CN103148952A - 一种石墨烯纳米带的表面温度测试电路和测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种石墨烯纳米带的表面温度测试电路和测试方法，所述测试电路包括标准电阻和与标准电阻串联的石墨烯纳米带，石墨烯纳米带的两端设置有第二数字万用表，标准电阻两端设置有第一数字万用表，第一数字万用表和第二数字万用表均连接在一台计算机上，测试电路还包括恒流电源，恒流电源一端连接在石墨烯纳米带上，另一端通过一开关连接在标准电阻上。本发明依据石墨烯纳米带电阻在宽的温度范围内随温度升高成线性递减关系的实验发现，通过标定石墨烯纳米带的电阻温度系数，结合石墨烯纳米带柔软、易贴附且与表面结合紧密的特点，实现基于石墨烯纳米带的表面温度测试。本发明具有高灵敏度，实时在线，仅需常规电测试装置等优点。

Description

一种石墨烯纳米带的表面温度测试电路和测试方法
技术领域
本发明涉及石墨烯应用技术领域，尤其涉及一种石墨烯纳米带的表面温度测试电路和测试方法。
背景技术
石墨烯材料是近年来最受产业界关注和最具应用前景的高新材料。英国曼彻斯特大学的物理学家Andre Geim教授和Konstantin Novoselov博士因从事石墨烯的研究并揭示了其性质而获得2010年诺贝尔物理学奖。
石墨烯是由碳原子按六边形晶格整齐排布而成的碳单质，结构非常稳定。石墨烯各个碳原子间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形。这样，碳原子就不需要重新排列来适应外力，这也就保证了石墨烯结构的稳定，使得石墨烯比金刚石还坚硬，同时可以像拉橡胶一样进行拉伸。这种稳定的晶格结构还使石墨烯具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于其原子间作用力非常强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中的电子受到的干扰也非常小。石墨烯的另一特性是具有超强的导热能力，其导热系数远高于铜银等高导热金属材料。因此，石墨烯具有优异的电学、热学和力学性能，可望在高性能纳米电子器件、复合材料、气体传感器及能量存储等领域获得广泛应用。
最近，我们实验研究发现，石墨烯纳米带的电阻在宽的温度范围内（-75～100℃）随温度升高成线性递减的关系，而且其电阻温度系数的绝对值达到0.00415K-1，大于目前常用做电阻测温元件的铂金属的电阻温度系数（-0.0039K-1）。另一方面石墨烯纳米带柔软、易贴附且与表面结合紧密，可最大限度减小接触热阻；而且石墨烯导热系数大，可迅速与待测表面形成热平衡。可见，基于石墨烯纳米带的电阻测温元件具有灵敏度高、反应时间快等优点，能够克服常规接触式测温因接触热阻带来的测量误差。
发明内容
针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种石墨烯纳米带的表面温度测试电路和测试方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种石墨烯纳米带的表面温度测试电路，所述测试电路包括标准电阻和与标准电阻串联的石墨烯纳米带，所述石墨烯纳米带的两端设置有第二数字万用表，所述标准电阻两端设置有第一数字万用表，所述第一数字万用表和第二数字万用表均连接在一台计算机上，所述测试电路还包括恒流电源，所述恒流电源一端连接在石墨烯纳米带上，另一端通过一开关连接在标准电阻上。
一种利用上述电路测试石墨烯纳米带的表面温度的方法，所述方法包括以下步骤：
（一）.测定电阻温度系数：
（1）、将所述石墨烯纳米带的表面温度测试电路置于温度可控的高精度数显恒温腔中，其中恒温腔的变温范围-196～500℃，控温精度±0.1℃；
（2）、设定恒温腔温度，待恒温腔温度恒定10-30分钟后，利用计算机控制恒流源，通入设定电流，计算机同时采集标准电阻和石墨烯纳米带上的电压VS，VG；
（3）、根据串联电路特征，计算石墨烯纳米带电阻RG，即RG＝(VGRS)/VS；其中RS为标准电阻的阻值；
（4）、改变恒温腔温度，重复步骤（2）和（3），其中设定电流仍采用步骤（2）和（3）中的电流设定值；
（5）、对通入同一电流，不同测试温度条件下测得的电阻进行作图，利用线性拟合得到该石墨烯纳米带在0℃时的电阻R0和电阻相对于温度变化的斜率α，计算出的电阻温度系数β，即β＝α/R0；
（二）.测试实际工作状态下的温度：
（1）、仍采用所述石墨烯纳米带的表面温度测试电路，石墨烯纳米带环境条件与实际工作状态相同；
（2）、在石墨烯纳米带电阻随温度升高成线性递减关系的温度范围内，对其通入该电流，计算机实时采集石墨烯纳米带在工作状态下的标准电阻和石墨烯纳米带上的电压VS和VG；
（3）、根据串联电路特征，计算石墨烯纳米带的电阻RG，即RG＝(VGRS)/VS；
（4）、待测温度T根据式T＝(RG-R0)/βR0计算得到。
本发明的积极进步效果在于：本发明提供的石墨烯纳米带的表面温度测试电路和测试方法优点在于：（1）灵敏度高；（2）反应时间快；（3）能够克服常规接触式测温因接触热阻带来的测量误差；（4）在宽的工作温度范围内，仅需选取任意几个温度标定出电阻温度系数；（5）操作简单易行，可采用类似于常规电阻温度传感器的操作过程；（6）仅需常规的电测试装置。
附图说明
图1为石墨烯纳米带电阻温度系数和测试温度所采用的电路图。
图2为不同温度下所测得的电阻和温度的关系示例图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
图1为石墨烯纳米带电阻温度系数和测试温度所采用的电路图。图1中石墨烯纳米带标定时置于温度可控的高精度恒温浴中。本发明提供的电路包括标准电阻1和与标准电阻2串联的石墨烯纳米带1，石墨烯纳米带1的两端设置有第二数字万用表4，标准电阻2两端设置有第一数字万用表3，第一数字万用表3和第二数字万用表4均连接在一台计算机6上，测试电路还包括恒流电源7，恒流电源7一端连接在石墨烯纳米带1上，另一端通过一开关5连接在标准电阻2上。
图2为不同温度下所测得的电阻和温度的关系示例图。如图2所示，电阻和温度成很好的线性关系，采用最小二乘法把电阻和温度按R＝R0(1+βT)进行线性拟合，T为摄氏温度，R指温度为T时的电阻，R0指温度为0℃时的电阻，β为电阻温度系数。线性拟合得到电阻温度系数为-0.00415K-1。
一种利用图1电路测试石墨烯纳米带的表面温度的方法，该方法包括以下步骤：（一）.测定电阻温度系数：
（1）、将所述石墨烯纳米带的表面温度测试电路置于温度可控的高精度数显恒温腔中，其中恒温腔的变温范围-196～500℃，控温精度±0.1℃；
（2）、设定恒温腔温度，待恒温腔温度恒定10-30分钟后，利用计算机控制恒流源，通入设定电流，计算机同时采集标准电阻和石墨烯纳米带上的电压VS，VG；
（3）、根据串联电路特征，计算石墨烯纳米带电阻RG，即RG＝(VGRS)/VS；其中RS为标准电阻的阻值；
（4）、改变恒温腔温度，重复步骤（2）和（3），其中设定电流仍采用步骤（2）和（3）中的电流设定值；
（5）、对通入同一电流，不同测试温度条件下测得的电阻进行作图，利用线性拟合得到该石墨烯纳米带在0℃时的电阻R0和电阻相对于温度变化的斜率α，计算出的电阻温度系数β，即β＝α/R0；
（二）.测试实际工作状态下的温度：
（1）、仍采用所述石墨烯纳米带的表面温度测试电路，石墨烯纳米带环境条件与实际工作状态相同；
（2）、在石墨烯纳米带电阻随温度升高成线性递减关系的温度范围内，对其通入该电流，计算机实时采集石墨烯纳米带在工作状态下的标准电阻和石墨烯纳米带上的电压VS和VG；
（3）、根据串联电路特征，计算石墨烯纳米带的电阻RG，即RG＝(VGRS)/VS；
（4）、待测温度T根据式T＝(RG-R0)/βR0计算得到。
本发明提供的石墨烯纳米带的表面温度测试电路和测试方法灵敏度高；反应时间快；能够克服常规接触式测温因接触热阻带来的测量误差；在宽的工作温度范围内，仅需选取任意几个温度标定出电阻温度系数；操作简单易行，可采用类似于常规电阻温度传感器的操作过程；仅需常规的电测试装置。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种石墨烯纳米带的表面温度测试电路，其特征在于：所述测试电路包括标准电阻和与标准电阻串联的石墨烯纳米带，所述石墨烯纳米带的两端设置有第二数字万用表，所述标准电阻两端设置有第一数字万用表，所述第一数字万用表和第二数字万用表均连接在一台计算机上，所述测试电路还包括恒流电源，所述恒流电源一端连接在石墨烯纳米带上，另一端通过一开关连接在标准电阻上。
2.一种利用权利要求1中的电路测试石墨烯纳米带的表面温度的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
（一）.测定电阻温度系数：
（1）、将所述石墨烯纳米带的表面温度测试电路置于温度可控的高精度数显恒温腔中，其中恒温腔的变温范围-196～500℃，控温精度±0.1℃；
（2）、设定恒温腔温度，待恒温腔温度恒定10-30分钟后，利用计算机控制恒流源，通入设定电流，计算机同时采集标准电阻和石墨烯纳米带上的电压VS，VG；
（3）、根据串联电路特征，计算石墨烯纳米带电阻RG，即RG＝(VGRS)/VS；其中RS为标准电阻的阻值；
（4）、改变恒温腔温度，重复步骤（2）和（3），其中设定电流仍采用步骤（2）和（3）中的电流设定值；
（5）、对通入同一电流，不同测试温度条件下测得的电阻进行作图，利用线性拟合得到该石墨烯纳米带在0℃时的电阻R0和电阻相对于温度变化的斜率α，计算出的电阻温度系数β，即β＝α/R0；
（二）.测试实际工作状态下的温度：
（1）、仍采用所述石墨烯纳米带的表面温度测试电路，石墨烯纳米带环境条件与实际工作状态相同；
（2）、在石墨烯纳米带电阻随温度升高成线性递减关系的温度范围内，对其通入该电流，计算机实时采集石墨烯纳米带在工作状态下的标准电阻和石墨烯纳米带上的电压VS和VG；
（3）、根据串联电路特征，计算石墨烯纳米带的电阻RG，即RG＝(VGRS)/VS；
（4）、待测温度T根据式T＝(RG-R0)/βR0计算得到。
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