一种利用瞬态平面热源法测试岩体热导率的传感器及其测试装置的制作方法
本发明涉及一种利用瞬态平面热源法测试岩体热导率的传感器及其测试装置，属于岩土工程领域中能够有效精确的获得土体的室内试验测试元件及装置。
背景技术：
瞬态平面热源法是一种基于无限大介质脉冲加热圆盘形成热源产生的瞬态温度响应，然后通过记录并拟合温升与探头响应时间关系，进而通过公式计算求出材料热导率的实验法，可用于解决热工程中的材料热力学性质分析。瞬态平面热源法由热线法和热带法发展而来，并且融合了热线法和热带法的优点，将热线改变成双螺旋结构的平面热源，使试样与探头接触面积成倍增加，减少接触了热阻，进而使测试值的灵敏度和精确度得到了很大的提高。且其适用范围广泛，胶体、液体等热物性参数都可以测量，逐步成为热力学性能测试中备受青睐的测试方法。
热导率系数是岩土工程中一个非常重要的参数，它是确定浅层岩土体热力学性能的基础。表层岩土体热导率的大小不仅决定着浅层地下温度场的展布形态，也决定着热泵计算功率的核心，是影响地源热泵工程投资和能耗的关键因素。目前实验室用于测试岩体热力学性质的方法主要是热线法和热带法，由于其接触面积小，热阻大，使得测试结果不够灵敏和精确。
本发明将瞬态平面热源法应用于岩体热力学性质测试中，提出一种可测试岩体热导率的传感器及其测试装置，为岩土工程中相关设计参数的确定提供快捷有效的室内试验测定方法。
技术实现要素：
本发明目的是针对国内现有室内岩体热力学性质测试仪器缺陷，提出一种利用瞬态平面热源法测试岩体热导率的传感器及其测试装置。
本发明采用的技术方案为：一种利用瞬态平面热源法测试岩体热导率的传感器，所述传感器的探头包括刻蚀成双螺旋结构的导电镍箔，半径在6-7mm之间，传感器使用聚亚酰胺薄膜，传感器厚度在60μm和25μm之间。
一种使用上述传感器的测试装置，包括圆形试验台、岩样放置台、调校螺丝、固定板、固定螺丝和传感器；所述圆形试验台中心安装有岩样放置台，放置台与圆形试验台之间通过调校螺丝连接，岩样放置台上放置有圆形岩样，所述固定板刚性连接在圆形试验台的上方，固定板中心安装有固定螺丝，固定螺丝的下端部设在圆形岩样上，并将其固定；所述圆形岩样由两个子样组成，所述传感器设在两个子样之间，传感器通过数据线与电脑相连。
本发明传感器必须记录发出热脉冲后，利用电脑记录传感器的电信号变化，对电信号处理后得到岩样热响应曲线进而推导出岩样热导率。
作为优选，所述的圆形试验台直径为80mm，所述岩样放置台直径为50mm。
稳定的试验台保证试验过程中岩样的稳定，使用远薄于岩样厚度的传感器保证了测试不会受到尺寸效应的应用，基于瞬态平面热源法的测试方法保证了测试结果的灵敏度和精确度。
瞬态平面热源镍箔传感器中，其电阻和温度的关系表达如下：
式中，r0为传感器被加热前的电阻，α是电阻温度系数(tcr)；δti为传感器绝缘薄层的温度差分。δtave(τ)为样品表面绝缘层另一面与面对传感器一面的温度升高。
有益效果：热导率系数是岩土工程中一个非常重要的参数，它是确定浅层岩土体热力学性能的基础。表层岩土体热导率的大小不仅决定着浅层地温场的展布形态，也决定着热泵计算功率的核心，是影响地源热泵工程投资和能耗的关键因素。目前实验室用于测试岩体热力学性质的方法主要是热线法和热带法，由于其接触面积小，热阻大，使得测试结果不够灵敏和精确。本发明将瞬态平面热源法应用于岩体热力学性质测试中，提出一种可测试岩体热导率的传感器及其测试装置，为岩土工程中相关设计参数的确定提供快捷有效的室内试验测定方法。
附图说明
图1为瞬态平面热源传感器；
图2为岩体热导率系数测试装置示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种利用瞬态平面热源法测试岩体热导率的传感器，所述传感器的探头包括刻蚀成双螺旋结构的导电镍箔，半径在6-7mm之间，传感器使用聚亚酰胺薄膜，传感器厚度在60μm和25μm之间。
如图2所示，一种使用上述传感器的测试装置，包括圆形试验台1、岩样放置台2、调校螺丝3、固定板4、固定螺丝5和传感器6；所述圆形试验台1中心安装有岩样放置台2，放置台2与圆形试验台1之间通过调校螺丝3连接，岩样放置台2上放置有圆形岩样8，所述固定板4刚性连接在圆形试验台1的上方，固定板4中心安装有固定螺丝5，固定螺丝5的下端部设在圆形岩样8上，并将其固定；所述圆形岩样8由两个子样组成，所述传感器6设在两个子样之间，传感器6通过数据线7与电脑相连。所述的圆形试验台1直径为80mm，所述岩样放置台2直径为50mm。
本发明传感器必须记录发出热脉冲后，利用电脑记录传感器的电信号变化，对电信号处理后得到岩样热响应曲线进而推导出岩样热导率。
将测试岩样削出两个子样，并分别将子样的一面抛光以便测试使用。通过调校螺丝使放置台水平后，将传感器夹在两个子样抛光面中形成三明治结构并放置在放置台上，通过固定板中心的固定螺丝固定岩样，并稍微施加压力使岩样抛光面能够与传感器接触紧密，随后在传感器接通电源，施加瞬态热脉冲后，使用与传感器相连的电脑记录传感器电信号。
通过软件处理电信号与温度的关系，并作出二者关系曲线，测得曲线斜率进一步计算，所得结果即为材料热导率，此试验方法计算所得的结果较其他方法更为精确。根据传感器电阻与温度变化之间的关系式：
式中，r0为传感器被加热前的电阻，α是电阻温度系数(tcr)；δti为传感器绝缘薄层的温度差分。δtave(τ)为样品表面绝缘层另一面与面对传感器一面的温度升高。通过运算得到δtave(τ)随d(τ)变化曲线为一条直线，其截距为δti，而斜率为
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
技术特征：
技术总结
本发明公开了一种利用瞬态平面热源法测试岩体热导率的传感器及其测试装置，传感器的探头包括刻蚀成双螺旋结构的导电镍箔，半径在6‑7mm之间，传感器使用聚亚酰胺薄膜，传感器厚度在60μm和25μm之间。测试装置包括圆形试验台、岩样放置台、调校螺丝、固定板、固定螺丝和传感器；所述圆形试验台中心安装有岩样放置台，放置台与圆形试验台之间通过调校螺丝连接，岩样放置台上放置有圆形岩样，圆形岩样由两个子样组成，所述传感器设在两个子样之间，传感器通过数据线与电脑相连。该装置能够快速有效的测试岩盐的热导率，为岩体热力学性质的室内测试提供了一种方便和精确的试验方法，对浅层热流研究与能源桩工程实践有着重要意义。
技术研发人员：蔡国军;张文伟;刘松玉
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2017.01.22
技术公布日：2017.09.22
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