專利名稱：熱導率原位測量探頭的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及海洋測量儀器的改進，具體講是一種熱導率原位測量探頭。其是對海洋沉積物的熱導率在海底的原位狀態(tài)下進行精確測量的探頭，其屬于海洋物理測量技術領域。
背景技術：
現(xiàn)有技術中，海洋沉積物的熱導率是表征其熱力學性質的一個重要參數(shù)。在現(xiàn)代海洋地熱學中，通過測量海洋沉積物的熱導率，進而利用Fourier定律確定海底地熱流，并對其進行分析和計算，是獲取海洋地殼的熱狀態(tài)信息，并據(jù)此研究海底的構造演化和資源狀況的重要手段之一。海洋沉積物熱導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率，這種方法能夠在最大程度上減小對沉積物的物理擾動，得到的結果能夠更準確、更真實地反映沉積物的熱性質。目前有一種Lister技術是基于瞬時熱脈沖在無限長圓柱狀介質中的傳導方程，要求將一條長度3m以上的內置溫度傳感器排列和電熱絲的細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的溫度變化來推算沉積物的熱導率。該技術存在的問題包括(1)探針長度過大，不利于維護、儲藏和運輸；(2)儀器制造工藝復雜、成本高，不利于廣泛應用和推廣；(3)單次測量的時間較長，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)明內容
本實用新型的目的在于，要克服現(xiàn)有技術的上述缺點，提供一種熱導率原位測量探頭。該探頭能夠對海洋沉積物熱導率進行快速，精確地原位實時測量，其探針長度短小，便于維護、儲藏和運輸，其制造工藝簡單，成本低，利于廣泛應用和推廣；單次使用測量的時間不超過2分鐘，能夠減小海上探測的作業(yè)難度和成本。
本實用新型的目的是由以下技術方案實現(xiàn)的，研制了一種熱導率原位測量探頭，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通過高導熱絕緣材料充填支撐有熱源電熱絲，該電熱絲通過導線電連接于熱發(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通過高導熱絕緣材料充填支撐有熱敏電阻，該熱敏電阻通過導線電連接于溫度接收電路中；在密封倉中段設置由熱發(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封端蓋；在外置的USB接口與電路板之間密封倉中還設有電池組盒。
所述的熱源探針，其在該不銹鋼管內設有的熱源電熱絲至少為兩個回路的電熱絲，其中單個回路的電熱絲長度略等于該探針的長度。
所述的感溫探針，其在該不銹鋼管內設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探針的中段所述的主控電路，其包括分別連接有存儲器(RAM)和時鐘電路(CLOCK)的微處理器(MCU)，該微處理器(MCU)還連接著由A/D轉換器(ADC)，放大器(AMP)，多路轉換器(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換電橋，信號放大器(AMP)和A/D轉換器(ADC)組成。
所述的包括有密封倉和雙探針的探頭，其搭載于帶負載的金屬長矛上，即在該長矛外壁上固設有多個外伸支架，該支架上夾固有該探頭；將多個該支架及其探頭或沿長矛外壁等間距軸向螺旋排列設置。
本實用新型的優(yōu)點在于由于在柱體密封倉的一端固設有間距固定、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通過高導熱絕緣材料充填支撐有熱源電熱絲，該電熱絲通過導線電連接于熱發(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通過高導熱絕緣材料充填支撐有熱敏電阻，該熱敏電阻通過導線電連接于溫度接收電路中；在密封倉中段設置由熱發(fā)射電路，溫度接收電路和主控電路組成的電路板；當把兩探針插入沉積物中時，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行短時間通電發(fā)熱，同時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)的時間和幅度來計算沉積物的熱導率。由于溫度最大值出現(xiàn)所需的時間很短，因此縮短了完成一次熱導率測量的時間，提高了測量效率。本探頭測量的熱導率誤差范圍小＜2％，單次測量時間短＜2分鐘。由于本探頭在結構上分為兩部分探針部分和密封倉部分，因此，其結構簡單，對制造工藝要求不高，而且體積小，重量輕，便于運輸和實驗室儲藏。本探頭測量用途多除用于對海洋沉積物的熱導率進行原位測量外，其單個探頭還可以用于測量實驗室樣品的熱導率。由于該電路板的USB接口通過導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封端蓋，使得本探頭在原位測量完畢后，離水再與外部計算機連接，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器(RAM)和時鐘電路(CLOCK)的微處理器(MCU)，該微處理器(MCU)還連接著由A/D轉換器(ADC)，放大器(AMP)，多路轉換器(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微處理器(MCU)，其控制熱發(fā)射電路的發(fā)射時間、持續(xù)時間以及熱敏電阻的記錄時間，并控制數(shù)據(jù)的內部存儲和外部交換等。其中判定熱源發(fā)射時間和熱敏電阻記錄時間的依據(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)存入存儲器(RAM)，還可以通過USB接口與外部計算機(PC)連接，通過計算機(PC)的主控軟件輸入脈沖寬度、熱源強度等參數(shù)，并在測量結束后把存儲器內的數(shù)據(jù)導出到計算機(PC)的硬盤上。該微處理器(MCU)通過姿態(tài)傳感器確認可以釋放熱源時，接通專用電源，經熱發(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。對電熱絲通電時間由微處理器(MCU)中存儲的初始輸入?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換電橋，信號放大器(AMP)和A/D轉換器(ADC)組成。當沉積物溫度發(fā)生變化時，熱敏電阻的阻值相應地改變，經測溫轉換電橋轉換為電壓信號，然后經放大器和A/D轉換器，變成可識別的數(shù)字信號，經過微處理器(MCU)，保存在存儲器(RAM)中。


及其具體實施方式
本實用新型的實施例結合附圖進一步說明如下圖1為熱導率原位測量探頭的結構示意圖。
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入海洋沉積物的長矛結構示意圖。
圖4為本探頭的電路圖。
參見圖1-4，本實用新型的探頭在結構上包括三部分，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構成的至少兩個回路，以便在通電后發(fā)出足夠的熱量。該單個回路的長度與探針1長度大致相等；該電熱絲4通過導線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和導線5與該探針1內壁之間通過高熱導率的絕緣材料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，以減弱熱傳導邊緣效應的影響。該熱敏電阻8和導線9與探針2內壁之間有高熱導率的絕緣材料10充填支撐著，例如一種5082A/B型環(huán)氧樹脂，使熱敏電阻8能夠及時感應到沉積物的溫度變化。
在密封倉3中段設置由熱發(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與外部計算機(PC)方便地進行通信。密封倉3帶有USB接口11的一端有螺旋封蓋13，探頭閑置時旋上封蓋13以保護USB接口11。密封倉3外徑為15～25mm，長度100～120mm。密封倉3內部包括三部分靠近探針端為一個圓柱體塞子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中還設有電池組盒15。該電池組盒15通過導線16連接到電路板6，提供電路運轉以及電熱絲4發(fā)熱所需的電能。
本探頭的電路板6的結構如圖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包括一個微處理器(MCU)17，一個存儲器(RAM)18，時鐘電路(CLOCK)22以及由一個A/D轉換器(ADC)21，一個放大器(AMP)25，一個多路轉換器(MUX)27和一組姿態(tài)傳感器28組成的姿態(tài)檢測電路。其中的連接關系是分別連接有存儲器18和時鐘電路22的微處理器17，該微處理器17還連接著由A/D轉換器21，放大器25，多路轉換器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，它是一個基于USB技術的8位單片機，具有一個USB接口，與探頭的USB接口11相連，可以與外部計算機進行最大為1.5Mbps的數(shù)據(jù)和命令參數(shù)傳輸。存儲器18采用SSF1101型Flash存儲器可為微處理器17提供容量為4MB的數(shù)據(jù)存儲。時鐘電路22為熱發(fā)射電路的連通提供計時。在姿態(tài)檢測電路中，姿態(tài)傳感器28包括一個加速度傳感器(MMA6260Q)和一個傾角傳感器(SCA100T-D02)，接收探頭的姿態(tài)信息，經過多路轉換器27(ISL43640)，放大器25(Ad524)和A/D轉換器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)檢測電路確認可以釋放熱源時，接通直流穩(wěn)壓電路20，電流經放大器24(Ad524)放大后經導線5，由電熱絲4釋放出熱能，并迅速傳遞到沉積物中。通電時間由微處理器17中存儲的初始輸入?yún)?shù)確定。
所述的溫度接收電路30由依次連接的測溫轉換電橋26，信號放大器(AMP)23和A/D轉換器(ADC)19組成。當沉積物溫度發(fā)生變化時，熱敏電阻8的阻值相應地改變，經過測溫轉換電橋26轉換為電壓信號，然后經信號放大器23(Ad524)和A/D轉換器19(ADS1210)，變成可識別的數(shù)字信號，在微處理器17中換算為溫度值并在存儲器18中存儲起來。
所述的包括有密封倉3和雙探針1，2的探頭，其搭載于帶負載32的金屬長矛33上，即在該長矛33外壁上固設有多個外伸支架34，該支架34上夾固有該探頭35；將多個該支架34及其探頭35或沿長矛外壁等間距軸向螺旋排列設置。
使用本實用新型的熱導率原位測量探頭時，將本探頭35搭載于帶負載32的金屬長矛33上，以測量沉積物36的熱導率的垂向分布，如圖3所示。工作時，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，經溫度接收電路30處理，在微處理器17中轉換為溫度值，并保存在存儲器18中。沉積物36在一段時間內的溫度變化記錄構成溫度—時間曲線，根據(jù)無限長瞬時線狀熱源外介質的熱場原理，利用該溫度—時間曲線來計算沉積物的熱導率。另外，還可以用單個探頭35在實驗室中測量沉積物樣品的熱導率。
本領域的普通技術人員都會理解，在本實用新型的保護范圍內，對于上述實施例進行修改，添加和替換都是可能的，其都沒有超出本實用新型的保護范圍。
權利要求1.一種熱導率原位測量探頭，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通過高導熱絕緣材料充填支撐有熱源電熱絲，該電熱絲通過導線電連接于熱發(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通過高導熱絕緣材料充填支撐有熱敏電阻，該熱敏電阻通過導線電連接于溫度接收電路中；在密封倉中段設置由熱發(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封端蓋；在外置的USB接口與電路板之間密封倉中還設有電池組盒。
2.根據(jù)權利要求1所述熱導率原位測量探頭，其特征在于所述的熱源探針，其在該不銹鋼管內設有的熱源電熱絲至少為兩個回路的電熱絲，其中單個回路的電熱絲長度略等于該探針的長度。
3.根據(jù)權利要求1所述熱導率原位測量探頭，其特征在于所述的感溫探針，其在該不銹鋼管內設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探針的中段
4.根據(jù)權利要求1所述熱導率原位測量探頭，其特征在于所述的主控電路，其包括分別連接有存儲器(RAM)和時鐘電路(CLOCK)的微處理器(MCU)，該微處理器(MCU)還連接著由A/D轉換器(ADC)，放大器(AMP)，多路轉換器(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)權利要求4所述熱導率原位測量探頭，其特征在于所述的姿態(tài)傳感器，其為并聯(lián)接在多路轉換器(MUX)上的加速度傳感器和傾角傳感器。
6.根據(jù)權利要求1或4所述熱導率原位測量探頭，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)權利要求1或4所述熱導率原位測量探頭，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換電橋，信號放大器(AMP)和A/D轉換器(ADC)組成。
8.根據(jù)權利要求1-7任一項所述熱導率原位測量探頭，其特征在于所述的包括有密封倉和雙探針的探頭，其搭載于帶負載的金屬長矛上，即在該長矛外壁上固設有多個外伸支架，該支架上夾固有該探頭；將多個該支架及其探頭或沿長矛外壁等間距軸向螺旋排列設置。
專利摘要本實用新型是一種熱導率原位測量探頭，在柱體密封倉的一端平行固設有一根為熱源探針，是在封閉的不銹鋼管內由導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由導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封端蓋；在該密封倉中還設有電池組盒。本探頭測的熱導率誤差范圍?。?％，單次測量時間短＜2分鐘，其結構簡單，體積小，重量輕，便于運輸和實驗室儲藏，可方便地與外部PC通信。
文檔編號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