專利名稱：用于吸熱系數(shù)測(cè)量的貼面式傳感器、測(cè)量裝置及測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子、建筑、材料等行業(yè)的測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于吸熱系數(shù)測(cè)量的貼面式傳感器、測(cè)量裝置及測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
吸熱系數(shù)定義為熱導(dǎo)率、比熱容和密度三個(gè)參數(shù)乘積的平方根，它反映材料與周圍環(huán)境換熱的能力。吸熱系數(shù)既包含儲(chǔ)熱容量的概念(因其中含有熱容)，又在某種程度上能體現(xiàn)物體向周圍取/放熱的速率的概念。因此，吸熱系數(shù)常作為儲(chǔ)能系統(tǒng)中評(píng)價(jià)材料蓄熱特性的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。早在上個(gè)世紀(jì)末，就有學(xué)者提出應(yīng)用基于諧波探測(cè)的3 測(cè)量技術(shù)來(lái)表征吸熱系·數(shù)。實(shí)現(xiàn)的方法大致是在待測(cè)材料表面制備柵欄形平面金屬傳感器，該平面金屬傳感器同時(shí)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(cè)材料的吸熱系數(shù)參數(shù)。分析該方法不難發(fā)現(xiàn)，該方法不能實(shí)現(xiàn)固體樣品的無(wú)損檢測(cè)，并且需要重復(fù)對(duì)單個(gè)樣品進(jìn)行絕緣膜(測(cè)量導(dǎo)電固體時(shí))及柵欄形平面金屬傳感器的制備，因此實(shí)施工藝復(fù)雜，成本代價(jià)也較高。為了解決上述難題，后來(lái)又出現(xiàn)了基于獨(dú)立型傳感器的吸熱系數(shù)測(cè)量裝置，圖IA為現(xiàn)有技術(shù)吸熱系數(shù)測(cè)量裝置測(cè)量固體樣品時(shí)的示意圖。圖IB為現(xiàn)有技術(shù)吸熱系數(shù)測(cè)量裝置測(cè)量液體/粉末樣品時(shí)的示意圖。如圖IA所示，吸熱系數(shù)測(cè)量裝置分為獨(dú)立型傳感器I和樣品儲(chǔ)罐3，其中，獨(dú)立型傳感器I包含平面形金屬傳感器11、柔性覆蓋膜12、柔性襯底13 ;樣品儲(chǔ)罐3包含罐殼31、罐蓋32、四個(gè)引線桿331至334和四個(gè)引線頭33a至33d。獨(dú)立型傳感器I的四個(gè)引線端依次與樣品儲(chǔ)罐3上端的引線桿331 334內(nèi)端電連接，樣品儲(chǔ)罐3引線桿331 334外端的引線頭33a 33d經(jīng)導(dǎo)線與后續(xù)測(cè)量電路6連接，從而完成吸熱系數(shù)的測(cè)量。如圖IA所示，當(dāng)上述吸熱系數(shù)測(cè)量裝置測(cè)量固體樣品的吸熱系數(shù)時(shí)，需要裁剪一定尺寸的兩塊相同樣品，并且需用樣品固定臺(tái)夾緊由樣品和獨(dú)立型傳感器構(gòu)成的“三明治式”結(jié)構(gòu)，兩電流引線桿331、334通過(guò)導(dǎo)線接入獨(dú)立型傳感器兩外側(cè)引線端以微弱周期正弦電流對(duì)平面形金屬傳感器11電加熱，平面形金屬傳感器11的兩內(nèi)側(cè)引線端之間的基波電壓及三次諧波電壓信號(hào)由兩電壓引線桿332、333進(jìn)入諧波測(cè)量單元6記錄并輸出，從而完成測(cè)量。這就要求在獨(dú)立型傳感器兩側(cè)配置的樣品具有一定尺寸，這就使得該方法無(wú)法用于建筑、航天、檢測(cè)等領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)使用。如圖IB所示，當(dāng)上述吸熱系數(shù)測(cè)量裝置測(cè)量液體/粉末樣品時(shí)，還需配備恒溫恒壓腔4和溫度和壓力調(diào)節(jié)單元5。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54、進(jìn)氣系統(tǒng)55和壓力控制器56。測(cè)試時(shí),液體/粉末樣品2填充于樣品儲(chǔ)罐3中；獨(dú)立型傳感器I垂直放置于液體/粉末樣品2里；樣品儲(chǔ)罐3放置在恒溫恒壓腔內(nèi)腔4中，并置于內(nèi)腔的底面上，獨(dú)立型傳感器I的四個(gè)引線端依次與樣品儲(chǔ)罐3上端貫通設(shè)置的引線桿331 334連接，外端的引線頭33a 33d仍經(jīng)導(dǎo)線與后續(xù)測(cè)量電路6連接；完成整個(gè)連接過(guò)程后，啟動(dòng)溫度和壓力調(diào)節(jié)單元5，待溫度和壓力到達(dá)設(shè)定值后，即可測(cè)試樣品的吸熱系數(shù)。而接線方式及加熱、測(cè)量方法與圖IA所述測(cè)量固體時(shí)相同?？梢?jiàn)，在對(duì)液體/粉末樣品測(cè)量過(guò)程中，獨(dú)立型傳感器I垂直放置于液體/粉末樣品2里，這一操作特點(diǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)樣品密度的調(diào)節(jié)，因此也就不能用于分析液體/粉末樣品的吸熱系數(shù)隨密度變化的關(guān)系。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題為解決上述的一個(gè)或多個(gè)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種用于吸熱系數(shù)測(cè)量的貼面式傳感器、測(cè)量裝置及測(cè)量方法。( 二 )技術(shù)方案根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種貼面式傳感器，包括塊狀基體，作為支撐物，·其吸熱系數(shù)已知；金屬絲狀傳感器，形成于塊狀基體的頂面上，其遠(yuǎn)離塊狀基體的一側(cè)抵接于樣品上，用于對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行加熱并向諧波測(cè)量單元反饋基波電壓及三次諧波電壓；兩引線件，形成于塊狀基體上，分別與金屬絲狀傳感器的兩端相連接，其末端設(shè)置引線端；以及防護(hù)薄膜層，為絕緣導(dǎo)熱材料，形成于雙螺旋形金屬絲狀傳感器的頂面，用于將雙螺旋形金屬絲狀傳感器產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至樣品。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，還提供了一種包括上述貼面式傳感器的吸熱系數(shù)測(cè)量的裝置，還包括諧波測(cè)量單元，與貼面式傳感器兩引線端相連接，用于為貼面式傳感器提供對(duì)被測(cè)樣品加熱的周期正弦電流，并同時(shí)采用諧波法測(cè)量貼面式傳感器兩端的基波電壓及三次諧波電壓；以及計(jì)算單元，與諧波測(cè)量單元相連接，用于利用塊狀基體的吸熱系數(shù)、貼面式傳感器兩端的基波電壓和三次諧波電壓，計(jì)算被測(cè)樣品的吸熱系數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)方面，還提供了一種吸熱系數(shù)測(cè)量方法，基于權(quán)利要求4至7中任一項(xiàng)的吸熱系數(shù)測(cè)量裝置，包括將貼面式傳感器的遠(yuǎn)離塊狀基體的一側(cè)充分接觸待測(cè)樣品；將貼面式傳感器的兩個(gè)引線端分別與諧波測(cè)量單元的兩個(gè)探測(cè)電壓引線端和兩個(gè)電流引線端電連接；將諧波測(cè)量單元的兩電流引線端以微弱周期正弦電流加熱雙螺旋形金屬絲狀傳感器；選擇至少兩頻率值，測(cè)量對(duì)應(yīng)頻率值下雙螺旋形金屬絲狀傳感器兩端的基波電壓及三次諧波電壓；由貼面式傳感器兩端的基波電壓和三次諧波電壓，計(jì)算總吸熱系數(shù)；由該總吸熱系數(shù)減去塊狀基體的吸熱系數(shù)即為待測(cè)樣品的吸熱系數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，還提供了一種吸熱系數(shù)測(cè)量方法，用于測(cè)量液體/粉末樣品的吸熱系數(shù)，包括將液體/粉末樣品容置于樣品容器內(nèi)，包括將容器殼箍緊在貼面式傳感器的塊狀基體側(cè)面上構(gòu)成一體結(jié)構(gòu)；將待測(cè)液體/粉末樣品填充在容器殼內(nèi)，并使待測(cè)樣品的表面平整；將容器蓋置于待測(cè)樣品上，選取壓重物均勻布置在容器蓋上；調(diào)節(jié)壓重物的數(shù)量及重量級(jí)別，確保待測(cè)液體/粉體樣品的密度達(dá)到設(shè)定值；將貼面式傳感器的遠(yuǎn)離塊狀基體的一側(cè)充分接觸容器殼的底部；將貼面式傳感器的兩個(gè)引線端分別與諧波測(cè)量單元的兩個(gè)探測(cè)電壓引線端和兩個(gè)電流引線端電連接；將諧波測(cè)量單元的兩電流引線端以微弱周期正弦電流加熱雙螺旋形金屬絲狀傳感器；選擇至少兩頻率值，測(cè)量對(duì)應(yīng)頻率值下雙螺旋形金屬絲狀傳感器兩端的基波電壓及三次諧波電壓；由貼面式傳感器兩端的基波電壓和三次諧波電壓，計(jì)算總吸熱系數(shù)；由該總吸熱系數(shù)減去塊狀基體的吸熱系數(shù)即為待測(cè)樣品的吸熱系數(shù)。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明用于吸熱系數(shù)測(cè)量的貼面式傳感器、測(cè)量裝置及測(cè)量方法具有以下有益效果(I)本發(fā)明中，貼面式傳感器內(nèi)置的塊狀基體可以作為支撐物及雙螺旋形金屬絲狀傳感器一側(cè)加熱的樣品，從而可以通過(guò)手持方式直接將貼面式傳感器貼緊待測(cè)固體樣品進(jìn)行測(cè)試，不再對(duì)樣品尺寸有要求、亦不需要攜帶專門的樣品固定部件，這些特點(diǎn)在很大程度上解決目前基于諧波探測(cè)的3 測(cè)量技術(shù)在測(cè)試樣品吸熱系數(shù)時(shí)需要對(duì)待測(cè)固體樣品進(jìn)行裁剪達(dá)到一定的尺寸、不能用于材料的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等的問(wèn)題；(2)本發(fā)明中，粉末/液體樣品填裝在位于貼面式傳感器上方的帶活動(dòng)型樣品蓋的樣品容器中，這些特點(diǎn)使得粉末/液體樣品的密度可調(diào)且可定量化(密度值可由容器壁面的刻度實(shí)時(shí)讀出)，因此可進(jìn)一步測(cè)量粉末樣品的吸熱系數(shù)與密度的關(guān)系。·


圖IA為現(xiàn)有技術(shù)吸熱系數(shù)測(cè)量裝置測(cè)量固體樣品時(shí)的示意圖；圖IB為現(xiàn)有技術(shù)吸熱系數(shù)測(cè)量裝置測(cè)量液體/粉末樣品時(shí)的示意圖；圖2A為本發(fā)明實(shí)施例貼面式傳感器的俯視圖；圖2B為圖2A所示貼面式傳感器沿A-A面的剖視圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例吸熱系數(shù)傳感器中諧波測(cè)量單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為采用本發(fā)明實(shí)施例吸熱系數(shù)測(cè)量裝置測(cè)量固體樣品吸熱系數(shù)的示意圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例吸熱系數(shù)傳感器中樣品容器的結(jié)構(gòu)示意圖。主要元件符號(hào)說(shuō)明I-貼面式傳感器； 2-待測(cè)樣品；3_樣品容器；4_ $去碼；5-諧波測(cè)量單元。其中，貼面式傳感器I包括11-雙螺旋形金屬絲狀傳感器；121 122-引線件；12a 12b-引線端；13-塊狀基體；14-防護(hù)薄膜層。樣品容器3包括31-容器殼(帶刻度)；32-容器蓋。諧波測(cè)量單元5包括51-第一運(yùn)算放大器；52-第二運(yùn)算放大器；53-第三運(yùn)算放大器；54-前置放大器；55-信號(hào)發(fā)生器；56-鎖相放大器；57-微機(jī)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；R1_第一低溫漂電阻；R2-第二低溫漂電阻；R3-第三低溫漂電阻；R4-第四低溫漂電阻；R5-第五低溫漂電阻；R6-第六低溫漂電阻；R7-第七低溫漂電阻；
R8-第八低溫漂電阻；R9-第九電阻；5a_第一電流引線端；5b_第一探測(cè)電壓引線端；5c-第二探測(cè)電壓引 線端； 5d-第二電流引線端。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。需要說(shuō)明的是，在附圖或說(shuō)明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號(hào)。且在附圖中，以簡(jiǎn)化或是方便標(biāo)示。再者，附圖中未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無(wú)需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計(jì)約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，提供了一種貼面式傳感器。圖2A為本發(fā)明實(shí)施例貼面式傳感器的俯視圖。圖2B為圖2A所示貼面式傳感器沿A-A面的剖視圖。如圖2A和2B所示，貼面式傳感器I包括塊狀基體13，作為支撐物，其吸熱系數(shù)已知；金屬絲狀傳感器11，形成于塊狀基體13的頂面上，其遠(yuǎn)離塊狀基體13的一側(cè)抵接于樣品上，用于對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行加熱并向諧波測(cè)量單元5反饋基波電壓及三次諧波電壓；兩引線件(121、122)，形成于所述塊狀基體13上，分別與所述金屬絲狀傳感器11的兩端相連接，其末端設(shè)置引線端(12a，12b);防護(hù)薄膜層14，為絕緣導(dǎo)熱材料，形成于所述雙螺旋形金屬絲狀傳感器11的頂面，用于將所述雙螺旋形金屬絲狀傳感器11產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至樣品。如圖2A所示，金屬絲狀傳感器11為雙螺旋形。該雙螺旋形金屬絲狀傳感器11厚度在10 100 i! m范圍內(nèi)，其單根導(dǎo)電金屬絲寬度在50 500 i! m范圍內(nèi)，雙螺旋形結(jié)構(gòu)的直徑在10 50mm范圍內(nèi)，金屬絲總長(zhǎng)度在100 600mm范圍內(nèi)。雙螺旋形金屬絲狀傳感器11和兩個(gè)引線件121 122由導(dǎo)電金屬通過(guò)光刻或氣相沉積工藝附著在塊狀基體13上。所述導(dǎo)電金屬為鉬、金或鎳。此外，金屬絲狀傳感器11還可以為蛇形或者其他形狀。兩個(gè)弓丨線端12a 12b間距在5 40mm范圍內(nèi)。如圖2B所示，塊狀基體13表面經(jīng)磨平、拋光處理，其在雙螺旋形金屬絲狀傳感器11及兩個(gè)引線件121 122的底面形成支撐物。本發(fā)明中，塊狀基體13的材料可以為石英玻璃，還可以是云母等表面光滑致密、絕緣、具有一定耐溫性的材料。其中，塊狀基體13的邊長(zhǎng)在20 IOOmm范圍內(nèi)，厚度在10 IOOmm范圍內(nèi)。如圖2B所示，防護(hù)薄膜層14為在雙螺旋形金屬絲狀傳感器11及兩個(gè)引線件121 122的頂面形成的具有一定機(jī)械強(qiáng)度的絕緣保護(hù)層。防護(hù)薄膜層14的厚度在I 10 范圍內(nèi)，其是通過(guò)物理或化學(xué)氣相沉積工藝附著在塊狀基體13上。該防護(hù)薄膜層14為高導(dǎo)熱薄膜材料，如類金剛石薄膜或立方氮化硼薄膜。在本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施例中，還提供了一種吸熱系數(shù)測(cè)量裝置。該測(cè)量裝置包括如上所述的貼面式傳感器1，其一側(cè)內(nèi)置吸熱系數(shù)已知的塊狀基體，另一側(cè)抵接于被測(cè)樣品表面，用于對(duì)被測(cè)樣品進(jìn)行加熱；諧波測(cè)量單元5，與貼面式傳感器I相連接，用于為貼面式傳感器I提供對(duì)樣品加熱的周期正弦電流，并同時(shí)采用諧波法測(cè)量貼面式傳感器I兩端的基波電壓及三次諧波電壓；及計(jì)算單元，與所述諧波測(cè)量單元5相連接，用于利用所述塊狀基體的吸熱系數(shù)、貼面式傳感器I兩端的基波電壓和三次諧波電壓，計(jì)算被測(cè)樣品的吸熱系數(shù)。以下分別對(duì)本發(fā)明吸熱系數(shù)測(cè)量裝置中除貼面式傳感器之外的各個(gè)組成部分進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。圖3為本發(fā)明實(shí)施例吸熱系數(shù)傳感器中諧波測(cè)量單元的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，諧波測(cè)量單元5包括加熱電流提供部分，其第一電流引線端5a和第二電流引線端5d分別與貼面式傳感器I的兩引線端(12a，12b)電連接，用于為貼片式傳感器提供微弱周期正弦信號(hào)，包括信號(hào)發(fā)生器55、第一運(yùn)算放大器51和第九電阻R9,其中，信號(hào)發(fā)生器55的第一輸出端輸出角頻率為《的交流電壓信號(hào)；該交流電壓信號(hào)經(jīng)第一運(yùn)算放大器51轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，該電流信號(hào)依次驅(qū)動(dòng)第九電阻R9和貼面式傳感器I內(nèi)封裝的雙螺旋形金屬絲狀傳感器11。信號(hào)測(cè)量部分，其第一探測(cè)電壓引線端5b和第二探測(cè)電壓引線端5c亦分別與貼面式傳感器I的兩引線端(12a，12b)電連接，用于測(cè)量金屬絲狀傳感器11的基波電壓及三·次諧波電壓，包括第二運(yùn)算放大器52、第三運(yùn)算放大器53、第四運(yùn)算放大器54、鎖相放大器56及微機(jī)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)57，其中第二運(yùn)算放大器52，其第一輸入端和第二輸入端分別連接至第九電阻R9的兩端，用于將第九電阻R9兩端的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為第一差動(dòng)信號(hào)；第三運(yùn)算放大器53，其第一輸入端和第二輸入端分別連接至雙螺旋形金屬絲狀傳感器11的兩端，用于將雙螺旋形金屬絲狀傳感器11兩端的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為第二差動(dòng)信號(hào);第四運(yùn)算放大器54，其兩端分別連接至第二運(yùn)算放大器52和第三運(yùn)算放大器53的輸出端，用于分時(shí)輸出以下兩個(gè)信號(hào)第一差動(dòng)信號(hào)、第一差動(dòng)信號(hào)和第二差動(dòng)信號(hào)的差;鎖相放大器56，其第二輸入端連接至第四運(yùn)算放大器54的輸出端，用于計(jì)算基波電壓，該基波電壓為第一差動(dòng)信號(hào)的一次諧波的有效值；計(jì)算三次諧波電壓，該三次諧波電壓為第一差動(dòng)信號(hào)和第二差動(dòng)信號(hào)的差值的三次諧波分量的有效值；微機(jī)控制與數(shù)據(jù)米集系統(tǒng)57,其輸入端連接至鎖相放大器56的輸出端,用于對(duì)鎖相放大器56輸出的一次諧波的有效值和三次諧波分量的有效值進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。由于實(shí)際測(cè)得的是金屬絲狀傳感器11的微弱溫升(由基波和三次諧波直接計(jì)算得到)，因此電路里必須用低溫漂電阻，確保溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性。如圖3所示，第二運(yùn)算放大器52的第一輸入端和第二輸入端分別通過(guò)第一低溫漂電阻Rl和第二低溫漂電阻R2連接至第九電阻R9的兩端，且第一輸入端通過(guò)第三低溫漂電阻R3連接至地，第二輸入端通過(guò)第四低溫漂R4連接至其輸出端。第三運(yùn)算放大器53的第一輸入端和第二輸入端分別通過(guò)第五低溫漂電阻R5和第六低溫漂電阻R6連接至金屬絲狀傳感器11的兩端，且第一輸入端通過(guò)第七低溫漂電阻R7連接至地，第二輸入端通過(guò)第八低溫漂R8連接至其輸出端。其中，第九電阻R9為可調(diào)電阻，其阻值接近金屬絲狀傳感器11的阻值，其中，R9 =a XRm，其中Rm為金屬絲狀傳感器11的阻值，a = 0. 95 I. 05。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為阻值溫度系數(shù)僅為2ppm/°C類型的低溫漂電阻。
此外,鎖相放大器56的第一輸入端連接至信號(hào)發(fā)生器55的第二輸出端,用于通過(guò)差動(dòng)輸入監(jiān)測(cè)，使得由測(cè)量部分各元件組成的電橋平衡。本實(shí)施例中，計(jì)算單元，用于利用以下公式由已知的塊狀基體13的吸熱系數(shù)及基波電壓、三次諧波電壓，計(jì)算待測(cè)樣品的吸熱系數(shù)
Y _ ac'R^J\co In Zi-In/2 YmJi I —j(I)其中，X「待測(cè)樣品的吸熱系數(shù)，其單位為J HT2C5 ；X2-已知的塊狀基體的吸熱系數(shù)，其單位為J HT2C5 ；a CR-金屬絲狀傳感器所用金屬電阻溫度系數(shù)，其單位為IT1 ；Ulu-基波電壓的有效值，其單位為V ;· U3ua-頻率f:下測(cè)得的三次諧波電壓的有效值，其中三次諧波電壓接近1/100000 1/1000基波電壓，其單位為V ；U3^2-頻率f2下測(cè)得的三次諧波電壓，其單位為V ；fr信號(hào)發(fā)生器第一次設(shè)置的交流信號(hào)頻率，其單位為Hz ；f2-信號(hào)發(fā)生器第二次設(shè)置的交流信號(hào)頻率，其單位為Hz ；Rtl-金屬絲狀傳感器的室溫電阻值，其單位為Q ；S-雙螺旋結(jié)構(gòu)的等效面積，其單位為m2 ；t-系數(shù)，一般情況下，其取值介于6. 5至7. 5之間，一般取7. 09。圖4為采用本發(fā)明實(shí)施例吸熱系數(shù)測(cè)量裝置測(cè)量固體樣品吸熱系數(shù)的示意圖。如圖4所示，貼面式傳感器I測(cè)量固體樣品時(shí)通過(guò)手持方式直接緊貼待測(cè)樣品2。在本發(fā)明另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，還提供了一種用于液體/粉末樣品吸熱系數(shù)測(cè)量的裝置。在本實(shí)施例中，該裝置還包括樣品容器3，固定于貼面式傳感器I的上方，用于盛放液體或粉末樣品。圖5為本發(fā)明實(shí)施例吸熱系數(shù)測(cè)量裝置中樣品容器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖5所示，該樣品容器3包括一容器殼31、一容器蓋32及壓重物,其中容器殼31在測(cè)量液體/粉末樣品2時(shí)箍緊在貼面式傳感器I的塊狀基體13側(cè)面上構(gòu)成一體結(jié)構(gòu)，待測(cè)液體/粉末樣品2填充在容器殼31內(nèi)且與防護(hù)薄膜層14直接接觸；容器蓋32與容器殼31的內(nèi)壁通過(guò)間隙配合連接，且容器蓋32可在容器殼31的內(nèi)壁自由上下活動(dòng)；壓重物，設(shè)置于容器蓋32之上，用于通過(guò)調(diào)節(jié)容器蓋32距離塊狀基體13頂面的高度，從而調(diào)節(jié)待測(cè)液體/粉體樣品2的密度，密度值由容器殼31上標(biāo)記的刻度值換算得到。一般情況下，請(qǐng)參考圖5示出，所述壓重物為一系列若干個(gè)質(zhì)量為lg，2g，5g，10g和20g的標(biāo)準(zhǔn)砝碼組合(4);用鑷子夾或佩戴手套拿取砝碼4均勻放置在容器蓋32上，便于調(diào)節(jié)待測(cè)液體/粉末樣品2和貼面式傳感器I受力均勻。所述的砝碼4采用奧氏體不銹鋼破碼或銅合金破碼。下面對(duì)上述兩實(shí)施例的吸熱系數(shù)測(cè)量裝置的測(cè)量原理進(jìn)行說(shuō)明。給雙螺旋形金屬絲狀傳感器11通入角頻率為《的周期微弱電流，雙螺旋形金屬絲狀傳感器11內(nèi)部電流的有效值很小，因焦耳效應(yīng)產(chǎn)生的僅幾十個(gè)毫瓦的熱量將以2 的頻率對(duì)雙螺旋形金屬絲狀傳感器11、塊狀基體13、防護(hù)薄膜層14及待測(cè)樣品2加熱，雙螺旋形金屬絲狀傳感器11的溫升必須小于0. 5K，同時(shí)采用的周期電流的頻率范圍比較大，從零點(diǎn)幾Hz變化到幾百Hz，由此產(chǎn)生頻率不同的溫度波，引起雙螺旋形金屬絲狀傳感器11的電阻增加，而雙螺旋形金屬絲狀傳感器11增加的電阻又與角頻率為《的周期電流共同作用產(chǎn)生頻率不同的電壓諧波。由于雙螺旋形金屬絲狀傳感器11表面的防護(hù)薄膜層14的厚度很小(僅為I IOym范圍內(nèi))，而且導(dǎo)熱系數(shù)很大，因此防護(hù)薄膜層14對(duì)雙螺旋形金屬絲狀傳感器11的溫升的影響完全可忽略。只要保證在所測(cè)量頻率范圍內(nèi)熱波已經(jīng)穿透了防護(hù)薄膜層14，就能根據(jù)電壓諧波與振動(dòng)頻率的關(guān)系確定待測(cè)樣品2的蓄熱性能參數(shù)信息。利用本發(fā)明提出的理論模型和數(shù)據(jù)處理方法可以無(wú)損測(cè)量固態(tài)、液態(tài)以及粉末狀儲(chǔ)能材料的吸熱系數(shù)參數(shù)，尤其適用于現(xiàn)場(chǎng)直接操作。并且，在進(jìn)行液體/粉 體樣品吸熱系數(shù)測(cè)量時(shí)，還可以通過(guò)改變其體積達(dá)到密度變化的目的?；谏鲜龅奈鼰嵯禂?shù)測(cè)量裝置和原理，本發(fā)明還提供了一種吸熱系數(shù)測(cè)量方法。參照?qǐng)D4，該方法具體步驟如下步驟S101，對(duì)塊狀基體13的吸熱系數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，該步驟又分為步驟SlOla，通過(guò)手持方式將貼面式傳感器I直接緊貼吸熱系數(shù)已知的標(biāo)準(zhǔn)304不銹鋼塊體樣品(與貼面式傳感器I接觸的表面經(jīng)打磨、拋光處理)，盡量保證接觸面平整，無(wú)明顯的偏角、間隙；步驟SlOlb，將貼面式傳感器I的兩個(gè)引線端12a、12b分別與諧波測(cè)量單元5的兩個(gè)探測(cè)電壓引線端5b、5c和兩個(gè)電流引線端5a、5d電連接(引線端5a和5b焊接于12a，引線端5c和5d焊接于12b)；步驟SlOlc，用諧波法測(cè)量貼面式傳感器I內(nèi)的雙螺旋形金屬絲狀傳感器11連接的兩引線件121、122之間的基波電壓及三次諧波電壓，三次諧波電壓接近1/100000 1/1000基波電壓，根據(jù)諧波法測(cè)試原理擬合標(biāo)準(zhǔn)304不銹鋼塊體和貼面式傳感器I內(nèi)置的塊狀基體13共同作用的等效吸熱系數(shù)值；步驟SlOld，從上個(gè)步驟得到的等效吸熱系數(shù)值中減去已知的標(biāo)準(zhǔn)304不銹鋼塊體的吸熱系數(shù)參考值，得出塊狀基體材料13的吸熱系數(shù)值，由此得到的塊狀基體13的吸熱系數(shù)值作為接下來(lái)測(cè)試待測(cè)樣品的實(shí)驗(yàn)中的已知量，即完成校準(zhǔn)；步驟SlOle，將貼面式傳感器I從標(biāo)準(zhǔn)樣品上移開(kāi)，用滴管吸取少量乙醇溶液，滴加在貼面式傳感器I的探測(cè)表面(即頂面的防護(hù)薄膜層14)，適當(dāng)清洗探測(cè)表面的樣品屑、灰塵等雜質(zhì)，待探測(cè)表面的乙醇溶液完全蒸發(fā)后，開(kāi)始步驟S102。步驟S102，若待測(cè)樣品仍為固體，則仍以手持方法將貼面式傳感器I充分接觸待測(cè)樣品；步驟S103，將貼面式傳感器I的兩個(gè)引線端12a、12b分別與諧波測(cè)量單元5的兩個(gè)探測(cè)電壓引線端5b、5c和兩個(gè)電流引線端5a、5d電連接；步驟S104，調(diào)節(jié)串聯(lián)的第九電阻R9接近或略微大于測(cè)量過(guò)程中雙螺旋形金屬絲狀傳感器11可能達(dá)到的最大電阻，為了防止雙螺旋形金屬絲狀傳感器11有比較明顯的溫升，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器55的輸出電壓，使得第九電阻R9兩端的電壓接近10mV，微調(diào)第九電阻R9，通過(guò)鎖相放大器56的差動(dòng)輸入監(jiān)測(cè)，使得由測(cè)量部分各元件組成的電橋平衡，第九電阻R9的阻值就等于雙螺旋形金屬絲狀傳感器11的冷態(tài)電阻；步驟S105，諧波測(cè)量單元5的兩電流引線端5a、5d以微弱周期正弦電流加熱雙螺旋形金屬絲狀傳感器11;步驟S106，選擇一系列的頻率值，測(cè)量對(duì)應(yīng)頻率值下雙螺旋形金屬絲狀傳感器11兩端的基波電壓及三次諧波電壓。測(cè)量在某一頻率下雙螺旋形金屬絲狀傳感器11兩端的三次諧波時(shí)，應(yīng)選擇合理的基波電壓，使得雙螺旋形金屬絲狀傳感器11兩端的三次諧波接近基波的1/100000 1/1000，由此計(jì)算出貼面式傳感器I的塊狀基體13和待測(cè)樣品2的等效吸熱系數(shù)值；步驟S107，由上述等效吸熱系數(shù)減去由步驟101校準(zhǔn)得到的塊狀基體吸熱系數(shù)值，得到待測(cè)樣品的吸熱系數(shù)值，即完成對(duì)待測(cè)樣品的測(cè)試。如果待測(cè)樣品為液體/粉末，需調(diào)整樣品的密度，參照?qǐng)D5，具體步驟包括S102' a，將容器殼31箍緊在貼面式傳感器I的塊狀基體13側(cè)面上構(gòu)成一體結(jié)構(gòu)；·
S102/ b，將待測(cè)液體/粉末樣品填充在容器殼31內(nèi)且與防護(hù)薄膜層14直接接觸，并使待測(cè)樣品的表面平整；S102' c，將容器蓋32置于待測(cè)樣品上，選取一定數(shù)量的質(zhì)量一定的砝碼4均勻布置在容器蓋32上；S102' d，調(diào)節(jié)砝碼的數(shù)量及重量級(jí)別，確保待測(cè)液體/粉體樣品的密度達(dá)到設(shè)定值，密度值由容器殼31上標(biāo)記的刻度換算得到；此外，在容器蓋32達(dá)到樣品設(shè)定密度值的位置的過(guò)程中，也可以在多個(gè)高于設(shè)定密度值的位置停留(此時(shí)可由容器壁面的刻度實(shí)時(shí)讀出密度值)，然后用上述方法測(cè)量雙螺旋形金屬絲狀傳感器11兩端的基波電壓和三次諧波電壓，再根據(jù)諧波法測(cè)試原理擬合待測(cè)樣品2和塊狀基體13共同作用的等效吸熱系數(shù)值，然后減去校準(zhǔn)得到的塊狀基體13的吸熱系數(shù)值，即得到待測(cè)樣品2的吸熱系數(shù)值；因此利用該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可進(jìn)一步測(cè)量粉末樣品吸熱系數(shù)與密度的關(guān)系。本發(fā)明測(cè)試的材料的吸熱系數(shù)范圍比較寬，固體吸熱系數(shù)在100 10000J s_°_5 m_2 r1之間，吸熱系數(shù)的測(cè)量不確定度小于±6. 5%，液體/粉體吸熱系數(shù)在100 2000J s_°_5 m_2 r1之間，吸熱系數(shù)的測(cè)量不確定度小于±7. 4%。需要說(shuō)明的是，上述對(duì)各元件的定義并不僅限于實(shí)施方式中提到的各種具體結(jié)構(gòu)或形狀，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單地熟知地替換。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種貼面式傳感器，用于吸熱系數(shù)測(cè)量，包括 塊狀基體，作為支撐物； 金屬絲狀傳感器，形成于所述塊狀基體的頂面上，其遠(yuǎn) 離所述塊狀基體的一側(cè)抵接于樣品上，用于對(duì)所述待測(cè)樣品進(jìn)行加熱并向所述諧波測(cè)量單元反饋基波電壓及三次諧波電壓； 兩引線件，形成于所述塊狀基體上，分別與所述金屬絲狀傳感器的兩端相連接，其末端設(shè)置引線端；以及 防護(hù)薄膜層，形成于所述雙螺旋形金屬絲狀傳感器的頂面，用于將所述雙螺旋形金屬絲狀傳感器產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至樣品。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的吸熱系數(shù)測(cè)量裝置，其中，所述金屬絲狀傳感器為雙螺旋形或蛇形。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的吸熱系數(shù)測(cè)量裝置，其中，所述塊狀基體的材料為石英玻璃或云母。
4.一種包括權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述貼面式傳感器的吸熱系數(shù)測(cè)量裝置，還包括 諧波測(cè)量單元，與所述貼面式傳感器兩引線端相連接，用于為所述貼面式傳感器提供對(duì)被測(cè)樣品加熱的周期正弦電流，并同時(shí)采用諧波法測(cè)量所述貼面式傳感器兩端的基波電壓及三次諧波電壓；以及 計(jì)算單元，與所述諧波測(cè)量單元相連接，用于利用所述塊狀基體的吸熱系數(shù)、貼面式傳感器兩端的基波電壓和三次諧波電壓，計(jì)算被測(cè)樣品的吸熱系數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的吸熱系數(shù)測(cè)量裝置，其中，所述諧波測(cè)量單元包括 加熱電流提供部分，其第一電流引線端和第二電流引線端分別與貼面式傳感器的兩引線端電連接，用于為貼片式傳感器提供微弱周期正弦信號(hào)， 信號(hào)測(cè)量部分，其第一探測(cè)電壓引線端和第二探測(cè)電壓引線端亦分別與貼面式傳感器的兩引線端電連接，用于測(cè)量金屬絲狀傳感器的基波電壓及三次諧波電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的吸熱系數(shù)測(cè)量裝置，其中， 所述加熱電流提供部分包括信號(hào)發(fā)生器、第一運(yùn)算放大器和第九電阻，其中信號(hào)發(fā)生器的第一輸出端輸出角頻率為《的交流電壓信號(hào)；該交流電壓信號(hào)經(jīng)第一運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，該電流信號(hào)依次驅(qū)動(dòng)第九電阻和貼面式傳感器，其中，第九電阻為可調(diào)電阻。
所述信號(hào)測(cè)量部分包括第二運(yùn)算放大器，其第一輸入端和第二輸入端分別連接至第九電阻的兩端，用于將第九電阻兩端的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為第一差動(dòng)信號(hào)；第三運(yùn)算放大器，其第一輸入端和第二輸入端分別連接至雙螺旋形金屬絲狀傳感器的兩端，用于將雙螺旋形金屬絲狀傳感器兩端的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為第二差動(dòng)信號(hào)；第四運(yùn)算放大器，其兩端分別連接至第二運(yùn)算放大器和第三運(yùn)算放大器的輸出端，用于分時(shí)輸出以下兩個(gè)信號(hào)第一差動(dòng)信號(hào)、第一差動(dòng)信號(hào)和第二差動(dòng)信號(hào)的差；鎖相放大器，其第二輸入端連接至第四運(yùn)算放大器的輸出端，用于計(jì)算基波電壓，該基波電壓為第一差動(dòng)信號(hào)的一次諧波的有效值；計(jì)算三次諧波電壓，該三次諧波電壓為第一差動(dòng)信號(hào)和第二差動(dòng)信號(hào)的差值的三次諧波分量的有效值；微機(jī)控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其輸入端連接至鎖相放大器的輸出端，用于對(duì)鎖相放大器輸出的一次諧波的有效值和三次諧波分量的有效值進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的吸熱系數(shù)測(cè)量裝置，其中，所述計(jì)算單元，用于利用以下公式由已知的塊狀基體的吸熱系數(shù)及基波電壓、三次諧波電壓，計(jì)算待測(cè)樣品的吸熱系數(shù)
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的吸熱系數(shù)測(cè)量裝置，還包括樣品容器，固定于貼面式傳感器的上方，用于盛放液體或粉末樣品；該樣品容器包括 容器殼，箍緊在貼面式傳感器的塊狀基體側(cè)面上構(gòu)成一體結(jié)構(gòu)； 容器蓋，與容器殼的內(nèi)壁通過(guò)間隙配合連接，且容器蓋可在容器殼的內(nèi)壁自由上下活動(dòng)； 壓重物，設(shè)置于容器蓋之上，用于通過(guò)調(diào)節(jié)容器蓋距離塊狀基體頂面的高度，從而調(diào)節(jié)待測(cè)液體/粉體樣品的密度。
9.一種吸熱系數(shù)測(cè)量方法，基于權(quán)利要求4至7中任一項(xiàng)所述的吸熱系數(shù)測(cè)量裝置，包括 步驟A，將所述貼面式傳感器的遠(yuǎn)離塊狀基體的一側(cè)充分接觸待測(cè)樣品； 步驟B，將所述貼面式傳感器的兩個(gè)引線端分別與諧波測(cè)量單元的兩個(gè)探測(cè)電壓引線端和兩個(gè)電流引線端電連接； 步驟C，將諧波測(cè)量單元的兩電流引線端以微弱周期正弦電流加熱雙螺旋形金屬絲狀傳感器； 步驟D，選擇至少兩頻率值，測(cè)量對(duì)應(yīng)頻率值下雙螺旋形金屬絲狀傳感器兩端的基波電壓及三次諧波電壓； 步驟E，由貼面式傳感器兩端的基波電壓和三次諧波電壓，計(jì)算總吸熱系數(shù)； 步驟F，由該總吸熱系數(shù)減去塊狀基體的吸熱系數(shù)即為待測(cè)樣品的吸熱系數(shù)。
10.一種吸熱系數(shù)測(cè)量方法，基于權(quán)利要求8所述的吸熱系數(shù)測(cè)量裝置，用于測(cè)量液體/粉末樣品的吸熱系數(shù)，包括 步驟A0，將液體/粉末樣品容置于所述樣品容器內(nèi)，包括將容器殼箍緊在貼面式傳感器的塊狀基體側(cè)面上構(gòu)成一體結(jié)構(gòu)；將待測(cè)液體/粉末樣品填充在容器殼內(nèi)，并使待測(cè)樣品的表面平整；將容器蓋置于待測(cè)樣品上，選取壓重物均勻布置在容器蓋上；調(diào)節(jié)壓重物的數(shù)量及重量級(jí)別，確保待測(cè)液體/粉體樣品的密度達(dá)到設(shè)定值； 步驟A'，將所述貼面式傳感器的遠(yuǎn)離塊狀基體的一側(cè)充分接觸容器殼的底部； 步驟B'，將所述貼面式傳感器的兩個(gè)引線端分別與諧波測(cè)量單元的兩個(gè)探測(cè)電壓引線端和兩個(gè)電流引線端電連接； 步驟C'，將諧波測(cè)量單元的兩電流引線端以微弱周期正弦電流加熱雙螺旋形金屬絲狀傳感器； 步驟D'，選擇至少兩頻率值，測(cè)量對(duì)應(yīng)頻率值下雙螺旋形金屬絲狀傳感器兩端的基波電壓及三次諧波電壓；· 步驟E'，由貼面式傳感器兩端的基波電壓和三次諧波電壓，計(jì)算總吸熱系數(shù)； 步驟F'，由該總吸熱系數(shù)減去塊狀基體的吸熱系數(shù)即為待測(cè)樣品的吸熱系數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于吸熱系數(shù)測(cè)量的貼面式傳感器、測(cè)量裝置及測(cè)量方法。該貼面式傳感器，包括塊狀基體，作為支撐物；金屬絲狀傳感器，形成于塊狀基體的頂面上，其遠(yuǎn)離塊狀基體的一側(cè)抵接于樣品上，用于對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行加熱并向諧波測(cè)量單元反饋基波電壓及三次諧波電壓；兩引線件，形成于塊狀基體上，分別與金屬絲狀傳感器的兩端相連接，其末端設(shè)置引線端；以及防護(hù)薄膜層，為絕緣導(dǎo)熱材料，形成于雙螺旋形金屬絲狀傳感器的頂面，用于將雙螺旋形金屬絲狀傳感器產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至樣品。本發(fā)明可以通過(guò)手持方式直接將貼面式傳感器貼緊待測(cè)固體樣品進(jìn)行測(cè)試。
文檔編號(hào)G01N25/20GK102749353SQ20121025834
公開(kāi)日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月24日
發(fā)明者唐大偉, 邱琳, 鄭興華 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所