CN116698909A - 一种基于热通量的热物性参数测量系统和方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
技术领域
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
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。
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。
发明内容
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。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
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。
进一步地：
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。
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。
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。
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。
所述温度传感器为细线热电偶。
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。
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：
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：
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；
对于第2～N-1个节点，其控制方程为：
其中，α为被测物体的热扩散率；
物体的初始温度为T0，下边界条件和初始条件为：
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；
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。
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。
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。
本发明具有如下有益效果：
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。
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。
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。
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。
附图说明
图1是本发明实施例基于热通量的热物性参数测量系统的结构示意图；
图2是本发明实施例中系统的剖面示意图；
图3是本发明实施例中对目标物体建模的离散瞬态热传导模型示意图；
图4是本发明实施例中系统对铝合金热学参数测量2s内热通量数据；
图5是本发明实施例中系统对铝合金测量数据的模型计算与拟合结果；
图6是本发明实施例中系统对钢化玻璃热学参数测量2s内热通量数据；
图7是本发明实施例中系统对钢化玻璃测量数据的模型计算与拟合结果。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
为了实现稳定、便携的热学参数测量，本发明从热觉传感器和热传导模型两个方面考虑。一方面，热觉传感器或热觉传感器系统需要具备较薄的厚度、足够大的加热区域面积以及准确的温度测量精度。这种传感器可由微纳加工工艺制造成柔性器件，并贴附于被测物体表面。另一方面，热传导模型的构建需要考虑传感器与物体的几何结构以及实际应用场景，求解温度随时间变化的瞬态过程。热觉传感器结合热传导模型，通过算法能够得到被测材料的热学参数，但传感器的结构设计和模型的变量数目都会影响测量结果的精度。本发明的热觉感知测量系统中，热通量传感器能够测量通过传感器的热流量，其贴附于物体表面能够直接得到边界的热流密度，同时，引入物体边界温度的测量，并构建离散瞬态热传导模型，能够更好地实现便携、准确的热物性参数测量。
参阅图1和图2，本发明实施例提供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2、温度传感器(如细线热电偶3)和加热器(如蛇形加热器5)，所述热通量传感器2的一侧与被测物体1的表面接触，所述热通量传感器2的另一侧设置所述加热器，所述加热器对被测物体1的传热面覆盖所述热通量传感器2，所述加热器产生的热量通过所述热通量传感器2传导到所述被测物体1，所述热通量传感器2用于测量通过被测物体1边界的热流密度(也称热通量)，所述温度传感器以等效于放置在所述热通量传感器2与被测物体1接触的那一侧的方式设置在被测物体1的表面上，所述温度传感器用于测量被测物体1边界的温度；其中，所测的热流密度和温度可用于确定被测物体1的热物性参数，包括热导率与热扩散率，具体将在下文中进一步说明。
在优选的实施例中，所述热通量传感器2为柔性热通量传感器，其敏感单元为热电堆。
在优选的实施例中，所述加热器对所述热通量传感器2的覆盖面积大于所述热通量传感器2对被测物体1的覆盖面积，所述温度传感器设置于被测物体1的处在所述加热器的覆盖面积内而在所述热通量传感器2的覆盖面积外的表面上。较佳地，所述温度传感器可以为细线热电偶3。所述温度传感器3与所述加热器5之间设置有热阻层(如聚酰亚胺热阻层4)，热阻层作为等效热通量传感器的介质(可采用与热通量传感器介质性质相同或相似的材料)，从而等效于将温度传感器3放置在热通量传感器2与被测物体1接触的那一侧的方式设置在被测物体1的表面上。温度传感器也可设置在热通量传感器2与被测物体1的表面之间来进行边界温度检测，但这样设置温度传感器容易影响热通量传感器2与被测物体1之间传热，本实施例的优化设计既能够实现对物体边界温度的准确检测，又不会影响热通量传感器2对物体边界的热流密度检测的准确性。本实施例的设计等效为在一个垂直方向上，同时测量流入物体的热流密度和物体边界温度。应理解的是，本发明所称的等效也包括将温度传感器直接放置在热通量传感器2与被测物体1接触的那一侧。
较佳地，所述热通量传感器2为聚酰亚胺封装的热通量传感器，所述热阻层为聚酰亚胺热阻层4。
在优选的实施例中，所述热阻层的厚度与所述热通量传感器2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2。
在优选的实施例中，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(如聚氨酯隔热层6)。
较佳地，所述热通量传感器2、所述温度传感器、所述加热器及隔热结构的外围整体由聚合物进行封装，如采用PDMS封装7。
本发明实施例还提供一种基于热通量的热物性参数测量方法，使用所述的热物性参数测量系统，通过构建离散瞬态热传导模型，测量物体的热导率与热扩散率。
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。本发明实施例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。
本发明实施例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，将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、快速测量不同物体的热导率和热扩散率。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，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。
以下进一步描述本发明具体实施例。
在一些实施例中，本发明基于热通量的热物性参数测量系统包括柔性热通量传感器、细线热电偶、柔性薄膜热阻结构、蛇形加热器以及隔热结构，系统结合构建的离散瞬态热传导模型进行热物性参数测量。系统为接触式，测量时贴附于被测物体表面，热通量传感器和细线热电偶与被测物体边界接触。热通量传感器测量通过边界的热流密度，细线热电偶测量边界的温度，输出电压由测量电路检测并转换。蛇形加热器由蛇形金属电极和聚合物封装组成，通过供电加热，采集电路记录系统输出的热流密度与温度。离散瞬态热传导模型，输入为热流密度，通过优化算法迭代计算被测物体热导率和热扩散率，达到定量热觉感知的目的。该系统能够实现物体热物性参数的准确测量，且仅需获取在接触中短时间内的数据信息，其测量速度快、精度高，且系统体积小、重量轻，具有便携性，易于使用与集成。
在一些实施例中，热通量传感器敏感单元为热电堆，其输出电压信号与热通量成正比，在测量中位于被测物体与蛇形加热器之间，用于测量被测物体边界的热流密度。
在一些实施例中，热电偶采用细线热电偶，热电偶测温节点与导线直径小，安装于薄膜热阻结构下方，在应用时直接与被测物体表面接触，由测量电路检测，从而实时感知物体边界温度。
在一些实施例中，所述柔性薄膜热阻结构，热阻结构的材料热属性与热通量传感器相同或相似，厚度与所采用的热通量传感器相同，同时面积与蛇形加热器相同，其中心切割为镂空结构用于安装嵌入热通量传感器。
在一些实施例中，由蛇形金属电极与聚合物封装组成所述蛇形加热器，通过引线引出，改变不同的施加电压可以实现不同的加热功率，蛇形电极的形状和线宽等结构参数取决于实际的测量需求。
在一些实施例中，所述隔热结构由低导热性材料构成，位于蛇形加热器上层，具有一定的厚度，垂直方向投影面积大于热通量传感器与细线热电偶测温点所构成的区域。
在一些实施例中，所述离散瞬态热传导模型采用离散化求解方式，将被测材料视为半无限大物体，模型的输入为系统所测量的热流密度，控制变量为被测物体的热导率和热扩散率，模型能够计算出在给定边界热流密度下物体的温度变化，结合实测温度与拟合优化算法得到测量结果。
在一些实施例中，柔性热通量传感器、细线热电偶、柔性薄膜热阻结构、蛇形加热器、隔热结构，由聚合物进行整体封装。
所述热通量传感器的敏感单元由热电偶串联组成热电堆，主要由聚酰亚胺封装，能够测量通过传感器的热流密度，其输出为电压信号，具有高响应速度和准确性。
在一些实施例中，所述热通量传感器的厚度0.05mm～0.5mm，面积5mm×5mm～20mm×20mm，为柔性薄膜结构。
在一些实施例中，所述柔性薄膜热阻结构，厚度与热通量传感器相同，面积为5mm×5mm～60mm×60mm，取决于热通量传感器的面积和应用场景，由聚酰亚胺或与热通量传感器热学参数相近似的材料制备，通过激光或切割工艺制作镂空结构用于嵌入安装热通量传感器。
在一些实施例中，所述细线热电偶，用于测量目标物体表面温度，传感器测温点直径0.2mm～0.4mm，导线直径0.025mm～0.075mm。
在一些实施例中，所述蛇形加热器，由金属电极和聚合物封装组成，为柔性薄膜结构，面积与柔性薄膜热阻结构相同，厚度0.05mm～0.5mm，金属电极线宽0.05mm～2mm，取决热通量传感器结构与应用场景。
在一些实施例中，所述隔热结构，由聚氨酯(PU)、泡沫或其它导热性低的材料构成，面积与蛇形加热器面积相同，厚度为10mm～60mm。
在一些实施例中，所述热物性参数测量系统的第一层为柔性热通量传感器与柔性薄膜热阻结构(热阻层)，其中热通量传感器放置嵌入在热阻层的镂空结构中，将细线热电偶嵌入在热阻层之下，涂抹少量导热硅脂；第二层为蛇形加热器，紧贴附于第一层上方；第三层为隔热结构(隔热层)，紧贴附在蛇形加热器之上。整个系统可以直接用于测量，也可以通过模具灌注聚合物(例如聚二甲基硅氧烷)进行整体封装后用于测量。
如图1所示，基于热通量的热物性参数测量系统包括热通量传感器2、细线热电偶3、聚酰亚胺热阻层4、蛇形加热器5、聚氨酯隔热层6。所述热通量传感器安装于聚酰亚胺热阻层4中等大小的镂空结构中，位于被测物体与蛇形加热器1、5之间。
如图1所示，所述热通量传感器2，敏感单元为热电堆，输出电信号与流过传感器的热流密度成正比，通过电极引出导线连接到外部电路。
如图1所示，所述聚酰亚胺热阻层4在垂直方向的投影面积大小与蛇形加热器5相同，其中按照热通量传感器的大小切割出镂空结构，细线热电偶3安装在聚酰亚胺热阻层的下方，与被测物体表面直接接触。
如图1所示，基于热通量的热物性参数测量系统通过接触被测物体1进行测量，系统可以直接贴附于被测物体上，也可以通过注入聚合物PDMS或PU对系统进行封装后测量。
图2为图1所示系统的剖面图，包括被测物体1、热通量传感器2、细线热电偶3、聚酰亚胺热阻层4、蛇形加热器5、聚氨酯隔热层6、PDMS封装7，8为热流密度示意图标。在应用中，给蛇形加热器5供电，热量传播进入被测物体1，热通量传感器2测量流入目标物体边界的热流密度，细线热电偶3测量被测物体边界的温度，通过短时间内的热流量与温度值，代入模型进行计算与算法拟合。
如图3所示，对被测物体进行建模，将被测物体按照垂直于物体表面方向划分为N个单元，单元间距为Δx，离散瞬态热传导模型每次迭代计算的时间间隔为Δτ，通过测量的边界热流密度与给定的热学参数可以计算出被测物体表面温度变化。
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通过执行器如机器手构成，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。
工作时，作为接触式测量系统，将系统与被测物体表面接触紧密贴附，给蛇形加热器供电同时电路采集输出的热通量与温度信号，通过如下离散瞬态热传导模型计算。
基于热通量的离散瞬态热传导模型，可通过迭代方式求解参数，具体如下：
将被测物体视为半无限大物体，在短时间内仅考虑垂直于物体表面方向上的传热，将物体离散化为N个单元点，根据能量守恒定律，边界方程为：
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。对于第2～N-1个节点，控制方程为：
其中，α为被测物体的热扩散率。因被测物体假设为半无限大物体，无穷远处温度不变，设物体初始温度为T0，系统下边界条件和初始条件为：
当给定一组被测材料的热物性参数，通过系统测量的热流量，可以计算得被测物体表面温度。以理论计算温度与实际测量温度的均方根误差为评价函数，通过搜索算法(如最小二乘法)拟合计算得热导率与热扩散率。
实例1
选取铝合金为被测材料，大小为80mm×80mm×20mm。系统中热通量传感器厚度0.4mm，面积10mm×10mm，蛇形加热器面积55mm×60mm，热阻层材料为聚酰亚胺，其厚度0.4mm，隔热层材料为聚氨酯，厚度为30mm，面积50mm×50mm，细线热电偶为T型热电偶，导线直径0.05mm。将测量系统紧密贴合在铝合金表面，采用数字万用表采集热通量传感器和T型热电偶的输出电压，给蛇形加热器通18V电压，记录2s内热通量和温度数据。
通过离散瞬态热传导模型计算被测物体热物性参数，模型中Δτ设置为1×10-6s，Δx为4×10-5m，以热通量为输入，热导率和热扩散率为变量，所计算的物体表面理论温度和T型热电偶所测量的实际温度的均方根误差作为适应度值，采用粒子群优化算法计算最优结果，从而得到被测物体的热导率和热扩散率。
作为一个示例，所采用的粒子群优化算法是一种智能搜索算法，其迭代更新公式为：
vid＝ω*vid+c1r1(pid-xid)+c2r2(pgd-xid)
xid＝xid+vid
其中，粒子的维度为模型的输入变量，xid表示第i个粒子当前位置，pid是第i个粒子的历史最优位置，pgd是粒子群中全局最优粒子的位置，ω表示惯性权重，c1、c2为学习因子，r1、r2是随机数，vid是当前粒子的速度，ω是比例因子。粒子群基于全局最优和个体最优不断迭代进化得最优适应度粒子。
所测量热通量结果如图4，通过模型计算得被测物体热导率为124.7W/(m·K)，热扩散率为5.64×10-5m2/s，拟合计算结果如图5，对应的铝合金样品标准参考热导率为120.4W/(m·K)，参考热扩散率为5.20×10-5m2/s，相对误差分别为3.57％和8.46％。
实例2
选取钢化玻璃为被测材料，大小为80mm×80mm×20mm。系统中热通量传感器厚度0.4mm，面积10mm×10mm，蛇形加热器面积55mm×60mm，热阻层材料为聚酰亚胺，其厚度0.4mm，隔热层材料为聚氨酯，厚度为30mm，面积50mm×50mm，细线热电偶线为T型热电偶，线直径0.05mm。将测量系统紧密贴合在铝合金表面，采用数字万用表采集热通量传感器和T型热电偶的输出电压，给蛇形加热器通22V电压，记录2s内热通量和温度数据。
通过离散瞬态热传导模型计算被测物体热物性参数，模型中Δτ设置为1×10-5s，Δx为4×10-5m，以热通量为输入，热导率和热扩散率为变量，所计算的物体表面理论温度和T型热电偶所测量的实际温度的均方根误差为适应度值，采用粒子群优化算法计算最优结果，从而得到被测物体的热导率和热扩散率。
所测量热通过结果如图6，通过模型计算得被测物体热导率为1.13W/(m·K)，热扩散率为5.66×10-7m2/s，拟合计算结果如图7，对应的钢化玻璃样品标准参考热导率为1.097W/(m·K)，参考热扩散率为5.52×10-7m2/s，相对误差分别为3.0％和2.54％。
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。
本发明相比传统技术的主要优势：
本发明弥补了目前热觉定性测量与识别模式的不足，为智能触觉反馈提供更多维度的信息。解决了便携式热觉感知模式下对物体的热学参数定量测量问题。解决了在不同室温下物体的定量识别问题，无需精确的初始温度测量与温度补偿。解决了以往模型过余复杂，变量过多导致的误差。
本发明能够实现不同材料物体的热物性参数准确测量，且仅需获取在接触过程中短时间内的数据信息，其测量速度快、精度高，且系统体积小、重量轻，具有便携性，易于使用与集成。本系统的测量稳定性好，所提出的模型基于目标物体的边界温度与边界热流密度，是一种很有潜力和前景的热学参数测量方法。
本发明基于热通量与边界温度的测量方案提高测量的准确性，简化了传热模型，同时能够提高定量热觉感知的稳定性，并可实现便携式热学参数测量，对于识别感知、触觉再现、虚拟现实等有重大意义，为实现大规模的商用消费电子的发展奠定了基础。
本发明的方案在不同环境下应用的稳定性好，且易于集成，具体应用场景如下：
1、机器人物体识别和抓取：机器人可以通过该系统配合其它传感器来感知被测物体的形状、材质、颜色等特征，并且获取物体的热学信息，从而可以更加精确地抓取和处理物体。
2、触觉再现与虚拟现实：所发明的测量系统具有小型化、便携式等优点，可以被用于触觉再现，例如在虚拟现实中模拟真实的触觉体验。系统可以检测现实物体物理信息，并将这些信息传输到虚拟现实环境中，同时配合震动反馈设备等技术，实现触觉再现。
3、远程热感知再现：所发明的系统可以被用于远程热感知再现，例如远程医疗、远程探测等领域。在这些场景中，传感器可以感知物体的温度、热量、热学参数信息，并将这些信息传输到远程用户的设备上，结合执行器以便用户可以感知到远程物体的热感知体验。
4、工业自动化：在工业自动化场景中，本系统可以被用于感知工业设备和生产线上的物体，用于物体分类、计数、分拣等任务。此外，该系统也可以被用于检测工业设备的温度、热量等参数，以便进行设备状态监测和预测性维护。
5、智能家居、物联网、消费电子等：在智能家居、物联网中，该系统可以被用于感知周围环境的温度、热量信息、接触物体的热学参数信息，并将这些信息传输到智能家居系统中，以便进行智能化的温控和能耗管理。在消费电子中，系统为薄膜结构，可集成于智能手环，结合对人体的热学数据进行纹理识别、健康监测。
本发明尤其对于机器人抓取识别、自动化、触觉再现、虚拟现实等行业有以下市场价值：
1)本系统为小型化、贴附式，易于集成于现有的机器人设备上，为智能机器人、自动化控制设备的提升提供了一种高效、低成本、模块化的实现方案。
2)本系统能够在接触下实现物体热学参数的测量，为热觉感知提供了更多维度的信息，识别的准确度以及对物体信息、物理特征的获取能力大大提升。
3)本发明的系统依据物理传热模型，能够在虚拟现实中模拟真实的触觉体验，也可以用于远程的触觉再现，极大地增强用户体验感，增强现有产品竞争力。
本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。
Claims (10)
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：
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：
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；
对于第2～N-1个节点，其控制方程为：
其中，α为被测物体的热扩散率；
物体的初始温度为T0，下边界条件和初始条件为：
基于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；
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。
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。
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