专利名称：热导率原位测量探头的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及海洋测量仪器的改进，具体讲是一种热导率原位测量探头。其是对海洋沉积物的热导率在海底的原位状态下进行精确测量的探头，其属于海洋物理测量技术领域。
背景技术：
现有技术中，海洋沉积物的热导率是表征其热力学性质的一个重要参数。在现代海洋地热学中，通过测量海洋沉积物的热导率，进而利用Fourier定律确定海底地热流，并对其进行分析和计算，是获取海洋地壳的热状态信息，并据此研究海底的构造演化和资源状况的重要手段之一。海洋沉积物热导率原位测量仪器要求在海底的原位状态下测量沉积物的热导率，这种方法能够在最大程度上减小对沉积物的物理扰动，得到的结果能够更准确、更真实地反映沉积物的热性质。目前有一种Lister技术是基于瞬时热脉冲在无限长圆柱状介质中的传导方程，要求将一条长度3m以上的内置温度传感器排列和电热丝的细长探针插入沉积物中，通过观测电热丝通电发热后温度传感器感应的温度变化来推算沉积物的热导率。该技术存在的问题包括(1)探针长度过大，不利于维护、储藏和运输；(2)仪器制造工艺复杂、成本高，不利于广泛应用和推广；(3)单次测量的时间较长，超过5分钟，不利于减小海上探测的作业难度和成本。
发明内容
本实用新型的目的在于，要克服现有技术的上述缺点，提供一种热导率原位测量探头。该探头能够对海洋沉积物热导率进行快速，精确地原位实时测量，其探针长度短小，便于维护、储藏和运输，其制造工艺简单，成本低，利于广泛应用和推广；单次使用测量的时间不超过2分钟，能够减小海上探测的作业难度和成本。
本实用新型的目的是由以下技术方案实现的，研制了一种热导率原位测量探头，其包括密封仓和探针。在柱体密封仓的一端平行固设有两根探针一根为热源探针，一根为感温探针；所述的热源探针，其是在一端封闭的不锈钢管内通过高导热绝缘材料充填支撑有热源电热丝，该电热丝通过导线电连接于热发射电路中；所述的感温探针，其是在一端封闭的不锈钢管内通过高导热绝缘材料充填支撑有热敏电阻，该热敏电阻通过导线电连接于温度接收电路中；在密封仓中段设置由热发射电路，温度接收电路和主控电路组成的电路板，该电路板的USB接口通过导线外置在柱体密封仓的另一端，带有USB接口的该密封仓的另一端还螺纹封堵有保护封端盖；在外置的USB接口与电路板之间密封仓中还设有电池组盒。
所述的热源探针，其在该不锈钢管内设有的热源电热丝至少为两个回路的电热丝，其中单个回路的电热丝长度略等于该探针的长度。
所述的感温探针，其在该不锈钢管内设有的热敏电阻为高灵敏度微型球状热敏电阻，该热敏电阻位于该不锈钢管管内探针的中段所述的主控电路，其包括分别连接有存储器(RAM)和时钟电路(CLOCK)的微处理器(MCU)，该微处理器(MCU)还连接着由A/D转换器(ADC)，放大器(AMP)，多路转换器(MUX)和姿态传感器依次连接而组成的姿态检测电路；该微处理器(MCU)还分别电连接于热发射电路和温度接收电路。
所述的姿态传感器，其为并联接在多路转换器(MUX)上的加速度传感器和倾角传感器。
所述的热发射电路，其包括依次连接的专用电源及其直流稳压电路和放大器AMP。
所述的温度接收电路，其是由依次连接的测温转换电桥，信号放大器(AMP)和A/D转换器(ADC)组成。
所述的包括有密封仓和双探针的探头，其搭载于带负载的金属长矛上，即在该长矛外壁上固设有多个外伸支架，该支架上夹固有该探头；将多个该支架及其探头或沿长矛外壁等间距轴向螺旋排列设置。
本实用新型的优点在于由于在柱体密封仓的一端固设有间距固定、平行排列的两根探针一根为热源探针，一根为感温探针；所述的热源探针，其是在一端封闭的不锈钢管内通过高导热绝缘材料充填支撑有热源电热丝，该电热丝通过导线电连接于热发射电路中；所述的感温探针，其是在一端封闭的不锈钢管内通过高导热绝缘材料充填支撑有热敏电阻，该热敏电阻通过导线电连接于温度接收电路中；在密封仓中段设置由热发射电路，温度接收电路和主控电路组成的电路板；当把两探针插入沉积物中时，由热发射电路和主控电路组成的电路板控制对热源电热丝进行短时间通电发热，同时热敏电阻通过温度接收电路记录沉积物的温度变化，然后主控电路就可以根据温度最大值出现的时间和幅度来计算沉积物的热导率。由于温度最大值出现所需的时间很短，因此缩短了完成一次热导率测量的时间，提高了测量效率。本探头测量的热导率误差范围小＜2％，单次测量时间短＜2分钟。由于本探头在结构上分为两部分探针部分和密封仓部分，因此，其结构简单，对制造工艺要求不高，而且体积小，重量轻，便于运输和实验室储藏。本探头测量用途多除用于对海洋沉积物的热导率进行原位测量外，其单个探头还可以用于测量实验室样品的热导率。由于该电路板的USB接口通过导线外置在柱体密封仓的另一端，带有USB接口的该密封仓的另一端还螺纹封堵有保护封端盖，使得本探头在原位测量完毕后，离水再与外部计算机连接，使得通信安全方便。
由于所述的主控电路，其包括分别连接有存储器(RAM)和时钟电路(CLOCK)的微处理器(MCU)，该微处理器(MCU)还连接着由A/D转换器(ADC)，放大器(AMP)，多路转换器(MUX)和姿态传感器依次连接而组成的姿态检测电路；该微处理器(MCU)还分别电连接于热发射电路和温度接收电路。所述的姿态传感器，其为并联接在多路转换器(MUX)上的加速度传感器和倾角传感器。由于主控电路的核心是一个微处理器(MCU)，其控制热发射电路的发射时间、持续时间以及热敏电阻的记录时间，并控制数据的内部存储和外部交换等。其中判定热源发射时间和热敏电阻记录时间的依据来自姿态传感器。姿态传感器接收探头的姿态信息，确定是否适合热源的发射和温度的接收。该微处理器(MCU)除了能够把来自温度接收电路的数据存入存储器(RAM)，还可以通过USB接口与外部计算机(PC)连接，通过计算机(PC)的主控软件输入脉冲宽度、热源强度等参数，并在测量结束后把存储器内的数据导出到计算机(PC)的硬盘上。该微处理器(MCU)通过姿态传感器确认可以释放热源时，接通专用电源，经热发射电路放大后由电热丝释放出热能，并迅速传递到沉积物中。对电热丝通电时间由微处理器(MCU)中存储的初始输入参数—脉冲宽度确定。所述的温度接收电路，其是由依次连接的测温转换电桥，信号放大器(AMP)和A/D转换器(ADC)组成。当沉积物温度发生变化时，热敏电阻的阻值相应地改变，经测温转换电桥转换为电压信号，然后经放大器和A/D转换器，变成可识别的数字信号，经过微处理器(MCU)，保存在存储器(RAM)中。
及其具体实施方式
本实用新型的实施例结合附图进一步说明如下图1为热导率原位测量探头的结构示意图。
图2为本探头的电路原理方框图。
图3为用于搭载本探头进入海洋沉积物的长矛结构示意图。
图4为本探头的电路图。
参见图1-4，本实用新型的探头在结构上包括三部分，分别为热源探针1、感温探针2和密封仓3。在柱体密封仓3的一端平行固设有两根探针一根为热源探针1，一根为感温探针2；所述的热源探针1为不锈钢管，一端封闭，另一端焊接在密封仓3上。该探针1外径不大于1mm，长度不小于20mm。该探针1中有一条直径小于0.15mm的镍电热丝4构成的至少两个回路，以便在通电后发出足够的热量。该单个回路的长度与探针1长度大致相等；该电热丝4通过导线5与密封仓3中电路板6的热发射电路29相连。该电热丝4和导线5与该探针1内壁之间通过高热导率的绝缘材料7充填支撑着，例如一种5082A/B型环氧树脂，使发出的热量能够快速传递给沉积物。该电热丝4通过导线5电连接于热发射电路29中；所述的感温探针2也为一端封闭的不锈钢管，另一端焊接在密封仓3上。该探针2外径不大于1mm，与热源探针1互相平行、长度相等，两者间距不大于10mm。该感温探针2中有一个高灵敏度的微型球状热敏电阻8，如一种YSI31A401A型热敏电阻，通过导线9与密封仓3中的电路板6的温度接收电路30相连。所述热敏电阻8位于探针2中段，以减弱热传导边缘效应的影响。该热敏电阻8和导线9与探针2内壁之间有高热导率的绝缘材料10充填支撑着，例如一种5082A/B型环氧树脂，使热敏电阻8能够及时感应到沉积物的温度变化。
在密封仓3中段设置由热发射电路29，温度接收电路30和主控电路31组成的电路板6，该电路板6的USB接口11通过导线16外置在柱体密封仓3的另一端，使得探头可以通过接口11与外部计算机(PC)方便地进行通信。密封仓3带有USB接口11的一端有螺旋封盖13，探头闲置时旋上封盖13以保护USB接口11。密封仓3外径为15～25mm，长度100～120mm。密封仓3内部包括三部分靠近探针端为一个圆柱体塞子14，用于隔开探针1、2与密封仓3。在外置的USB接口11与电路板6之间密封仓3中还设有电池组盒15。该电池组盒15通过导线16连接到电路板6，提供电路运转以及电热丝4发热所需的电能。
本探头的电路板6的结构如图2和图4所示。其包括三部分主控电路31、热发射电路29和温度接收电路30。
所述的主控电路31包括一个微处理器(MCU)17，一个存储器(RAM)18，时钟电路(CLOCK)22以及由一个A/D转换器(ADC)21，一个放大器(AMP)25，一个多路转换器(MUX)27和一组姿态传感器28组成的姿态检测电路。其中的连接关系是分别连接有存储器18和时钟电路22的微处理器17，该微处理器17还连接着由A/D转换器21，放大器25，多路转换器27和姿态传感器28依次连接而组成的姿态检测电路；该微处理器17还分别电连接于热发射电路29和温度接收电路30。其中，微处理器17采用MC68HC908JB8型单片机，它是一个基于USB技术的8位单片机，具有一个USB接口，与探头的USB接口11相连，可以与外部计算机进行最大为1.5Mbps的数据和命令参数传输。存储器18采用SSF1101型Flash存储器可为微处理器17提供容量为4MB的数据存储。时钟电路22为热发射电路的连通提供计时。在姿态检测电路中，姿态传感器28包括一个加速度传感器(MMA6260Q)和一个倾角传感器(SCA100T-D02)，接收探头的姿态信息，经过多路转换器27(ISL43640)，放大器25(Ad524)和A/D转换器21(ADS1210)处理后送入微处理器17，以确定是否由微处理器17触发热发射电路29和温度接收电路30。
所述的热发射电路29其包括依次连接的专用电源及其直流稳压电路20和放大器24。微处理器17通过姿态检测电路确认可以释放热源时，接通直流稳压电路20，电流经放大器24(Ad524)放大后经导线5，由电热丝4释放出热能，并迅速传递到沉积物中。通电时间由微处理器17中存储的初始输入参数确定。
所述的温度接收电路30由依次连接的测温转换电桥26，信号放大器(AMP)23和A/D转换器(ADC)19组成。当沉积物温度发生变化时，热敏电阻8的阻值相应地改变，经过测温转换电桥26转换为电压信号，然后经信号放大器23(Ad524)和A/D转换器19(ADS1210)，变成可识别的数字信号，在微处理器17中换算为温度值并在存储器18中存储起来。
所述的包括有密封仓3和双探针1，2的探头，其搭载于带负载32的金属长矛33上，即在该长矛33外壁上固设有多个外伸支架34，该支架34上夹固有该探头35；将多个该支架34及其探头35或沿长矛外壁等间距轴向螺旋排列设置。
使用本实用新型的热导率原位测量探头时，将本探头35搭载于带负载32的金属长矛33上，以测量沉积物36的热导率的垂向分布，如图3所示。工作时，以钢缆37吊挂长矛33入水，使探头35垂直插入沉积物中，密封仓3中的电池组盒15为电热丝4通电数秒钟，该电热丝4释放的热量快速传递到沉积物36中；同时感温探针2中的热敏电阻8开始工作。沉积物36的温度变化引起热敏电阻8的阻值发生变化，经温度接收电路30处理，在微处理器17中转换为温度值，并保存在存储器18中。沉积物36在一段时间内的温度变化记录构成温度—时间曲线，根据无限长瞬时线状热源外介质的热场原理，利用该温度—时间曲线来计算沉积物的热导率。另外，还可以用单个探头35在实验室中测量沉积物样品的热导率。
本领域的普通技术人员都会理解，在本实用新型的保护范围内，对于上述实施例进行修改，添加和替换都是可能的，其都没有超出本实用新型的保护范围。
权利要求1.一种热导率原位测量探头，其包括密封仓和探针，其特征在于在柱体密封仓的一端平行固设有两根探针一根为热源探针，一根为感温探针；所述的热源探针，其是在一端封闭的不锈钢管内通过高导热绝缘材料充填支撑有热源电热丝，该电热丝通过导线电连接于热发射电路中；所述的感温探针，其是在一端封闭的不锈钢管内通过高导热绝缘材料充填支撑有热敏电阻，该热敏电阻通过导线电连接于温度接收电路中；在密封仓中段设置由热发射电路，温度接收电路和主控电路组成的电路板，该电路板的USB接口通过导线外置在柱体密封仓的另一端，带有USB接口的该密封仓的另一端还螺纹封堵有保护封端盖；在外置的USB接口与电路板之间密封仓中还设有电池组盒。
2.根据权利要求1所述热导率原位测量探头，其特征在于所述的热源探针，其在该不锈钢管内设有的热源电热丝至少为两个回路的电热丝，其中单个回路的电热丝长度略等于该探针的长度。
3.根据权利要求1所述热导率原位测量探头，其特征在于所述的感温探针，其在该不锈钢管内设有的热敏电阻为高灵敏度微型球状热敏电阻，该热敏电阻位于该不锈钢管管内探针的中段
4.根据权利要求1所述热导率原位测量探头，其特征在于所述的主控电路，其包括分别连接有存储器(RAM)和时钟电路(CLOCK)的微处理器(MCU)，该微处理器(MCU)还连接着由A/D转换器(ADC)，放大器(AMP)，多路转换器(MUX)和姿态传感器依次连接而组成的姿态检测电路；该微处理器(MCU)还分别电连接于热发射电路和温度接收电路。
5.根据权利要求4所述热导率原位测量探头，其特征在于所述的姿态传感器，其为并联接在多路转换器(MUX)上的加速度传感器和倾角传感器。
6.根据权利要求1或4所述热导率原位测量探头，其特征在于所述的热发射电路，其包括依次连接的专用电源及其直流稳压电路和放大器AMP。
7.根据权利要求1或4所述热导率原位测量探头，其特征在于所述的温度接收电路，其是由依次连接的测温转换电桥，信号放大器(AMP)和A/D转换器(ADC)组成。
8.根据权利要求1-7任一项所述热导率原位测量探头，其特征在于所述的包括有密封仓和双探针的探头，其搭载于带负载的金属长矛上，即在该长矛外壁上固设有多个外伸支架，该支架上夹固有该探头；将多个该支架及其探头或沿长矛外壁等间距轴向螺旋排列设置。
专利摘要本实用新型是一种热导率原位测量探头，在柱体密封仓的一端平行固设有一根为热源探针，是在封闭的不锈钢管内由导热绝缘材料充填支撑有热源电热丝，该电热丝电连接于热发射电路中；另一根为感温探针，是在封闭的不锈钢管内由导热绝缘材料充填支撑有热敏电阻，该电阻电连接于温度接收电路中；在密封仓中段设置由热发射电路，温度接收电路和主控电路组成的电路板，该电路板的USB接口外置在该密封仓的另一端，该另一端还螺纹封堵有保护封端盖；在该密封仓中还设有电池组盒。本探头测的热导率误差范围小＜2％，单次测量时间短＜2分钟，其结构简单，体积小，重量轻，便于运输和实验室储藏，可方便地与外部PC通信。
文档编号G01N25/18GK2847278SQ20052012495
公开日2006年12月13日 申请日期2005年11月21日 优先权日2005年11月21日
发明者李官保, 刘保华, 姜丽丽, 阚光明, 吴金龙 申请人:国家海洋局第一海洋研究所