專利名稱：一種石墨烯納米帶的表面溫度測試電路和測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石墨烯應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種石墨烯納米帶的表面溫度測試電路和測試方法。
背景技術(shù)：
石墨烯材料是近年來最受產(chǎn)業(yè)界關(guān)注和最具應(yīng)用前景的高新材料。英國曼徹斯特大學(xué)的物理學(xué)家Andre Geim教授和Konstantin Novoselov博士因從事石墨烯的研究并揭示了其性質(zhì)而獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。石墨烯是由碳原子按六邊形晶格整齊排布而成的碳單質(zhì)，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。石墨烯各個碳原子間的連接非常柔韌，當(dāng)施加外部機(jī)械力時，碳原子面就彎曲變形。這樣，碳原子就不需要重新排列來適應(yīng)外力，這也就保證了石墨烯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，使得石墨烯比金剛石還堅硬，同時可以像拉橡膠一樣進(jìn)行拉伸。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)還使石墨烯具有優(yōu)秀的導(dǎo)電性。石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會因晶格缺陷或引入外來原子而發(fā)生散射。由于其原子間作用力非常強(qiáng)，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯中的電子受到的干擾也非常小。石墨烯的另一特性是具有超強(qiáng)的導(dǎo)熱能力，其導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)高于銅銀等高導(dǎo)熱金屬材料。因此，石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能，可望在高性能納米電子器件、復(fù)合材料、氣體傳感器及能量存儲等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。最近，我們實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯納米帶的電阻在寬的溫度范圍內(nèi)(-75 1O(TC)隨溫度升高成線性遞減的關(guān)系，而且其電阻溫度系數(shù)的絕對值達(dá)到0.00415Γ1，大于目前常用做電阻測溫元件的鉬金屬的電阻溫度系數(shù)(-0.0039Γ1)。另一方面石墨烯納米帶柔軟、易貼附且與表面結(jié)合緊密，可最大限度減小接觸熱阻；而且石墨烯導(dǎo)熱系數(shù)大，可迅速與待測表面形成熱平衡。可見，基于石墨烯納米帶的電阻測溫元件具有靈敏度高、反應(yīng)時間快等優(yōu)點(diǎn)，能夠克服常規(guī)接觸式測溫因接觸熱阻帶來的測量誤差。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的主要目的在于提供一種石墨烯納米帶的表面溫度測試電路和測試方法。本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題的:一種石墨烯納米帶的表面溫度測試電路，所述測試電路包括標(biāo)準(zhǔn)電阻和與標(biāo)準(zhǔn)電阻串聯(lián)的石墨烯納米帶，所述石墨烯納米帶的兩端設(shè)置有第二數(shù)字萬用表，所述標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端設(shè)置有第一數(shù)字萬用表，所述第一數(shù)字萬用表和第二數(shù)字萬用表均連接在一臺計算機(jī)上，所述測試電路還包括恒流電源，所述恒流電源一端連接在石墨烯納米帶上，另一端通過一開關(guān)連接在標(biāo)準(zhǔn)電阻上。一種利用上述電路測試石墨烯納米帶的表面溫度的方法，所述方法包括以下步驟:(一).測定電阻溫度系數(shù):(1)、將所述石墨烯納米帶的表面溫度測試電路置于溫度可控的高精度數(shù)顯恒溫腔中，其中恒溫腔的變溫范圍-196 500°C，控溫精度±0.10C ；(2)、設(shè)定恒溫腔溫度，待恒溫腔溫度恒定10-30分鐘后，利用計算機(jī)控制恒流源，通入設(shè)定電流，計算機(jī)同時采集標(biāo)準(zhǔn)電阻和石墨烯納米帶上的電壓\，Vg ；(3)、根據(jù)串聯(lián)電路特征，計算石墨烯納米帶電阻Re，即Re = (VgRs)As ;其中Rs為標(biāo)準(zhǔn)電阻的阻值；(4 )、改變恒溫腔溫度，重復(fù)步驟(2 )和(3 )，其中設(shè)定電流仍采用步驟(2 )和(3 )中的電流設(shè)定值；(5)、對通入同一電流，不同測試溫度條件下測得的電阻進(jìn)行作圖，利用線性擬合得到該石墨烯納米帶在0°C時的電阻Rtl和電阻相對于溫度變化的斜率α，計算出的電阻溫度系數(shù)β，即β = α /Ro ；(二).測試實(shí)際工作狀態(tài)下的溫度:(I)、仍采用所述石墨烯納米帶的表面溫度測試電路，石墨烯納米帶環(huán)境條件與實(shí)際工作狀態(tài)相同；(2)、在石墨烯納米帶電阻隨溫度升高成線性遞減關(guān)系的溫度范圍內(nèi)，對其通入該電流，計算機(jī)實(shí)時采集石墨烯納米帶在工作狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)電阻和石墨烯納米帶上的電壓Vs和Vg;(3)、根據(jù)串聯(lián)電路特征,計算石墨烯納米帶的電阻Re,即Re = (VgRs)/Vs ；(4)、待測溫度T根據(jù)式T = (Rg-R0)/^R0計算得到。本發(fā)明的積 極進(jìn)步效果在于:本發(fā)明提供的石墨烯納米帶的表面溫度測試電路和測試方法優(yōu)點(diǎn)在于:(1)靈敏度高；(2)反應(yīng)時間快；(3)能夠克服常規(guī)接觸式測溫因接觸熱阻帶來的測量誤差；(4)在寬的工作溫度范圍內(nèi)，僅需選取任意幾個溫度標(biāo)定出電阻溫度系數(shù)；(5)操作簡單易行，可采用類似于常規(guī)電阻溫度傳感器的操作過程；(6)僅需常規(guī)的電測試裝置。


圖1為石墨烯納米帶電阻溫度系數(shù)和測試溫度所采用的電路圖。圖2為不同溫度下所測得的電阻和溫度的關(guān)系示例圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明較佳實(shí)施例，以詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案。圖1為石墨烯納米帶電阻溫度系數(shù)和測試溫度所采用的電路圖。圖1中石墨烯納米帶標(biāo)定時置于溫度可控的高精度恒溫浴中。本發(fā)明提供的電路包括標(biāo)準(zhǔn)電阻I和與標(biāo)準(zhǔn)電阻2串聯(lián)的石墨烯納米帶1，石墨烯納米帶I的兩端設(shè)置有第二數(shù)字萬用表4，標(biāo)準(zhǔn)電阻2兩端設(shè)置有第一數(shù)字萬用表3，第一數(shù)字萬用表3和第二數(shù)字萬用表4均連接在一臺計算機(jī)6上，測試電路還包括恒流電源7，恒流電源7 —端連接在石墨烯納米帶I上，另一端通過一開關(guān)5連接在標(biāo)準(zhǔn)電阻2上。圖2為不同溫度下所測得的電阻和溫度的關(guān)系示例圖。如圖2所示，電阻和溫度成很好的線性關(guān)系，采用最小二乘法把電阻和溫度按R = Rod+βΤ)進(jìn)行線性擬合，T為攝氏溫度，R指溫度為T時的電阻，Rtl指溫度為0°C時的電阻，β為電阻溫度系數(shù)。線性擬合得到電阻溫度系數(shù)為-0.00415Γ1。一種利用圖1電路測試石墨烯納米帶的表面溫度的方法，該方法包括以下步驟:(一).測定電阻溫度系數(shù):(I)、將所述石墨烯納米帶的表面溫度測試電路置于溫度可控的高精度數(shù)顯恒溫腔中，其中恒溫腔的變溫范圍-196 500°C，控溫精度±0.10C ；(2)、設(shè)定恒溫腔溫度，待恒溫腔溫度恒定10-30分鐘后，利用計算機(jī)控制恒流源，通入設(shè)定電流，計算機(jī)同時采集標(biāo)準(zhǔn)電阻和石墨烯納米帶上的電壓\，Vg ；(3)、根據(jù)串聯(lián)電路特征，計算石墨烯納米帶電阻Re，即Re = (VgRs)As ;其中Rs為標(biāo)準(zhǔn)電阻的阻值；(4 )、改變恒溫腔溫度，重復(fù)步驟(2 )和(3 )，其中設(shè)定電流仍采用步驟(2 )和(3 )中的電流設(shè)定值；(5)、對通入同一電流，不同測試溫度條件下測得的電阻進(jìn)行作圖，利用線性擬合得到該石墨烯納米帶在0°C時的電阻Rtl和電阻相對于溫度變化的斜率α，計算出的電阻溫度系數(shù)β，即β = α /Ro ；(二).測試實(shí)際工作狀態(tài)下的溫度:(I)、仍采用所述石墨烯納米帶的表面溫度測試電路，石墨烯納米帶環(huán)境條件與實(shí)際工作狀態(tài)相同； (2)、在石墨烯納米帶電阻隨溫度升高成線性遞減關(guān)系的溫度范圍內(nèi)，對其通入該電流，計算機(jī)實(shí)時采集石墨烯納米帶在工作狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)電阻和石墨烯納米帶上的電壓Vs和Vg;(3)、根據(jù)串聯(lián)電路特征,計算石墨烯納米帶的電阻Re,即Re = (VgRs)/Vs ；(4)、待測溫度T根據(jù)式T = (Rg-R0)/^R0計算得到。本發(fā)明提供的石墨烯納米帶的表面溫度測試電路和測試方法靈敏度高；反應(yīng)時間快；能夠克服常規(guī)接觸式測溫因接觸熱阻帶來的測量誤差；在寬的工作溫度范圍內(nèi)，僅需選取任意幾個溫度標(biāo)定出電阻溫度系數(shù)；操作簡單易行，可采用類似于常規(guī)電阻溫度傳感器的操作過程；僅需常規(guī)的電測試裝置。以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)，本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
權(quán)利要求
1.一種石墨烯納米帶的表面溫度測試電路，其特征在于:所述測試電路包括標(biāo)準(zhǔn)電阻和與標(biāo)準(zhǔn)電阻串聯(lián)的石墨烯納米帶，所述石墨烯納米帶的兩端設(shè)置有第二數(shù)字萬用表，所述標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端設(shè)置有第一數(shù)字萬用表，所述第一數(shù)字萬用表和第二數(shù)字萬用表均連接在一臺計算機(jī)上，所述測試電路還包括恒流電源，所述恒流電源一端連接在石墨烯納米帶上，另一端通過一開關(guān)連接在標(biāo)準(zhǔn)電阻上。
2.一種利用權(quán)利要求1中的電路測試石墨烯納米帶的表面溫度的方法，其特征在于:所述方法包括以下步驟: (一).測定電阻溫度系數(shù): (1)、將所述石墨烯納米帶的表面溫度測試電路置于溫度可控的高精度數(shù)顯恒溫腔中，其中恒溫腔的變溫范圍-196 500°C，控溫精度±0.10C ； (2)、設(shè)定恒溫腔溫度，待恒溫腔溫度恒定10-30分鐘后，利用計算機(jī)控制恒流源，通入設(shè)定電流，計算機(jī)同時采集標(biāo)準(zhǔn)電阻和石墨烯納米帶上的電壓Vs，Vg ； (3)、根據(jù)串聯(lián)電路特征，計算石墨烯納米帶電阻Re，即Re= (VgRs)As ;其中Rs為標(biāo)準(zhǔn)電阻的阻值； (4)、改變恒溫腔溫度，重復(fù)步驟(2)和(3)，其中設(shè)定電流仍采用步驟(2)和(3)中的電流設(shè)定值； (5)、對通入同一電流，不同測試溫度條件下測得的電阻進(jìn)行作圖，利用線性擬合得到該石墨烯納米帶在0°C時的電阻Rtl和電阻相對于溫度變化的斜率α，計算出的電阻溫度系數(shù) β，即 β = a /R0 ； (二).測試實(shí)際工作狀態(tài)下的溫度: (1)、仍采用所述石墨烯納米帶的表面溫度測試電路，石墨烯納米帶環(huán)境條件與實(shí)際工作狀態(tài)相同； (2)、在石墨烯納米帶電阻隨溫度升高成線性遞減關(guān)系的溫度范圍內(nèi)，對其通入該電流，計算機(jī)實(shí)時采集石墨烯納米帶在工作狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)電阻和石墨烯納米帶上的電壓Vs和Vg; (3)、根據(jù)串聯(lián)電路特征,計算石墨烯納米帶的電阻Re,即Re= (VgRs)/Vs ； (4)、待測溫度T根據(jù)式T= (Rg-R0) / β Rci計算得到。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種石墨烯納米帶的表面溫度測試電路和測試方法，所述測試電路包括標(biāo)準(zhǔn)電阻和與標(biāo)準(zhǔn)電阻串聯(lián)的石墨烯納米帶，石墨烯納米帶的兩端設(shè)置有第二數(shù)字萬用表，標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端設(shè)置有第一數(shù)字萬用表，第一數(shù)字萬用表和第二數(shù)字萬用表均連接在一臺計算機(jī)上，測試電路還包括恒流電源，恒流電源一端連接在石墨烯納米帶上，另一端通過一開關(guān)連接在標(biāo)準(zhǔn)電阻上。本發(fā)明依據(jù)石墨烯納米帶電阻在寬的溫度范圍內(nèi)隨溫度升高成線性遞減關(guān)系的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過標(biāo)定石墨烯納米帶的電阻溫度系數(shù)，結(jié)合石墨烯納米帶柔軟、易貼附且與表面結(jié)合緊密的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)基于石墨烯納米帶的表面溫度測試。本發(fā)明具有高靈敏度，實(shí)時在線，僅需常規(guī)電測試裝置等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G01K7/20GK103148952SQ20131007839
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月12日
發(fā)明者謝華清, 陳立飛, 于偉 申請人:上海第二工業(yè)大學(xué)