后实现显示、存储和回放功能。
[0043]根据相关性原理实现对信号的检测称为相关检测技术，本质上说，相关检测是基于信号和噪声间的统计特性进行检测的。相关函数是两个时域信号相似性的一种度量，它可以实现对检测信号和参考信号进行互相关运算。利用参考信号频率与输入信号频率相关，与噪声频率不相关，从而从噪声中提取有用信号。相关检测主要利用最大限度地压缩带宽、抑制噪声，以达到检测微弱信号的目的，实现了锁相放大的功能。
[0044]虚拟仪器信号互相关分析处理软件前面板设计了 5个输入控件:采集参数设置、滤波器设置、调零设置、放大倍数选择、电流频率选择。
[0045]用虚拟仪器软件实现的程序包括交流电频率的控制、信号输入采集、低通滤波器、互相关检测与相关修正、传热方程的求解、导热系数图像显示、存储、回放几个部分。
[0046]虚拟仪器输入控件还包括交流电频率ω，测试环境温度下加热膜的电阻Rci;交流电流的有效值I，金属膜微型加热器的电阻温度系数α，加热膜的半宽度b，体积热容C。
[0047]虚拟仪器显示控件包括得出的温度值T和平行于平面导热系数图像和垂直于平面导热系数图像。
[0048]输入信号(待测信号)从数据采集卡获得，“放大倍数”调节旋钮用来调节输入信号的放大倍数，应与硬件放大电路的放大倍数相同。
[0049]参考信号的获得也是选用外部参考，使外部参考信号通过数据采集卡采集到系统中来。参考信号的调节由硬件“参考信号”调节完成，参考信号幅值应和放大器放大后采集到计算机中的输入信号(待测信号)的幅值相当。参考信号经过处理变换为标准参考信号，标准参考信号的幅值为1，频率仍然与输入信号相同。
[0050]采样信息包括每秒采样率(Fs)和每次采样波形的采样数，参考信号的采样信息应与对被测信号的采样信息相一致。
[0051]本虚拟仪器软件系统前半部分的数字滤波和互相关处理模块相当于数字化锁相放大器，后半部分是数据处理，将数值代入传热方程，运用计算机强大的计算功能计算出温度变化。
[0052]然后改变ω值，得到不同的温度变化振幅，得出图像。
【主权项】
1.一种基于虚拟仪器的石墨烯导热系数测量系统，其特征在于，包括石墨烯导热系数测量硬件模块、脉冲信号处理模块和虚拟仪器数据分析处理软件模块；石墨烯导热系数测量硬件模块包括交流恒流源、参考信号源、金属膜、前置放大器、数据采集卡和计算机；虚拟仪器数据分析处理软件模块包括虚拟仪器数字滤波模块、虚拟仪器互相关模块和波形数据处理及显示模块。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的石墨烯导热系数测量系统，其特征在于，石墨烯导热系数测量模块包括在被测样品上制备2个宽度不同的微型加热膜，同时用做测温器，分别测量平面方向和垂直于平面方向的导热系数，虚拟仪器控制的交流恒流源产生一定频率ω的交流电到加热膜，分别产生两个频率为3 ω的脉冲电压信号；脉冲信号采集处理模块包括将电压信号通过低噪声前置放大器放大后通过数据采集卡的第一和第二模拟输入通道采集至计算机，参考信号源产生的参考电压信号输出频率应当和虚拟仪器控制的交流恒流源电流输出频率相同，将参考电压信号通过第三输入通道采集至计算机；数据分析处理模块是由采用虚拟仪器编写的程序组成，该模块首先对低噪声前置放大器的两个输出信号和参考信号源产生的参考信号分别进行带通滤波，然后对带通滤波后的低噪声前置放大器的两个输出信号和参考信号源产生的参考信号分别进行互相关检测和修正，最终提取出信号，通过计算机强大的计算功能解确定的传热方程得到该金属膜的温度变化。
3.通过程序控制改变通电电流频率ω，金属膜的温度变化幅值也将发生改变，以温度波动振幅为纵坐标，ω为横坐标，则所得到的曲线的斜率与样品的热导率相对应，得到平面方向导热系数图像和垂直于平面方向导热系数图像。
4.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的石墨烯导热系数测量系统，其特征在于:所述加热膜采用磁控溅射工艺在石墨烯表面沉积厚度为5 nm的金属Ti以增强加热膜的附着强度，再沉积一层厚度为180 nm的Au膜，然后采用紫外曝光工艺制作出加热膜的形状；最后利用光刻法得到宽度分别为8 μ m和40 μ m、长度为I 800 μ m的2个4焊盘微型Au加热/测温膜，加热膜的4个焊盘通过直径为30 μ m的AlSi丝采用压焊工艺与外围电路连接。
5.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的石墨烯导热系数测量系统，其特征在于:所述交流恒流源主要技术指标:1)输出量程:1mA?100mA ；2)频率范围:100Hz?1KHz可调；3)恒流源精度:±1% ;4)档位:1mA、5mA、10mA、50mA、100mA、500mA、100mA 七档可调；输出频率ω由虚拟仪器程序控制。
6.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的石墨烯导热系数测量系统，其特征在于:所述低噪声放大器采样两级放大，放大倍数Kl或Κ2为I倍、10倍或100倍可调，整个放大倍数Κ=Κ1ΧΚ2为I倍、10倍、100倍、1000倍或10000倍可调；放大倍数由虚拟仪器调控。
7.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的石墨烯导热系数测量系统，其特征在于:所述参考信号源主要技术指标:1)输出电平:0?10mV可调；2)频率范围:100Hz?1KHz可调；3)波形:正弦波；4)输出阻抗:50Ω。
8.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的石墨烯导热系数测量系统，其特征在于:所述前置低噪声放大器选用运放电路中的ΟΡ07集成块。
9.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的石墨烯导热系数测量系统，其特征在于:所述数据采集卡参数:1/0通道数:模拟输入4路，模拟输出4路；模拟输入采样率:lMS/s ;模拟输入分辨率:16位。
10.一种如权利要求1所述的一种基于虚拟仪器的石墨烯导热系数测量系统的测试方法，其特征在于:该方法包括如下测试步骤: 步骤一:装入软件在计算机内安装用虚拟仪器语言开发应用的上位机控制软件和测试软件； 步骤二:加热和测温用的金属膜设置于被测石墨烯表面，交流恒流源产生频率为ω的交流电到加热膜，形成频率3 ω的输出信号，电压信号经前置放大器放大后通过数据采集卡的模拟输入通道采集至计算机，参考信号源产生频率为ω的电压的参考电压信号并通过数据采集卡的模拟输入通道采集至计算机； 步骤三:虚拟仪器数字滤波模块首先对前置放大器的输出信号和参考信号源产生的参考信号分别进行带通滤波，然后由虚拟仪器互相关模块对带通滤波后前置放大器输出信号和参考信号源产生的参考信号分别进行互相关检测和修正，得到测量结果信号，将测量信号代入已知的传热方程中得到加热膜的温度变化，然后改变交流恒流源频率使加热膜温度幅值改变，最后由波形数据处理及显示模块以温度波动振幅为纵坐标，ω为横坐标，得到斜率与样品的热导率相对应的曲线，即导热系数图像； 步骤四:信息显示与回放:对得到的导热系数曲线和表格的形式实时显示在PC机终端上，将瞬态波形进行缩放显示，将储存的LVM格式波形文件和电子表格格式文件重新读取然后显示在PC机端。
【专利摘要】本发明公开了一种基于虚拟仪器的石墨烯导热系数测量系统与方法，本发明针对石墨烯这种导热系数各向异性的平面薄膜二维材料提供了一种测量各向导热系数的系统和方法。整个测量系统与方法包括石墨烯导热系数测量模块、脉冲信号采集处理模块、数据分析处理模块。此方法采用虚拟仪器互相关检测技术，实现了对导热系数的有效测量，构成一个编程灵活方便、简洁高效、抑制噪声和恢复提取有用信号能力强、测量准确度及分辨率高、性能稳定,计算功能强大的个性化的自动测量系统与方法，具有实时显示、自动分析筛选和判断、存储回放功能。
【IPC分类】G01N25-20
【公开号】CN104677936
【申请号】CN201510124394
【发明人】刘佳, 彭良玉, 邓月明
【申请人】湖南师范大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年3月23日