CN110823943A - 一种模块化结构超快扫描量热仪 - Google Patents

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朱逸夫
姜菁
薛奇
罗少川
王晓亮
江伟
季青
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Abstract

本发明公开了一种模块化结构超快扫描量热仪，包括多功能样品室、样品环境控制模块、快速控制电子元件以及通信终端；通信终端、快速控制电子元件、多功能样品室依次信号连接；环境控制模块分别与通信终端、快速控制电子元件以及多功能样品室连接；多功能样品室内设有用于承载样品的芯片传感器。本发明模块结构化超快扫描量热仪能够根据不同实验要求更改各组件并进行多方组合，具有更高的灵活性、移动性和实验针对性：可切换使用模拟信号控制器或数字化微控制器进行温度控制；能够针对性更改样品室体积、外观设计及环境控制方式可满足空间有限的苛刻、寒冷、高压或低压环境中的实验测试；同时，能够与其它辅助表征设备连用，原位测定样品的量热信息和光学信息等。

Description

一种模块化结构超快扫描量热仪
技术领域
本发明属于检测设备领域，具体是一种模块化结构超快扫描量热仪。
背景技术
传统扫描量热仪多为一体化结构设计，以便于批量生产及客户普适性，但同时也降低了量热仪的多样化和功能化。当需要不同测试温度范围、不同样品室、不同技术联用时，通常需要生产(厂商)或购买(客户)一款新的机型，耗费大量的财力物力。相对于传统扫描量热仪，针对高新技术产业的超高速扫描量热仪，其更倾向于科研用设备，需要更多的针对性功能，且其价格也更昂贵，是普通传统量热仪的数倍。目前市场上已商业化的快速扫描量热仪仅有Metter-Toledo公司出品的Flash DSC，其产品外观结构继承了传统DSC的一体化设计，这种集成于一个整体的箱式设计很大程度地限制了超快扫描量热技术的应用。一体化设计使得各部件位置相对固定，无法根据具体实验需求进行调整，灵活性较差，大幅降低了与其它技术联用的可能性，同时因为仪器整体结构设计的限制，样品实验环境比较单一。另外，仪器技术提升的空间较小，每一项更改对生产商和客户而言均过于昂贵。
因此推出模块结构化的量热仪，特别是模块化超高速扫描量热仪，对科研领域及热分析设备生产领域均具有重要意义。将设备模块化，可极大的提高设备的灵活可变性，扩大技术使用范围，降低设备升级和改造的成本，具有极大的市场潜力，并对基础科研领域及新材料的设计和应用等产生重大影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种可根据不同实验要求更改各组件并进行多方组合的模块结构化超快扫描量热仪FSC，使其更加多元化，灵活性更高，以满足空间有限的苛刻、寒冷、高压或低压环境等极限测试要求，同时降低设备改造升级的难度和成本。
为了达到上述的发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种模块化结构超快扫描量热仪，包括：
多功能样品室，用于承载纳微米样品；
样品环境控制模块，用于控制多功能样品室中测试环境；
快速控制电子元件，用于超高速信号采集及温度控制；
通信终端，用于实验设定和数据储存分析；
其中，所述通信终端、快速控制电子元件、多功能样品室依次信号连接；所述样品环境控制模块分别与通信终端、快速控制电子元件和多功能样品室连接；
所述多功能样品室内设有用于承载样品的芯片传感器。
具体地，所述快速控制电子元件包括超快PID控制器和高速数据采集卡；
所述超快PID控制器为模拟信号控制器或数字化控制器，可以是常规微控制器或包含FPGA模块的微控制器，控制速率>1MHz.；超快PID控制器一端与通信终端连接，另一端与芯片传感器加热元件连接，接收传感器热电堆的温度信号并向传感器加热元件发送加热电压，控制样品的加热功率；
所述高速数据采集卡含有8个快速数据采集通道，采集速率>1MS/s；高速数据采集卡一端与通信终端连接，另一端与芯片传感器的热电堆连接，用于反馈样品实时温度值，保存并发送至通信终端，为下一步调整加热功率提供信息。
进一步地，所述多功能样品室中部设有一作为光路通道的透视窗口，所述透视窗口上设有光学表征仪器，其作用于样品上，并得到样品的光学信息；所述光学表征仪器与通信终端连接，将得到的样品光学信息发送至通信终端内保存。光学表征仪器包括但不限于红外相机、拉曼光谱仪、偏光显微镜、XRD等。
具体地，所述加热元件为芯片传感器内部自带的热电偶。
进一步地，所述加热元件为设置在样品室外部的激光加热器，相比传统的传感器内加热，能够提供最直接的能量输入，避免传感器加热器和样品之间的热滞后。
具体地，所述样品室为密封的腔体，通过样品环境控制模块控制样品室内的气氛以及温度，样品环境控制模块包括独立的气氛控制模块和温度控制模块。
具体地，所述气氛控制模块包括气缸、电子气泵和真空泵，所述电子气泵和真空泵的驱动电路与通信终端连接，通过通信终端发出的信号控制电子气泵和真空泵的开闭，为样品室提高实验所需的环境气氛，比如干燥的氮气、氩氢混合物及氦气等。干燥的氮气可用于测量对湿度敏感的样品，氩氢混合物气氛可用于金属样品抗氧化，氦气可提高额外一个数量级的降温速率。更换气氛时，首先通过真空泵将样品室内抽到约0.1mba的真空，再通过电子气泵向样品室内填充所需的气体，重复至少三次。
具体地，所述温度控制模块包括环境温度控制器、加热电阻丝、温度传感器以及供冷装置；所述温度传感器位于样品室内，用于将样品室内环境温度信号发送至环境温度控制器中；所述加热电阻丝环绕芯片传感器支架布置，其与环境温度控制器连接，通电后加热，以提高样品室内环境温度；所述供冷装置用于提供冷源，以降低样品室内环境温度；所述环境温度控制器位于样品室外部，其与通信终端信号和快速控制电子元件信号连接。所述环境温度控制器由快速控制电子元件控制，对样品室进行程序化温度控制并保存相关温度数据发送给通信终端。
具体地，所述供冷装置为冷媒流动平台、冷媒储存罐或者冷媒滴加装置(参考CN201711077303)；当使用冷媒储存罐时，冷媒储存罐内可装有液氮，样品室置于液氮液面上方，使得样品室环境温度最低可达液氮的沸腾温度。
有益效果：
本发明模块结构化超快扫描量热仪能够根据不同实验要求和更改各组件并进行多方组合，具有更高的灵活性、移动性和实验针对性：可根据经费及控制速率要求切换使用模拟信号控制器或数字化微控制器进行温度控制；能够针对性更改样品室体积、外观设计及环境控制方式可满足空间有限的苛刻、寒冷、高压或低压环境中的实验测试；同时，能够与其它辅助表征设备连用，原位测定样品的量热信息和光学信息等。。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1为本发明模块化结构超快扫描量热仪的模块示意图。
图2为实施例1激光加热超快量热仪的模块示意图。
图3为实施例1激光加热超快量热仪的样品室模块图。
图4A为常规超快扫描量热仪观测的Al7075颗粒熔融和固化过程图。
图4B为实施例1激光加热超快量热仪观测的Al7075颗粒熔融和固化过程图。
图5A为实施例1激光加热快速扫描量热仪与传感器内置加热器实测温度vs时间曲线。
图5B为实施例1激光加热快速扫描量热仪与传感器内置加热器加热启动过程曲线。
图6为实施例2冷热台型超快量热仪的模块示意图。
图7为实施例3冷却增强型超快扫描量热仪的模块示意图。
图8为实施例3冷却增强型超快扫描量热仪的样品室的结构示意图。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。
说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“前”、“后”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1模块示意图所示，本发明模块化结构超快扫描量热仪主要包括多功能样品室、样品环境控制模块、快速控制电子元件、以及通信终端；通信终端、快速控制电子元件、多功能样品室依次信号连接；样品环境控制模块分别与通信终端、快速控制电子元件和多功能样品室连接。
多功能样品室内设有用于承载样品的芯片传感器，有效与快速控制电子元件之间提供可靠的电子连接。由于芯片传感器具有较低的信号和高电阻，可以在此添加额外的信号缓冲和预调节。该样品室可根据需要进行调整，以提供可控的不同环境氛围，例如，压力、吹扫气体、温度、磁场以及不同类型的辐射等。在环境变化的情况下，可将相应的变化信息传送到通信终端和快速控制电子元件，并通过控制电子模块根据样品的反馈信息对环境进行快速的程序化控制。样品室与快速控制电子元件之间通过屏蔽双绞线传输信号，以避免与周围电子器件发送感应从而造成噪音干扰，可在芯片传感器侧使用额外的缓冲器以实现更好的信号传输。如果无线传输的运行速度超过100kHz，则也可通过无线传输实现样品室与快速控制电子元件，快速控制电子元件与通信终端的信号传输。
快速控制电子元件实现以下目标：1、接收来自芯片传感器的电信号；2、接收来自通信终端的实验设置；3、根据从通信终端接收的实验程序以及来自芯片传感器的实时信号，进行快速的温度控制；4、发送和接收来自与FSC实验相结合的其他技术的信号，以超高速成像相机为例，可发送起始TTL信号或每帧信号；5、在实验测试期间和结束时将测量信号发送到通信终端，根据实验时间和通信能力的不同，可实时原位发送信号至终端(慢速扫描实验)，或先在快速板载存储器中记录，再通过电子设备提取并发送至终端(快速扫描实验)；6、快速电子设备还允许现场监测传感器的加热器和热电堆电阻并及时做出反应，发生故障时即时关闭实验并向通信终端发送报告；7、根据实验需要，可与额外的环境控制设备连接，接收环境配置信息并根据环境变化(例如环境温度、压力、气氛等)作出反应，向环境控制设备和通信终端软件提供反馈。主要可包括信号放大器和衰减器，信号模拟或数字化温度控制器，以及测量电子元件。
通信终端可为任何可安装LabView软件的电子设备，如电脑、平板、手机等。该终端用于通过LabView程序控制电子元件及传感器的环境配置、设定实验参数和实验程序、发送实验信息至电子元件、接收实验数据并重新计算、保存数据以及数据分析。通信终端与控制电子元件模块可通过有线(例如USB协议)或者无线连接，通常需要快速地传输相对大的实验数据(例如1Mbps)，使用无线传输时需要在电子部件中调整实验传输速率。
实施例1
本实例给出了一种模块化的激光加热超快量热仪，如图2所示。
该快速扫描量热仪包括FSC样品室，位于FSC样品室内用于承载样品的芯片传感器、用于加热样品的激光加热器、用于拍摄样品图像的红外相机、通信终端以及控制电子元件。
FSC样品室中心设有一作为光路通道的透视窗口，所述激光加热器、红外相机均位于窗口顶部，并能够对准FSC样品室内的样品。
红外相机与通信终端连接，通过红外成像将所拍摄的照片发送至通信终端内；所述控制电子元件一端连接通信终端，另一端分别与激光加热器和芯片传感器连接。控制电子元件内部设有用于向激光加热器输出加热功率的PID温度控制器，以及用于记录芯片传感器反馈的样品实时温度值的数据采集卡。
PID温度控制器一端与通信终端连接，另一端与激光加热器连接；用于通过通信终端控制页面，向PID温度控制器发送激光加热器加热功率信息；
数据采集卡一端与芯片传感器连接；另一端与通信终端连接，数据采集卡接收芯片传感器反馈的样品实时温度值，保存并发生至通信终端，为下一步调整激光加热器的加热功率提供信息。
如图3所示，FSC样品室包括密封腔体、位于密封腔体内的冷热台以及PCB接触板；芯片传感器位于冷热台上方，所述PCB接触板通过嵌入式的金属插针压设在芯片传感器上，并通过导线与样品室外部的FSC106进行信号传输；冷热台、芯片传感器、PCB接触板中心留有一光路通道，并与透视窗口对应。
冷热台的一端通过管道连接样品室外部的冷源，另一端通过导线连接样品室外部的环境控制设备；密封腔体的两侧分别留有气体进口和气体出口，根据不同使用要求从气体进出口使用不同气氛或者气体吹扫，为避免由于气流湍流引起的样品温度波动，可使用分子阀或其它可用于超慢气流微调的气阀。
芯片传感器可以是超快扫描量热仪可用的含有热电偶的所有芯片传感器(XEN393，Xensor Integration)。芯片传感器上有氮化硅薄膜，薄膜内包含加热器和热电堆，加热器可用于额外的超快扫描量热测量，热电堆提供以伏特为单位的温度信号，用于控制和记录样品的温度。样品置于加热器和热电堆上，样品可以是任何颗粒、1-500μm直径的类球形颗粒，例如，国际标准化组织ISO推荐用于增材制造的粉末颗粒(直径为20-200μm)完美适用于本发明。为了实现更快的温度控制，优选小颗粒样品以避免样品内部的热滞后问题。与常规的快速量热仪不同，这里传感器的内部加热器不用于样品的加热，但是本发明的模块化结构允许将内部加热器重新快速连接入单传感器，甚至是连接入差示超快扫描量热设置中，从而模拟激光加热过程，这有助于对实际热流的定量测量。
该快速扫描量热仪的使用方法如下：样品装载于芯片传感器上，打开激光加热器，通过红外相机观察样品温度从而调整激光的瞄准聚焦；在通信终端的用户界面设置所需的温度程序(温度-时间曲线)发送给控制电子元件(National Instruments usb6365数据采集卡，SRS SIM960 PID控制器)，控制电子元件内部设有用于向激光加热器输出加热功率的PID温度控制器，以及用于记录芯片传感器反馈的样品实时温度值的数据采集卡；PID温度控制器根据接收的设定值向激光加热器3输出加热功率，数据采集卡接收芯片传感器中热电堆反馈的样品实时温度值，保存并发生至通信终端，为下一步调整激光加热器的加热功率提供信息。
在激光加热过程中，只记录了样品温度值而不能测量样品具体吸收的能量值，因此可使用芯片传感器内部加热器重复该温度程序进行超快扫描量热实验，记录实现相同的样品温度变化时热流的变化，从而计算热容等物理参数的变化。
激光加热器(长春新产业光电技术有限公司MXL-III-880红外激光器)的功率调整是通过PID温度控制器调整输入电压值，激光加热器根据输入电压调整相应的输出功率。红外相机(FLIR SC7000红外相机加配7倍显微镜镜头)观察样品温度变化，根据样品受热判断激光的瞄准。如使用超快红外成像相机(10kHz以上)则可同时记录激光加热实验中样品温度，与传感器热电堆反馈的温度值对照。
通信终端(PC/笔记本电脑/平板电脑等)上的用户界面编辑所需的热处理过程(温度vs时间)，该温度-时间曲线将以电压vs时间的形式提供给设备的控制电子元件。控制电子元件通过PID温度控制器调制激光的功率，根据激光加热器的电压输入范围设定PID输出设置。例如，激光加热器的输入电压为0-1V(对应激光功率从0-100％)，则PID输出设置为0到1。用户可根据不同的激光器更改PID设置值。控制电子元件根据实验程序向激光器输出电压，激光对样品进行加热，芯片传感器上的热电堆测量温度并以电压值向控制电子元件反馈，当热电堆的电压高于或低于设定值，则控制电子元件PID控制器相应调整激光的驱动电压，以完成设定温度-时间曲线，数据采集卡记录实验过程中样品的温度变化，并将数据发送至通信终端进行保存和进一步分析。为达到快速的温度控制，控制电子元件需要具有极高响应速率的电子器件，最小带宽100kHz。
该用户界面使用Labview软件编程，已广泛使用于现有的FSC设备中，且一直在根据使用情况改进。购买的商用激光加热器带有激光控制器，以输入电压值控制激光的输出功率，只需将激光控制器连接本申请的控制电子元件，并给与一定的电压，即可控制激光输出功率进行加热。本申请主要使用激光加热器(代替芯片传感器内部加热器)对样品进行加热，根据热电堆电压反馈的样品温度信号，通过PID控制器进行快速调控并反馈激光加热器，从而实现快速可控的程序加热。
为避免激光对芯片传感器造成机械振动从而产生噪音，可使用诸如光纤的激光束引导器(CNI保偏光纤)。将光纤固定到样品室可减少激光束在样品上的摇晃，同时相应的减少对量热信号的干扰。当然，激光束引导器只适用于某些类型的激光器，并且需要在引导器后加入光聚焦元件。
将激光直接聚焦在样品上能够向样品提供最大能量并避免加热周围的传感器元件。可通过红外成像相机辅助激光瞄准和聚焦，具体实验步骤为：首先在红外相机下放置红外显示卡并进行激光照射，通过红外相机观察激光加热位置并调整激光聚焦(激光聚焦透镜调整)，直到激光点最亮(激光点直径约8μm)；将样品(直径约15μm)放置于红外显示卡所在的位置，激光照射使得样品温度升高，根据样品直径和厚度微调样品位置(显微镜台微调)，使得聚焦的激光点位于样品中心，完成激光位置调整以及激光聚焦。另外，红外成像记录样品温度的同时传感器上热电堆也测量样品内部温度，可进行对照。红外热成像仪能够在相应放大倍率下检测大约100x100μm2传感器区域的热辐射。如需在测试过程中实时记录样品颗粒及传感器的温度，则需要具有高帧速率和高灵敏度的红外成像摄像机，例如，以100000K/s的速率从室温加热到1000K大约需要7ms，要得到每10K至少1帧的数据，则需要红外成像相机具有至少10kHz的帧速率。
在传统的超快扫描量热仪中，传感器的加热器置于薄膜中，因此样品和加热器之间存在显著的热阻，且加热器也同时加热样品周围的传感器。激光加热则可通过聚焦和适当的瞄准，尽可能直接地为样品提供能量，避免传感器加热器与样品之间的热滞后。另外，激光加热还可以避免传感器加热器与热电堆的耦合。样品与热电堆之间的热阻则仍然存在，目前为止还没有更快和更精确的远程测量样品温度的方式。但使用激光加热，可将样品直接置于热电堆上方，样品与热电堆之间的耦合可增加到最大可能，从而减少获得准确热信号所需要的热电堆数目，例如可使用单热电堆传感器检测更小的样品。超快温度控制允许执行高达1000000K/s或更快的任何线性、非线性温度-时间的热处理程序。
在执行用户设定的温度曲线期间将记录热电堆的温度，当发生吸热或放热相转变时，由于潜热，样品的温度将偏离设定值出现相应的吸热或放热峰，指示样品中发生的熔融或结晶过程。该信息对于需要超快速热处理的增材制造、基础理论研究以及工业应用研究领域均具有重要价值。超快扫描量热仪可定量分析样品内热流的变化，激光加热实验后，可使用传感器内部加热器重复实验以获得定量的热流数据从而进行热容分析。配合快速红外成像相机，也可提供相同条件下样品的温度，与热电堆测得的温度数据进行对照。
激光脉冲已经被用于加热样品，并通过热电偶记录样品受热温度，但是该加热过程不可控。只是发射激光脉冲后记录样品温度。本发明首次将热电偶测得的温度反馈到激光控制器，并实时快速的相应调整激光功率，使得该激光加热是完全可控加热。这个接收信号并调整的速度是非常快的，通过以下的实验结果显示能够实现可控快速升降温程序，消除了热滞后现象，并且温度调控响应速率及可控的升降温速率提高了一个数量级。同时，单独的激光加热并不能获得热流和热容等量热物理信息，本发明可在激光加热和传统的FSC内部加热器加热之间随时切换，使用FSC重复激光加热时记录的温度vs时间程序，从而获得具有物理意义的热流和热容等数据。另外，相对于传统FSC使用两个传感器(参比及样品传感器)，激光加热单传感器快速扫描量热仪使用单传感器可实现更高的扫描速率。
图4A和图4B分别给出了常规超快扫描量热仪和本发明激光加热量热仪观测两个相邻Al7075颗粒的熔融和结晶过程。以不同的扫描速率(常规的内部传感器加热和可控的激光加热)对样品进行升降温实验，观察样品的熔融峰和结晶峰，结果显示1)激光加热快速量热仪能够实现可控的快速扫描，并且其最高扫描速率(如图4B中100，000K/s)可比常规的超快扫描量热仪(图4A中10，000K/s)高出一个数量级；2)常规内部传感器加热时，样品的熔融峰随着扫描速率的升高向高温移动，说明样品与加热器之间存在明显的热滞后，而激光加热实验中，熔融峰随着扫描速率的升高向低温移动，同时结晶峰随着扫描速率升高向高温移动，说明激光加热能够保证样品温度高于传感器温度，避免了样品与加热器之间的热滞后，获得更准确的热分析结果。
图5A和图5B为激光加热与传感器内置加热器温度控制性能的对比。其中，升降温速率为10，000K/s，图5A为实际测量的温度vs时间曲线，图5B为加热启动过程。从图5A中可以看出激光加热温度控制的响应速率足够快，在样品发生熔融和结晶时能够快速进行温度补偿使得加热曲线符合设定程序，而传感器内置加热器(图5B)与样品存在热滞后，在加热曲线上能够看到明显的温度跳变。图5B中可以看到，激光加热能够在0.2ms内完成温度调整并稳定，而内置加热器需要2m才能实现温度调整，并且在4.5ms后才能完成过冲达到稳定温度，激光加热的温度控制响应速率比传感器内置加热器大约快一个数量级。
实施例2
本实例给出了一种冷热台型超快量热仪，其模块图如图6所示。包括冷热台型样品室、样品室环境温度控制系统、快速控制电子元件和通信终端。
其中，冷热台型样品室结构参照CN201310499799.9，样品室为密封腔体，具体包括一个含有加热元件和冷媒流通管道并有一透射孔的冷热台、透射视窗、反射视窗，薄膜传感器接线柱、薄膜传感器信号线接口、冷媒入口、冷媒出口、冷热台温控信号接口和气氛通道，反射视窗和透射视窗位于密封样品室对面的壁上。
所述样品室的反射视窗和透射视窗，可根据不同用途选用不同的透光材料，如对于紫外、可见和红外波段的光学检测可选用氟化钙镜片，对于X射线相关的检测可选用聚酰亚胺薄膜镜片。
所述样品室内的冷热台为样品提供环境温度，该冷热台表面用纯银或其他热传导良好的材料制成，以利于冷热台表面各处温度均匀。冷热台内置温度传感器、发热元件以及用于冷媒(如液氮等)通过的冷却管道。冷媒入口和冷媒出口用于液氮等冷媒进入冷热台内部循环。所述透射孔贯穿冷热台，正对反射视窗和透射视窗，利于光穿过冷热台入射到样品上。
所述薄膜传感器接线柱连接置于冷热台上的传感器，并通过薄膜传感器信号线接口与控制电子元件电连接。
冷热台温控信号接口与环境控制模块电连接，控制冷热台温度，该环境控制模块同时具有加热和制冷功能，可对冷热台温度稳定在某个设定值，也可进行程序化升降温。
所述样品室的气氛通道可用于调整密封样品室内的气氛，根据需要可为真空、氮气、氦气、氩氢混合气等气氛。
将该设备放置于测试光源及探测器下，通过样品室视窗，可对传感器上的样品进行光学结构表征，与多种结构表征技术联用分析。
所述快速控制电子元件一端与样品室连接，一端与通信终端连接。快速控制电子元件内包括快速PID温度控制器及高速数据采集卡。
所述快速PID温度控制器接收样品传感器和参比传感器的温度信号，根据热电堆的温度反馈相应的调整加热功率并对样品传感器提供补偿功率。
所述高速数据采集卡采集传感器传输过来的温度信号并实时或实验结束后向通信终端发送数据。
所述通信终端可为任一加载用户界面软件的电子设备，如PC/笔记本电脑/平板电脑等。在用户界面编辑所需的热处理过程(温度vs时间)，该温度-时间曲线将以电压vs时间的形式提供给设备的控制电子元件。控制电子元件根据给定程序向样品室内的样品传感器和参比传感器提供加热电压，并根据传感器热电堆反馈的温度信息对加热功率进行调整，同时根据样品温度的变化对样品传感器提供相应的功率补偿，高速数据采集卡对传感器提供的加热功率及温度等信号进行采集，并实时或实验完成后向通信终端发送数据，通信终端对数据进行存储以及分析。
所述通信终端与其它表征设备相连，采集样品结构表征的光学信号(例如拉曼、红外、XRD等)，对传感器上的样品进行实时光谱测量，或者使用FSC进行温度程序控制以捕获样品亚稳态结构，再通过光谱表征技术进行结构分析。
实施例3
目前冷热台型超快扫描量热仪最低可允许的冷却温度为-100℃，当测试温度需要更低时，可使用冷却增强的样品室。
本实例给出了一种冷却增强型超快扫描量热仪，其模块图如图7所示，包括密封管状样品室、环境控制模块、快速控制电子元件以及通信终端。
所述密封管状样品室包括薄壁密封管、传感器支架、不锈钢支架、连接电线、气氛出入口、上盖以及电路接口。
所述薄壁密封管通常为不锈钢材质，管壁约0.5mm，保证管内外气氛具有最小温度差，同时管内可承受0.1mbar的真空压力。
所述传感器支架为铝制，用于放置样品传感器和参比传感器(XensorIntegration公司XEN393系列TO5传感器)，支架周围环绕加热电阻并放置热电偶Pt100用于检测和控制环境温度。传感器支架上有金属插针连接电线，电线另一端与上盖的电路接口相连，通过电路接口使得传感器与控制电子元件电连接并传输信号。
所述不锈钢支架与上盖焊接，用于固定传感器支架，同时连接电线缠绕在不锈钢支架上，减少电噪音。
所述气氛出入口位于密封管上部，用于改变管内气氛，根据实验需要可为真空、氮气、氦气、氩氢混合气等。干燥的氮气可用于测量对湿度敏感的样品，氩氢混合物气氛可用于金属样品抗氧化，氦气可提高额外一个数量级的降温速率。更换气氛时，首先通过真空泵将管内抽到约0.1mba的真空，再通过电子气泵向管内填充所需的气体，重复至少三次。
所述环境控制模块包括液氮罐、环绕传感器支架的加热电阻丝、置于样品室内的热电偶Pt100以及温度控制器。液氮罐内装有液氮，将密封样品管放置于液氮液面上方，可提供最低约83K的环境温度。所述加热电阻丝和热电偶置于样品室内，通过电线连接与温度控制器连接，可在通信终端的用户界面设置所需环境温度值，通过加热电阻丝对样品室进行加热。
所述快速控制电子元件与通信终端与实施例2一致。快速控制电子元件包括快速PID温度控制器和高速数据采集卡。所述快速PID温度控制器接收样品传感器和参比传感器的温度信号，根据热电堆的温度反馈相应的调整加热功率并对样品传感器提供补偿功率。所述高速数据采集卡采集传感器传输过来的温度信号并实时或实验结束后向通信终端发送数据。
所述通信终端可为任一加载用户界面软件的电子设备，如PC/笔记本电脑/平板电脑等。在用户界面编辑所需的热处理过程(温度vs时间)，该温度-时间曲线将以电压vs时间的形式提供给设备的控制电子元件。控制电子元件根据给定程序向样品室内的样品传感器和参比传感器提供加热电压，并根据传感器热电堆反馈的温度信息对加热功率进行调整，同时根据样品温度的变化对样品传感器提供相应的功率补偿，高速数据采集卡对传感器提供的加热功率及温度等信号进行采集，并实时或实验完成后向通信终端发送数据，通信终端对数据进行存储以及分析。
实验时将载有样品的芯片传感器放入传感器支架，并密封于不锈钢管内，通过反复抽真空及通气氛(如氮气)使得管内充满氮气，连接样品室与控制电子元件，检查传感器输出信号是否正常。然后将该管放置于装有液氮的杜瓦罐中，样品室置于液氮液面上方，使得样品室环境温度最低可达液氮的沸腾温度。不锈钢管的直径略小于杜瓦瓶颈，可最大程度地减少液氮消耗，保证长时间序列实验时样品室环境的稳定性。在通信终端的用户界面根据实验需要设置所需的环境温度，由环境温度控制器(Eurotherm的温度控制器)控制样品室内环绕传感器支架的加热电阻丝，以确保稳定的环境温度。
此外，若需要进一步提高降温速率时，可附加液体冷却装置，在不锈钢管内增加冷媒滴加和气体吹扫装置，具体可见以公开的专利CN201711077303.3。
本发明提供了一种模块化结构超快扫描量热仪的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，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。

Claims (9)

1.一种模块化结构超快扫描量热仪，其特征在于，包括：
多功能样品室，用于承载纳微米样品；
样品环境控制模块，用于控制多功能样品室中测试环境；
快速控制电子元件，用于超高速信号采集及温度控制；
通信终端，用于实验设定和数据储存分析；
其中，所述通信终端、快速控制电子元件、多功能样品室依次信号连接；所述样品环境控制模块分别与通信终端、快速控制电子元件和多功能样品室连接；
所述多功能样品室内设有用于承载样品的芯片传感器。
2.根据权利要求1所述的模块化结构超快扫描量热仪，其特征在于，所述快速控制电子元件包括超快PID控制器和高速数据采集卡；
所述超快PID控制器为模拟信号控制器或数字化控制器，控制速率>1MHz.；超快PID控制器一端与通信终端连接，另一端与芯片传感器加热元件连接，接收传感器热电堆的温度信号并向传感器加热元件发送加热电压，控制样品的加热功率；
所述高速数据采集卡含有8个快速数据采集通道，采集速率>1MS/s；高速数据采集卡一端与通信终端连接，另一端与芯片传感器的热电堆连接，用于反馈样品实时温度值，保存并发送至通信终端。
3.根据权利要求2所述的模块化结构超快扫描量热仪，其特征在于，所述多功能样品室中部设有一作为光路通道的透视窗口，所述透视窗口上设有光学表征仪器，其作用于样品上，并得到样品的光学信息；所述光学表征仪器与通信终端连接，将得到的样品光学信息发送至通信终端内保存。
4.根据权利要求2或3所述的模块化结构超快扫描量热仪，其特征在于，所述加热元件为芯片传感器内部的热电偶。
5.根据权利要求2或3所述的模块化结构超快扫描量热仪，其特征在于，所述加热元件为设置在样品室外部的激光加热器。
6.根据权利要求1所述的模块化结构超快扫描量热仪，其特征在于，所述多功能样品室为密封的腔体，通过样品环境控制模块控制样品室内的气氛以及温度，样品环境控制模块包括独立的气氛控制模块和温度控制模块。
7.根据权利要求6所述的模块化结构超快扫描量热仪，其特征在于，所述气氛控制模块包括气缸、电子气泵和真空泵，所述电子气泵和真空泵的驱动电路与通信终端连接，通过通信终端发出的信号控制电子气泵和真空泵的开闭。
8.根据权利要求6所述的模块化结构超快扫描量热仪，其特征在于，所述温度控制模块包括环境温度控制器、加热电阻丝、温度传感器以及供冷装置；所述温度传感器位于样品室内，用于将样品室内环境温度信号发送至环境温度控制器中；所述加热电阻丝环绕芯片传感器支架布置，其与环境温度控制器连接，通电后加热，以提高样品室内环境温度；所述供冷装置用于提供冷源，以降低样品室内环境温度；所述环境温度控制器位于样品室外部，其与通信终端和快速控制电子元件信号连接；所述环境温度控制器由快速控制电子元件控制，对样品室进行程序化温度控制并保存相关温度数据发送给通信终端。
9.根据权利要求8所述的模块化结构超快扫描量热仪，其特征在于，所述供冷装置为冷媒流动平台、冷媒储存罐或者冷媒滴加装置。
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