專利名稱：基于獨立型傳感器的諧波法測量材料蓄熱系數(shù)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及蓄熱材料蓄熱系數(shù)測試技術(shù)領(lǐng)域，是一種基于獨立型傳感器的諧波法測量材料蓄熱系數(shù)裝置，應(yīng)用于多孔固體、復(fù)合相變材料以及納米粉末等蓄熱材料蓄熱系數(shù)無損測試。
背景技術(shù)：
蓄熱系數(shù)作為一個評價材料與其周圍介質(zhì)換熱快慢的參數(shù)，對其準確的測量一直以來受到很多的關(guān)注。尤其隨著各種形態(tài)的新型蓄熱材料的增多，對這些新材料蓄熱性能的評價對于探究其潛在應(yīng)用領(lǐng)域極為有用。近二十年來發(fā)展起來基于諧波探測的3ω技術(shù)一直被認為是測量固體及薄膜熱物性參數(shù)(熱導(dǎo)率、熱擴散率和蓄熱系數(shù))的一種有效手段。用3ω技術(shù)測量材料的蓄熱系數(shù)時，需要在待測材料表面制備具有一定尺寸和形狀的平面形金屬傳感器，把該微型金屬傳感器同時作為加熱器和溫度傳感器，然后根據(jù)熱波頻率與溫度變化的關(guān)系求得待測材料的蓄熱系數(shù)。分析該測試方法特點發(fā)現(xiàn)，該方法不能實現(xiàn)固體樣品的無損檢測，并且需要重復(fù)對單個樣品進行絕緣膜(測量導(dǎo)電固體時)及平面形金屬傳感器的制備，因此實施工藝復(fù)雜，成本代價也較高。另外，除非先將平面形金屬傳感器制備在一個標準材料上，否則該方法無法用來測量液體及粉末材料的蓄熱系數(shù)，但是這個標準材料的加入將造成熱量在平面形金屬傳感器兩側(cè)分配不均從而引起極大的測量誤差。為了解決上述問題，我們采用獨立型傳感器來實現(xiàn)蓄熱系數(shù)的測量。所述獨立型傳感器是指具有下列特征的傳感器測試時與待測樣品接觸完成測試過程、測試完成后與之分離可單獨存放且反復(fù)使用。我們所使用的專用于材料蓄熱系數(shù)測試的獨立型傳感器具有以下優(yōu)點首先，獨立型傳感器上層為柔性覆蓋膜，底層為柔性襯底，且柔性襯底及柔性覆蓋膜本身就是絕緣膜，能實現(xiàn)導(dǎo)電樣品蓄熱系數(shù)的測量，也省略了事先在導(dǎo)電樣品上制備絕緣層的工序；其次，柔性襯底和柔性覆蓋膜對平面形金屬傳感器有保護作用，構(gòu)成的獨立型傳感器具有一定的機械強度，可以重復(fù)使用，這就省略了再在待測樣品上制備平面形金屬傳感器的工序；再者，獨立型傳感器實現(xiàn)了對液體和粉末材料蓄熱系數(shù)的測量并且能保證高的測量精度。

實用新型內(nèi)容本實用新型目的是解決現(xiàn)有基于諧波探測的3ω測量技術(shù)在測試材料蓄熱系數(shù)時需要重復(fù)制備平面形金屬傳感器、絕緣困難以及無法準確表征液體和粉末樣品等技術(shù)缺陷，為此，本實用新型提供一種基于獨立型傳感器的諧波法測量材料蓄熱系數(shù)裝置，其獨立型傳感器能重復(fù)使用、保證平面形金屬傳感器與待測樣品絕緣，可用于多孔固體、復(fù)合相變材料以及納米粉末等蓄熱材料蓄熱系數(shù)無損測試。為達成所述目的，本實用新型的技術(shù)解決方案是一種基于獨立型傳感器的諧波法測量材料蓄熱系數(shù)裝置，包括恒溫恒壓腔，恒溫恒壓腔為密封體，表面為金屬外殼，外殼內(nèi)壁固接有保溫層，保溫層內(nèi)是內(nèi)腔，金屬外殼設(shè)有密封的門或蓋；其還包括獨立型傳感器、樣品儲罐、溫度和壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、諧波測量單元，其中溫度和壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括溫度和壓力傳感器、溫度和壓力控制器、進氣系統(tǒng)、TEC 加熱/冷卻器，其溫度和壓力傳感器懸置于內(nèi)腔中，進氣系統(tǒng)輸出與內(nèi)腔密封相通連，TEC 加熱/冷卻器置于恒溫恒壓腔的保溫層內(nèi)；溫度傳感器、TEC加熱/冷卻器與恒溫恒壓腔外的溫度控制器電連接，壓力傳感器、進氣系統(tǒng)與恒溫恒壓腔外的壓力控制器電連接；樣品儲罐放置在恒溫恒壓腔內(nèi)腔中，并置于內(nèi)腔的底面上，樣品儲罐上端貫通設(shè)置有引線桿；獨立型傳感器位于樣品儲罐中，獨立型傳感器的引線端與樣品儲罐上端的引線桿內(nèi)端電連接，樣品儲罐引線桿外端的引線頭經(jīng)導(dǎo)線與恒溫恒壓腔外的諧波測量單元電連接，諧波測量單元用諧波法測量獨立型傳感器兩端的基波電壓及三次諧波電壓，并計算獨立型傳感器的溫升和電流頻率的關(guān)系；諧波測量單元設(shè)于控制主機中；測量時，待測樣品置于樣品儲罐中，獨立型傳感器置于待測樣品中。所述的測量材料蓄熱系數(shù)裝置，其所述獨立型傳感器，包括襯底、平面形金屬傳感器、覆蓋膜和四個引線件；平面形金屬傳感器由寬S形導(dǎo)電金屬帶首尾相接平布固接于柔性襯底上表面，構(gòu)成一柵欄狀平面；平面形金屬傳感器一側(cè)電連接有四個向外延伸的引線件，四個引線件相互平行設(shè)置，各引線件外端為引線端，引線件、引線端固接于柔性襯底上表面；在襯底、平面形金屬傳感器、引線件上方固接一層柔性覆蓋膜，四個引線端暴露于覆蓋膜外，形成一具有機械強度的平板狀體；平面形金屬傳感器、引線件、引線端的厚度為幾十微米級；樣品儲罐有四個引線桿，與引線端一一對應(yīng)；兩個外側(cè)的引線端分別與樣品儲罐的外側(cè)引線桿內(nèi)端電連接，接入電流，周期對平面形金屬傳感器電加熱；另兩個中間的引線端分別與樣品儲罐的中間引線桿內(nèi)端電連接，輸出電壓。所述的測量材料蓄熱系數(shù)裝置，其所述獨立型傳感器置于待測樣品中，當(dāng)待測樣品為液體/粉末樣品時，獨立型傳感器垂直放置于液體/粉末樣品里；當(dāng)待測樣品為固體樣品時，取兩塊相同的待測樣品平置于樣品儲罐底面，將獨立型傳感器水平夾置于兩待測樣品之間，成三明治式。所述的測量材料蓄熱系數(shù)裝置，其所述導(dǎo)電金屬帶材料為銅或金；柔性襯底、柔性覆蓋膜材料為聚酰亞胺(PI)或聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜。所述的測量材料蓄熱系數(shù)裝置，其所述樣品儲罐，包括罐殼、罐蓋，碗狀罐殼開口向上，錐形罐蓋位于罐殼上方，與開口相適配；罐蓋上貫通設(shè)置有四個引線桿，引線桿外端有引線頭，引線桿內(nèi)端與獨立型傳感器的引線端電連接，引線桿外端的引線頭經(jīng)導(dǎo)線與恒溫恒壓腔外的諧波測量單元電連接。所述的測量材料蓄熱系數(shù)裝置，其所述平面形金屬傳感器厚度在12. 5 100 μ m 之間，其單根導(dǎo)電金屬帶寬度在100 500μπι之間，中間兩引線件間的導(dǎo)電金屬帶組寬度在5 25mm之間，長度在10 50mm之間；柔性襯底及柔性覆蓋膜的厚度在12. 5 50 μ m 之間。所述的測量材料蓄熱系數(shù)裝置，其所述引線桿材料為銅、銀或鋁其中之一。[0018]所述的測量材料蓄熱系數(shù)裝置，其用于無損測量多孔固體、復(fù)合相變材料或納米粉末蓄熱材料的蓄熱系數(shù)。本實用新型基于獨立型傳感器的諧波法測量材料蓄熱系數(shù)裝置的有益效果本實用新型能在很大程度上解決目前基于諧波探測的3ω測量技術(shù)在測試樣品蓄熱系數(shù)時需要在單個樣品上重復(fù)制備平面形金屬傳感器、絕緣困難以及無法準確表征液體和粉末樣品等技術(shù)缺陷的問題，可以直接將獨立型傳感器夾在兩樣品間(固體)或直接置于樣品中(液體和粉末)進行測試，柔性襯底和柔性覆蓋膜同時充當(dāng)絕緣層，保證非導(dǎo)電 /導(dǎo)電固體、液體及粉末的無損檢測。柔性襯底及柔性覆蓋膜，可以保證平面形金屬傳感器與導(dǎo)電樣品間的絕緣并且具有一定的機械強度保證傳感器在使用時不易損壞。柔性襯底及柔性覆蓋膜具有彈性，當(dāng)與樣品夾緊時可以大大降低界面的接觸熱阻，可以以面熱源的形式對待測樣品進行測試。與在樣品上制備百納米厚平面形金屬傳感器的基于諧波探測的3 ω測量技術(shù)相比，本實用新型不再需要額外在待測樣品上制備平面形金屬傳感器以及在導(dǎo)電樣品上制備百納米級厚的絕緣膜，而且制作工藝簡單，成本大大降低；利用該方法可以保證非導(dǎo)電/導(dǎo)電固體、液體和粉末的無損檢測。

圖1是本實用新型的獨立型傳感器示意圖；圖2是本實用新型的基于獨立型傳感器的諧波法測量材料蓄熱系數(shù)的裝置測量液體/粉末樣品時獨立型傳感器布置圖；圖加是本實用新型的基于獨立型傳感器的諧波法測量材料蓄熱系數(shù)的裝置測量固體樣品時獨立型傳感器布置圖；圖3是本實用新型獨立型傳感器、待測樣品、樣品儲罐、恒溫恒壓腔和溫度和壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)連接示意圖；圖4是本實用新型諧波測量單元的結(jié)構(gòu)示意圖。主要元件說明獨立型傳感器1包括平面形金屬傳感器11、柔性覆蓋膜12、柔性襯底13、四個引線件141至144和四個引線端14a至14d;待測樣品2 ；樣品儲罐3包括罐殼31、罐蓋32、四個引線桿331至334和四個引線頭33a至 33d ；恒溫恒壓腔4包括金屬外殼41、保溫層42和內(nèi)腔43 ；溫度和壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)5包括熱電偶51、TEC加熱/冷卻器52、溫度控制器53、壓力傳感器M、進氣系統(tǒng)55和壓力控制器56 ；諧波測量單元6包括第一運算放大器61、第二運算放大器62、第三運算放大器 63、前置放大器64、信號發(fā)生器65、鎖相放大器66、微機控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)67、第一低溫漂電阻R1、第二低溫漂電阻R2、第三低溫漂電阻R3、第四低溫漂電阻R4、第五低溫漂電阻
6R5、第六低溫漂電阻R6、第七低溫漂電阻R7、第八低溫漂電阻R8、可調(diào)電阻R9、第一電流引線端6a、第二電流引線端6d、第一探測電壓引線端6b、第二探測電壓引線端6c。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖詳細說明本實用新型技術(shù)方案中所涉及的各個細節(jié)問題。應(yīng)指出的是，所描述的實施例僅旨在便于對本實用新型的理解，而對其不起任何限定作用。本實用新型的一種基于獨立型傳感器的諧波法測量材料蓄熱系數(shù)裝置，涉及用一獨立型傳感器夾在兩塊相同固體樣品間的結(jié)構(gòu)代替將傳感器直接沉積于樣品表面上、用一獨立型傳感器垂直放入液體/粉末樣品中的結(jié)構(gòu)代替將傳感器沉積于另一標準固體樣品表面上的技術(shù)方案，實現(xiàn)了對待測樣品蓄熱系數(shù)的無損測試。測試前要用標準乙二醇液體 (乙二醇分析純，純度為99. 99% )校驗獨立型傳感器是否正常工作。利用基于獨立型傳感器的諧波法測量材料蓄熱系數(shù)的裝置實現(xiàn)該方法的步驟如下①取一定量的標準乙二醇液體放置于樣品儲罐3中，以填充至樣品儲罐3高度的1/2為佳，把獨立型傳感器1置于標準液體中，獨立型傳感器1的位置應(yīng)該滿足平面形金屬傳感器11全部浸沒在標準液體中且四個引線端Ha至14d位于液面以上；②將獨立型傳感器1的四引線端Ha至14d分別與樣品儲罐3的四個引線桿331至334電連接，樣品儲罐3的四個引線頭33a至33d分別與諧波測量單元6的引線端6a至6d電連接；③用諧波法測量獨立型傳感器1內(nèi)的平面形金屬傳感器11中間兩引線件142和143之間的基波電壓及三次諧波電壓，根據(jù)諧波法測試原理擬合標準液體的蓄熱系數(shù)值；④從樣品儲罐3中取下獨立型傳感器1，將標準液體倒掉后清洗、烘干樣品儲罐3，若測試的是液體或粉末樣品，則將液體(如蒸餾水，乙醇)或粉末(如納米級氧化硅粉末，碳纖維粉體)裝入樣品儲罐3中，以填充至樣品儲罐3高度的1/2為佳， 執(zhí)行步驟1固定好新的測試結(jié)構(gòu)，若測試的是固體樣品(如不銹鋼塊體，石英玻璃塊體，多孔陶瓷塊體)，則將獨立型傳感器1夾在兩塊相同固體樣品之間構(gòu)成三明治式測試結(jié)構(gòu)，并將三明治式結(jié)構(gòu)與樣品儲罐3的底面平行放置；⑤將獨立型傳感器1的引線端Ha至14d 分別與樣品儲罐3的四個引線桿331至334電連接，把樣品儲罐3置于恒溫恒壓腔4中，再將樣品儲罐3的四個引線頭33a至33d分別與諧波測量單元6的引線端6a至6d電連接； ⑥啟動溫度和壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)5使恒溫恒壓腔4內(nèi)達到要求的溫度和壓力；⑦用諧波法測試待測樣品2的蓄熱系數(shù)，即完成對待測樣品2的測試。所述獨立型傳感器1內(nèi)的平面形金屬傳感器11采用微弱周期正弦電流加熱。測試時，調(diào)整所述平面形金屬傳感器11的基波電壓，使兩引線端14b、Hc間的三次諧波電壓接近1/10000 1/100000基波電壓。請參考圖1、圖2、圖2a、圖3和圖4示出的測量材料蓄熱系數(shù)的裝置，圖3示出該裝置，含有獨立型傳感器1、待測樣品2、樣品儲罐3、恒溫恒壓腔4、溫度和壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng) 5、諧波測量單元6，其中請參考圖2示出獨立型傳感器1測量液體/粉末樣品時垂直放置于裝有待測樣品 2的樣品儲罐3中；請參考圖加示出獨立型傳感器1測量固體樣品時位于兩塊相同的待測樣品2之間構(gòu)成三明治式結(jié)構(gòu)，三明治式結(jié)構(gòu)放置于樣品儲罐3中，并且三明治式結(jié)構(gòu)與樣品儲罐3的底面平行放置；獨立型傳感器1的引線端14a 14d與樣品儲罐3的引線桿 331 334電連接；所述獨立型傳感器1內(nèi)具有平面形金屬傳感器11以微弱周期正弦電流加熱，兩諧波測量引線端14b、14c間的三次諧波電壓接近1/100000 1/10000基波電壓；樣品儲罐3放置在恒溫恒壓腔4中，并與恒溫恒壓腔4的底面平行放置；諧波測量單元6與樣品儲罐3的引線頭33a 33d電連接，用于諧波法測量獨立型傳感器1兩端的基波電壓及三次諧波電壓并計算獨立型傳感器1的溫升和電流頻率的關(guān)系。如圖1、圖2和圖加示出的獨立型傳感器1包括平面形金屬傳感器11、柔性覆蓋膜12、柔性襯底13和四個引線件141 144，平面形金屬傳感器11分別與四個引線件 141 144的一端部連接，四個引線件141 144的另一端有四個引線端14a 14d ；平面形金屬傳感器11和四個引線件141 144位于柔性覆蓋膜12和柔性襯底13之間；引線端 14b、14c分別與樣品儲罐3的兩個電壓引線桿332、333通過導(dǎo)線連接，樣品儲罐3的另兩個電流引線桿331、334通過導(dǎo)線接入另兩個引線端14a、14d周期對平面形金屬傳感器11電加熱。所述平面形金屬傳感器11和四個引線件141 144由導(dǎo)電金屬通過柔性電路板制作工藝附著在柔性襯底13上形成幾十微米級厚的由寬S形導(dǎo)電金屬帶首尾相接構(gòu)成的一柵欄狀平面結(jié)構(gòu)，與柔性襯底13為同種材料帶膠的柔性覆蓋薄膜12通過熱壓工藝與基于柔性襯底13的平面形金屬傳感器11及四個引線件141 144形成三明治式結(jié)構(gòu)，柔性襯底13和柔性覆蓋膜12在平面形金屬傳感器11及四個引線件141 144的底面和頂面形成具有一機械強度的平面形金屬傳感器11及四個引線件141 144的絕緣保護層。所述導(dǎo)電金屬為銅或金；所述柔性襯底為聚酰亞胺(PI)或聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜?；谌嵝砸r底13上的平面形金屬傳感器11厚度在12. 5 100 μ m范圍內(nèi)，單根金屬帶寬度在100 500 μ m范圍內(nèi)，中間兩引線件142、143間加加熱帶組寬度在5 25mm 范圍內(nèi)，長度在10 50mm范圍內(nèi)，柔性襯底13及柔性覆蓋膜12的厚度在12. 5 50 μ m 范圍內(nèi)。所述樣品儲罐3包括一罐殼31、一罐蓋32、四個引線桿331 334和四個引線頭 33a 33d，其中罐蓋32為錐形，位于罐殼31的開口處；罐蓋32頂部依次設(shè)有四個引線桿 331 334，通過孔嵌入罐蓋32 ；從引線桿331 334位于樣品儲罐3側(cè)的一端引出的四根導(dǎo)線與獨立型金屬傳感器1的引線端Ha 14d電連接；引線桿331 334另一端的引線頭33a 33d與諧波測量單元6連接。請參考圖3示出，所述引線桿331 334為銅、銀或鋁其中之一。所述的測量材料蓄熱系數(shù)的裝置，用于無損測量多孔固體、復(fù)合相變材料以及納米粉末等蓄熱材料的蓄熱系數(shù)。圖1，圖2，圖加，圖3和圖4組成基于獨立型傳感器的諧波法測量材料蓄熱系數(shù)的裝置；其中獨立型傳感器結(jié)構(gòu)見圖1 ；測試液體/粉末樣品時獨立型傳感器1的具體位置見圖2，測試固體樣品時獨立型傳感器1的具體位置見圖加；圖3中的樣品儲罐3的四個引線頭3!3b、33C和33a、33d分別通過導(dǎo)線接圖4的諧波測量單元6的諧波探測電壓引線端6b、 6c和電流引線端6a、6d。將獨立型傳感器1置于待測樣品2中，并給平面形金屬傳感器11通入角頻率為ω 的周期微弱電流，因焦耳效應(yīng)產(chǎn)生的熱量將以2ω的頻率對平面形金屬傳感器11、金屬傳感器外側(cè)柔性襯底13、柔性覆蓋膜12及待測樣品2加熱，產(chǎn)生頻率不同的溫度波，引起平面形金屬傳感器11的電阻增加，而平面形金屬傳感器11增加的電阻又與角頻率為ω的周期電流共同作用產(chǎn)生頻率不同的電壓諧波。根據(jù)電壓諧波與振動頻率的關(guān)系可以確定待測材料2的蓄熱系數(shù)。利用本實用新型提出的理論模型和數(shù)據(jù)處理方法可以同時無損測量多孔固體、復(fù)合相變材料以及納米粉末等蓄熱材料的蓄熱系數(shù)。本實用新型采用微弱周期正弦電流加熱基于柔性襯底13的平面形金屬傳感器 11，因平面形金屬傳感器11內(nèi)部電流的有效值很小，產(chǎn)生的加熱功率只有幾十毫瓦，在加熱柔性覆蓋膜12、柔性襯底13和待測樣品2的過程中，平面形金屬傳感器11的溫升必須小于1K，同時采用的周期電流的頻率范圍比較大，從幾十mHz變化到幾十Hz，在上述條件下待測樣品2的溫升很小，同時鎖相放大器采用較大的時間常數(shù)，可以使得熱波能穿透柔性覆蓋膜12和柔性襯底13，進而探測到待測樣品2。由于平面形金屬傳感器11表面的柔性覆蓋膜12和柔性襯底13有一定的厚度，而且柔性覆蓋膜12和柔性襯底13的導(dǎo)熱系數(shù)很低(約0. ZWnT1K-1)，因此平面形金屬傳感器11和柔性層的溫度改變的影響不可忽略，但是可以從實驗數(shù)據(jù)中減去平面形金屬傳感器11和柔性層的影響。只要保證在所測量頻率范圍內(nèi)熱波已經(jīng)穿透了柔性覆蓋膜12和柔性襯底13，就能得到待測樣品2的蓄熱系數(shù)信息。本實用新型測試的材料的蓄熱系數(shù)范圍比較寬，固體蓄熱系數(shù)在100 10000J · S-0·5 · πΓ2 · K—1之間，蓄熱系數(shù)的測量不確定度小于士5. 5%，液體/粉末蓄熱系數(shù)在100 2000J · S-0.5 · m_2 · K-1之間，蓄熱系數(shù)的測量不確定度小于士4. 5%.測試開始前，要對獨立型傳感器1是否能正常工作進行驗證，具體步驟如下取一定量的標準液體(多采用乙二醇分析純，純度為99. 99%，因其在室溫下不易揮發(fā)且熱物性參數(shù)很穩(wěn)定)放置于樣品儲罐3中，以填充至樣品儲罐3高度的1/2為佳，把獨立型傳感器 1置于標準液體中，獨立型傳感器1的位置應(yīng)該滿足平面形金屬傳感器11全部浸沒在標準液體中且四個引線端Ha至14d位于液面以上；將獨立型傳感器1的四引線端1 14d 分別與樣品儲罐3的四個引線桿331 334電連接，樣品儲罐3的四個引線頭33a至33d分別與諧波測量單元6的引線端6a至6d電連接；用諧波法測量獨立探頭1內(nèi)的平面形金屬傳感器11中間兩引線件142和143之間的基波電壓及三次諧波電壓，根據(jù)諧波法測試原理擬合標準液體的蓄熱系數(shù)值；比較蓄熱系數(shù)測量值與標準樣品的參考蓄熱系數(shù)值，若兩者的誤差在4. 5%之內(nèi)，則認為獨立型傳感器1和諧波測量單元6工作正常，即完成校準工作； 否則要仔細檢驗、確定引起測量誤差偏大的原因，如獨立型傳感器1內(nèi)的平面形傳感器11 是否存在局部斷裂而不能正常導(dǎo)通，四引線端Ha至14d是否已位于液面以下而發(fā)生導(dǎo)通， 或諧波測量單元6的各部件是否已失效等，直到獨立型傳感器1和諧波測量單元6都工作正常。正式測試時，若測試的是液體(如蒸餾水，乙醇)或粉末(如納米級氧化硅粉末，碳纖維粉體)樣品，則將液體或粉末裝入樣品儲罐3中，以填充至樣品儲罐3高度的1/2為佳， 以同樣的方法固定好新的測試結(jié)構(gòu)，若測試的是固體樣品(如不銹鋼塊體，石英玻璃塊體， 多孔陶瓷塊體)，則將獨立型傳感器1夾在兩塊相同固體樣品之間構(gòu)成三明治式測試結(jié)構(gòu)， 并將三明治式結(jié)構(gòu)與樣品儲罐3的底面平行放置；以同樣的方法將獨立型傳感器1的引線端1 至14d分別與樣品儲罐3的四個引線桿331至334電連接，把樣品儲罐3置于恒溫恒壓腔4中，再將樣品儲罐3的四個引線頭33a至33d分別與諧波測量單元6的引線端6a至 6d電連接；啟動溫度和壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)5使恒溫恒壓腔4內(nèi)達到要求的溫度和壓力；調(diào)節(jié)串聯(lián)的可調(diào)電阻R9接近或略微大于測量過程中平面形金屬傳感器11可能達到的最大電阻。 為了防止平面形金屬傳感器11有比較明顯的溫升，調(diào)節(jié)信號發(fā)生器65的輸出電壓，使得可調(diào)電阻R9兩端的電壓接近10mV，微調(diào)可調(diào)電阻R9，通過鎖相放大器66的差動輸入監(jiān)測，使得電橋平衡，可調(diào)電阻的阻值R9就等于平面形金屬傳感器11的冷態(tài)電阻。然后開始測試， 選擇一系列的頻率值，測量對應(yīng)頻率值下平面形金屬傳感器11的兩引線端14b、Hc之間的基波電壓及三次諧波電壓。測量在某一頻率下平面形金屬傳感器11的兩引線端14b、Hc 的三次諧波時，應(yīng)選擇合理的基波電壓，使得平面形金屬傳感器11的兩引線端14b、14c間的三次諧波接近基波的1/10000 1/100000。請參見圖4示出本實用新型諧波測量單元6的結(jié)構(gòu)，諧波測量單元6包括第一運算放大器61、第二運算放大器62、第三運算放大器63、前置放大器64、信號發(fā)生器65、鎖相放大器66、微機控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)67、第一低溫漂電阻R1、第二低溫漂電阻R2、第三低溫漂電阻R3、第四低溫漂電阻R4、第五低溫漂電阻R5、第六低溫漂電阻R6、第七低溫漂電阻 R7、第八低溫漂電阻R8、可調(diào)電阻R9、第一電流引線端6a、第二電流引線端6d、第一探測電壓引線端6b、第二探測電壓引線端6c。信號發(fā)生器65輸出角頻率為ω的交流電壓信號經(jīng)第一運算放大器61轉(zhuǎn)換為電流信號，該電流信號用于同時驅(qū)動可調(diào)電阻R9和獨立型傳感器1的平面形金屬帶傳感器 11，可調(diào)電阻R9和獨立型傳感器1的電壓信號分別經(jīng)第二運算放大器62和第三運算放大器63變?yōu)椴顒有盘栐俳?jīng)前置放大器64放大后輸入鎖相放大器66。微機控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)67控制信號發(fā)生器65鎖相放大器66及可調(diào)電阻。第一電流引線端6a和第二電流引線端6d分別與樣品儲罐3的引線頭33a和33d電連接，第一探測電壓引線端6b和第二探測電壓引線端6c分別與樣品儲罐3的引線頭3 和33c電連接。以上所述，僅為本實用新型中的具體實施方式
，但本實用新型的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本實用新型所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本實用新型的包護范圍之內(nèi)，因此，本實用新型的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范圍為準。
權(quán)利要求1.一種基于獨立型傳感器的諧波法測量材料蓄熱系數(shù)裝置，包括恒溫恒壓腔，恒溫恒壓腔為密封體，表面為金屬外殼，外殼內(nèi)壁固接有保溫層，保溫層內(nèi)是內(nèi)腔，金屬外殼設(shè)有密封的門或蓋；其特征在于，還包括獨立型傳感器、樣品儲罐、溫度和壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、諧波測量單元，其中溫度和壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括溫度和壓力傳感器、溫度和壓力控制器、進氣系統(tǒng)、TEC加熱 /冷卻器，其溫度和壓力傳感器懸置于內(nèi)腔中，進氣系統(tǒng)輸出與內(nèi)腔密封相通連，TEC加熱/ 冷卻器置于恒溫恒壓腔的保溫層內(nèi)；溫度傳感器、TEC加熱/冷卻器與恒溫恒壓腔外的溫度控制器電連接，壓力傳感器、進氣系統(tǒng)與恒溫恒壓腔外的壓力控制器電連接；樣品儲罐放置在恒溫恒壓腔內(nèi)腔中，并置于內(nèi)腔的底面上，樣品儲罐上端貫通設(shè)置有引線桿；獨立型傳感器位于樣品儲罐中，獨立型傳感器的引線端與樣品儲罐上端的引線桿內(nèi)端電連接，樣品儲罐引線桿外端的引線頭經(jīng)導(dǎo)線與恒溫恒壓腔外的諧波測量單元電連接，諧波測量單元用諧波法測量獨立型傳感器兩端的基波電壓及三次諧波電壓，并計算獨立型傳感器的溫升和電流頻率的關(guān)系；諧波測量單元設(shè)于控制主機中；測量時，待測樣品置于樣品儲罐中，獨立型傳感器置于待測樣品中。
2.如權(quán)利要求1所述的測量材料蓄熱系數(shù)裝置，其特征在于，所述獨立型傳感器，包括襯底、平面形金屬傳感器、覆蓋膜和四個引線件；平面形金屬傳感器由寬S形導(dǎo)電金屬帶首尾相接平布固接于柔性襯底上表面，構(gòu)成一柵欄狀平面；平面形金屬傳感器一側(cè)電連接有四個向外延伸的引線件，四個引線件相互平行設(shè)置，各引線件外端為引線端，引線件、 引線端固接于柔性襯底上表面；在襯底、平面形金屬傳感器、引線件上方固接一層柔性覆蓋膜，四個引線端暴露于覆蓋膜外，形成一具有機械強度的平板狀體；平面形金屬傳感器、引線件、引線端的厚度為幾十微米級；樣品儲罐有四個引線桿，與引線端一一對應(yīng)；兩個外側(cè)的引線端分別與樣品儲罐的外側(cè)引線桿內(nèi)端電連接，接入電流，周期對平面形金屬傳感器電加熱；另兩個中間的引線端分別與樣品儲罐的中間引線桿內(nèi)端電連接，輸出電壓。
3.如權(quán)利要求1所述的測量材料蓄熱系數(shù)裝置，其特征在于，所述獨立型傳感器置于待測樣品中，當(dāng)待測樣品為液體/粉末樣品時，獨立型傳感器垂直放置于液體/粉末樣品里；當(dāng)待測樣品為固體樣品時，取兩塊相同的待測樣品平置于樣品儲罐底面，將獨立型傳感器水平夾置于兩待測樣品之間，成三明治式。
4.如權(quán)利要求1所述的測量材料蓄熱系數(shù)裝置，其特征在于，所述導(dǎo)電金屬帶材料為銅或金；柔性襯底、柔性覆蓋膜材料為聚酰亞胺或聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜。
5.如權(quán)利要求1所述的測量材料蓄熱系數(shù)裝置，其特征在于，所述樣品儲罐，包括罐殼、罐蓋，碗狀罐殼開口向上，錐形罐蓋位于罐殼上方，與開口相適配；罐蓋上貫通設(shè)置有四個引線桿，引線桿外端有引線頭，引線桿內(nèi)端與獨立型傳感器的引線端電連接，引線桿外端的引線頭經(jīng)導(dǎo)線與恒溫恒壓腔外的諧波測量單元電連接。
6.如權(quán)利要求2所述的測量材料蓄熱系數(shù)裝置，其特征在于，所述平面形金屬傳感器厚度在12. 5 IOOym之間，其單根導(dǎo)電金屬帶寬度在100 500 μ m之間，中間兩引線件間的導(dǎo)電金屬帶組寬度在5 25mm之間，長度在10 50mm之間；柔性襯底及柔性覆蓋膜的厚度在12. 5 50 μ m之間。
7.如權(quán)利要求1、2或5所述的測量材料蓄熱系數(shù)裝置，其特征在于，所述引線桿材料為銅、銀或鋁其中之一。
8.如權(quán)利要求1或3所述的測量材料蓄熱系數(shù)裝置，其特征在于，用于無損測量多孔固體、復(fù)合相變材料或納米粉末蓄熱材料的蓄熱系數(shù)。
專利摘要本實用新型一種基于獨立型傳感器的諧波法測量材料蓄熱系數(shù)裝置，涉及蓄熱材料測試技術(shù)，含有待測樣品置于樣品儲罐中，獨立型傳感器測量液體/粉末樣品時垂直放置于液體/粉末中，測量固體樣品時位于兩塊相同的待測樣品之間構(gòu)成三明治式結(jié)構(gòu)，平行放置于樣品儲罐的底面上；獨立型傳感器引線端與樣品儲罐引線桿電連接；樣品儲罐在恒溫恒壓腔中，置于內(nèi)腔底面上；諧波測量單元與樣品儲罐引線頭電連接，根據(jù)諧波法測量原理計算待測樣品蓄熱系數(shù)值。測試時將固定好待測樣品和獨立型傳感器相對位置的樣品儲罐置于恒溫恒壓腔中，待溫度和壓力達到設(shè)定值后，測量獨立型傳感器兩端基波電壓及三次諧波電壓，并計算獨立型傳感器溫升和電流頻率的關(guān)系。
文檔編號G01N25/20GK202057621SQ201120172059
公開日2011年11月30日 申請日期2011年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月26日
發(fā)明者唐大偉, 邱琳, 鄭興華 申請人:中國科學(xué)院工程熱物理研究所