CN106324026A - 一种直接法测量材料电卡性能的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直接法测量材料电卡性能的装置，包括放置待测材料的测量腔体、气体输送器、电源、热通量传感器以及温度采集显示器；测量腔体上设有送风口；气体输送器经送风口向测量腔体内输送温控气体，以将测量腔体内环境温度及待测材料加热或制冷到预设测量温度；电源，用于在测量腔体内环境温度达到预设测量温度后为待测材料加载周期性电压，以使待测材料产生热量或冷量；热通量传感器，贴附于待测材料的表面，用于采集待测材料表面的热通量并传送至温度采集显示器；温度采集显示器，用于根据热通量传感器采集的热通量得到待测材料的温变，进而获取待测材料的电卡性能。本发明提高了电卡性能测量的精度和可信度。
Description
技术领域
本发明涉及电卡材料性能测量技术领域，具体的是涉及一种基于直接法测量材料电卡性能的装置。
背景技术
电卡材料是一种常见的功能材料，其表现出的电卡效应是由于极性材料在外电场的改变导致极化状态发生改变而产生的绝热温度或等温熵的变化。电卡效应最早在1880年于罗息盐(Rochlle Salt)中被发现。随后的相当长时间内，实验得到的电卡效应因为较弱、尚未达到应用的要求并未引起太多关注。
随着Mischenko于2006年和Neese于2008年在《Science》杂志上分别报道了温度变化超过10K的铁电薄膜和可在常温工作的铁电聚合物，更多具有巨电卡效应的铁电陶瓷和铁电聚合物相继被发现，吸引了众多研究机构的注意，掀起了电卡研究的热潮。
电卡材料的研究热潮使研究人员对电卡性能测量装置的稳定性和精准度提出了更高要求。测量电卡材料性能主要有两种方法：间接法和直接法。间接法又分为两种，一种是通过测量不同温度下的极化率随电场的变化曲线(P-E曲线)再经过一系列数值模拟和计算得到；另一种则直接通过唯象理论计算获得。直接法也有两种：一种是通过改进的差热分析仪测得，另一种则通过高分辨率热学器件测得。因此，一般认为直接法得到的数据更直接、更具说服力。
测量电卡材料性能的理论方法很多，但一直未有成熟的测量装置问世，因此提出一种实用可靠的装置非常有必要。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种有实际操作意义的直接法测量材料电卡性能的装置，通过用温度传感器直接测量电卡材料在充放电周期内的温度变化，实现电卡性能测量，以为众多电卡领域的研究和应用技术人员提供便利。
为了实现上述目的，本发明提供了一种直接法测量材料电卡性能的装置，包括放置待测材料的测量腔体、气体输送器、电源、热通量传感器以及温度采集显示器；所述测量腔体上设有送风口；所述气体输送器经所述送风口向所述测量腔体内输送温控气体，以将所述测量腔体内环境温度及所述待测材料加热或制冷到预设测量温度；所述电源，用于在所述测量腔体内环境温度达到预设测量温度后为所述待测材料加载周期性电压，以使所述待测材料产生热量或冷量；所述热通量传感器，贴附于所述待测材料的表面，用于采集所述待测材料表面的热通量并传送至所述温度采集显示器；所述温度采集显示器，用于根据所述热通量传感器采集的热通量得到所述待测材料的温变，进而获取所述待测材料的电卡性能。
本发明的优点在于：提供了一种有实际操作意义的直接法测量材料电卡性能的装置，通过用热通量传感器直接测量待测材料在充、放电周期内的温度变化，可以快速、准确、直接地测得电卡材料在不同温度、不同电场下的电卡性能。本发明所述的装置克服了间接法测量中数值计算和模拟带来的测量误差，提高了电卡性能测量的精度和可信度，可以为众多电卡领域的研究和应用技术人员提供便利。
附图说明
图1，本发明所述的直接法测量材料电卡性能的装置一优选实施例所示结构示意图；
图2A-2B，本发明所述的待测材料分布示意图；
图3，本发明一优选实施例所述的气体输送器结构及原理示意图；
图4，本发明一优选实施例所述的送风口结构示意图；
图5A-5C为图4中送风口中的送风板的结构示意图；
图6，本发明一优选实施例所述的回风口结构示意图；
图7，本发明一优选实施例所述的测量腔体内温度传感器的分布示意图。
具体实施方式
本发明提供的直接法测量材料电卡性能的装置基于直接法中第二种，即采用热学器件直接测量电卡材料的温度变化。下面结合附图对本发明提供的直接法测量材料电卡性能的装置做详细说明。
参考图1，本发明所述的直接法测量材料电卡性能的装置一优选实施例所示结构示意图。所述装置包括放置待测材料108的测量腔体100、气体输送器106、电源102、热通量传感器110以及温度采集显示器101。所述测量腔体100上设有送风口105；所述气体输送器106经所述送风口105向所述测量腔体100内输送温控气体，以将所述测量腔体100内环境温度及所述待测材料108加热或制冷到预设测量温度；所述电源102，用于在所述测量腔体100内环境温度达到预设测量温度后为所述待测材料108加载周期性电压，以使所述待测材料108产生热量或冷量；所述热通量传感器110，贴附于所述待测材料108的表面，用于采集所述待测材料108表面的热通量并传送至所述温度采集显示器101；所述温度采集显示器101，用于根据所述热通量传感器110采集的热通量得到所述待测材料108的温变，进而获取所述待测材料108的电卡性能。
优选的，所述测量腔体100的一侧面为活动面板，以方便更换待测材料。
可选的，所述测量腔体100包括：外罩壳103、内罩壳112、设于所述内罩壳112与所述外罩壳103之间的保温层104、固定在所述内罩壳112上的吊架116、设于所述吊架116上用于放置所述待测材料108的支架111，以及用于压覆所述待测材料108与所述热通量传感器110的压板107。
优选的，所述吊架、支架、压板均采用热导率低的工程塑料制成，包括但不限于尼龙、聚缩醛、ABS以及环氧树脂板等材料；所述保温层采用隔热材料制成，包括但不限于橡塑保温棉、聚氨酯发泡塑料以及聚乙烯保温棉等。
请一并参考图1以及图2A-2B，其中，图2A-2B为本发明所述的待测材料分布示意图。优选的，所述热通量传感器110与所述待测材料108之间设有热导率高的导热层109。参考图2A，其至下而上的安装顺序是：支架111、热通量传感器110、导热层109、待测材料108，最后使用压板107压紧热通量传感器10；通过这种分布结构可以测试待测材料108下表面的热通量。参考图2B，其至下而上的安装顺序是：支架111、待测材料108、导热层109、热通量传感器110，最后使用压板107压紧热通量传感器10；通过这种分布结构可以测试待测材料108上表面的热通量。导热层109材料包括但不限于导热硅脂、聚酯导热膜以及导热双面胶等。导热层109刷涂或黏贴于待测材料108的上表面或下表面。
请一并参考图1以及图3，其中，图3为本发明一优选实施例所述的气体输送器结构及原理示意图。可选的，所述气体输送器106包括：风机301、第一过滤器302、风管管道303、换热器304、第二过滤器306、控制器308、制冷模块309和/或加热模块305以及固定在所述风管管道303上的温度传感器310。所述风机301输出的气体经所述第一过滤器302过滤后，通过所述温度传感器310检测气体温度；所述控制器308控制所述制冷模块309将所述风机301输出的气体制冷并经所述第二过滤器306过滤后，经所述送风口105输送至所述测量腔体100内，以将所述测量腔体100内环境温度制冷至所述预设测量温度，或者所述控制器308控制所述加热模块305将所述风机301输出的气体加热并经所述第二过滤器306过滤后，经所述送风口105输送至所述测量腔体100内，以将所述测量腔体100内环境温度加热至所述预设测量温度。其中，所述气体输送器106采用高精度气体输送器，可以实时根据温度传感器310检测到的测量腔体100内气体温度与预设测量温度比较，调整风机301出风量和出风温度；第一过滤器302为初效过滤器，第二过滤器306为高效过滤器；制冷模块309以及加热模块305可以实时地对制冷功率和加热功率进行调节，制冷方式可以是压缩机制冷、半导体制冷等，加热方式包括电阻加热、感应式加热等。所述气体输送器106还可以包括加热控制模块306，同时加热模块305中集成有高精度温度传感器，控制器308可以通过加热控制模块306对加热模块305加热功率的微调快速将输送的气体温控到预设测量温度。
请一并参考图1、图4以及图5A-5C，其中，图4为本发明一优选实施例所述的送风口结构示意图；图5A-5C为图4中送风口中的送风板的结构示意图。所述送风口105包括送风腔402以及送风板401。为了均匀送风，所述送风板401采用圆孔板(如图5A所示)、方孔板(如图5B所示)或格栅板(如图5C所示)的其中之一。
请继续参考图1，优选的，所述测量腔体100上还设有回风口113，所述装置还包括抽排风机114；所述抽排风机114经所述回风口113将所述测量腔体100内气体抽出。抽排风机114可以循环更新测量腔体100内的气体，与高精度的气体输送器106配合，保证测量腔体100内的温度稳定。
可选的，所述送风口105位于所述测量腔体100上部、所述回风口113位于所述测量腔体100下部，或者，所述送风口105位于所述测量腔体100下部、所述回风口113位于所述测量腔体100上部。图1所示实施例中，所述送风口105位于所述测量腔体100一侧壁的上部、所述回风口113位于所述测量腔体100底部。
请一并参考图1以及图6，其中，图6为本发明一优选实施例所述的回风口结构示意图。所述回风口113包括回风腔602以及回风板601。所述回风口113长度大于等于其所在一侧的测量腔体100的腔体长度的2/3。所述回风板601可以采用与所述送风板401相似的结构，例如采用圆孔板、方孔板或格栅板的其中之一。
请继续参考图1，可选的，所述热通量传感器为热阻热通量传感器。
请继续参考图1，可选的，所述电源102为高压电源，可以采用稳压输入，也可以在接收外界模拟或数字信号经必要的放大后输入，也可以直接对电源进行操作输出所需的波形。例如，可以为可编辑电压源或功率源、功率放大器、高压放大器等。电源102可以通过穿过测量腔体100的两接线柱为待测材料108加载周期性电压，以使待测材料108充放电，进而测量待测材料108的电卡性能。
请继续参考图1，可选的，所述装置还包括温度传感器115，所述温度传感器115设于所述测量腔体100的一侧壁上，用于实时检测所述测量腔体100中的温度并传送至所述温度采集显示器101。
请一并参考图1以及图7，其中，图7为本发明一优选实施例所述的测量腔体内温度传感器的分布示意图。为了测量测量腔体100内温度是否均匀，测量腔体100内可设置多组温度传感器；多组温度传感器位于测量腔体100内不同高度，且每组数量至少1只。具体为，在所述测量腔体100顶部设有第一、第二温度传感器701和702，在所述测量腔体100高度(H)1/2处中心点设有第三温度传感器703，在所述测量腔体100底部设有第四、第五温度传感器704和705，并且第一、第二温度传感器701、702中心连线与第四、第五温度传感器704、705中心连线成90度直角关系；所有温度传感器701～705用于实时检测所述测量腔体100中的温度并传送至所述温度采集显示器101。
请继续参考图1，本发明的工作原理为：安装测量腔体100并留出一面活动面板方便更换待测材料；将支架111固定在吊架116上，随后在支架111上放置待测材料108，并在待测材料108上表面刷涂或黏贴导热层109，在导热层109上放置热通量传感器110，放置压板107压紧热通量传感器10，最后盖上活动面板；连接各仪器，通过气体输送器106送风口105向测量腔体100内输送高精度温控气体，抽排风机114经回风口113抽风促进测量腔体100内气体循环，对测量腔体100进行温度控制；测量腔体100内温度制冷或加热至预设测量温度且温度稳定后，高压电源102对待测材料108加载周期性电压，待测材料108由于充、放电产生热量或冷量，通过热通量传感器110采集待测材料108表面的热通量并传送至温度采集显示器101；温度采集显示器101根据热通量传感器110采集的热流密度，并计算得到所述待测材料108的热通量，从而得出待测材料108的温变，进而测量出待测材料108的电卡性能。
采用本发明所述的直接法测量材料电卡性能的装置，可以快速、准确、直接测得电卡材料在不同温度、不同电场下的电卡性能。本发明所述的装置克服了间接法测量材料电卡性能的不足，测试结果更加可靠、可信。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，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。
Claims (11)
1.一种直接法测量材料电卡性能的装置，其特征在于，包括放置待测材料的测量腔体、气体输送器、电源、热通量传感器以及温度采集显示器；
所述测量腔体上设有送风口；
所述气体输送器经所述送风口向所述测量腔体内输送温控气体，以将所述测量腔体内环境温度及所述待测材料加热或制冷到预设测量温度；
所述电源，用于在所述测量腔体内环境温度达到预设测量温度后为所述待测材料加载周期性电压，以使所述待测材料产生热量或冷量；
所述热通量传感器，贴附于所述待测材料的表面，用于采集所述待测材料表面的热通量并传送至所述温度采集显示器；
所述温度采集显示器，用于根据所述热通量传感器采集的热通量得到所述待测材料的温变，进而获取所述待测材料的电卡性能。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测量腔体的一侧面为活动面板。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述测量腔体包括：外罩壳、内罩壳、设于所述内罩壳与所述外罩壳之间的保温层、固定在所述内罩壳上的吊架、设于所述吊架上用于放置所述待测材料的支架，以及用于压覆所述待测材料与所述热通量传感器的压板。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述吊架、支架、压板均采用工程塑料制成，所述保温层采用隔热材料制成。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热通量传感器与所述待测材料之间设有导热层。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气体输送器包括：风机、第一过滤器、风管管道、换热器、第二过滤器、控制器、制冷模块和/或加热模块以及固定在所述风管管道上的温度传感器；
其中，所述风机输出的气体经所述第一过滤器过滤后，通过所述温度传感器检测气体温度；所述控制器控制所述制冷模块将所述风机输出的气体制冷并经所述第二过滤器过滤后，经所述送风口输送至所述测量腔体内，或者所述控制器控制所述加热模块将所述风机输出的气体加热并经所述第二过滤器过滤后，经所述送风口输送至所述测量腔体内。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述送风口包括送风腔以及送风板，所述送风板采用圆孔板、方孔板或格栅板的其中之一。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测量腔体上还设有回风口，所述装置还包括抽排风机；所述抽排风机经所述回风口将所述测量腔体内气体抽出。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述送风口位于所述测量腔体上部、所述回风口位于所述测量腔体下部，或者，所述送风口位于所述测量腔体下部、所述回风口位于所述测量腔体上部。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热通量传感器为热阻热通量传感器。
11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述测量腔体顶部设有第一、第二温度传感器，在所述测量腔体高度1/2处中心点设有第三温度传感器，在所述测量腔体底部设有第四、第五温度传感器，并且第一、第二温度传感器中心连线与第四、第五温度传感器中心连线成90度直角关系；
所有温度传感器用于实时检测所述测量腔体中的温度并传送至所述温度采集显示器。
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