows, and δR /
The thermal diffusivity that satisfies δα = 0 is determined individually, and then the deviation R is determined for each combination of the thermal diffusivity α and the Biot number h. By setting the number and repeating the above calculation, the minimum value of the deviation R and the thermal diffusivity α and the Biot number h that give this minimum value can be obtained.
【0058】ここで、第3の実施例である図4に示し
た、ラプラス空間における直接解析法について述べる。
最高上昇温度Tm 、熱拡散率α及びビオー数hの3個の
独立変数で表記される偏差Rについて、δR/δα=0
として偏差Rの極小値を満たす熱拡散率α及びビオー数
hを求める手順を図4に示した。 t1/2 法により熱拡散率αの初期値を求める。もしく
は、適当な初期値を設定しても良い。 2乗偏差のビオー数による偏微分式を0とするビオー
数をビオー数初期値とする。あるいは適当な初期値を設
定してもよい。 ビオー数の初期値付近に複数のビオー数を設定し、各
ビオー数に対して2乗偏差の熱拡散率による偏微分を0
とする熱拡散率を求める。 ビオー数及び熱拡散率の組合わせに対して2乗偏差を
計算し、その最小値を与える熱拡散率、ビオー数の組合
わせが求めるものにより近い値である。 一番小さい2乗偏差を与えたビオー数の近傍に次の繰
り返し計算用のビオー数を関数構造の知見に基づいて新
たに設定する。この手順は例えば、ビオー数初期値を5
点とった場合、、の手順により、各熱拡散率αとビ
オー数hの組合わせに対する偏差Rが5点求められるこ
とに対応する。この偏差の大小関係を調べ、偏差Rの最
小値が、設定したビオー数の最大あるいは最小値で与え
られる場合、次の計算のためのビオー数として、最大ビ
オー数あるいは最小ビオー数を含んで新たにその付近に
5点のビオー数を設定する。また、偏差の最小値を与え
るビオー数が最大ビオー数及び最小ビオー数以外の時、
最小値を与えるビオー数近傍に、新たに先のビオー数の
間隔より狭い間隔でビオー数を設定する。以上の手順を
繰り返して、2乗偏差の極小値を与えるものが求める熱
拡散率及びビオー数である。最終的に得られた熱拡散
率、ビオー数及びラプラス変換した測定デ─タより最高
上昇温度を求め、この最高上昇温度より比熱を求める。
最高上昇温度は順2乗偏差の場合(69)式で、逆2乗
偏差の場合(73)式で、また対数をとった2乗偏差の
場合は(62)式で与えられる。最高上昇温度より比熱
を求める方法では、前述の時間空間解析法に示した手順
で行う。Here, the direct analysis method in the Laplace space shown in FIG. 4 which is the third embodiment will be described.
For the deviation R expressed by three independent variables of the maximum rise temperature T m , the thermal diffusivity α and the Biot number h, δR / δα = 0
FIG. 4 shows a procedure for obtaining the thermal diffusivity α and the Biot number h satisfying the minimum value of the deviation R. The initial value of the thermal diffusivity α is determined by the t 1/2 method. Alternatively, an appropriate initial value may be set. The Biot number with the partial differential equation based on the Biot number of the squared deviation being 0 is defined as the Biot number initial value. Alternatively, an appropriate initial value may be set. A plurality of biot numbers are set near the initial value of the biot number, and partial differentiation of each biot number by the thermal diffusivity of the square deviation is set to 0.
Is determined. The square deviation is calculated for the combination of the Biot number and the thermal diffusivity, and the combination of the thermal diffusivity and the Biot number that gives the minimum value is a value closer to the one to be obtained. A biot number for the next iteration calculation is newly set near the biot number giving the smallest square deviation based on knowledge of the function structure. In this procedure, for example, the initial biot number is set to 5
In the case where points are obtained, the procedure corresponds to the determination of five deviations R for each combination of the thermal diffusivity α and the biot number h. By examining the magnitude relation of the deviation, if the minimum value of the deviation R is given by the maximum or minimum value of the set biot number, a new biot number including the maximum biot number or the minimum biot number is calculated as the biot number for the next calculation. Set the number of bios at 5 points in the vicinity. Also, when the biot number giving the minimum value of the deviation is other than the maximum biot number and the minimum biot number,
A biot number is newly set near the biot number giving the minimum value, at an interval smaller than the interval of the previous biot number. What gives the minimum value of the square deviation by repeating the above procedure is the thermal diffusivity and the biot number to be obtained. The maximum temperature rise is determined from the finally obtained thermal diffusivity, Biot number and Laplace-transformed measurement data, and the specific heat is determined from the maximum temperature rise.
The maximum rise temperature is given by equation (69) for forward squared deviation, equation (73) for inverse squared deviation, and equation (62) for logarithmic squared deviation. The method of obtaining the specific heat from the maximum temperature rise is performed according to the procedure shown in the above-mentioned time-space analysis method.
【0059】図17〜図18は前記ラプラス空間におけ
る計算の内、時定数法による解析結果であり、2乗偏差
として(50)、(52)式をそのまま用いるラプラス
空間法と、その対数を用いる対数法とで、それぞれの計
算誤差を特性時間とパルス幅との比に対して示した図で
あり、熱拡散率αが1.0×10-4m2 /s、ビオー数
hが0.10のデータについて、各熱拡散率α及びビオ
ー数hの値をパルス波形について補正したものと補正し
ないものとについて比較している。いずれの図において
も、特性時間/パルス幅の小さい領域において、パルス
波形による補正の効果、即ち補正有りの方が計算誤差が
少なくなっており、特性時間/パルス幅の値が2以下の
領域ではパルス波形の補正を取り入れることにより、計
算誤差を0.5%以下とすることが可能である。また、
特性時間/パルス幅が4より大きい領域では絶対値とし
ての計算誤差の値は減少するがパルス波形の補正効果は
少なくなっていることが分かる。 また、図19〜図2
0は、ラプラス空間における直接解析法による解析結果
であり、図19は熱拡散率αが1.0×10-4m2 /
s、ビオー数が0.10のそれぞれのデータの計算誤差
を特性時間/パルス幅に対して示した図であり、全領域
で熱拡散率αとビオー数hを良い精度で解析が可能であ
る。図20はα=1.0×10-4m2 /s、h=0.1
0、特性時間/パルス幅=6.0のデータを用いて、特
性時間を単位としたデータ量と計算誤差の関係を示した
ものである。本図に見られる様に先の時定数法と異な
り、少ないデータ量でも熱拡散率α及びビオー数hを精
度良く解析できる。特に、熱拡散率αについては特性時
間の2〜3倍のデータ量でも1%より、よい精度で解析
が可能である。図4に示すフロー図では、判定基準とし
てビオー数の間隔Δhを用いてΔh<εとしているが、
判定基準を|Δh|/h<εとしても良く、あるいは熱
拡散率を用いた同様の基準、もしくは図2に示す様に、
偏差Rを用いて、R<εとすることもできる。図22、
図23に示す様にラプラス変数のうち特にptmin は、
特性時間/パルス幅、データ量、ビオー数により影響さ
れるので、一度の計算結果をもとに再設定して計算する
フローとしている。図22、図23は熱拡散率に着目し
たものであるが、同様にビオー数についても同様の関係
があり、熱拡散率αとビオー数hでは異なるラプラス変
数を設定した方が、それぞれ良い精度で求められる。従
って、熱拡散率α、ビオー数hのどちらを計算するか、
また、特性時間/パルス幅、データ量、ビオー数等を見
て最適のラプラス変数を設定することにより、熱拡散率
αとビオー数hを良い精度で求めることができる。但
し、ptmin 下限は、特性時間/パルス幅、ビオー数、
データ量及び熱拡散率αとビオー数hのどちらを計算す
るかにそれほど依存しないので、この近傍にとれば、ラ
プラス変数の再設定計算をしなくとも、良い精度で熱拡
散率α及びビオー数hを計算することができる。上述の
解析方法は、(60)式に示したような対数形式の2乗
偏差に対しても適用することができる。FIGS. 17 and 18 show the results of analysis by the time constant method among the calculations in the Laplace space. The Laplace space method using equations (50) and (52) as the squared deviation and the logarithm thereof are used. FIG. 5 is a diagram showing each calculation error by a logarithmic method with respect to a ratio between a characteristic time and a pulse width, wherein a thermal diffusivity α is 1.0 × 10 −4 m 2 / s, and a biot number h is 0.1. For the ten data, the values of the thermal diffusivity α and Biot number h corrected for the pulse waveform and those not corrected are compared. In any of the figures, the effect of the correction by the pulse waveform, that is, the calculation error is smaller in the region where the characteristic time / pulse width is small, and in the region where the value of the characteristic time / pulse width is 2 or less, in the region where the characteristic time / pulse width is small. The calculation error can be reduced to 0.5% or less by incorporating the correction of the pulse waveform. Also,
It can be seen that in the region where the characteristic time / pulse width is greater than 4, the value of the calculation error as an absolute value decreases, but the effect of correcting the pulse waveform is reduced. FIGS. 19 to 2
0 is the analysis result by the direct analysis method in the Laplace space, and FIG. 19 shows that the thermal diffusivity α is 1.0 × 10 −4 m 2 /
FIG. 9 is a diagram showing calculation errors of respective data of s and the biot number of 0.10 with respect to the characteristic time / pulse width, and the thermal diffusivity α and the biot number h can be analyzed with good accuracy in all regions. . FIG. 20 shows that α = 1.0 × 10 −4 m 2 / s and h = 0.1
The relationship between the data amount and the calculation error in units of the characteristic time is shown using data of 0, characteristic time / pulse width = 6.0. As can be seen from the figure, unlike the time constant method described above, the thermal diffusivity α and the biot number h can be accurately analyzed with a small amount of data. In particular, the thermal diffusivity α can be analyzed with better accuracy than 1% even if the data amount is 2 to 3 times the characteristic time. In the flow chart shown in FIG. 4, Δh <ε is set using the biot interval Δh as a criterion.
The criterion may be | Δh | / h <ε, or a similar criterion using the thermal diffusivity, or as shown in FIG.
Using the deviation R, R <ε can also be set. FIG. 22,
As shown in FIG. 23, among the Laplace variables, especially pt min is
Since it is affected by the characteristic time / pulse width, the data amount, and the number of bios, the flow is calculated by resetting based on one calculation result. FIGS. 22 and 23 focus on the thermal diffusivity, but the same relationship exists for the biot number, and it is better to set different Laplace variables for the thermal diffusivity α and the biot number h. Is required. Therefore, whether to calculate the thermal diffusivity α or the Biot number h,
Also, by setting the optimal Laplace variable by looking at the characteristic time / pulse width, data amount, biot number, etc., the thermal diffusivity α and the biot number h can be obtained with good accuracy. Where pt min lower limit is characteristic time / pulse width, biot number,
It does not depend much on the amount of data and which one of the thermal diffusivity α and the Biot number h is calculated. Therefore, if it is close to this, the thermal diffusivity α and the Biot number can be obtained with good accuracy without recalculating the Laplace variable. h can be calculated. The above-described analysis method can be applied to a logarithmic square deviation as shown in Expression (60).
【0060】[0060]
【発明の効果】請求項1〜5記載のレーザフラッシュ法
における熱拡散率測定データの解析方法においては、パ
ルス波形、熱拡散率α、ビオー数h、最高上昇温度Tm
を設定して得られる理論解と現実の温度応答測定データ
との偏差を比較し予め求めてある各変数間の関係データ
を反映させることにより、未知数の値を逐次効率的に更
新し、漸近的に実際の温度応答の測定データを満たす前
記未知数の値を0.5%以下の良い精度で決定すること
ができる。According to the method for analyzing the thermal diffusivity measurement data in the laser flash method according to the first to fifth aspects, the pulse waveform, the thermal diffusivity α, the biot number h, and the maximum rise temperature T m
By comparing the deviation between the theoretical solution obtained by setting and the actual temperature response measurement data and reflecting the relation data between each variable obtained in advance, the value of the unknown is updated sequentially and efficiently, and asymptotically The value of the unknown that satisfies the actual temperature response measurement data can be determined with good accuracy of 0.5% or less.
【0061】[0061]
【図1】本発明の一実施例に係るレーザフラッシュ法に
おける熱拡散率、ビオー数及び比熱データの解析装置の
構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram of an apparatus for analyzing thermal diffusivity, biot number, and specific heat data in a laser flash method according to an embodiment of the present invention.
【図2】同データの時間空間解析法のフロー図である。FIG. 2 is a flowchart of a spatio-temporal analysis method of the data.
【図3】同データのラプラス空間の時定数解析法のフロ
ー図である。FIG. 3 is a flowchart of a Laplace space time constant analysis method of the data.
【図4】同データのラプラス空間の直接解析法のフロー
図である。FIG. 4 is a flowchart of a Laplace space direct analysis method of the data.
【図5】ビオー数と固有値βn との関係を示す図であ
る。FIG. 5 is a diagram illustrating a relationship between a biot number and an eigenvalue β n .
【図6】ビオー数と固有値βn との関係を示す図であ
る。FIG. 6 is a diagram illustrating a relationship between a biot number and an eigenvalue β n .
【図7】ビオー数と固有値βn の計算精度との関係を示
す図である。FIG. 7 is a diagram showing a relationship between the biot number and the calculation accuracy of the eigenvalue β n .
【図8】ビオー数と固有値βn の計算精度との関係を示
す図である。FIG. 8 is a diagram illustrating a relationship between the biot number and the calculation accuracy of the eigenvalue β n .
【図9】順2乗偏差の場合の(70)式による2乗偏差
の構造を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a structure of a square deviation according to equation (70) in the case of a forward square deviation.
【図10】順2乗偏差の場合の(71)式による2乗偏
差の構造を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a structure of a square deviation according to equation (71) in the case of a forward square deviation.
【図11】逆2乗偏差の場合の(74)式による2乗偏
差の構造を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a structure of a squared deviation according to equation (74) in the case of an inverse squared deviation.
【図12】逆2乗偏差の場合の(75)式による2乗偏
差の構造を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing a structure of a squared deviation according to equation (75) in the case of an inverse squared deviation.
【図13】2乗偏差Rの構造を示す鳥瞰図である。FIG. 13 is a bird's-eye view showing the structure of the square deviation R;
【図14】2乗偏差R凹溝のα−h面への写影を示す図
である。FIG. 14 is a diagram showing a projection of a square deviation R groove on an α-h plane.
【図15】2乗偏差R凹溝のR−α面への写影を示す図
である。FIG. 15 is a diagram showing the mapping of the square deviation R groove on the R-α plane.
【図16】2乗偏差R凹溝のR−h面への写影を示す図
である。FIG. 16 is a diagram showing the mapping of the square deviation R groove on the Rh surface.
【図17】ラプラス空間における2乗偏差を用いた時定
数法での計算誤差を特性時間とパルス幅との比に対して
示した図である。FIG. 17 is a diagram showing a calculation error in a time constant method using a square deviation in a Laplace space with respect to a ratio between a characteristic time and a pulse width.
【図18】同ラプラス空間における対数による2乗偏差
を用いた時定数法での計算誤差を特性時間とパルス幅と
の比に対して示した図である。FIG. 18 is a diagram showing a calculation error in a time constant method using a square deviation due to a logarithm in the Laplace space with respect to a ratio between a characteristic time and a pulse width.
【図19】同ラプラス空間における2乗偏差及び逆2乗
偏差を用いた直接解析法での計算誤差を特性時間とパル
ス幅との比に対して示した図である。FIG. 19 is a diagram showing a calculation error in a direct analysis method using a square deviation and an inverse square deviation in the Laplace space with respect to a ratio between a characteristic time and a pulse width.
【図20】ラプラス空間直接解析法における計算誤差を
特性時間を単位としたデータ量に対して示した図であ
る。FIG. 20 is a diagram illustrating a calculation error in the Laplace spatial direct analysis method with respect to a data amount in units of characteristic time.
【図21】時間空間における偏差として特定時間領域の
平均温度差を使用した場合の計算誤差を特性時間とパル
ス幅との比に対して示した図である。FIG. 21 is a diagram showing a calculation error in a case where an average temperature difference in a specific time region is used as a deviation in a time space with respect to a ratio between a characteristic time and a pulse width.
【図22】ラプラス空間におけるptmin とデータ量と
の関係を示した図である。FIG. 22 is a diagram illustrating the relationship between pt min and the amount of data in a Laplace space.
【図23】ラプラス空間におけるptmin と特性時間/
パルス幅との関係を示した図である。FIG. 23 shows pt min and characteristic time in Laplace space /
FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship with a pulse width.
10 測定試料 11 ハーフミラー 10 Measurement sample 11 Half mirror
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−157146(JP,A) 特開 昭62−263454(JP,A) 特開 昭63−159740(JP,A) 特開 昭64−86049(JP,A) 特開 平5−142169(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01N 25/00 - 25/72 JICSTファイル(JOIS)Continuation of front page (56) References JP-A-57-157146 (JP, A) JP-A-62-263454 (JP, A) JP-A-63-159740 (JP, A) JP-A-64-86049 (JP) , A) JP-A-5-142169 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) G01N 25/00-25/72 JICST file (JOIS)
Claims (5)
ッシュを照射し、裏面側の温度を測定して、該測定試料
の熱拡散率、ビオー数及び比熱データの解析方法であっ
て、 前記測定試料のビオー数又は熱拡散率の各初期値を測定
した時定数をもとに以下の(A)及び(B)式により設
定すると共にレーザパルス波形を設定する第1工程と、 前記レーザパルス波形、ビオー数、熱拡散率及び理論最
高温度値を変数として含む熱伝導方程式から、前記測定
試料の裏面における理論温度値を求める第2工程と、 時間空間における前記理論温度値と前記測定試料の裏面
の測定温度値との偏差が小さくなるように以下の(A)
及び(B)式の条件のもとに数値計算を行い、前記ビオ
ー数及び前記熱拡散率を更新する第3工程と、 前記偏差、前記ビオー数及び前記熱拡散率が規定値以下
になるまで前記第2工程から第3工程までを繰り返して
前記測定試料の熱拡散率及びビオー数を決定する第4工
程と、 放射損失がない場合の最高理論温度を求めた後、比熱を
計算する第5工程を有することを特徴とするレーザフラ
ッシュ法における熱拡散率、ビオー数及び比熱データの
解析方法。 h0=β0〔1/sin(β0)−1/tan(β0)〕・・・(A) β0=L/sqrt(α0・τ)・・・(B) h0:ビオー数 β0:固有値 L:測定試料の厚さ α0:熱拡散率 τ:時定数1. A method for analyzing the thermal diffusivity, biot number and specific heat data of a plate-shaped measurement sample by irradiating a laser flash from the front surface side and measuring the temperature of the back surface side, A first step of setting a laser pulse waveform based on the following time constants (A) and (B) and setting a laser pulse waveform on the basis of a time constant obtained by measuring each initial value of the biot number or the thermal diffusivity of the measurement sample; A second step of obtaining a theoretical temperature value on the back surface of the measurement sample from a heat conduction equation including a waveform, a biot number, a thermal diffusivity, and a theoretical maximum temperature value as variables; The following (A) is used so that the deviation from the measured temperature value on the back surface is small.
And a third step of performing a numerical calculation under the conditions of the formula (B) and updating the biot number and the thermal diffusivity; and until the deviation, the biot number and the thermal diffusivity become equal to or less than a specified value. A fourth step of determining the thermal diffusivity and biot number of the measurement sample by repeating the second step to the third step; and a fifth step of calculating a specific heat after obtaining a maximum theoretical temperature without radiation loss. A method for analyzing thermal diffusivity, biot number and specific heat data in a laser flash method, comprising a step. h 0 = β 0 [1 / sin (β 0 ) −1 / tan (β 0 )] (A) β 0 = L / sqrt (α 0 · τ) (B) h 0 : biot Number β 0 : eigenvalue L: thickness of measurement sample α 0 : thermal diffusivity τ: time constant
前記測定試料の裏面の測定温度値との偏差に代えて、ラ
プラス空間における前記理論温度値と前記測定試料の裏
面の測定温度値との順2乗偏差、逆数の2乗偏差、又は
対数の2乗偏差のいずれかの偏差とする請求項1記載の
レーザフラッシュ法における熱拡散率、ビオー数及び比
熱データの解析方法。2. The order of the theoretical temperature value in the Laplace space and the measured temperature value on the back surface of the measurement sample instead of the deviation between the theoretical temperature value in the time space and the measurement temperature value on the back surface of the measurement sample. The method for analyzing thermal diffusivity, biot number and specific heat data in the laser flash method according to claim 1, wherein the deviation is any one of a square deviation, a reciprocal square deviation, and a logarithmic square deviation.
ッシュを照射し、裏面側の温度を測定して、該測定試料
の熱拡散率、ビオー数及び比熱データの解析方法であっ
て、 前記測定試料のビオー数及び熱拡散率の各初期値を設定
すると共にレーザパルス波形を設定する第1工程と、 前記レーザパルス波形、ビオー数、熱拡散率及び理論最
高温度値を変数として含む熱伝導方程式から、前記測定
試料の裏面における理論温度値を求める第2工程と、 前記熱拡散率及び前記ビオー数の一方をA、他方をBと
して、Aの初期値の近傍に複数のAを設定し、該複数の
Aに対して、偏差を最小とするBを個々に求め、次に該
A及び該Bの組み合わせに対して前記偏差を求め、該偏
差の極小値を与える方向に新たなAを更新する第3工程
と、 前記偏差、前記ビオー数及び前記熱拡散率が規定値以下
になるまで前記第2工程から第3工程までを繰り返して
前記測定試料の熱拡散率及びビオー数を決定する第4工
程と、 放射損失がない場合の最高理論温度を求めた後、比熱を
計算する第5工程を有し、 しかも、前記偏差は、ラプラス空間における前記理論温
度値と前記測定試料の裏面の測定温度値との順2乗偏
差、逆数の2乗偏差、又は対数の2乗偏差のいずれかの
偏差とすることを特徴とするレーザフラッシュ法におけ
る熱拡散率、ビオー数及び比熱データの解析方法。3. A method for analyzing the thermal diffusivity, biot number and specific heat data of a plate-shaped measurement sample by irradiating a laser flash from the front surface side and measuring the temperature of the rear surface side, A first step of setting each initial value of the biot number and thermal diffusivity of the measurement sample and setting a laser pulse waveform; and heat conduction including the laser pulse waveform, biot number, thermal diffusivity and theoretical maximum temperature value as variables. From the equation, a second step of obtaining a theoretical temperature value on the back surface of the measurement sample, setting one of the thermal diffusivity and the biot number to A and the other to B, and setting a plurality of A in the vicinity of the initial value of A For each of the plurality of A, B that minimizes the deviation is individually obtained, and then the deviation is obtained for the combination of A and B, and a new A is obtained in a direction that gives the minimum value of the deviation. A third step of updating, the deviation, A fourth step of determining the thermal diffusivity and biot number of the measurement sample by repeating the second to third steps until the biot number and the thermal diffusivity become equal to or less than a specified value; A fifth step of calculating the specific heat after obtaining the maximum theoretical temperature of the sample, and wherein the deviation is a forward square deviation between the theoretical temperature value in the Laplace space and the measured temperature value on the back surface of the measurement sample, A method for analyzing thermal diffusivity, biot number, and specific heat data in a laser flash method, wherein the deviation is any one of a reciprocal square deviation and a logarithmic square deviation.
放射損失がない場合の最高理論温度を求める請求項1記
載のレーザフラッシュ法における熱拡散率、ビオー数及
び比熱データの解析方法。 Tm=ΔT/(A0∫exp(a0t’)・f(t’)dt’)・・・(C) ここで、 とする。 Tm:放射損失がない場合の最高理論温度 ΔT:測定温度規格値 β0:固有値 α:熱拡散率 L:測定試料の厚さ4. The method for analyzing thermal diffusivity, biot number and specific heat data in the laser flash method according to claim 1, wherein the fifth step is to obtain a maximum theoretical temperature when there is no radiation loss by the following equation (C). . T m = ΔT / (A 0 ∫exp (a 0 t ′) · f (t ′) dt ′) (C) where And T m : maximum theoretical temperature without radiation loss ΔT: measured temperature specification value β 0 : eigenvalue α: thermal diffusivity L: thickness of measurement sample
の2乗偏差、又は対数の2乗偏差に対応して、それぞれ
(D)式、(E)式、又は(F)式により放射損失がな
い場合の最高理論温度を求める請求項2又は3記載のレ
ーザフラッシュ法における熱拡散率、ビオー数及び比熱
データの解析方法。 Tm:放射損失がない場合の最高理論温度5. The fifth step corresponds to the forward squared deviation, the reciprocal squared deviation, or the logarithmic squared deviation according to the formula (D), the formula (E), or the formula (F), respectively. 4. The method for analyzing thermal diffusivity, biot number and specific heat data in a laser flash method according to claim 2 or 3, wherein a maximum theoretical temperature in the case where there is no radiation loss is obtained. T m : maximum theoretical temperature without radiation loss
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6234146A JP2864097B2 (en) | 1994-09-03 | 1994-09-03 | Method and apparatus for analyzing thermal diffusivity, biot number and specific heat data in laser flash method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6234146A JP2864097B2 (en) | 1994-09-03 | 1994-09-03 | Method and apparatus for analyzing thermal diffusivity, biot number and specific heat data in laser flash method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0875687A JPH0875687A (en) | 1996-03-22 |
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Family
ID=16966372
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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Family Cites Families (5)
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|---|---|---|---|---|
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| JPS62263454A (en) * | 1986-05-12 | 1987-11-16 | Fuji Electric Co Ltd | Apparatus for measuring heat constant |
| JPS63159740A (en) * | 1986-12-23 | 1988-07-02 | Kawasaki Steel Corp | Heat constant measuring instrument by laser flash method |
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| JPH05142169A (en) * | 1991-11-15 | 1993-06-08 | Kawasaki Steel Corp | Data processing method of transformation measuring device |
-
1994
- 1994-09-03 JP JP6234146A patent/JP2864097B2/en not_active Expired - Lifetime
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|---|---|
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