一种基于热通量的热物性参数测量系统和方法

本发明涉及热学参数测量，特别是涉及一种基于热通量的热物性参数测量系统和方法。

背景技术：

1、随着智能传感、触觉再现、虚拟现实等技术的不断发展，对物体进行快速、准确的识别成为提升机器人、自动控制系统与外界交互能力的关键，也是触觉反馈研究的热点，越来越受到重视。其中，热觉感知是触觉反馈中一个重要的方向。热觉传感器模拟人体皮肤接触物体时，皮肤感知到的温度变化可用于识别不同导热能力的材料。目前已有多种热觉感知方法，例如恒定电压法、恒定温差法、峰值热流量法等，这些方法通过测量传感器接触物体后温度、热量的特征数据，并将其传输到终端进行比对，以区分不同材料，并取得了良好的效果。然而，目前这些方法只能定性地区分材料，而在触觉再现等领域，则需要获取更加丰富、多维的触觉信号。除了识别物体的种类，还需要获取物体的热学信息。目前，测量材料热物性参数的定量方法往往需要借助大型仪器或制备特定结构来实现，缺乏灵活性。因此，需要寻求新的方法来解决这个问题。

2、需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于克服上述背景技术的缺陷，提供一种基于热通量的热物性参数测量系统和方法。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种基于热通量的热物性参数测量系统，包括热通量传感器、温度传感器和加热器，所述热通量传感器的一侧与被测物体的表面接触，所述热通量传感器的另一侧设置所述加热器，所述加热器对被测物体的传热面覆盖所述热通量传感器，所述加热器产生的热量通过所述热通量传感器传导到所述被测物体，所述热通量传感器用于测量通过被测物体边界的热流密度，所述温度传感器以等效于放置在所述热通量传感器与被测物体接触的那一侧的方式设置在被测物体的表面上，所述温度传感器用于测量被测物体边界的温度；其中，所测的热流密度和温度用于确定被测物体的热物性参数。

4、进一步地：

5、所述热通量传感器为柔性热通量传感器，其敏感单元为热电堆。

6、所述加热器对所述热通量传感器的覆盖面积大于所述热通量传感器对被测物体的覆盖面积，所述温度传感器设置于被测物体的处在所述加热器的覆盖面积内而在所述热通量传感器的覆盖面积外的表面上，所述温度传感器与所述加热器之间设置有热阻层。

7、所述热通量传感器为聚酰亚胺封装，所述热阻层为聚酰亚胺层。

8、所述热阻层的厚度与所述热通量传感器相同，面积与所述加热器相同，所述热阻层的中间为镂空结构，用于安装嵌入所述热通量传感器。

9、所述温度传感器为细线热电偶。

10、所述加热器背向所述热通量传感器的一侧设置有隔热结构。

11、根据所测的热流密度和温度，通过构建离散瞬态热传导模型确定被测物体的热物性参数，具体包括：

12、将被测物体视为半无限大物体，垂直于所述表面的方向将该物体离散化为n个单元点，其传热的边界方程为：

13、

14、其中t表示温度，i表示迭代次数，k是被测物体的热导率，ρ和c分别为被测物体的密度和热容，δx是离散化的单元点间距，δτ是迭代的时间间隔，q是流入物体的热流密度；

15、对于第2～n-1个节点，其控制方程为：

16、

17、其中，α为被测物体的热扩散率；

18、物体的初始温度为t0，下边界条件和初始条件为：

19、

20、

21、基于给定的(如随机给定的)被测物体的热导率和热扩散率，根据测量的热流密度，计算得到被测物体表面的理论温度；

22、基于计算的理论温度与实际测量温度的误差构建评价函数，通过迭代求解和拟合计算，由最小误差对应的参数得到被测物体的热导率与热扩散率。

23、以计算得到的理论温度与实际测量温度的均方根误差为评价函数，通过最小二乘法拟合计算得到被测物体的热导率与热扩散率。

24、一种基于热通量的热物性参数测量方法，使用所述的系统测量物体的热物性参数。

25、本发明具有如下有益效果：

26、本发明提出了一种基于热通量的热物性参数测量系统和方法，其具有精度高、稳定性好、小型化以及快速测量等优点。不同材料具有不同的导热能力，可由热导率和热扩散率来衡量，在给定的热流密度下，物体的温度变化值与热导率、热扩散率直接相关。本发明的测量系统可以直接贴附于被测物体表面，当给加热器供电加热时，热通量传感器能够实时测量流入物体的热流密度，同时热电偶直接与物体表面接触，测量物体表面温度变化。之后，根据所测的热流密度和温度，通过离散热瞬态热传导模型可以计算出理论温度变化，与实测温度的均方根误差作为评价函数，通过优化算法计算最小误差对应的参数即可得出被测物体的热导率和热扩散率。

27、本发明构建的热觉感知测量系统具有精度高、小型化、稳定性好、易于集成在智能机器人、控制系统的优点，其测量结果通过相应的离散瞬态热传导模型进行计算，能够准确、快速测量出不同物体的热导率和热扩散率。

28、一方面，热通量传感器可以直接测量流入物体的热流密度，无需对传感器与基底等部分进行建模，极大地简化了物理模型，减少了变量个数，从而提升了模型的计算准确性。另一方面，模型的输入为热流密度，并根据物体边界温度的变化来计算热导率和热扩散率，在一定范围内，被测物体的初始温度对系统的测量没有影响，即无需考虑物体所处的初始温度，具有较高的适用性。

29、优选实施例中采用的热通量传感器、蛇形加热器、薄膜热阻层等部分的结构参数可以根据不同应用场景来设计，隔热结构可以采用不同类型的材料或直接应用于执行器如机器手，使得本系统易与自动控制系统集成。此外，系统所采用的传感器由金属与聚合物组成柔性结构，整体由聚合物封装，具有较高的鲁棒性。总的来说，本发明基于热通量的热物性参数测量系统和方法，能够直接用于执行终端，对目标物体进行接触式定量热觉感知，具有测量速度快、精度高、鲁棒性强、体积小等优点。

技术特征：

1.一种基于热通量的热物性参数测量系统，其特征在于，包括热通量传感器、温度传感器和加热器，所述热通量传感器的一侧与被测物体的表面接触，所述热通量传感器的另一侧设置所述加热器，所述加热器对被测物体的传热面覆盖所述热通量传感器，所述加热器产生的热量通过所述热通量传感器传导到所述被测物体，所述热通量传感器用于测量通过被测物体边界的热流密度，所述温度传感器以等效于放置在所述热通量传感器与被测物体接触的那一侧的方式设置在被测物体的表面上，所述温度传感器用于测量被测物体边界的温度；其中，所测的热流密度和温度用于确定被测物体的热物性参数。

2.如权利要求1所述的基于热通量的热物性参数测量系统，其特征在于，所述热通量传感器为柔性热通量传感器，其敏感单元为热电堆。

3.如权利要求1所述的基于热通量的热物性参数测量系统，其特征在于，所述加热器对所述热通量传感器的覆盖面积大于所述热通量传感器对被测物体的覆盖面积，所述温度传感器设置于被测物体的处在所述加热器的覆盖面积内而在所述热通量传感器的覆盖面积外的表面上，所述温度传感器与所述加热器之间设置有热阻层。

4.如权利要求3所述的基于热通量的热物性参数测量系统，其特征在于，所述热通量传感器为聚酰亚胺封装，所述热阻层为聚酰亚胺层。

5.如权利要求3所述的基于热通量的热物性参数测量系统，其特征在于，所述热阻层的厚度与所述热通量传感器相同，面积与所述加热器相同，所述热阻层的中间为镂空结构，用于安装嵌入所述热通量传感器。

6.如权利要求3所述的基于热通量的热物性参数测量系统，其特征在于，所述温度传感器为细线热电偶。

7.如权利要求1至6任一项所述的基于热通量的热物性参数测量系统，其特征在于，所述加热器背向所述热通量传感器的一侧设置有隔热结构。

8.如权利要求1至7任一项所述的基于热通量的热物性参数测量系统，其特征在于，根据所测的热流密度和温度，通过构建离散瞬态热传导模型确定被测物体的热物性参数，具体包括：

9.如权利要求8所述的基于热通量的热物性参数测量系统，其特征在于，以计算得到的理论温度与实际测量温度的均方根误差为评价函数，通过最小二乘法拟合计算得到被测物体的热导率与热扩散率。

10.一种基于热通量的热物性参数测量方法，其特征在于，使用如权利要求1至9任一项所述的系统测量物体的热物性参数。

技术总结
一种基于热通量的热物性参数测量系统和方法，该系统包括热通量传感器、温度传感器和加热器，热通量传感器的一侧与被测物体的表面接触，热通量传感器的另一侧设置加热器，加热器对被测物体的传热面覆盖热通量传感器，加热器产生的热量通过热通量传感器传导到被测物体，热通量传感器用于测量通过被测物体边界的热流密度，温度传感器以等效于放置在热通量传感器与被测物体接触的那一侧的方式设置在被测物体的表面上，温度传感器用于测量被测物体边界的温度；其中，所测的热流密度和温度用于确定被测物体的热物性参数。本发明具有精度高、小型化、稳定性好等优点，能够准确、快速测量出不同物体的热导率和热扩散率。

技术研发人员：张旻,马天成
受保护的技术使用者：清华大学深圳国际研究生院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15