雙螺旋平面結(jié)構(gòu)諧波法測試材料熱物性參數(shù)的裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種雙螺旋平面結(jié)構(gòu)諧波法測試材料熱物性參數(shù)的裝置。該裝置包括樣品固定臺和雙螺旋平面結(jié)構(gòu)傳感器。樣品固定臺包括：橫截面呈“凹”字型的底座；以及由底座的兩側(cè)分別向中間延伸并分別抵壓住待測樣品的左抵壓部件和右抵壓部件。雙螺旋平面結(jié)構(gòu)傳感器包括：柔性襯底，其材料為絕緣材料；形成于柔性襯底上的由一系列同心圓環(huán)組成的雙螺旋平面結(jié)構(gòu)，其材料為金屬材料；以及通過膠黏層覆蓋于雙螺旋平面結(jié)構(gòu)上方的柔性覆蓋膜，其材料為絕緣材料；其中，在樣品固定臺的兩抵壓部件作用下，該雙螺旋平面結(jié)構(gòu)傳感器的兩外側(cè)面分別與待測樣品充分接觸。本實(shí)用新型可以保證傳感器和待測樣品能夠充分接觸。
【專利說明】雙螺旋平面結(jié)構(gòu)諧波法測試材料熱物性參數(shù)的裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及材料物性測試【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種雙螺旋平面結(jié)構(gòu)諧波法測試材料熱物性參數(shù)的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]熱導(dǎo)率(λ，又稱導(dǎo)熱系數(shù))和吸熱系數(shù)(定義為熱導(dǎo)率λ和熱容P Cp乘積的平
方根，是分別衡量材料熱傳輸和儲/放熱性能的兩個(gè)關(guān)鍵熱物性參數(shù)。它們對于
評價(jià)建筑節(jié)能材料性能的好壞尤為重要。因此，針對這兩個(gè)參數(shù)的精確測量裝置/方法的研究具有現(xiàn)實(shí)的意義。
[0003]在現(xiàn)有熱物性測量方法中，幾乎所有的裝置/方法只能得到一個(gè)熱物性參數(shù):熱導(dǎo)率或者吸熱系數(shù)。這主要是由所采用的傳感器的金屬加熱/溫度測量單元的特定形狀結(jié)構(gòu)決定的。以目前廣泛應(yīng)用于材料熱物性表征領(lǐng)域的基于交流加熱的諧波探測技術(shù)為例，采用數(shù)十微米寬、數(shù)毫米長的矩形帶狀金屬作為加熱/溫度傳感器，只能得到熱導(dǎo)率這一參數(shù)；而采用一系列平行布置且首尾相接帶狀金屬構(gòu)成的柵欄狀加熱/溫度傳感器，只能得到吸熱系數(shù)這一參數(shù)。
[0004]圖1為現(xiàn)有技術(shù)基于柵欄狀加熱/溫度傳感器的諧波法測試裝置的示意圖。對于圖1所示的諧波法測試裝置，測試時(shí)以數(shù)根平行布置的金屬帶首尾相接對待測樣品進(jìn)行均勻加熱。
[0005]然而，在實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的過程中， 申請人:發(fā)現(xiàn)上述的諧波測試裝置存在如下缺陷:由于無法向待測樣品施加壓力，因此無法保證傳感器與待測樣品充分接觸，在這種情況下，對待測樣品進(jìn)行加熱和從待測樣品反饋信號均會收到影響，從而無法得到準(zhǔn)確的熱物性參數(shù)。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0006](一 )要解決的技術(shù)問題
[0007]鑒于上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了一種雙螺旋平面結(jié)構(gòu)諧波法測試材料熱物性參數(shù)的裝置，以保證傳感器和待測樣品能夠充分接觸。
[0008]( 二 )技術(shù)方案
[0009]本實(shí)用新型提供了一種雙螺旋平面結(jié)構(gòu)諧波法測試材料熱物性參數(shù)的裝置。該裝置包括:樣品固定臺，包括:橫截面呈“凹”字型的底座；以及由底座的兩側(cè)分別向中間延伸并分別抵壓住待測樣品的左抵壓部件和右抵壓部件；雙螺旋平面結(jié)構(gòu)傳感器，包括:柔性襯底，其材料為絕緣材料；形成于柔性襯底上的由一系列同心圓環(huán)組成的雙螺旋平面結(jié)構(gòu)，其材料為金屬材料；以及通過膠黏層覆蓋于雙螺旋平面結(jié)構(gòu)上方的柔性覆蓋膜，其材料為絕緣材料；其中，在樣品固定臺的兩抵壓部件作用下，該雙螺旋平面結(jié)構(gòu)傳感器的兩外側(cè)面分別與待測樣品充分接觸。
[0010]優(yōu)選地，本實(shí)用新型裝置中，底座的兩側(cè)面各有一圓孔，該圓孔內(nèi)側(cè)具有內(nèi)螺紋；左抵壓部包括:左移動頂桿和固定于該左移動頂桿末端的左移動端面；右抵壓部包括:右移動頂桿和固定于該右移動頂桿末端的右移動端面；其中，左移動頂桿和右移動頂桿的對應(yīng)位置具有與內(nèi)螺紋相匹配的外螺紋，左移動端面和右移動端面固定于相應(yīng)移動頂桿的內(nèi)偵牝垂直于頂桿方向設(shè)置。
[0011]優(yōu)選地，本實(shí)用新型裝置中，金屬材料為銅、銀、鎳、金或鉬；絕緣材料聚酰亞胺或聚對苯二甲酸乙二醇酯；膠黏層的材料為EVA類熱熔膠或邦林熱熔膠。
[0012]優(yōu)選地，本實(shí)用新型裝置中，雙螺旋平面結(jié)構(gòu)中，同心圓環(huán)的寬度介于ΙΟμπι?1000 μ m之間，相鄰兩同心圓環(huán)之間的間隔介于50 μ m?1000 μ m之間。
[0013]優(yōu)選地，本實(shí)用新型裝置中，雙螺旋平面結(jié)傳感器中:雙螺旋平面結(jié)構(gòu)的厚度介于0.2 μ m?100 μ m之間，直徑介于5mm?50mm之間，柔性襯底及柔性覆蓋膜厚度在12.5 μ m?50 μ m之間，膠黏層厚度在5 μ m?40 μ m之間。
[0014]優(yōu)選地，本實(shí)用新型裝置中，待測樣品為固體樣品或流體樣品；當(dāng)待測樣品為固體樣品時(shí)，雙螺旋平面結(jié)構(gòu)傳感器的兩外側(cè)面分別與位于相應(yīng)側(cè)的固體樣品充分接觸；當(dāng)待測樣品為流體樣品時(shí)，該裝置還包括:流體樣品容器，流體樣品盛放于該流體樣品容器中，左抵壓部件和右抵壓部件分別從兩側(cè)頂住該流體樣品容器，雙螺旋平面結(jié)構(gòu)傳感器垂直埋入流體樣品中。
[0015]優(yōu)選地，本實(shí)用新型裝置中，流體樣品容器為袋狀容器或兩側(cè)開口的筒狀容器。
[0016]優(yōu)選地，本實(shí)用新型裝置還包括:溫控容器，呈圓桶形，樣品固定臺以及雙螺旋平面結(jié)構(gòu)傳感器均位于該溫控容器中。
[0017]優(yōu)選地，本實(shí)用新型裝置包括:諧波測量單元，其兩電流引線端分別電性連接至雙螺旋平面結(jié)構(gòu)傳感器的第一端和第二端，并通過兩者向雙螺旋平面結(jié)構(gòu)傳感器提供周期正弦加熱電流；其兩探測電壓引線端分別電性連接至雙螺旋平面結(jié)構(gòu)傳感器的第一端和第二端，并通過兩者探測雙螺旋平面結(jié)構(gòu)傳感器兩端的電壓值，該電壓值包括各頻率下基波電壓平均值V1 ω，以及三次諧波電壓與自然對數(shù)頻率曲線ν3ω?Ιηω。
[0018]優(yōu)選地，本實(shí)用新型裝置中，雙螺旋平面結(jié)構(gòu)的第一端引出第一引線端和第二引線端；第二端引出第三引線端和第四引線端；雙螺旋平面結(jié)構(gòu)還包括:第一引線件，形成于柔性襯底上，其一端連接雙螺旋平面結(jié)構(gòu)的第一引線端，其另一端連接至諧波測量單元的第一探測電壓引線端；第二引線件，形成于柔性襯底上，其一端連接雙螺旋平面結(jié)構(gòu)的第二引線端，其另一端連接至諧波測量單元的第一電流引線端；第三引線件，形成于柔性襯底上，其一端連接雙螺旋平面結(jié)構(gòu)的第三引線端，其另一端連接至諧波測量單元的第二探測電壓引線端；第四引線件，形成于柔性襯底上，其一端連接雙螺旋平面結(jié)構(gòu)的第四引線端，其另一端連接至諧波測量單元的第二電流引線端。
[0019]優(yōu)選地，本實(shí)用新型裝置中，諧波測量單元包括:函數(shù)發(fā)生器，輸出角頻率為ω的交流電壓信號；電橋模塊，包括:轉(zhuǎn)換器，將函數(shù)發(fā)生器輸出的交流電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號，該電流信號經(jīng)由第九可調(diào)電阻和雙螺旋平面結(jié)構(gòu)傳感器后傳輸入地；第一差動放大器，其第一輸入端連接至轉(zhuǎn)換器的輸出端，其第二輸入端通過第九可調(diào)電阻連接至轉(zhuǎn)換器的輸出端，并連接第一電流引線端，其將第九可調(diào)電阻兩端的電壓信號轉(zhuǎn)換為第一差動信號；第二差動放大器，其第一輸入端連接至第一探測電壓引線端，其第二輸入端連接至第二探測電壓引線端，其將由雙螺旋平面結(jié)構(gòu)傳感器探測而來的電壓信號轉(zhuǎn)換為第二差動信號；前置放大器，其兩輸入端分別連接至第一差動放大器的輸出端和第二差動放大器的輸出端，其將第一差動信號和第二差動信號的差值信號進(jìn)行放大；鎖相放大器，其兩輸入端分別連接至前置放大器的輸出端和函數(shù)發(fā)生器的輸出端，其獲取基波及三次諧波電壓，該基波電壓為第一差動信號的一次諧波的有效值，該三次諧波電壓為第一差動信號和第二差動信號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，對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，其輸出端連接函數(shù)發(fā)生器，控制函數(shù)發(fā)生器的輸出信號。
[0020]優(yōu)選地，本實(shí)用新型裝置中，第九可調(diào)電阻的阻值R9滿足:R9= α XRm，其中Rn^雙螺旋平面結(jié)構(gòu)的阻值，α = 0.95~1.05。
[0021]優(yōu)選地，本實(shí)用新型裝置中，在第一差動放大器的第一輸入端和第二輸入端分別設(shè)置第一低溫漂電阻和第二低溫漂電阻連接至第九可調(diào)電阻R9的兩端；且第一輸入端通過第三低溫漂電阻連接至地，第二輸入端通過第四低溫漂連接至其輸出端；在第二差動放大器的第一輸入端和第二輸入端分別通過第五低溫漂電阻和第六低溫漂電阻連接至雙螺旋平面結(jié)構(gòu)的兩端，且第一輸入端通過第七低溫漂電阻連接至地，第二輸入端通過第八低溫漂連接至其輸出端；其中，第一低溫漂電阻、第二低溫漂電阻、第三低溫漂電阻、第四低溫漂電阻、第五低溫漂電阻、第六低溫漂電阻、第七低溫漂電阻、第八低溫漂電阻為阻值溫度系數(shù)為2ppm/°C類型的低溫漂電阻。
[0022]優(yōu)選地，本實(shí)用新型裝置還包括:熱物性參數(shù)獲取單元，用于利用諧波測量單元獲取的各頻率下基波電壓平均值V1 ω，以及三次諧波電壓與自然對數(shù)頻率曲線ν3ω~Ιηω，獲取待測樣品的熱導(dǎo)率和/或吸熱系數(shù)。
[0023]優(yōu)選地，本實(shí)用新型裝置中，熱物性參數(shù)獲取單元利用以下公式I和2計(jì)算待測樣品的熱導(dǎo)率，利用以下公式3計(jì)算待測樣品的吸熱系數(shù):
【權(quán)利要求】
1.一種雙螺旋平面結(jié)構(gòu)諧波法測試材料熱物性參數(shù)的裝置，其特征在于，包括: 樣品固定臺，包括: 橫截面呈“凹”字型的底座；以及 由所述底座的兩側(cè)分別向中間延伸并分別抵壓住待測樣品的左抵壓部件和右抵壓部件; 雙螺旋平面結(jié)構(gòu)傳感器，包括: 柔性襯底，其材料為絕緣材料； 形成于所述柔性襯底上的由一系列同心圓環(huán)組成的雙螺旋平面結(jié)構(gòu)，其材料為金屬材料；以及 通過膠黏層覆蓋于所述雙螺旋平面結(jié)構(gòu)上方的柔性覆蓋膜，其材料為絕緣材料； 其中，在樣品固定臺的所述兩抵壓部件作用下，該雙螺旋平面結(jié)構(gòu)傳感器的兩外側(cè)面分別與待測樣品充分接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述底座的兩側(cè)面各有一圓孔，該圓孔內(nèi)側(cè)具有內(nèi)螺紋； 所述左抵壓部包括:左移 動頂桿和固定于該左移動頂桿末端的左移動端面； 所述右抵壓部包括:右移動頂桿和固定于該右移動頂桿末端的右移動端面； 其中，所述左移動頂桿和右移動頂桿的對應(yīng)位置具有與所述內(nèi)螺紋相匹配的外螺紋，所述左移動端面和右移動端面固定于相應(yīng)移動頂桿的內(nèi)側(cè)，垂直于頂桿方向設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述金屬材料為銅、銀、鎳、金或鉬；所述絕緣材料聚酰亞胺或聚對苯二甲酸乙二醇酯；所述膠黏層的材料為EVA類熱熔膠或邦林熱熔膠。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述雙螺旋平面結(jié)構(gòu)中，同心圓環(huán)的寬度介于10 μ m~1000 μ m之間，相鄰兩同心圓環(huán)之間的間隔介于50 μ m~1000 μ m之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述雙螺旋平面結(jié)傳感器中:所述雙螺旋平面結(jié)構(gòu)的厚度介于0.2 μ m~100 μ m之間,直徑介于5mm~50mm之間,柔性襯底及柔性覆蓋膜厚度在12.5 μ m~50 μ m之間，膠黏層厚度在5 μ m~40 μ m之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述待測樣品為固體樣品或流體樣品； 當(dāng)待測樣品為固體樣品時(shí)，所述雙螺旋平面結(jié)構(gòu)傳感器的兩外側(cè)面分別與位于相應(yīng)側(cè)的固體樣品充分接觸； 當(dāng)待測樣品為流體樣品時(shí)，該裝置還包括:流體樣品容器，所述流體樣品盛放于該流體樣品容器中，所述左抵壓部件和右抵壓部件分別從兩側(cè)頂住該流體樣品容器，所述雙螺旋平面結(jié)構(gòu)傳感器垂直埋入所述流體樣品中。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述流體樣品容器為袋狀容器或兩側(cè)開口的筒狀容器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，還包括: 溫控容器，呈圓桶形，所述樣品固定臺以及雙螺旋平面結(jié)構(gòu)傳感器均位于該溫控容器中。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，還包括:諧波測量單元，其兩電流引線端分別電性連接至所述雙螺旋平面結(jié)構(gòu)傳感器的第一端和第二端，并通過兩者向雙螺旋平面結(jié)構(gòu)傳感器提供周期正弦加熱電流；其兩探測電壓引線端分別電性連接至所述雙螺旋平面結(jié)構(gòu)傳感器的第一端和第二端，并通過兩者探測所述雙螺旋平面結(jié)構(gòu)傳感器兩端的電壓值，該電壓值包括各頻率下基波電壓平均值V1 ω，以及三次諧波電壓與自然對數(shù)頻率曲線ν3ω~1ηω。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述雙螺旋平面結(jié)構(gòu)的第一端引出第一引線端和第二引線端；第二端引出第三引線端和第四引線端；所述雙螺旋平面結(jié)構(gòu)還包括: 第一引線件，形成于所述柔性襯底上，其一端連接所述雙螺旋平面結(jié)構(gòu)的第一引線端，其另一端連接至所述諧波測量單元的第一探測電壓引線端； 第二引線件，形成于所述柔性襯底上，其一端連接所述雙螺旋平面結(jié)構(gòu)的第二引線端，其另一端連接至所述諧波測量單元的第一電流引線端； 第三引線件，形成于所述柔性襯底上，其一端連接所述雙螺旋平面結(jié)構(gòu)的第三引線端，其另一端連接至所述諧波測量單元的第二探測電壓引線端； 第四引線件，形成于所述柔性襯底上，其一端連接所述雙螺旋平面結(jié)構(gòu)的第四引線端，其另一端連接至所述諧波測量單元的第二電流引線端。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述諧波測量單元包括: 函數(shù)發(fā)生器，輸出角頻率為ω的交流電壓信號； 電橋模塊，包括: 轉(zhuǎn)換器，將函數(shù)發(fā)生器輸出的交流電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號，該電流信號經(jīng)由第九可調(diào)電阻和雙螺旋平面結(jié)構(gòu)傳感器后傳輸入地； 第一差動放大器，其第一輸入端連接至轉(zhuǎn)換器的輸出端，其第二輸入端通過第九可調(diào)電阻連接至轉(zhuǎn)換器的輸出端，并連接第一電流引線端，其將第九可調(diào)電阻兩端的電壓信號轉(zhuǎn)換為第一差動信號； 第二差動放大器，其第一輸入端連接至第一探測電壓引線端，其第二輸入端連接至第二探測電壓引線端，其將由雙螺旋平面結(jié)構(gòu)傳感器探測而來的電壓信號轉(zhuǎn)換為第二差動信號; 前置放大器，其兩輸入端分別連接至第一差動放大器的輸出端和第二差動放大器的輸出端，其將第一差動信號和第二差動信號的差值信號進(jìn)行放大； 鎖相放大器，其兩輸入端分別連接至前置放大器的輸出端和函數(shù)發(fā)生器的輸出端，其獲取基波及三次諧波電壓，該基波電壓為第一差動信號的一次諧波的有效值，該三次諧波電壓為第一差動信號和第二差動信號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)，其輸入端連接至鎖相放大器的輸出端，對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，其輸出端連接函數(shù)發(fā)生器，控制函數(shù)發(fā)生器的輸出信號。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，第九可調(diào)電阻的阻值R9滿足:R9=α XR1,其中Rm為雙螺旋平面結(jié)構(gòu)的阻值，α = 0.95~1.05。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于: 在第一差動放大器的第一輸入端和第二輸入端分別設(shè)置第一低溫漂電阻和第二低溫漂電阻連接至第九可調(diào)電阻R9的兩端；且第一輸入端通過第三低溫漂電阻連接至地，第二輸入端通過第四低溫漂連接至其輸出端； 在第二差動放大器的第一輸入端和第二輸入端分別通過第五低溫漂電阻和第六低溫漂電阻連接至雙螺旋平面結(jié)構(gòu)的兩端，且第一輸入端通過第七低溫漂電阻連接至地，第二輸入端通過第八低溫漂連接至其輸出端； 其中，第一低溫漂電阻、第二低溫漂電阻、第三低溫漂電阻、第四低溫漂電阻、第五低溫漂電阻、第六低溫漂電阻、第七低溫漂電阻、第八低溫漂電阻為阻值溫度系數(shù)為2ppm/°C類型的低 溫漂電阻。
【文檔編號】G01N25/20GK203732477SQ201420098536
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年3月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月5日
【發(fā)明者】邱琳, 鄭興華, 李大慶, 唐大偉 申請人:中國科學(xué)院工程熱物理研究所