双螺旋平面结构谐波法测试材料热物性参数的装置制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种双螺旋平面结构谐波法测试材料热物性参数的装置。该装置包括样品固定台和双螺旋平面结构传感器。样品固定台包括：横截面呈“凹”字型的底座；以及由底座的两侧分别向中间延伸并分别抵压住待测样品的左抵压部件和右抵压部件。双螺旋平面结构传感器包括：柔性衬底，其材料为绝缘材料；形成于柔性衬底上的由一系列同心圆环组成的双螺旋平面结构，其材料为金属材料；以及通过胶黏层覆盖于双螺旋平面结构上方的柔性覆盖膜，其材料为绝缘材料；其中，在样品固定台的两抵压部件作用下，该双螺旋平面结构传感器的两外侧面分别与待测样品充分接触。本实用新型可以保证传感器和待测样品能够充分接触。
【专利说明】双螺旋平面结构谐波法测试材料热物性参数的装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及材料物性测试【技术领域】，尤其涉及一种双螺旋平面结构谐波法测试材料热物性参数的装置。
【背景技术】
[0002]热导率(λ，又称导热系数)和吸热系数(定义为热导率λ和热容P Cp乘积的平
方根，是分别衡量材料热传输和储/放热性能的两个关键热物性参数。它们对于
评价建筑节能材料性能的好坏尤为重要。因此，针对这两个参数的精确测量装置/方法的研究具有现实的意义。
[0003]在现有热物性测量方法中，几乎所有的装置/方法只能得到一个热物性参数:热导率或者吸热系数。这主要是由所采用的传感器的金属加热/温度测量单元的特定形状结构决定的。以目前广泛应用于材料热物性表征领域的基于交流加热的谐波探测技术为例，采用数十微米宽、数毫米长的矩形带状金属作为加热/温度传感器，只能得到热导率这一参数；而采用一系列平行布置且首尾相接带状金属构成的栅栏状加热/温度传感器，只能得到吸热系数这一参数。
[0004]图1为现有技术基于栅栏状加热/温度传感器的谐波法测试装置的示意图。对于图1所示的谐波法测试装置，测试时以数根平行布置的金属带首尾相接对待测样品进行均匀加热。
[0005]然而，在实现本实用新型的过程中， 申请人:发现上述的谐波测试装置存在如下缺陷:由于无法向待测样品施加压力，因此无法保证传感器与待测样品充分接触，在这种情况下，对待测样品进行加热和从待测样品反馈信号均会收到影响，从而无法得到准确的热物性参数。
实用新型内容
[0006](一 )要解决的技术问题
[0007]鉴于上述技术问题，本实用新型提供了一种双螺旋平面结构谐波法测试材料热物性参数的装置，以保证传感器和待测样品能够充分接触。
[0008]( 二 )技术方案
[0009]本实用新型提供了一种双螺旋平面结构谐波法测试材料热物性参数的装置。该装置包括:样品固定台，包括:横截面呈“凹”字型的底座；以及由底座的两侧分别向中间延伸并分别抵压住待测样品的左抵压部件和右抵压部件；双螺旋平面结构传感器，包括:柔性衬底，其材料为绝缘材料；形成于柔性衬底上的由一系列同心圆环组成的双螺旋平面结构，其材料为金属材料；以及通过胶黏层覆盖于双螺旋平面结构上方的柔性覆盖膜，其材料为绝缘材料；其中，在样品固定台的两抵压部件作用下，该双螺旋平面结构传感器的两外侧面分别与待测样品充分接触。
[0010]优选地，本实用新型装置中，底座的两侧面各有一圆孔，该圆孔内侧具有内螺纹；左抵压部包括:左移动顶杆和固定于该左移动顶杆末端的左移动端面；右抵压部包括:右移动顶杆和固定于该右移动顶杆末端的右移动端面；其中，左移动顶杆和右移动顶杆的对应位置具有与内螺纹相匹配的外螺纹，左移动端面和右移动端面固定于相应移动顶杆的内侦牝垂直于顶杆方向设置。
[0011]优选地，本实用新型装置中，金属材料为铜、银、镍、金或钼；绝缘材料聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯；胶黏层的材料为EVA类热熔胶或邦林热熔胶。
[0012]优选地，本实用新型装置中，双螺旋平面结构中，同心圆环的宽度介于ΙΟμπι?1000 μ m之间，相邻两同心圆环之间的间隔介于50 μ m?1000 μ m之间。
[0013]优选地，本实用新型装置中，双螺旋平面结传感器中:双螺旋平面结构的厚度介于0.2 μ m?100 μ m之间，直径介于5mm?50mm之间，柔性衬底及柔性覆盖膜厚度在12.5 μ m?50 μ m之间，胶黏层厚度在5 μ m?40 μ m之间。
[0014]优选地，本实用新型装置中，待测样品为固体样品或流体样品；当待测样品为固体样品时，双螺旋平面结构传感器的两外侧面分别与位于相应侧的固体样品充分接触；当待测样品为流体样品时，该装置还包括:流体样品容器，流体样品盛放于该流体样品容器中，左抵压部件和右抵压部件分别从两侧顶住该流体样品容器，双螺旋平面结构传感器垂直埋入流体样品中。
[0015]优选地，本实用新型装置中，流体样品容器为袋状容器或两侧开口的筒状容器。
[0016]优选地，本实用新型装置还包括:温控容器，呈圆桶形，样品固定台以及双螺旋平面结构传感器均位于该温控容器中。
[0017]优选地，本实用新型装置包括:谐波测量单元，其两电流引线端分别电性连接至双螺旋平面结构传感器的第一端和第二端，并通过两者向双螺旋平面结构传感器提供周期正弦加热电流；其两探测电压引线端分别电性连接至双螺旋平面结构传感器的第一端和第二端，并通过两者探测双螺旋平面结构传感器两端的电压值，该电压值包括各频率下基波电压平均值V1 ω，以及三次谐波电压与自然对数频率曲线ν3ω?Ιηω。
[0018]优选地，本实用新型装置中，双螺旋平面结构的第一端引出第一引线端和第二引线端；第二端引出第三引线端和第四引线端；双螺旋平面结构还包括:第一引线件，形成于柔性衬底上，其一端连接双螺旋平面结构的第一引线端，其另一端连接至谐波测量单元的第一探测电压引线端；第二引线件，形成于柔性衬底上，其一端连接双螺旋平面结构的第二引线端，其另一端连接至谐波测量单元的第一电流引线端；第三引线件，形成于柔性衬底上，其一端连接双螺旋平面结构的第三引线端，其另一端连接至谐波测量单元的第二探测电压引线端；第四引线件，形成于柔性衬底上，其一端连接双螺旋平面结构的第四引线端，其另一端连接至谐波测量单元的第二电流引线端。
[0019]优选地，本实用新型装置中，谐波测量单元包括:函数发生器，输出角频率为ω的交流电压信号；电桥模块，包括:转换器，将函数发生器输出的交流电压信号转换为电流信号，该电流信号经由第九可调电阻和双螺旋平面结构传感器后传输入地；第一差动放大器，其第一输入端连接至转换器的输出端，其第二输入端通过第九可调电阻连接至转换器的输出端，并连接第一电流引线端，其将第九可调电阻两端的电压信号转换为第一差动信号；第二差动放大器，其第一输入端连接至第一探测电压引线端，其第二输入端连接至第二探测电压引线端，其将由双螺旋平面结构传感器探测而来的电压信号转换为第二差动信号；前置放大器，其两输入端分别连接至第一差动放大器的输出端和第二差动放大器的输出端，其将第一差动信号和第二差动信号的差值信号进行放大；锁相放大器，其两输入端分别连接至前置放大器的输出端和函数发生器的输出端，其获取基波及三次谐波电压，该基波电压为第一差动信号的一次谐波的有效值，该三次谐波电压为第一差动信号和第二差动信号的差值的三次谐波分量的有效值；微机控制与数据采集系统，其输入端连接至锁相放大器的输出端，对锁相放大器输出的一次谐波的有效值和三次谐波分量的有效值进行数据采集，其输出端连接函数发生器，控制函数发生器的输出信号。
[0020]优选地，本实用新型装置中，第九可调电阻的阻值R9满足:R9= α XRm，其中Rn^双螺旋平面结构的阻值，α = 0.95~1.05。
[0021]优选地，本实用新型装置中，在第一差动放大器的第一输入端和第二输入端分别设置第一低温漂电阻和第二低温漂电阻连接至第九可调电阻R9的两端；且第一输入端通过第三低温漂电阻连接至地，第二输入端通过第四低温漂连接至其输出端；在第二差动放大器的第一输入端和第二输入端分别通过第五低温漂电阻和第六低温漂电阻连接至双螺旋平面结构的两端，且第一输入端通过第七低温漂电阻连接至地，第二输入端通过第八低温漂连接至其输出端；其中，第一低温漂电阻、第二低温漂电阻、第三低温漂电阻、第四低温漂电阻、第五低温漂电阻、第六低温漂电阻、第七低温漂电阻、第八低温漂电阻为阻值温度系数为2ppm/°C类型的低温漂电阻。
[0022]优选地，本实用新型装置还包括:热物性参数获取单元，用于利用谐波测量单元获取的各频率下基波电压平均值V1 ω，以及三次谐波电压与自然对数频率曲线ν3ω~Ιηω，获取待测样品的热导率和/或吸热系数。
[0023]优选地，本实用新型装置中，热物性参数获取单元利用以下公式I和2计算待测样品的热导率，利用以下公式3计算待测样品的吸热系数:
【权利要求】
1.一种双螺旋平面结构谐波法测试材料热物性参数的装置，其特征在于，包括: 样品固定台，包括: 横截面呈“凹”字型的底座；以及 由所述底座的两侧分别向中间延伸并分别抵压住待测样品的左抵压部件和右抵压部件; 双螺旋平面结构传感器，包括: 柔性衬底，其材料为绝缘材料； 形成于所述柔性衬底上的由一系列同心圆环组成的双螺旋平面结构，其材料为金属材料；以及 通过胶黏层覆盖于所述双螺旋平面结构上方的柔性覆盖膜，其材料为绝缘材料； 其中，在样品固定台的所述两抵压部件作用下，该双螺旋平面结构传感器的两外侧面分别与待测样品充分接触。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述底座的两侧面各有一圆孔，该圆孔内侧具有内螺纹； 所述左抵压部包括:左移 动顶杆和固定于该左移动顶杆末端的左移动端面； 所述右抵压部包括:右移动顶杆和固定于该右移动顶杆末端的右移动端面； 其中，所述左移动顶杆和右移动顶杆的对应位置具有与所述内螺纹相匹配的外螺纹，所述左移动端面和右移动端面固定于相应移动顶杆的内侧，垂直于顶杆方向设置。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述金属材料为铜、银、镍、金或钼；所述绝缘材料聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯；所述胶黏层的材料为EVA类热熔胶或邦林热熔胶。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述双螺旋平面结构中，同心圆环的宽度介于10 μ m~1000 μ m之间，相邻两同心圆环之间的间隔介于50 μ m~1000 μ m之间。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述双螺旋平面结传感器中:所述双螺旋平面结构的厚度介于0.2 μ m~100 μ m之间,直径介于5mm~50mm之间,柔性衬底及柔性覆盖膜厚度在12.5 μ m~50 μ m之间，胶黏层厚度在5 μ m~40 μ m之间。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述待测样品为固体样品或流体样品； 当待测样品为固体样品时，所述双螺旋平面结构传感器的两外侧面分别与位于相应侧的固体样品充分接触； 当待测样品为流体样品时，该装置还包括:流体样品容器，所述流体样品盛放于该流体样品容器中，所述左抵压部件和右抵压部件分别从两侧顶住该流体样品容器，所述双螺旋平面结构传感器垂直埋入所述流体样品中。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述流体样品容器为袋状容器或两侧开口的筒状容器。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，还包括: 温控容器，呈圆桶形，所述样品固定台以及双螺旋平面结构传感器均位于该温控容器中。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，还包括:谐波测量单元，其两电流引线端分别电性连接至所述双螺旋平面结构传感器的第一端和第二端，并通过两者向双螺旋平面结构传感器提供周期正弦加热电流；其两探测电压引线端分别电性连接至所述双螺旋平面结构传感器的第一端和第二端，并通过两者探测所述双螺旋平面结构传感器两端的电压值，该电压值包括各频率下基波电压平均值V1 ω，以及三次谐波电压与自然对数频率曲线ν3ω~1ηω。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述双螺旋平面结构的第一端引出第一引线端和第二引线端；第二端引出第三引线端和第四引线端；所述双螺旋平面结构还包括: 第一引线件，形成于所述柔性衬底上，其一端连接所述双螺旋平面结构的第一引线端，其另一端连接至所述谐波测量单元的第一探测电压引线端； 第二引线件，形成于所述柔性衬底上，其一端连接所述双螺旋平面结构的第二引线端，其另一端连接至所述谐波测量单元的第一电流引线端； 第三引线件，形成于所述柔性衬底上，其一端连接所述双螺旋平面结构的第三引线端，其另一端连接至所述谐波测量单元的第二探测电压引线端； 第四引线件，形成于所述柔性衬底上，其一端连接所述双螺旋平面结构的第四引线端，其另一端连接至所述谐波测量单元的第二电流引线端。
11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述谐波测量单元包括: 函数发生器，输出角频率为ω的交流电压信号； 电桥模块，包括: 转换器，将函数发生器输出的交流电压信号转换为电流信号，该电流信号经由第九可调电阻和双螺旋平面结构传感器后传输入地； 第一差动放大器，其第一输入端连接至转换器的输出端，其第二输入端通过第九可调电阻连接至转换器的输出端，并连接第一电流引线端，其将第九可调电阻两端的电压信号转换为第一差动信号； 第二差动放大器，其第一输入端连接至第一探测电压引线端，其第二输入端连接至第二探测电压引线端，其将由双螺旋平面结构传感器探测而来的电压信号转换为第二差动信号; 前置放大器，其两输入端分别连接至第一差动放大器的输出端和第二差动放大器的输出端，其将第一差动信号和第二差动信号的差值信号进行放大； 锁相放大器，其两输入端分别连接至前置放大器的输出端和函数发生器的输出端，其获取基波及三次谐波电压，该基波电压为第一差动信号的一次谐波的有效值，该三次谐波电压为第一差动信号和第二差动信号的差值的三次谐波分量的有效值； 微机控制与数据米集系统，其输入端连接至锁相放大器的输出端，对锁相放大器输出的一次谐波的有效值和三次谐波分量的有效值进行数据采集，其输出端连接函数发生器，控制函数发生器的输出信号。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，第九可调电阻的阻值R9满足:R9=α XR1,其中Rm为双螺旋平面结构的阻值，α = 0.95~1.05。
13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于: 在第一差动放大器的第一输入端和第二输入端分别设置第一低温漂电阻和第二低温漂电阻连接至第九可调电阻R9的两端；且第一输入端通过第三低温漂电阻连接至地，第二输入端通过第四低温漂连接至其输出端； 在第二差动放大器的第一输入端和第二输入端分别通过第五低温漂电阻和第六低温漂电阻连接至双螺旋平面结构的两端，且第一输入端通过第七低温漂电阻连接至地，第二输入端通过第八低温漂连接至其输出端； 其中，第一低温漂电阻、第二低温漂电阻、第三低温漂电阻、第四低温漂电阻、第五低温漂电阻、第六低温漂电阻、第七低温漂电阻、第八低温漂电阻为阻值温度系数为2ppm/°C类型的低 温漂电阻。
【文档编号】G01N25/20GK203732477SQ201420098536
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年3月5日 优先权日:2014年3月5日
【发明者】邱琳, 郑兴华, 李大庆, 唐大伟 申请人:中国科学院工程热物理研究所