專利名稱：熱導(dǎo)率原位測量探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及海洋測量儀器的改進(jìn)，具體講是一種熱導(dǎo)率原位測量探頭。其是對海洋沉積物的熱導(dǎo)率在海底的原位狀態(tài)下進(jìn)行精確測量的探頭，其屬于海洋物理測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中，海洋沉積物的熱導(dǎo)率是表征其熱力學(xué)性質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù)。在現(xiàn)代海洋地?zé)釋W(xué)中，通過測量海洋沉積物的熱導(dǎo)率，進(jìn)而利用Fourier定律確定海底地?zé)崃鳎ζ溥M(jìn)行分析和計(jì)算，是獲取海洋地殼的熱狀態(tài)信息，并據(jù)此研究海底的構(gòu)造演化和資源狀況的重要手段之一。海洋沉積物熱導(dǎo)率原位測量儀器要求在海底的原位狀態(tài)下測量沉積物的熱導(dǎo)率，這種方法能夠在最大程度上減小對沉積物的物理擾動(dòng)，得到的結(jié)果能夠更準(zhǔn)確、更真實(shí)地反映沉積物的熱性質(zhì)。目前有一種Lister技術(shù)是基于瞬時(shí)熱脈沖在無限長圓柱狀介質(zhì)中的傳導(dǎo)方程，要求將一條長度3m以上的內(nèi)置溫度傳感器排列和電熱絲的細(xì)長探針插入沉積物中，通過觀測電熱絲通電發(fā)熱后溫度傳感器感應(yīng)的溫度變化來推算沉積物的熱導(dǎo)率。該技術(shù)存在的問題包括(1)探針長度過大，不利于維護(hù)、儲(chǔ)藏和運(yùn)輸；(2)儀器制造工藝復(fù)雜、成本高，不利于廣泛應(yīng)用和推廣；(3)單次測量的時(shí)間較長，超過5分鐘，不利于減小海上探測的作業(yè)難度和成本。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于，要克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，提供一種熱導(dǎo)率原位測量探頭。該探頭能夠?qū)Ｑ蟪练e物熱導(dǎo)率進(jìn)行快速，精確地原位實(shí)時(shí)測量，其探針長度短小，便于維護(hù)、儲(chǔ)藏和運(yùn)輸，其制造工藝簡單，成本低，利于廣泛應(yīng)用和推廣；單次使用測量的時(shí)間不超過2分鐘，能夠減小海上探測的作業(yè)難度和成本。
本實(shí)用新型的目的是由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，研制了一種熱導(dǎo)率原位測量探頭，其包括密封倉和探針。在柱體密封倉的一端平行固設(shè)有兩根探針一根為熱源探針，一根為感溫探針；所述的熱源探針，其是在一端封閉的不銹鋼管內(nèi)通過高導(dǎo)熱絕緣材料充填支撐有熱源電熱絲，該電熱絲通過導(dǎo)線電連接于熱發(fā)射電路中；所述的感溫探針，其是在一端封閉的不銹鋼管內(nèi)通過高導(dǎo)熱絕緣材料充填支撐有熱敏電阻，該熱敏電阻通過導(dǎo)線電連接于溫度接收電路中；在密封倉中段設(shè)置由熱發(fā)射電路，溫度接收電路和主控電路組成的電路板，該電路板的USB接口通過導(dǎo)線外置在柱體密封倉的另一端，帶有USB接口的該密封倉的另一端還螺紋封堵有保護(hù)封端蓋；在外置的USB接口與電路板之間密封倉中還設(shè)有電池組盒。
所述的熱源探針，其在該不銹鋼管內(nèi)設(shè)有的熱源電熱絲至少為兩個(gè)回路的電熱絲，其中單個(gè)回路的電熱絲長度略等于該探針的長度。
所述的感溫探針，其在該不銹鋼管內(nèi)設(shè)有的熱敏電阻為高靈敏度微型球狀熱敏電阻，該熱敏電阻位于該不銹鋼管管內(nèi)探針的中段所述的主控電路，其包括分別連接有存儲(chǔ)器(RAM)和時(shí)鐘電路(CLOCK)的微處理器(MCU)，該微處理器(MCU)還連接著由A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)，放大器(AMP)，多路轉(zhuǎn)換器(MUX)和姿態(tài)傳感器依次連接而組成的姿態(tài)檢測電路；該微處理器(MCU)還分別電連接于熱發(fā)射電路和溫度接收電路。
所述的姿態(tài)傳感器，其為并聯(lián)接在多路轉(zhuǎn)換器(MUX)上的加速度傳感器和傾角傳感器。
所述的熱發(fā)射電路，其包括依次連接的專用電源及其直流穩(wěn)壓電路和放大器AMP。
所述的溫度接收電路，其是由依次連接的測溫轉(zhuǎn)換電橋，信號(hào)放大器(AMP)和A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)組成。
所述的包括有密封倉和雙探針的探頭，其搭載于帶負(fù)載的金屬長矛上，即在該長矛外壁上固設(shè)有多個(gè)外伸支架，該支架上夾固有該探頭；將多個(gè)該支架及其探頭或沿長矛外壁等間距軸向螺旋排列設(shè)置。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于由于在柱體密封倉的一端固設(shè)有間距固定、平行排列的兩根探針一根為熱源探針，一根為感溫探針；所述的熱源探針，其是在一端封閉的不銹鋼管內(nèi)通過高導(dǎo)熱絕緣材料充填支撐有熱源電熱絲，該電熱絲通過導(dǎo)線電連接于熱發(fā)射電路中；所述的感溫探針，其是在一端封閉的不銹鋼管內(nèi)通過高導(dǎo)熱絕緣材料充填支撐有熱敏電阻，該熱敏電阻通過導(dǎo)線電連接于溫度接收電路中；在密封倉中段設(shè)置由熱發(fā)射電路，溫度接收電路和主控電路組成的電路板；當(dāng)把兩探針插入沉積物中時(shí)，由熱發(fā)射電路和主控電路組成的電路板控制對熱源電熱絲進(jìn)行短時(shí)間通電發(fā)熱，同時(shí)熱敏電阻通過溫度接收電路記錄沉積物的溫度變化，然后主控電路就可以根據(jù)溫度最大值出現(xiàn)的時(shí)間和幅度來計(jì)算沉積物的熱導(dǎo)率。由于溫度最大值出現(xiàn)所需的時(shí)間很短，因此縮短了完成一次熱導(dǎo)率測量的時(shí)間，提高了測量效率。本探頭測量的熱導(dǎo)率誤差范圍小＜2％，單次測量時(shí)間短＜2分鐘。由于本探頭在結(jié)構(gòu)上分為兩部分探針部分和密封倉部分，因此，其結(jié)構(gòu)簡單，對制造工藝要求不高，而且體積小，重量輕，便于運(yùn)輸和實(shí)驗(yàn)室儲(chǔ)藏。本探頭測量用途多除用于對海洋沉積物的熱導(dǎo)率進(jìn)行原位測量外，其單個(gè)探頭還可以用于測量實(shí)驗(yàn)室樣品的熱導(dǎo)率。由于該電路板的USB接口通過導(dǎo)線外置在柱體密封倉的另一端，帶有USB接口的該密封倉的另一端還螺紋封堵有保護(hù)封端蓋，使得本探頭在原位測量完畢后，離水再與外部計(jì)算機(jī)連接，使得通信安全方便。
由于所述的主控電路，其包括分別連接有存儲(chǔ)器(RAM)和時(shí)鐘電路(CLOCK)的微處理器(MCU)，該微處理器(MCU)還連接著由A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)，放大器(AMP)，多路轉(zhuǎn)換器(MUX)和姿態(tài)傳感器依次連接而組成的姿態(tài)檢測電路；該微處理器(MCU)還分別電連接于熱發(fā)射電路和溫度接收電路。所述的姿態(tài)傳感器，其為并聯(lián)接在多路轉(zhuǎn)換器(MUX)上的加速度傳感器和傾角傳感器。由于主控電路的核心是一個(gè)微處理器(MCU)，其控制熱發(fā)射電路的發(fā)射時(shí)間、持續(xù)時(shí)間以及熱敏電阻的記錄時(shí)間，并控制數(shù)據(jù)的內(nèi)部存儲(chǔ)和外部交換等。其中判定熱源發(fā)射時(shí)間和熱敏電阻記錄時(shí)間的依據(jù)來自姿態(tài)傳感器。姿態(tài)傳感器接收探頭的姿態(tài)信息，確定是否適合熱源的發(fā)射和溫度的接收。該微處理器(MCU)除了能夠把來自溫度接收電路的數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器(RAM)，還可以通過USB接口與外部計(jì)算機(jī)(PC)連接，通過計(jì)算機(jī)(PC)的主控軟件輸入脈沖寬度、熱源強(qiáng)度等參數(shù)，并在測量結(jié)束后把存儲(chǔ)器內(nèi)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出到計(jì)算機(jī)(PC)的硬盤上。該微處理器(MCU)通過姿態(tài)傳感器確認(rèn)可以釋放熱源時(shí)，接通專用電源，經(jīng)熱發(fā)射電路放大后由電熱絲釋放出熱能，并迅速傳遞到沉積物中。對電熱絲通電時(shí)間由微處理器(MCU)中存儲(chǔ)的初始輸入?yún)?shù)—脈沖寬度確定。所述的溫度接收電路，其是由依次連接的測溫轉(zhuǎn)換電橋，信號(hào)放大器(AMP)和A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)組成。當(dāng)沉積物溫度發(fā)生變化時(shí)，熱敏電阻的阻值相應(yīng)地改變，經(jīng)測溫轉(zhuǎn)換電橋轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后經(jīng)放大器和A/D轉(zhuǎn)換器，變成可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過微處理器(MCU)，保存在存儲(chǔ)器(RAM)中。


及其具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的實(shí)施例結(jié)合附圖進(jìn)一步說明如下圖1為熱導(dǎo)率原位測量探頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本探頭的電路原理方框圖。
圖3為用于搭載本探頭進(jìn)入海洋沉積物的長矛結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本探頭的電路圖。
參見圖1-4，本實(shí)用新型的探頭在結(jié)構(gòu)上包括三部分，分別為熱源探針1、感溫探針2和密封倉3。在柱體密封倉3的一端平行固設(shè)有兩根探針一根為熱源探針1，一根為感溫探針2；所述的熱源探針1為不銹鋼管，一端封閉，另一端焊接在密封倉3上。該探針1外徑不大于1mm，長度不小于20mm。該探針1中有一條直徑小于0.15mm的鎳電熱絲4構(gòu)成的至少兩個(gè)回路，以便在通電后發(fā)出足夠的熱量。該單個(gè)回路的長度與探針1長度大致相等；該電熱絲4通過導(dǎo)線5與密封倉3中電路板6的熱發(fā)射電路29相連。該電熱絲4和導(dǎo)線5與該探針1內(nèi)壁之間通過高熱導(dǎo)率的絕緣材料7充填支撐著，例如一種5082A/B型環(huán)氧樹脂，使發(fā)出的熱量能夠快速傳遞給沉積物。該電熱絲4通過導(dǎo)線5電連接于熱發(fā)射電路29中；所述的感溫探針2也為一端封閉的不銹鋼管，另一端焊接在密封倉3上。該探針2外徑不大于1mm，與熱源探針1互相平行、長度相等，兩者間距不大于10mm。該感溫探針2中有一個(gè)高靈敏度的微型球狀熱敏電阻8，如一種YSI31A401A型熱敏電阻，通過導(dǎo)線9與密封倉3中的電路板6的溫度接收電路30相連。所述熱敏電阻8位于探針2中段，以減弱熱傳導(dǎo)邊緣效應(yīng)的影響。該熱敏電阻8和導(dǎo)線9與探針2內(nèi)壁之間有高熱導(dǎo)率的絕緣材料10充填支撐著，例如一種5082A/B型環(huán)氧樹脂，使熱敏電阻8能夠及時(shí)感應(yīng)到沉積物的溫度變化。
在密封倉3中段設(shè)置由熱發(fā)射電路29，溫度接收電路30和主控電路31組成的電路板6，該電路板6的USB接口11通過導(dǎo)線16外置在柱體密封倉3的另一端，使得探頭可以通過接口11與外部計(jì)算機(jī)(PC)方便地進(jìn)行通信。密封倉3帶有USB接口11的一端有螺旋封蓋13，探頭閑置時(shí)旋上封蓋13以保護(hù)USB接口11。密封倉3外徑為15～25mm，長度100～120mm。密封倉3內(nèi)部包括三部分靠近探針端為一個(gè)圓柱體塞子14，用于隔開探針1、2與密封倉3。在外置的USB接口11與電路板6之間密封倉3中還設(shè)有電池組盒15。該電池組盒15通過導(dǎo)線16連接到電路板6，提供電路運(yùn)轉(zhuǎn)以及電熱絲4發(fā)熱所需的電能。
本探頭的電路板6的結(jié)構(gòu)如圖2和圖4所示。其包括三部分主控電路31、熱發(fā)射電路29和溫度接收電路30。
所述的主控電路31包括一個(gè)微處理器(MCU)17，一個(gè)存儲(chǔ)器(RAM)18，時(shí)鐘電路(CLOCK)22以及由一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)21，一個(gè)放大器(AMP)25，一個(gè)多路轉(zhuǎn)換器(MUX)27和一組姿態(tài)傳感器28組成的姿態(tài)檢測電路。其中的連接關(guān)系是分別連接有存儲(chǔ)器18和時(shí)鐘電路22的微處理器17，該微處理器17還連接著由A/D轉(zhuǎn)換器21，放大器25，多路轉(zhuǎn)換器27和姿態(tài)傳感器28依次連接而組成的姿態(tài)檢測電路；該微處理器17還分別電連接于熱發(fā)射電路29和溫度接收電路30。其中，微處理器17采用MC68HC908JB8型單片機(jī)，它是一個(gè)基于USB技術(shù)的8位單片機(jī)，具有一個(gè)USB接口，與探頭的USB接口11相連，可以與外部計(jì)算機(jī)進(jìn)行最大為1.5Mbps的數(shù)據(jù)和命令參數(shù)傳輸。存儲(chǔ)器18采用SSF1101型Flash存儲(chǔ)器可為微處理器17提供容量為4MB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。時(shí)鐘電路22為熱發(fā)射電路的連通提供計(jì)時(shí)。在姿態(tài)檢測電路中，姿態(tài)傳感器28包括一個(gè)加速度傳感器(MMA6260Q)和一個(gè)傾角傳感器(SCA100T-D02)，接收探頭的姿態(tài)信息，經(jīng)過多路轉(zhuǎn)換器27(ISL43640)，放大器25(Ad524)和A/D轉(zhuǎn)換器21(ADS1210)處理后送入微處理器17，以確定是否由微處理器17觸發(fā)熱發(fā)射電路29和溫度接收電路30。
所述的熱發(fā)射電路29其包括依次連接的專用電源及其直流穩(wěn)壓電路20和放大器24。微處理器17通過姿態(tài)檢測電路確認(rèn)可以釋放熱源時(shí)，接通直流穩(wěn)壓電路20，電流經(jīng)放大器24(Ad524)放大后經(jīng)導(dǎo)線5，由電熱絲4釋放出熱能，并迅速傳遞到沉積物中。通電時(shí)間由微處理器17中存儲(chǔ)的初始輸入?yún)?shù)確定。
所述的溫度接收電路30由依次連接的測溫轉(zhuǎn)換電橋26，信號(hào)放大器(AMP)23和A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)19組成。當(dāng)沉積物溫度發(fā)生變化時(shí)，熱敏電阻8的阻值相應(yīng)地改變，經(jīng)過測溫轉(zhuǎn)換電橋26轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后經(jīng)信號(hào)放大器23(Ad524)和A/D轉(zhuǎn)換器19(ADS1210)，變成可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，在微處理器17中換算為溫度值并在存儲(chǔ)器18中存儲(chǔ)起來。
所述的包括有密封倉3和雙探針1，2的探頭，其搭載于帶負(fù)載32的金屬長矛33上，即在該長矛33外壁上固設(shè)有多個(gè)外伸支架34，該支架34上夾固有該探頭35；將多個(gè)該支架34及其探頭35或沿長矛外壁等間距軸向螺旋排列設(shè)置。
使用本實(shí)用新型的熱導(dǎo)率原位測量探頭時(shí)，將本探頭35搭載于帶負(fù)載32的金屬長矛33上，以測量沉積物36的熱導(dǎo)率的垂向分布，如圖3所示。工作時(shí)，以鋼纜37吊掛長矛33入水，使探頭35垂直插入沉積物中，密封倉3中的電池組盒15為電熱絲4通電數(shù)秒鐘，該電熱絲4釋放的熱量快速傳遞到沉積物36中；同時(shí)感溫探針2中的熱敏電阻8開始工作。沉積物36的溫度變化引起熱敏電阻8的阻值發(fā)生變化，經(jīng)溫度接收電路30處理，在微處理器17中轉(zhuǎn)換為溫度值，并保存在存儲(chǔ)器18中。沉積物36在一段時(shí)間內(nèi)的溫度變化記錄構(gòu)成溫度—時(shí)間曲線，根據(jù)無限長瞬時(shí)線狀熱源外介質(zhì)的熱場原理，利用該溫度—時(shí)間曲線來計(jì)算沉積物的熱導(dǎo)率。另外，還可以用單個(gè)探頭35在實(shí)驗(yàn)室中測量沉積物樣品的熱導(dǎo)率。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員都會(huì)理解，在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)，對于上述實(shí)施例進(jìn)行修改，添加和替換都是可能的，其都沒有超出本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種熱導(dǎo)率原位測量探頭，其包括密封倉和探針，其特征在于在柱體密封倉的一端平行固設(shè)有兩根探針一根為熱源探針，一根為感溫探針；所述的熱源探針，其是在一端封閉的不銹鋼管內(nèi)通過高導(dǎo)熱絕緣材料充填支撐有熱源電熱絲，該電熱絲通過導(dǎo)線電連接于熱發(fā)射電路中；所述的感溫探針，其是在一端封閉的不銹鋼管內(nèi)通過高導(dǎo)熱絕緣材料充填支撐有熱敏電阻，該熱敏電阻通過導(dǎo)線電連接于溫度接收電路中；在密封倉中段設(shè)置由熱發(fā)射電路，溫度接收電路和主控電路組成的電路板，該電路板的USB接口通過導(dǎo)線外置在柱體密封倉的另一端，帶有USB接口的該密封倉的另一端還螺紋封堵有保護(hù)封端蓋；在外置的USB接口與電路板之間密封倉中還設(shè)有電池組盒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述熱導(dǎo)率原位測量探頭，其特征在于所述的熱源探針，其在該不銹鋼管內(nèi)設(shè)有的熱源電熱絲至少為兩個(gè)回路的電熱絲，其中單個(gè)回路的電熱絲長度略等于該探針的長度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述熱導(dǎo)率原位測量探頭，其特征在于所述的感溫探針，其在該不銹鋼管內(nèi)設(shè)有的熱敏電阻為高靈敏度微型球狀熱敏電阻，該熱敏電阻位于該不銹鋼管管內(nèi)探針的中段
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述熱導(dǎo)率原位測量探頭，其特征在于所述的主控電路，其包括分別連接有存儲(chǔ)器(RAM)和時(shí)鐘電路(CLOCK)的微處理器(MCU)，該微處理器(MCU)還連接著由A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)，放大器(AMP)，多路轉(zhuǎn)換器(MUX)和姿態(tài)傳感器依次連接而組成的姿態(tài)檢測電路；該微處理器(MCU)還分別電連接于熱發(fā)射電路和溫度接收電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述熱導(dǎo)率原位測量探頭，其特征在于所述的姿態(tài)傳感器，其為并聯(lián)接在多路轉(zhuǎn)換器(MUX)上的加速度傳感器和傾角傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述熱導(dǎo)率原位測量探頭，其特征在于所述的熱發(fā)射電路，其包括依次連接的專用電源及其直流穩(wěn)壓電路和放大器AMP。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述熱導(dǎo)率原位測量探頭，其特征在于所述的溫度接收電路，其是由依次連接的測溫轉(zhuǎn)換電橋，信號(hào)放大器(AMP)和A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述熱導(dǎo)率原位測量探頭，其特征在于所述的包括有密封倉和雙探針的探頭，其搭載于帶負(fù)載的金屬長矛上，即在該長矛外壁上固設(shè)有多個(gè)外伸支架，該支架上夾固有該探頭；將多個(gè)該支架及其探頭或沿長矛外壁等間距軸向螺旋排列設(shè)置。
專利摘要本實(shí)用新型是一種熱導(dǎo)率原位測量探頭，在柱體密封倉的一端平行固設(shè)有一根為熱源探針，是在封閉的不銹鋼管內(nèi)由導(dǎo)熱絕緣材料充填支撐有熱源電熱絲，該電熱絲電連接于熱發(fā)射電路中；另一根為感溫探針，是在封閉的不銹鋼管內(nèi)由導(dǎo)熱絕緣材料充填支撐有熱敏電阻，該電阻電連接于溫度接收電路中；在密封倉中段設(shè)置由熱發(fā)射電路，溫度接收電路和主控電路組成的電路板，該電路板的USB接口外置在該密封倉的另一端，該另一端還螺紋封堵有保護(hù)封端蓋；在該密封倉中還設(shè)有電池組盒。本探頭測的熱導(dǎo)率誤差范圍小＜2％，單次測量時(shí)間短＜2分鐘，其結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，便于運(yùn)輸和實(shí)驗(yàn)室儲(chǔ)藏，可方便地與外部PC通信。
文檔編號(hào)G01N25/18GK2847278SQ20052012495
公開日2006年12月13日 申請日期2005年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月21日
發(fā)明者李官保, 劉保華, 姜麗麗, 闞光明, 吳金龍 申請人:國家海洋局第一海洋研究所