专利名称：贴面式传感器及吸热系数测量装置的制作方法
技术领域：
贴面式传感器及吸热系数测量装置技术领域[0001]本实用新型涉及电子、建筑、材料等行业的测量技术领域，尤其涉及一种贴面式传感器及吸热系数测量装置。
背景技术：
[0002]吸热系数定义为热导率、比热容和密度三个参数乘积的平方根，它反映材料与周围环境换热的能力。吸热系数既包含储热容量的概念(因其中含有热容)，又在某种程度上能体现物体向周围取/放热的速率的概念。因此，吸热系数常作为储能系统中评价材料蓄热特性的一个关键参数。[0003]早在上个世纪末，就有学者提出应用基于谐波探测的3 ω测量技术来表征吸热系数。实现的方法大致是在待测材料表面制备栅栏形平面金属传感器，该平面金属传感器同时作为加热器和温度传感器，然后根据热波频率与温度变化的关系求得待测材料的吸热系数参数。分析该方法不难发现，该方法不能实现固体样品的无损检测，并且需要重复对单个样品进行绝缘膜(测量导电固体时)及栅栏形平面金属传感器的制备，因此实施工艺复杂， 成本代价也较高。[0004]为了解决上述难题，后来又出现了基于独立型传感器的吸热系数测量装置，图IA 为现有技术吸热系数测量 装置测量固体样品时的示意图。图IB为现有技术吸热系数测量装置测量液体/粉末样品时的示意图。如图IA所示，吸热系数测量装置分为独立型传感器 I和样品储罐3，其中，独立型传感器I包含平面形金属传感器11、柔性覆盖膜12、柔性衬底13 ;样品储罐3包含罐壳31、罐盖32、四个引线杆331至334和四个引线头33a至33d。 独立型传感器I的四个引线端依次与样品储罐3上端的引线杆331 334内端电连接，样品储罐3引线杆331 334外端的引线头33a 33d经导线与后续测量电路6连接，从而完成吸热系数的测量。[0005]如图IA所示，当上述吸热系数测量装置测量固体样品的吸热系数时，需要裁剪一定尺寸的两块相同样品，并且需用样品固定台夹紧由样品和独立型传感器构成的“三明治式”结构，两电流引线杆331、334通过导线接入独立型传感器两外侧引线端以微弱周期正弦电流对平面形金属传感器11电加热，平面形金属传感器11的两内侧引线端之间的基波电压及三次谐波电压信号由两电压引线杆332、333进入谐波测量单元6记录并输出，从而完成测量。这就要求在独立型传感器两侧配置的样品具有一定尺寸，这就使得该方法无法用于建筑、航天、检测等领域的现场使用。[0006]如图IB所示，当上述吸热系数测量装置测量液体/粉末样品时，还需配备恒温恒压腔4和温度和压力调节单元5。恒温恒压腔4包括金属外壳41、保温层42和内腔43 ； 温度和压力调节系统5包括热电偶51、TEC加热/冷却器52、温度控制器53、压力传感器 54、进气系统55和压力控制器56。测试时,液体/粉末样品2填充于样品储罐3中；独立型传感器I垂直放置于液体/粉末样品2里；样品储罐3放置在恒温恒压腔内腔4中，并置于内腔的底面上，独立型传感器I的四个引线端依次与样品储罐3上端贯通设置的引线杆331 334连接，外端的引线头33a 33d仍经导线与后续测量电路6连接；完成整个连接过程后，启动温度和压力调节单元5，待温度和压力到达设定值后，即可测试样品的吸热系数。而接线方式及加热、测量方法与图IA所述测量固体时相同。可见，在对液体/粉末样品测量过程中，独立型传感器I垂直放置于液体/粉末样品2里，这一操作特点无法实现样品密度的调节，因此也就不能用于分析液体/粉末样品的吸热系数随密度变化的关系。实用新型内容[0007](一 )要解决的技术问题[0008]为解决上述的一个或多个问题，本实用新型提供了一种贴面式传感器及吸热系数测量装置。( 二 )技术方案[0010]根据本实用新型的一个方面，提供了一种贴面式传感器，包括块状基体，作为支撑物；金属丝状传感器，形成于所述块状基体的顶面上，其远离所述块状基体的一侧抵接于样品上；两引线件，形成于所述块状基体上，分别与所述金属丝状传感器的两端相连接，其末端设置引线端；以及防护薄膜层，形成于所述双螺旋形金属丝状传感器的顶面。[0011]优选地，本实用新型贴面式传感器中，所述金属丝状传感器为双螺旋形或蛇形。[0012]优选地，本实用新型贴面式传感器中，所述金属丝状传感器为双螺旋形，所述双螺旋形的直径介于10 50mm范围内；所述双螺旋形金属丝状传感器厚度介于10 100 μ m 范围内，单根金属丝宽度介于50 500 μ m范围之内，金属丝总长度介于100 600mm范围内。[0013]根据本实用新型的另一个方面，还提供了一种包括上述贴面式传感器的吸热系数测量装置，还包括与贴面式传感器两引线端相连接，为贴面式传感器提供对被测样品加热的周期正弦电流，并同时测量贴面式传感器两端的基波电压及三次谐波电压的谐波测量单元；以及与谐波测量单元相连接，利用块状基体的吸热系数、贴面式传感器两端的基波电压和三次谐波电压，计算被测样品吸热系数的计算单元。[0014]优选地，本实用新型吸热系数测量装置中，所述谐波测量单元包括其第一电流引线端和第二电流引线端分别与贴面式传感器的两引线端电连接，为贴片式传感器提供微弱周期正弦信号的加热电流提供部分，其第一探测电压引线端和第二探测电压引线端亦分别与贴面式传感器的两引线端电连接，测量金属丝状传感器的基波电压及三次谐波电压的信号测量部分。[0015]优选地，本实用新型吸热系数测量装置中，所述加热电流提供部分依次包括信号发生器；第一运算放大器，其输入端与信号发生器的输出端相连接；以及第九电阻，其一端连接至所述第一运算放大器，另一端连接至所述贴面式传感器。[0016]优选地，本实用新型吸热系数测量装置中，所述第九电阻为可调电阻，其阻值R9 =α XRm，其中Rm为金属丝状传感器11的阻值，α = O. 95 1.05。[0017]优选地，本实用新型吸热系数测量装置中，所述信号测量部分包括其第一输入端和第二输入端分别连接至第九电阻的两端，将第九电阻两端的电压信号转换为第一差动信号的第二运算放大器；其第一输入端和第二输入端分别连接至双螺旋形金属丝状传感器的两端，将双螺旋形金属丝状传感器两端的电压信号转换为第二差动信号的第三运算放大器；其两端分别连接至第二运算放大器和第三运算放大器的输出端，分时输出以下两个信号第一差动信号、第一差动信号和第二差动信号的差的第四运算放大器；其第二输入端连接至第四运算放大器的输出端，计算 基波电压，该基波电压为第一差动信号的一次谐波的有效值；还计算三次谐波电压，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的锁相放大器；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的微机控制与数据米集系统。[0018]优选地，本实用新型吸热系数测量装置还包括样品容器，固定于贴面式传感器的上方。[0019]优选地，本实用新型吸热系数测量装置中，所述样品容器包括容器壳，箍紧在所述贴面式传感器的块状基体侧面上构成一体结构；容器盖，与所述容器壳的内壁通过间隙配合连接，且该容器盖可在容器壳的内壁自由上下活动；压重物，设置于所述容器盖之上。[0020](三)有益效果[0021]从上述技术方案可以看出，本实用新型用于吸热系数测量的贴面式传感器及吸热系数测量装置具有以下有益效果[0022](I)本实用新型中，贴面式传感器内置的块状基体可以作为支撑物及双螺旋形金属丝状传感器一侧加热的样品，从而可以通过手持方式直接将贴面式传感器贴紧待测固体样品进行测试，不再对样品尺寸有要求、亦不需要携带专门的样品固定部件，这些特点在很大程度上解决目前基于谐波探测的3ω测量技术在测试样品吸热系数时需要对待测固体样品进行裁剪达到一定的尺寸、不能用于材料的现场测试等的问题；[0023](2)本实用新型中，粉末/液体样品填装在位于贴面式传感器上方的带活动型样品盖的样品容器中，这些特点使得粉末/液体样品的密度可调且可定量化(密度值可由容器壁面的刻度实时读出)，因此可进一步测量粉末样品的吸热系数与密度的关系。
[0024]图IA为现有技术吸热系数测量装置测量固体样品时的示意图；[0025]图IB为现有技术吸热系数测量装置测量液体/粉末样品时的示意图；[0026]图2Α为本实用新型实施例贴面式传感器的俯视图；[0027]图2Β为图2Α所示贴面式传感器沿A-A面的剖视图；[0028]图3为本实用新型实施例吸热系数测量装置中谐波测量单元的结构示意图；[0029] 阅图4为采用本实用新型实施例吸热系数测量装置测量固体样品吸热系数的示意图;图5为本实用新型实施例吸热系数测量装置中样品容器的结构示意图。[0031]主要元件符号说明[0032]I-贴面式传感器；2-待测样品；[0033]3-样品容器；4-破码；[0034]5-谐波测量单元。[0035]其中，贴面式传感器I包括[0036]11-双螺旋形金属丝状传感器；121 122-引线件；[0037]12a 12b-引线端；13-块状基体；[0038]14-防护薄膜层。[0039]样品容器3包括[0040]31-容器壳(带刻度)；32-容器盖。[0041]谐波测量单元5包括[0042]51-第一运算放大器；52-第二运算放大器；[0043]53-第三运算放大器；54-前置放大器；[0044]55-信号发生器；56-锁相放大器；[0045]57-微机控制与数据采集系统；Rl-第一低温漂电阻；[0046]R2-第二低温漂电阻；R3-第三低温漂电阻；[0047]R4-第四低温漂电阻；R5-第五低温漂电阻；[0048]R6-第六低温漂电阻；R7-第七低温漂电阻；[0049]R8-第八低温漂电阻；R9-第九电阻；[0050]5a-第一电流引线端；5b-第一探测电压引线端[0051]5c-第二探测电压引线端；5d-第二电流引线端。
具体实施方式
[0052]为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。[0053]需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。且在附图中，以简化或是方便标示。再者，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解， 参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。[0054]在本实用新型的一个示例性实施例中，提供了一种贴面式传感器。图2A为本实用新型实施例贴面式传感器的俯视图。图2B为图2A所示贴面式传感器沿A-A面的剖视图。如图2A和2B所示，贴面式传感器I包括块状基体13，作为支撑物，其吸热系数已知；金属丝状传感器11，形成于块状基体13的顶面上，其远离块状基体13的一侧抵接于样品上，用于对待测样品进行加热并向谐波测量单元5反馈基波电压及三次谐波电压；两引线件(121、 122)，形成于所述块状基体13上，分别与所述金属丝状传感器11的两端相连接，其末端设置引线端(12a，12b);防护薄膜层14，为绝缘导热材料，形成于所述双螺旋形金属丝状传感器11的顶面，用于将所述双螺旋形金属丝状传感器11产生的热量传导至样品。[0055]如图2A所示，金属丝状传感器11为双螺旋形。该双螺旋形金属丝状传感器11厚度在10 100 μ m范围内，其单根导电金属丝宽度在50 500 μ m范围内，双螺旋形结构的直径在10 50mm范围内，金属丝总长度在100 600mm范围内。双螺旋形金属丝状传感器11和两个引线件121 122由导电金属通过光刻或气相沉积工艺附着在块状基体13上。 所述导电金属为钼、金或镍。此外，金属丝状传感器11还可以为蛇形或者其他形状。两个引线端12a 12b间距在5 40mm范围内。[0056]如图2B所示，块状基体13表面经磨平、抛光处理，其在双螺旋形金属丝状传感器 11及两个引线件121 122的底面形成支撑物。本实用新型中，块状基体13的材料可以为石英玻璃，还可以是云母等表面光滑致密、绝缘、具有一定耐温性的材料。其中，块状基体 13的边长在20 IOOmm范围内，厚度在10 IOOmm范围内。[0057]如图2B所示，防护薄膜层14为在双螺旋形金属丝状传感器11及两个引线件 121 122的顶面形成的具有一定机械强度的绝缘保护层。防护薄膜层14的厚度在I 10μ m范围内，其是通过物理或化学气相沉积工艺附着在块状基体13上。该防护薄膜层14 为高导热薄膜材料，如类金刚石薄膜或立方氮化硼薄膜。[0058]在本实用新型的另一个示例性实施例中，还提供了一种吸热系数测量装置。该测量装置包括如上所述的贴面式传感器1，其一侧内置吸热系数已知的块状基体，另一侧抵接于被测样品表面，用于对被测样品进行加热；谐波测量单元5，与贴面式传感器I相连接， 用于为贴面式传感器I提供对样品加热的周期正弦电流，并同时采用谐波法测量贴面式传感器I两端的基波电压及三次谐波电压；及计算单元，与所述谐波测量单元5相连接，用于利用所述块状基体的吸热系数、贴面式传感器I两端的基波电压和三次谐波电压，计算被测样品的吸热系数。[0059]以下分别对本实用新型吸热系数测量装置中除贴面式传感器之外的各个组成部分进行详细说明。图3为本实用新型实施例吸热系数测量装置中谐波测量单元的结构示意图。如图 3所示,谐波测量单元5包括[0061]加热电流提供部分，其第一电流引线端5a和第二电流引线端5d分别与贴面式传感器I的两引线端(12a，12b)电连接，用于为贴片式传感器提供微弱周期正弦信号，包括 信号发生器55、第一运算放大器51和第九电阻R9,其中，信号发生器55的第一输出端输出角频率为ω的交流电压信号；该交流电压信号经第一运算放大器51转换为电流信号，该电流信号依次驱动第九电阻R9和贴面式传感器I内封装的双螺旋形金属丝状传感器11。[0062]信号测量部分，其第一探测电压引线端5b和第二探测电压引线端5c亦分别与贴面式传感器I的两引线端(12a，12b)电连接，用于测量金属丝状传感器11的基波电压及三次谐波电压，包括第二运算放大器52、第三运算放大器53、第四运算放大器54、锁相放大器56及微机控制与数据采集系统57，其中[0063]第二运算放大器52，其第一输入端和第二输入端分别连接至第九电阻R9的两端， 用于将第九电阻R9两端的电压信号转换为第一差动信号；[0064]第三运算放大器53，其第一输入端和第二输入端分别连接至双螺旋形金属丝状传感器11的两端，用于将双螺旋形金属丝状传感器11两端的电压信号转换为第二差动信号;[0065]第四运算放大器54，其两端分别连接至第二运算放大器52和第三运算放大器53 的输出端，用于分时输出以下两个信号第一差动信号、第一差动信号和第二差动信号的[0066]锁相放大器56，其第二输入端连接至第四运算放大器54的输出端，用于计算基波电压，该基波电压为第一差动信号的一次谐波的有效值；计算三次谐波电压，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；[0067]微机控制与数据米集系统57,其输入端连接至锁相放大器56的输出端,用于对锁相放大器56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。[0068]由于实际测得的是金属丝状传感器11的微弱温升(由基波和三次谐波直接计算得到)，因此电路里必须用低温漂电阻，确保温度测量的准确性。如图3所示，第二运算放大器52的第一输入端和第二输入端分别通过第一低温漂电阻Rl和第二低温漂电阻R2连接至第九电阻R9的两端，且第一输入端通过第三低温漂电阻R3连接至地，第二输入端通过第四低温漂R4连接至其输出端。第三运算放大器53的第一输入端和第二输入端分别通过第五低温漂电阻R5和第六低温漂电阻R6连接至金属丝状传感器11的两端，且第一输入端通过第七低温漂电阻R7连接至地，第二输入端通过第八低温漂R8连接至其输出端。[0069]其中，第九电阻R9为可调电阻，其阻值接近金属丝状传感器11的阻值，其中，R9 = a XRm，其中Rm为金属丝状传感器11的阻值，α =0.95 I. 05。第一低温漂电阻R1、第二低温漂电阻R2、第三低温漂电阻R3、第四低温漂电阻R4、第五低温漂电阻R5、第六低温漂电阻R6、第七低温漂电阻R7、第八低温漂电阻R8为阻值温度系数仅为2ppm/°C类型的低温漂电阻。[0070]此外,锁相放大器56的第一输入端连接至信号发生器55的第二输出端,用于通过差动输入监测，使得由测量部分各元件组成的电桥平衡。[0071]本实施例中，计算单元，用于利用以下公式由已知的块状基体13的吸热系数及基波电压、三次谐波电压，计算待测样品的吸热系数
权利要求1.一种贴面式传感器,其特征在于,包括块状基体，作为支撑物；金属丝状传感器，形成于所述块状基体的顶面上，其远离所述块状基体的一侧抵接于样品上；两引线件，形成于所述块状基体上，分别与所述金属丝状传感器的两端相连接，其末端设置引线端；以及防护薄膜层，形成于所述双螺旋形金属丝状传感器的顶面。
2.根据权利要求I所述的贴面式传感器，其中，所述金属丝状传感器为双螺旋形或蛇形。
3.根据权利要求2所述的贴面式传感器，其中，所述金属丝状传感器为双螺旋形，所述双螺旋形的直径介于10 50mm范围内；所述双螺旋形金属丝状传感器厚度介于10 100 μ m范围内，单根金属丝宽度介于 50 500 μ m范围之内，金属丝总长度介于100 600mm范围内。
4.一种包括权利要求I至3中任一项所述贴面式传感器的吸热系数测量装置，其特征在于，还包括与所述贴面式传感器两引线端相连接，为所述贴面式传感器提供对被测样品加热的周期正弦电流，并同时测量所述贴面式传感器两端的基波电压及三次谐波电压的谐波测量单元；以及与所述谐波测量单元相连接，利用所述块状基体的吸热系数、贴面式传感器两端的基波电压和三次谐波电压，计算被测样品吸热系数的计算单元。
5.根据权利要求4所述的吸热系数测量装置，其中，所述谐波测量单元包括其第一电流引线端和第二电流引线端分别与贴面式传感器的两引线端电连接，为贴片式传感器提供微弱周期正弦信号的加热电流提供部分，其第一探测电压引线端和第二探测电压引线端亦分别与贴面式传感器的两引线端电连接，测量金属丝状传感器的基波电压及三次谐波电压的信号测量部分。
6.根据权利要求5所述的吸热系数测量装置，其中，所述加热电流提供部分依次包括: 信号发生器；第一运算放大器，其输入端与信号发生器的输出端相连接；以及第九电阻，其一端连接至所述第一运算放大器，另一端连接至所述贴面式传感器。
7.根据权利要求5所述的吸热系数测量装置，其中，所述第九电阻为可调电阻，其阻值 R9 = α XRm，其中Rm为金属丝状传感器的阻值，α = O. 95 I. 05。
8.根据权利要求6所述的吸热系数测量装置，其中，所述信号测量部分包括其第一输入端和第二输入端分别连接至第九电阻的两端，将第九电阻两端的电压信号转换为第一差动信号的第二运算放大器；其第一输入端和第二输入端分别连接至双螺旋形金属丝状传感器的两端，将双螺旋形金属丝状传感器两端的电压信号转换为第二差动信号的第三运算放大器；其两端分别连接至第二运算放大器和第三运算放大器的输出端，分时输出以下两个信号第一差动信号、第一差动信号和第二差动信号的差的第四运算放大器；其第二输入端连接至第四运算放大器的输出端，计算基波电压，该基波电压为第一差动信号的一次谐波的有效值；还计算三次谐波电压，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的锁相放大器；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的微机控制与数据采集系统。
9.根据权利要求4所述的吸热系数测量装置，还包括样品容器，固定于贴面式传感器的上方。
10.根据权利要求9所述的吸热系数测量装置，其中，所述样品容器包括容器壳，箍紧在所述贴面式传感器的块状基体侧面上构成一体结构；容器盖，与所述容器壳的内壁通过间隙配合连接，且该容器盖可在容器壳的内壁自由上下活动；压重物，设置于所述容器盖之上。
专利摘要本实用新型提供了一种贴面式传感器及吸热系数测量装置。该贴面式传感器，包括块状基体，作为支撑物；金属丝状传感器，形成于块状基体的顶面上，其远离块状基体的一侧抵接于样品上；两引线件，形成于块状基体上，分别与金属丝状传感器的两端相连接，其末端设置引线端；以及防护薄膜层，形成于双螺旋形金属丝状传感器的顶面。本实用新型可以通过手持方式直接将贴面式传感器贴紧待测固体样品进行测试。
文档编号G01N25/20GK202735279SQ20122036042
公开日2013年2月13日 申请日期2012年7月24日 优先权日2012年7月24日
发明者邱琳, 郑兴华, 唐大伟 申请人:中国科学院工程热物理研究所