一种导热系数测试仪的制作方法

本实用新型涉及测试仪器设备技术领域，具体是涉及一种用于测试物体导热系统的设备。

背景技术：

材料的导热系数是研究材料物理性能的一个重要参数指标，在科研、教学、生产等方面都要求对材料的导热系数进行预测或实测。导热系数是反映材料导热性能的物理量，它不仅是评价材料的热学性的依据，而且是材料在应用时的一个设计依据，所以在科学实验和工程技术中对材料的导热系数的测定成为开发新材料的关键。然而，目前用于测定材料导热系统的设备通常比较极端，要么设备的结构非常复杂，操作过程非常繁琐和专业，以其获取较为精确的导热系统值；要么设备比较简陋，操作过程也比较简单，当然，获取的导热系数值也存在较大的误差，且功能单一，尤其是对于硅胶、硅橡胶、导热硅胶、导热树脂等热传导材料更是如此。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是针对现有技术的缺陷，提供一种结构相对简单、使用方便、测试过程自动化程度高的导热系数测试仪，其专门用于测试硅胶、硅橡胶、导热硅胶、导热树脂等热传导材料的导热系数、热阻、质量、压缩变形量等参数，测试材料为片状固态体。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：一种导热系数测试仪，其特征在于：包括有机身、控制系统、电源、动力系统、加热系统和散热系统，控制系统包括有主控板，动力系统包括有伺服电机，加热系统包括有加热臂，散热系统包括有散热臂；加热臂和散热臂同轴对向设置，散热臂在下，加热臂在上，两者之间形待测物放置区；加热臂的上端连接一隔热导套，该导套安装于一丝杆上，该丝杆连接伺服电机；加热臂和散热臂中各设有温度传感器，温度传感器连接主控板，伺服电机和加热臂连接主控板及电源。

进一步地，在机身的底板上安装有两导柱，导柱的下部安装有一下活动板，所述散热臂的下端连接一水冷模块的上端，水冷模块下端连接一隔热导套，隔热导套安装于下活动板上；在下活动板的下面安装有压力传感器，压力传感器固定于底板上。

进一步地，固定有加热臂的中固定板以可上下滑动的方式安装于导柱的中部位置，在导柱的顶端安装有起固定作用的上固定板；在上固定板的底面设有用于防止中固定板上移过头的限位开关。

下活动板以可上下滑动的方式安装于导柱的下部位置，其将加热臂下移施加的压力传递至底部的压力传感器。

测试时水冷模块连接端连接至恒温水箱，开启恒温水箱并将水温设置于30℃形成默认散热端的温度。

进一步地，所述加热臂和散热臂采用紫铜制成，两者均为圆柱状结构，表面均覆盖有隔热材料，加热臂的下端面与散热臂的上端面均为平面且相互平行，在导热、压力均匀性与耐用方面能达到更好的平衡。

进一步地，所述伺服电机连接有伺服电机驱动器，伺服电机驱动器安装于机身后部并固定于机身的底板上；在伺服电机驱动器的前方设有一直立的侧隔板，侧隔板的顶端伸至机身内部的中间位置，电源与伺服电机驱动器位于侧隔板隔成的后部空间中，且电源安装于侧隔板上，而加热臂及散热臂位于侧隔板隔成的前部空间中，这样可以将加热臂的热量与电源隔离开来，确保电源的安全性。

进一步地，沿加热臂的外部套设有一与加热臂构成垂直的上隔板，上隔板固定于机身中并枕于侧隔板的顶端；沿散热臂的外部套设有一与散热臂构成垂直的下隔板，下隔板固定于机身及侧隔板的侧面；加热臂和散热臂伸入于由上隔板及下隔板围成的测试区域，该测试区域形成未被机身包裹的开放式结构以便于进行测试操作，且在该测试区域的正面安装有一玻璃门，玻璃门将测试区域盖住以确保安全性。上隔板、侧隔板和下隔板位于测试区域范围内的部位的表面覆盖有隔热材料。

进一步地，所述温度传感器包括有加热端温度传感器和散热端温度传感器，加热端温度传感器在加热臂的下部侧面设有三处，而散热端温度传感器则在散热臂的上部侧面设有三处，且加热端温度传感器与散热端温度传感器上下对齐，且传感器间隔距离相等，以尽量保持温度的精确性。

进一步地，在机身上安装有指示及通信机构，指示及通信机构连接主控板；指示及通信机构包括有蜂鸣器和指示灯及蓝牙通信模块，蜂鸣器和指示灯作为指示部分，起警示与提示功能；蓝牙通信模块则作为通信部分，通过蓝牙通信模块可以将设备与上位机(如电脑)、手持设备或手机等进行无线通信。

进一步地，在上隔板上安装有一L型的挡板，该挡板设于主控板的前方，其将主控板与加热臂隔离开，以此将加热臂的热量挡住；而伺服电机与丝杆均安装于该上隔板上。

本实用新型通过主控板的控制，以及伺服电机、加热臂、散热臂、水冷模块、温度传感器、蓝牙通信模块等机构的相互配合，可以通过手机等非常方便地进行测试操作，使用方便，自动化程度高，能够快速、高效、准确、安全地测定硅胶、硅橡胶、导热硅胶、导热树脂等热传导材料的导热系数、热阻、质量、压缩变形量等参数。

附图说明

图1为本实用新型正面结构示意图；

图2为本实用新型内部结构示意图；

图3为本实用新型内部立体结构示意图。

图中，1为伺服电机，2为加热臂，3为待测物放置区，4为散热臂，5为水冷模块，6为导柱，7为丝杆，8为指示及通信机构，9为中固定板，10为主控板，11为加热端温度传感器，12为散热端温度传感器，13为机身，14为底板，15为下活动板，16为伺服电机驱动器，17为电源，18为上固定板，19为上隔板，20为侧隔板，21为下隔板，22为挡板。

具体实施方式

本实施例中，参照图1、图2和图3，所述导热系数测试仪，包括有机身13、控制系统、电源17、动力系统、加热系统和散热系统，控制系统包括有主控板10，动力系统包括有伺服电机1，加热系统包括有加热臂2，散热系统包括有散热臂4；加热臂2和散热臂4同轴对向设置，散热臂4在下，加热臂2在上，两者之间形待测物放置区3；加热臂2的上端连接一隔热导套，该导套安装于一丝杆7上，该丝杆7连接伺服电机1；加热臂2和散热臂4中各设有温度传感器，温度传感器连接主控板10，伺服电机1和加热臂2连接主控板10及电源17。

在机身13的底板14上安装有两导柱6，导柱6的下部安装有一下活动板15，所述散热臂4的下端连接一水冷模块5的上端，水冷模块5下端连接一隔热导套，隔热导套安装于下活动板15上；在下活动板15的下面安装有压力传感器，压力传感器固定于底板14上。下活动板15以可上下滑动的方式安装于导柱6的下部位置，其将加热臂2下移施加的压力传递至底部的压力传感器。

固定有加热臂2的中固定板9以可上下滑动的方式安装于导柱6的中部位置，在导柱6的顶端安装有起固定作用的上固定板18；在上固定板18的底面设有用于防止中固定板9上移过头的限位开关。

测试时，水冷模块5连接端连接至恒温水箱，开启恒温水箱并将水温设置于30℃形成默认散热端的温度。

所述加热臂2和散热臂4采用紫铜制成，两者均为圆柱状结构，表面均覆盖有隔热材料，加热臂2的下端面与散热臂4的上端面均为平面且相互平行，在导热、压力均匀性与耐用方面能达到更好的平衡。

所述伺服电机1连接有伺服电机驱动器16，伺服电机驱动器16安装于机身13后部并固定于机身13的底板14上；在伺服电机驱动器16的前方设有一直立的侧隔板20，侧隔板20的顶端伸至机身内部的中间位置，电源17与伺服电机驱动器16位于侧隔板20隔成的后部空间中，且电源17安装于侧隔板20上，而加热臂2及散热臂4位于侧隔板20隔成的前部空间中，这样可以将加热臂2的热量与电源17隔离开来，确保电源的安全性。

沿加热臂2的外部套设有一与加热臂2构成垂直的上隔板19，上隔板19固定于机身中并枕于侧隔板20的顶端；沿散热臂4的外部套设有一与散热臂4构成垂直的下隔板21，下隔板21固定于机身1及侧隔板20的侧面；加热臂2和散热臂4伸入于由上隔板19及下隔板21围成的测试区域，该测试区域形成未被机身1包裹的开放式结构以便于进行测试操作，且在该测试区域的正面安装有一玻璃门，玻璃门将测试区域盖住以确保安全性。上隔板19、侧隔板20和下隔板21位于测试区域范围内的部位的表面覆盖有隔热材料。

所述温度传感器包括有加热端温度传感器11和散热端温度传感器12，加热端温度传感器11在加热臂2的下部侧面设有三处，而散热端温度传感器12则在散热臂4的上部侧面设有三处，且加热端温度传感器11与散热端温度传感器12上下对齐，且传感器间隔距离相等，以尽量保持温度的精确性。

在机身1上安装有指示及通信机构8，指示及通信机构8连接主控板10；指示及通信机构8包括有蜂鸣器和指示灯及蓝牙通信模块，蜂鸣器和指示灯作为指示部分，起警示与提示功能；蓝牙通信模块则作为通信部分，通过蓝牙通信模块可以将设备与上位机(如电脑)、手持设备或手机等进行无线通信。

在上隔板19上安装有一L型的挡板22，该挡板22设于主控板10的前方，其将主控板10与加热臂2隔离开，以此将加热臂2的热量挡住；而伺服电机1与丝杆7均安装于该上隔板19上。

正式测试前，需将水冷模块5连接端连接至恒温水箱，开启恒温水箱并将水温设置于30℃(默认散热端温度)，水温恒定后，清理加热臂2和散热臂4表面，关闭前面板(玻璃门)，开启本设备。

1、打开电源17，主控板10控制蜂鸣器及指示灯工作，响2声，闪烁2次，指示电源17工作正常，主控板10供电正常，程序运行正常。蓝牙通信模块工作并闪烁等待连接，程序转入自检模式。

2、伺服驱动自检：

主控板10判断限位开关状态，如为闭合状态，说明加热臂2已到达移动位置上限；如为断开状态，说明加热臂2位置待定。此时主控板10控制伺服电机驱动器16驱动伺服电机1工作，通过丝杆7旋转带动加热臂2随中固定板9上移，直到限位开关闭合。

3、压力传感器自检：

主控板10内部位置变量及待测物厚度变量清零，并等待2秒，待整机稳定后检采集压力传感器信息，将毛重减掉并清零。

4、位移量自检：

主控板10控制伺服电机驱动器16驱动伺服电机1工作，通过丝杆2旋转带动加热臂2下移，并采集压力传感器压力值和伺服电机驱动器16转数值，当压力值为2千克时停止。此时，认为加热臂2和散热臂4已完全贴合，由伺服电机驱动器16转数值计算得到加热臂2的最大位移量。

5、温度传感器自检：

等待300秒，使加热臂2和散热臂4温度恒定，检测加热端温度传感器11及散热端温度传感器12共计6组温度数据，对温度传感器做修正。

6、待测物厚度清零：

主控板10控制加热臂2内置的加热棒工作，采用全功率输出模式，使得加热臂2开始升温，保持水冷模块5水冷温度稳定于30℃，持续加热180秒。由于加热臂2和散热臂4的紫铜柱受热膨胀，长度增加，会导致待检测物厚度测量误差，因此需检测压力传感器数值，并控制伺服电机1做上下位移调整，保持压力传感器数值始终为2千克±5克。此时清零主控板10内部待测物厚度变量，并修正加热臂2最大位移量值。

7、待机：

主控板10控制加热臂2停止加热，控制伺服驱动器16驱动伺服电机1反向旋转，带动加热臂2上移，同时对位移量采集，上移高度为30mm。结束后转入待机模式，等待蓝牙连接及指令控制。

8、散热系数校订：

如上位机控制端(平板)已连接，并发送散热系数校订模式指令，则先做2—6项，然后转入以下流程：

上下臂完全贴合情况下，主控板10控制加热臂2内置的加热棒工作，采用全功率输出模式，使得加热臂2开始升温，保持水冷模块5水冷温度稳定于30℃，持续检测顶部的加热端温度传感器，加热使该温度传感器至66℃，自上而下的六组温度传感器形成稳定的梯度差。

采集顶部的散热端温度传感器数值，采集间隔0.25秒/次，主控板10控制加热棒停止加热，控制伺服驱动器16驱动伺服电机1反向旋转，带动加热臂2上移，同时对位移量采集，上移高度为30mm。采集顶部的散热端温度传感器数值共计2048次(512秒)，并存储于主控板10内部EEPROM，作为30℃条件下散热系数计算依据(不同温度下散热系数可通过调整外置恒温水箱及水冷模块7水冷温度依次检测得到)，并将检测值发送至上位机控制端(平板)，结束后转入待机模式。

9、完整测试：

打开电源17后，系统自动执行1-7项，并转入待机模式，此时可进行完整测试。

打开前面板(玻璃门)，将待检测物品放入待测物放置区3，平稳并边缘平齐，关闭面板。保持水冷模块5的温度稳定于30℃。

测试过程：点击上位机控制端(平板)“启动”按钮，主控板10控制伺服电机驱动器16驱动伺服电机1工作，通过丝杆7旋转带动加热臂2下移，同时采集压力传感器的压力值和伺服电机驱动器16的转数值，当压力值达到上位机控制端(平板)设定压力值时进入压力动态阶段(随热膨胀变化调整)，主控板10采用PWM方式控制加热臂2内置的加热棒工作，持续加热并保证底部的加热端温度传感器恒定为60℃。每0.5秒检测三组加热端温度传感器11及三组散热端温度传感器12共计6组温度数据一次，并根据采集温度值计算导热系数及热阻，主控板10每秒通过蓝牙通信模块发送一次数据至上位机，上位机每10秒刷新一次图形，每次可现实共计1200秒内温度曲线。当底部的加热端温度传感器稳定为60±0.1℃且保持100秒无明显变化时，认为测试完成，上位机自动截屏存储数据于设定文件夹下，转入待机状态。主控板10控制加热棒停止工作，并让加热臂2上升30mm，蜂鸣器响2声表示测试完成并转入待机。

利用手机控制的使用过程：打开电源17，加热臂2自动抬升，到达上停止位后伺服电机1停止，系统自检约10秒，蓝牙连接指示灯闪烁，此时可使用手机APP连接系统。

启动手机APP，提示打开蓝牙，确认“是”。点击手机menu建，弹出“Connect a device”(连接设备)菜单，点击，弹出当前可用的蓝牙连接，选择自己的设备(HC-06,初始配对密码“1234”)。

连接成功，右上角“connected：HC-06”，如未成功，需重复连接操作。连接成功后，蓝牙通信指示灯不再闪烁，恒亮。

连接成功但未测试时，界面右上角待测指示灯恒亮，此时系统处于待机模式，温度/压力/厚度采集正常工作，可实时显示当前系统温度及压力。

放入导热材料后，点击“开”，系统进入测试模式，加热臂2自动下降，达到测试压力后，加热臂2停止，为保证测试过程中系统热胀冷缩导致被测导热材料压缩变形，此压力会实时调整，因此测试过程中加热臂2工作属正常。

测试模式开启后，加热臂2开始升温，系统监测温度，实时计算并显示比热值，界面实时显示温度曲线、已运行时间、当前压力、厚度。

当测试时间超过设定时间，系统温度稳定后(+-0.01)，测试自动结束，测试系统连续发送3次测试结果，并由测试模式转到结束模式，界面弹窗显示，并截屏，自动保存在系统“DCIM/CAMERA/用户设定文件夹”路径下，用户可导出后打印。

测试结束显示结果后，加热臂2抬升到上停止位，停止加热，系统由结束模式重新转回待机模式，等待蜂鸣器滴一下进入下一次测试。

测试或待机过程中，可断开并移走终端，且可再次连接，但测试结束时间段(测试时间大于30分钟)内的再次连接，可能会漏掉测试结果。

本实用新型采用的是稳态法测量导热系数。试样被夹在两金属块之间，加热单元是由紫铜高导热性的材料构成。用热绝缘材料与周围的保温加热器相隔离。测量棒是由高热导性材料构成，并且具有平行的工作表面。水冷模块5是一个金属盒，由恒温水对其冷却。检测时，一方面加热臂2直接将热量通过样品上平面传入样品，另一方面散热臂4使传入样品的热量不断由样品的下平面散出，当传入的热量等于散出的热量时样品处于稳定导热状态，这时样品的上下平面的温度分别为一定的数值。此时，通过样品厚度、半径、温度梯度与通过样品的热流便可计算导热系数。

稳定传热原理：

当物体内部各处的温度不均匀时，就会有热量从温度较高处传递到温度较低处，这种现象叫热传导现象。对于各向同性的物质，在稳定传热状态下有傅立叶定律：

比例系数λ称导热系数，其值等于相距单位长度的两平面的温度相差为一个单位时，在单位时间内通过单位面积所传递的热量，单位是瓦·米^-1·开^－1(W·m^-1·K^-1)。

以上已将本实用新型做一详细说明，以上所述，仅为本实用新型之较佳实施例而已，当不能限定本实用新型实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本实用新型涵盖范围内。