CN117825135A - 一种基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置和方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置和方法，所述测试装置包括冻土制备子装置和信号测量子装置，冻土制备子装置包括一对隔离铝板、环刀、一对TEC制冷板和温控组件，该冻土制备子装置用于通过TEC制冷板对所述待测土样制冷形成冻土试样，信号测量子装置用于依据瞬态平面热源法测量所述冻土试样的导热系数。本发明提供的测试装置，采用TEC制冷方法进行冻土的冻制，利用瞬态平面热源法进行冻土导热系数的测量，装置结构简单、测量结果高效，能够达到提高测量的精准度和可靠性的技术效果。

Description

一种基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置和方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置和方法。

背景技术

冻土导热测量是一种用于研究和评估冻土地区热传导性质的技术。在寒冷地区，土壤或岩石中的水分会凝结成冻结态，形成冻土。冻土的特性对于土地利用、工程建设以及气候变化等方面具有重要影响。而冻土的传热特性，特别是导热性质的准确测量对于了解冻土系统的热耦合、温度分布、冻融过程等具有关键意义。

实验室中常用的冻土制备方法：冷冻箱法、液氮法和冷浴冻制法，以上冻土制备方法在制备冻土用于测量导热系数的过程中存在以下局限：冷冻箱法通常需要较长的时间来使冻土达到所需的冻结状态，且冷冻箱内温度分布不均匀，特别是在大型冷冻箱中，容易导致样品内部不同位置的冻结程度有所差异，从而影响导热系数测量的准确性和可重复性；液氮法在制备冻土进行导热系数测量方面存在着安全风险、设备成本高；冷浴冻制法在制备冻土时需要冷却介质，并需要将土样密封防止冷却液污染土样。近年来，土体导热系数的测定方法大致分为两类：稳态法和瞬态法。使用稳态法测量土体的导热系数时，需要土体的温度分布达到稳定状态，整个过程需要数小时甚至更久。相比于稳态法使用瞬态法测量土体的导热系数不需要土样达到稳定温度分布，可以几秒内完成测量，节省时间。瞬态法因为热源施加方式不同分为瞬态线热源热探针法和瞬态平面热源法，热探针法测量土体导热系数的过程中需要将探针插入土体，会对土体内部进行扰动，同时忽略探针自身的构造与管壁厚度导致的与待测介质间的接触热阻所带来的误差，进而影响测量结果。

也即，如何提供一种基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置，能够达到提高测量效率、提高导热系数测量精度的技术效果是本领域亟需解决的技术难题。

发明内容

本发明实施例提供了一种基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试方法及其相关设备，以解决上述至少一种技术问题。

第一方面，本申请提供了一种基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置，用于对待测土样的冻土热特性进行测量，所述测试装置包括：

冻土制备子装置，所述冻土制备子装置包括一对隔离铝板、环刀、一对TEC制冷板和温控组件，所述环刀中填充有所述待测土样，以形成圆柱状试样，一对所述隔离铝板之间夹持有所述圆柱状试样；一个所述TEC制冷板的冷面抵于一个所述隔离铝板的外侧，另一个所述TEC制冷板的冷面抵于另一个所述隔离铝板的外侧，以通过一对所述TEC制冷板的冷面形成对圆柱状试样的制冷区域，所述圆柱状试样位于所述制冷区域内；所述温控组件与一对所述TEC制冷板连接，用于控制所述TEC制冷板的冷面温度；

信号测量子装置，所述信号测量子装置用于依据瞬态平面热源法测量所述冻土试样的导热系数。

优选地，所述温控组件包括：

水泵；

一对水冷接头，一个所述水冷接头固定于一个所述TEC制冷板的热面，另一个所述水冷接头固定于另一个所述TEC制冷板的热面，一对所述水冷接头通过水泵与外部水源连通，用于对所述TEC制冷板的热面进行散热；

第一电源；

温控器，所述温控器分别与所述第一电源和一对所述TEC制冷板的冷面连接，用于控制所述TEC制冷板的冷面温度。

优选地，所述冻土制备子装置还包括一对垫圈，一个所述垫圈设置于一个所述隔离铝板和所述圆柱状试样之间，另一个所述垫圈设置于另一个所述隔离铝板和所述圆柱状试样之间。

优选地，每一个所述隔离铝板与所述圆柱状试样相接触的侧面上设置有ABS塑料垫块。

优选地，所述信号测量子装置包括TPS传感器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第二电源、万用表、数据处理器；所述TPS传感器设置于所述圆柱状试样和所述ABS塑料垫块之间，或所述TPS传感器设置于所述圆柱状试样中；所述TPS传感器、第一电阻、第二电阻、第三电阻首尾电连接构成惠斯通电桥，所述惠斯通电桥中两个相对的接头之间电连接有所述第二电源，所述惠斯通电桥中另外两个相对的接头之间电连接有所述万用表，所述数据处理器与所述万用表电连接，所述万用表与外部终端设备连接。

优选地，所述第一电阻和所述第二电阻的阻值大小相同。

优选地，所述圆柱状试样的尺寸为：直径37.5mm、厚度7.5mm；

所述隔离铝板的尺寸为：直径50mm、厚度10mm；

所述ABS塑料垫块的尺寸为：直径14mm、厚度5mm。

第二方面，本申请提供一种基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试方法，应用于上述第一方面任一项所述的测试装置，所述测试方法包括：

制备圆柱状试样，并将所述圆柱状试样夹持于两个隔离铝板的内侧面之间，两个TEC制冷板分别抵于两个隔离铝板的外侧面，其中，隔离铝板的内侧面设置有ABS塑料垫块；

将信号测量子装置的TPS传感器与所述圆柱状试样相接触；

通过温控组件将两个所述TEC制冷板的冷面温度降低至预设温度，以通过两个所述TEC制冷板的冷面形成的制冷区域将所述圆柱状试样制冷形成具有所述预设温度的冻土试样；

通过信号测量子装置依据瞬态平面热源法计算预设温度下所述冻土试样所对应的导热系数。

优选地，所述通过信号测量子装置依据瞬态平面热源法计算预设温度下所述冻土试样所对应的导热系数，包括：

对所述TPS传感器施加短时脉冲，以通过所述TPS传感器加热所述冻土试样；

通过信号测量子装置获取所述TPS传感器的电阻随温度变化的线性关系，得到所述TPS传感器的温升曲线；

通过最小二乘法拟合测量过程中所述冻土试样表面温度增值随时间变化的函数和无量纲特征时间函数的线性关系，得到待测土样的导热系数。

优选地，所述将TPS传感器与所述圆柱状试样相接触，包括：

将所述TPS传感器的一面与所述圆柱状试样相接触，将TPS传感器的另一面与ABS塑料垫块相接触；

或，

将TPS传感器的两面均与所述圆柱状试样相接触。

本发明提供了一种基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置，该测试装置包括冻土制备子装置和信号测量子装置，冻土制备子装置包括一对隔离铝板、环刀、一对TEC制冷板和温控组件，通过一对TEC制冷板的冷面对待测土样进行夹持，两个冷面夹持形成制冷区域，因为该制冷区域较小且较密封，可以实现对待测土样的均匀制冷，通过调节温控组件可以控制TEC制冷板的冷面温度，以实现对待测土样在不同温度下的快速制冷，温度控制精度可以达到0.01℃，因此可以实现高精度的导热系数测量，在TEC制冷板和待测土样之间设置隔离铝板，可以实现对待测土样的快速导热，以将该待测土样制备形成预设温度的冻土试样，然后通过信号测量子装置依据瞬态平面热源法测量该待测土样形成的预设温度的冻土试样所对应的导热系数，瞬态平面热源法采用的是薄带状探头，提高了探头和待测土样表面的接触面积，因通电测量时间短，探测深度仅在几毫米，可以使用小样品进行测量，降低了土样的制样时间和难度，同时能够节省材料。本发明提供的测试装置，采用TEC制冷方法对待测土样进行快速均匀的制冷以形成冻土试样，利用瞬态平面热源法进行冻土导热系数的测量，装置结构简单、测量结果高效，具有较高的稳定性、可靠性以及较强的适应性，能够达到提高测量的精准度和提高测量效率的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置的一种结构示意图；

图2为本申请提供的基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试方法的一种流程示意图。

附图标记：

1、冻土制备子装置；

11、隔离铝板；

111、ABS塑料垫块；

12、环刀；

13、待测土样；

14、TEC制冷板；

15、温控组件；

151、水泵；

152、水冷接头；

153、第一电源；

16、垫圈；

2、信号测量子装置；

21、TPS传感器；

22、第一电阻；

23、第二电阻；

24、第三电阻；

25、第二电源；

26、万用表；

27、数据处理器。

具体实施方式

下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围；其中本实施中所涉及的“和/或”关键词，表示和、或两种情况，换句话说，本说明书实施例所提及的A和/或B，表示了A和B、A或B两种情况，描述了A与B所存在的三种状态，如A和/或B，表示：只包括A不包括B；只包括B不包括A；包括A与B。

同时，本说明书实施例中，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

在介绍本申请实施例之前，需要补充说明的是，TEC(Thermo-Electric Cooler)制冷技术是基于热电效应的一种制冷技术。热电效应是指在某些特殊的材料中，当通过对该材料施加电流时，会产生温度差，即一侧变冷，一侧变热。通过控制电压的方向和大小，可以使TEC制冷器的一侧持续变冷，而另一侧变热。这样就可以实现从一侧吸收热量，另一侧排出热量的制冷效果。TEC制冷技术可以通过控制电流来快速降低温度，实现较大的温度梯度，进而提高测量精度；使用稳定的直流电源，不需要机械部件，因此具有较高的稳定性和可靠性；温度控制精度高，可以实现高精度的导热系数测量；可以根据不同测量需求进行自主选择、组合调节，可以适应不同场景和不同尺寸的冻土。瞬态平面热源法(TransientPlane Source Method,TPS法)的测量原理是通过采用恒定的加热功率对材料进行瞬态加热，在加热过程中测量土样表面的温升与时间的关系，获取到材料内部瞬态变化的温度场，建立与之对应的导热微分方程，求解得到土样的导热系数。瞬态平面热源法与瞬态线热源法相比，由于面热源法采用薄带状探头，提高了探头和被测样品表面的接触面积，故比线热源法更适合于测量土体的导热系数。

实施例一

请参阅图1，图1为本发明实施例中基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置的一种结构示意图，作为本发明所提供的基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置的一个实施例，该测试装置包括冻土制备子装置和信号测量子装置，所述冻土制备子装置包括一对隔离铝板、环刀、一对TEC制冷板和温控组件，所述环刀中填充有所述待测土样，以形成圆柱状试样，一对所述隔离铝板之间夹持有所述圆柱状试样；一个所述TEC制冷板的冷面抵于一个所述隔离铝板的外侧，另一个所述TEC制冷板的冷面抵于另一个所述隔离铝板的外侧，以通过一对所述TEC制冷板的冷面形成对圆柱状试样的制冷区域，所述圆柱状试样位于所述制冷区域内；所述温控组件与一对所述TEC制冷板连接，用于控制所述TEC制冷板的冷面温度；所述信号测量子装置用于依据瞬态平面热源法测量所述冻土试样的导热系数。

具体的，本发明实施例提供了一种基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置，该测试装置包括冻土制备子装置和信号测量子装置，冻土制备子装置包括一对隔离铝板、环刀、一对TEC制冷板和温控组件，通过一对TEC制冷板的冷面对待测土样进行夹持，两个冷面夹持形成制冷区域，因为该制冷区域较小且较密封，可以实现对待测土样的均匀制冷，通过调节温控组件可以控制TEC制冷板的冷面温度，以实现对待测土样在不同温度下的快速制冷，温度控制精度可以达到0.01℃，因此可以实现高精度的导热系数测量，在TEC制冷板和待测土样之间设置隔离铝板，可以实现对待测土样的快速导热，以将该待测土样制备形成预设温度的冻土试样，然后通过信号测量子装置依据瞬态平面热源法测量该待测土样形成的预设温度的冻土试样所对应的导热系数，瞬态平面热源法采用的是薄带状探头，提高了探头和待测土样表面的接触面积，因通电测量时间短，探测深度仅在几毫米，可以使用小样品进行测量，降低了土样的制样时间和难度，同时能够节省材料。本发明实施例提供的测试装置，采用TEC制冷方法对待测土样进行快速均匀的制冷以形成冻土试样，利用瞬态平面热源法进行冻土导热系数的测量，装置结构简单、测量结果高效，具有较高的稳定性、可靠性以及较强的适应性，能够达到提高测量的精准度和提高测量效率的技术效果。

作为一种可实现的方式，所述冻土制备子装置还包括一对垫圈，一个所述垫圈设置于一个所述隔离铝板和所述圆柱状试样之间，另一个所述垫圈设置于另一个所述隔离铝板和所述圆柱状试样之间。

具体的，环刀为空心的圆环结构，且该圆环结构的两端以及隔离铝板的内侧面均设置有与垫圈相适配的凹槽，使得在环刀和待测土样构成的圆柱状试样和隔离铝板之间设置垫圈时，能够通过垫圈与凹槽结构的适配性，将隔离铝板和环刀之间进行密封，同时隔离铝板也能与圆柱状试样中的待测土样相接触，提高装置的导热效果。

作为一种可实现的方式，冻土制备子装置可以包括两个环刀，用于制备形成两个圆柱状试样，并将两个圆柱状试样均夹持于一对隔离铝板之间，且两个圆柱状试样之间同样设置有一个垫圈用于达到密封效果。该种设置方式可以实现将信号测量子装置中的TPS传感器夹持于两个圆柱状试样之间，以避免在一个圆柱状试样的情况下需要将TPS传感器插入该圆柱状试样中的待测土样中从而对待测土样形成扰动。将信号测量子装置中的TPS传感器夹持于两个圆柱状试样之间的设置方式可以避免对待测土样形成扰动，同时使得TPS传感器的两面均与导热系数未知的待测土样相接触。

作为一种可实现的方式，所述温控组件包括水泵、一对水冷接头、第一电源和温控器，一个所述水冷接头固定于一个所述TEC制冷板的热面，另一个所述水冷接头固定于另一个所述TEC制冷板的热面，一对所述水冷接头通过水泵与外部水源连通，用于对所述TEC制冷板的热面进行散热；所述温控器分别与所述第一电源和一对所述TEC制冷板的冷面连接，用于控制所述TEC制冷板的冷面温度。

具体的，水冷接头包括水箱、进水口和出水口，且进水口和出水口均与水箱连通，进水口和出水口分别通过塑料管与水泵连接，水泵将外部水源的水通过进水口泵入水箱，然后将水箱的水通过出水口泵回外部水源中，以实现对TEC制冷板的热面的散热，进而将TEC制冷板的热面温度控制在室温。通过第一电源为TEC制冷板供电，并通过温控器监测TEC制冷板的冷面的温度，以实现对TEC制冷板的冷面温度的调节和保持。

进一步地，本申请温控组件中的水泵和一对水冷接头，用于对TEC制冷板的热面进行散热，可以将TEC制冷板的热面温度控制在室温左右，由此冷面制温度为室温减去温差后的温度值，其中温差由TEC制冷板的功率和输入电压决定。如果需要将冷面温度降至非常低，此时可以将温控组件中的水泵和一对水冷接头替换成制冷循环机，通过制冷循环机对TEC热面进行降温。

作为一种可实现的方式，每一个所述隔离铝板与所述圆柱状试样相接触的侧面上均设置有ABS塑料垫块。

具体的，还可以将信号测量子装置中的TPS传感器夹持于该圆柱状试样与一个隔离铝板之间，使得TPS传感器的一面与圆柱状试样相接触，另一面与隔离铝板的内侧面的ABS塑料垫块相接触，以实现瞬态平面热源法中的单面法，即TPS传感器的一面与导热系数未知的待测土样相接触，另一面与导热系数已知的ABS塑料垫块相接触。其中，ABS塑料垫块的厚度需要大于TPS传感器的测试范围，ABS塑料垫块的截面圆能够包裹住TPS传感器，避免TPS传感器直接与隔离铝板接触，提高测试精度，同时隔离铝板的截面圆要大于圆柱状试样的截面圆，以便于对圆柱状试样进行快速且均匀制冷。

作为一种可实现的方式，所述圆柱状试样的尺寸可以设置为：直径37.5mm、厚度7.5mm；所述隔离铝板的尺寸可以设置为：直径50mm、厚度10mm；所述ABS塑料垫块的尺寸可以设置为：直径14mm、厚度5mm，以进一步提高测试的精度，增加测试的可靠性和稳定性。

作为一种可实现的方式，所述信号测量子装置包括TPS传感器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第二电源、万用表、数据处理器；所述TPS传感器设置于所述圆柱状试样和所述ABS塑料垫块之间，或所述TPS传感器设置于所述圆柱状试样中；所述TPS传感器、第一电阻、第二电阻、第三电阻首尾电连接构成惠斯通电桥，所述惠斯通电桥中两个相对的接头之间电连接有所述第二电源，所述惠斯通电桥中另外两个相对的接头之间电连接有所述万用表，所述数据处理器与所述万用表电连接，所述万用表与外部终端设备连接，以将采集的模拟电压信号转化为外部终端设备可以读取的数字信号。

本领域技术人员可以理解，TPS传感器既作为热源又作为温度传感器感，其电阻和温度呈线性关系，即温度变化导致TPS传感器的电阻发生变化。将TPS传感器设置于圆柱状试样和ABS塑料垫块之间时，在通过冻土制备子装置对圆柱状试样进行制冷形成具有预设温度的冻土试样时，通过第二电源为惠斯通电桥提供稳定的激励电压，第二电源为直流电源，此时能够通过惠斯通电桥上连接的万用表测得随着TPS传感器的电阻变化导致的桥路中的电压变化值，数据处理器可以将万用表测得的电压变化值转化为数字信号并传输给外部终端设备，进而可以依据上述数据计算得到TPS传感器表面的温升曲线，通过最小二乘法拟合测量过程中冻土试样表面温度增值随时间变化的函数和无量纲时间函数的线性关系，根据瞬态平面热源单面法中已知的ABS塑料垫块的导热系数计算得出待测土样的导热系数，或者是根据瞬态平面热源双面法计算得出待测土样的导热系数。

作为一种可实现的方式，所述第一电阻和所述第二电阻的阻值大小相同。具体的，为了方便计算，可以将第一电阻和第二电阻的阻值设置为5kΩ，第三电阻的阻值设置为50Ω。

且为了提高测量的精确度，根据样品制备的原理，由环刀和待测土样构成的圆柱状试样的两端的圆形截面，以及隔离铝板的侧面设置为光滑表面，以减小实验过程中的接触热阻。可以理解，两个互相接触的材料，由于接触面的不平整，使得接触面之间存在间隙，实际上并没有完全接触，这种情况与固体表面完全接触相比，增加了附加的传递阻力，称为接触热阻。

下面介绍本发明实施例中基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试方法实施例，请参阅图2，图2为本发明实施例中基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试方法的一个实施例示意图，应用于上述实施例一中任一项所述的测试装置，该测试方法具体包括如下步骤S110至S1140：

步骤S110、制备圆柱状试样，并将所述圆柱状试样夹持于两个隔离铝板的内侧面之间，两个TEC制冷板分别抵于两个隔离铝板的外侧面；

其中，隔离铝板的内侧面设置有导热系数已知的ABS塑料垫块；

步骤S120、将信号测量子装置的TPS传感器与所述圆柱状试样相接触；

作为一种可实现的方式，上述步骤S120中的将TPS传感器与所述圆柱状试样相接触，具体包括：

将所述TPS传感器的一面与所述圆柱状试样相接触，将TPS传感器的另一面与ABS塑料垫块相接触；

或，

将TPS传感器的两面均与所述圆柱状试样相接触。

其中，将所述TPS传感器的一面与所述圆柱状试样相接触，将TPS传感器的另一面与ABS塑料垫块相接触，使得作为热源和温度传感器的TPS传感器的一面与导热系数未知的待测土样接触，另一面与导热系数已知的ABS塑料垫块相接触，该种设置方式对应的是瞬态平面热源单面法；

将TPS传感器的两面均与所述圆柱状试样相接触，则是将TPS传感器两面均与导热系数未知的待测土样接触，该种设置方式对应的是瞬态平面热源双面法。

步骤S130、通过温控组件将两个所述TEC制冷板的冷面温度降低至预设温度，以通过两个所述TEC制冷板的冷面形成的制冷区域将所述圆柱状试样制冷形成具有所述预设温度的冻土试样；

步骤S140、通过信号测量子装置依据瞬态平面热源法计算预设温度下所述冻土试样所对应的导热系数。

作为一种可实现的方式，上述步骤S140中的通过信号测量子装置依据瞬态平面热源法计算预设温度下所述冻土试样所对应的导热系数，具体包括如下子步骤：

对所述TPS传感器施加短时脉冲，以通过所述TPS传感器加热所述冻土试样；

通过信号测量子装置获取所述TPS传感器的电阻随温度变化的线性关系，得到所述TPS传感器的温升曲线；

通过最小二乘法拟合测量过程中所述冻土试样表面温度增值随时间变化的函数和无量纲特征时间函数的线性关系，得到待测土样的导热系数。

具体的，本发明实施例提供的一种基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试方法，应用于实施例一中的基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置，冻土制备子装置包括一对隔离铝板、环刀、一对TEC制冷板和温控组件，通过一对TEC制冷板的冷面对待测土样进行夹持，两个冷面夹持形成制冷区域，因为该制冷区域较小且较密封，可以实现对待测土样的均匀制冷，通过调节温控组件可以控制TEC制冷板的冷面温度，以实现对待测土样在不同温度下的快速制冷，温度控制精度可以达到0.01℃，因此可以实现高精度的导热系数测量，在TEC制冷板和待测土样之间设置隔离铝板，可以实现对待测土样的快速导热，以将该待测土样制备形成预设温度的冻土试样。首先将待测土样置于环刀中，制备形成圆柱状试样，并将圆柱状试样夹持于两个隔离铝板的内侧面之间，两个TEC制冷板分别抵于两个隔离铝板的外侧面，其中，隔离铝板的内侧面设置有ABS塑料垫块，且圆柱状试样两端待测土样的截面设置为光滑截面，然后将信号测量子装置的TPS传感器与所述圆柱状试样相接触，可以将TPS传感器的一面与圆柱状试样相接触，另一面与隔离铝板上的ABS塑料垫块接触，然后通过温控组件将圆柱状试样制备形成预设温度的冻土试样，并通过信号测量子装置依据瞬态平面热源法计算该预设温度下冻土试样所对应的导热系数，改变冻土试样的温度，并依据瞬态平面热源法计算不同温度下冻土试样所对应的导热系数，然后通过最小二乘拟合法将不同温度下冻土试样所对应的导热系数拟合得到所述待测土样在不同温度下的冻土导热系数曲线。本发明实施例的测量方法将TEC制冷方法和瞬态平面热源法相结合，简单易操作，测量的精准度高且测试结果具有较高的可靠性。

瞬态平面热源法(transient plane source,TPS)是一种能够测量材料热物性参数的瞬态方法。其具体的测量方式是将既作为热源又作为温度传感器的TPS传感器放置在试样中，如图1所示。电流通过TPS传感器，使得TPS传感器温度升高同时将热量传递至冻土试样。电流通电时间通常选得足够短，以便在整个瞬态测量过程中，TPS传感器可以被认为是与无限或半无限固体接触。TPS传感器温度的升高会导致TPS传感器电阻变大，根据信号测量子装置中的数据处理器获取的惠斯通电桥的压差变化可以得到TPS传感器电阻的变化，然后根据电阻的变化情况即可获得TPS传感器表面的温升情况。

因整个瞬态测量过程通电时间短，通过的电流低，使得TPS传感器表面温度升高不超过1℃，所以认为TPS传感器表面的温升与TPS传感器的电阻成线性关系：

R(t)＝R₀[1+cΔT(τ)] (1)

在式(1)中，R₀为瞬态测量开始前TPS传感器的初始电阻值，如在初始温度为23.9℃时R₀为50Ω,c为温度系数，具体数值为0.2637,ΔT(τ)为TPS传感器随时间温升的平均值。平均温升表示为一个关于变量τ的函数，τ是一个关于时间的无量纲的变量，定义式为：

其中τ是瞬态测量的时间，L是TPS传感器方形电阻边长的一半，具体可以设置为1.59mm，α是试样的热扩散系数。在瞬态测量期间，ΔT(τ)是一个关于时间的函数，它取决于TPS传感器的加热功率、TPS传感器方形电阻的尺寸、以及夹持TPS传感器的待测土样的导热系数。

瞬态平面热源双面法的测量方式是将TPS传感器放置在两块相同待测土样中间。当对TPS传感器施加恒定功率时，TPS传感器作为热源将热量传递至两侧试样。瞬态平面热源双面法中待测土样的导热系数的表达式为：

其中P为TPS传感器的加热功率，v是积分变量。由式(3)可知，H(τ)与ΔT(τ)成线性关系，对热扩散系数进行赋值，将得到的H(τ)与ΔT(τ)做线性拟合，由最佳线性拟合曲线即可得到相应的H(τ)与ΔT(τ)斜率值，代入式(3)计算可得待测土样的导热系数。

瞬态平面热源单面法与瞬态平面热源双面法的不同在于瞬态平面热源单面法测量导热系数只需要一块待测样品，另一块选用导热系数和热扩散系数已知的材料作为背景材料，如将设置的ABS塑料垫块。当使用瞬态平面热源单面法时，注入的热量在待测土样和背景材料中传导，这即平面热源在两种不同介质中传导。在使用瞬态平面热源单面法的过程中，为了简化单面法测量过程的热传导分析，可以进行以下基本假定：待测土样与背景材料之间没有进行热量交换；进入待测土样的热能占注入总热能z的比例可以用有限差分法求解；待测土样的导热系数可计算为：

扩散到待测土样和背景材料的热能之比变为：

其中，k_s为待测土样的导热系数，α_s为待测土样的热扩散系数，k_b为背景材料导热系数，α_b为背景材料的热扩散系数。由式(5)可知，H(τ)与ΔT(τ)成线性关系，对热扩散系数进行赋值，将得到的H(τ)与ΔT(τ)做线性拟合，由最佳线性拟合曲线即可得到相应的H(τ)与ΔT(τ)斜率值，已知背景材料导热系数和热扩散系数，再将式(6)代入式(5)求解，即可得到待测土样的导热系数。

需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、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得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，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。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置，用于对待测土样的冻土热特性进行测量，其特征在于，所述测试装置包括：

冻土制备子装置，所述冻土制备子装置包括一对隔离铝板、环刀、一对TEC制冷板和温控组件，所述环刀中填充有所述待测土样，以形成圆柱状试样，一对所述隔离铝板之间夹持有所述圆柱状试样；一个所述TEC制冷板的冷面抵于一个所述隔离铝板的外侧，另一个所述TEC制冷板的冷面抵于另一个所述隔离铝板的外侧，以通过一对所述TEC制冷板的冷面形成对圆柱状试样的制冷区域，所述圆柱状试样位于所述制冷区域内；所述温控组件与一对所述TEC制冷板连接，用于控制所述TEC制冷板的冷面温度；

信号测量子装置，所述信号测量子装置用于依据瞬态平面热源法测量所述冻土试样的导热系数。

2.根据权利要求1所述的基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置，其特征在于，所述温控组件包括：

水泵；

一对水冷接头，一个所述水冷接头固定于一个所述TEC制冷板的热面，另一个所述水冷接头固定于另一个所述TEC制冷板的热面，一对所述水冷接头通过水泵与外部水源连通，用于对所述TEC制冷板的热面进行散热；

第一电源；

温控器，所述温控器分别与所述第一电源和一对所述TEC制冷板的冷面连接，用于控制所述TEC制冷板的冷面温度。

3.根据权利要求2所述的基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置，其特征在于，所述冻土制备子装置还包括：

一对垫圈，一个所述垫圈设置于一个所述隔离铝板和所述圆柱状试样之间，另一个所述垫圈设置于另一个所述隔离铝板和所述圆柱状试样之间。

4.根据权利要求3所述的基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置，其特征在于：

每一个所述隔离铝板与所述圆柱状试样相接触的侧面上设置有ABS塑料垫块。

5.根据权利要求4所述的基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置，其特征在于：

所述信号测量子装置包括TPS传感器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第二电源、万用表、数据处理器；所述TPS传感器设置于所述圆柱状试样和所述ABS塑料垫块之间，或所述TPS传感器设置于所述圆柱状试样中；所述TPS传感器、第一电阻、第二电阻、第三电阻首尾电连接构成惠斯通电桥，所述惠斯通电桥中两个相对的接头之间电连接有所述第二电源，所述惠斯通电桥中另外两个相对的接头之间电连接有所述万用表，所述数据处理器与所述万用表电连接，所述万用表与外部终端设备连接。

6.根据权利要求5所述的基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置，其特征在于：

所述第一电阻和所述第二电阻的阻值大小相同。

7.根据权利要求6所述的基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置，其特征在于：

所述圆柱状试样的尺寸为：直径37.5mm、厚度7.5mm；

所述隔离铝板的尺寸为：直径50mm、厚度10mm；

所述ABS塑料垫块的尺寸为：直径14mm、厚度5mm。

8.一种基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试方法，应用于上述权利要求1-7任一项所述的测试装置，其特征在于，所述测试方法包括：

制备圆柱状试样，并将所述圆柱状试样夹持于两个隔离铝板的内侧面之间，两个TEC制冷板分别抵于两个隔离铝板的外侧面；

将信号测量子装置的TPS传感器与所述圆柱状试样相接触；

通过温控组件将两个所述TEC制冷板的冷面温度降低至预设温度，以通过两个所述TEC制冷板的冷面形成的制冷区域将所述圆柱状试样制冷形成具有所述预设温度的冻土试样；

通过信号测量子装置依据瞬态平面热源法计算预设温度下所述冻土试样所对应的导热系数。

9.根据权利要求8所述的基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置，其特征在于，所述通过信号测量子装置依据瞬态平面热源法计算预设温度下所述冻土试样所对应的导热系数，包括：

对所述TPS传感器施加短时脉冲，以通过所述TPS传感器加热所述冻土试样；

通过信号测量子装置获取所述TPS传感器的电阻随温度变化的线性关系，得到所述TPS传感器的温升曲线；

通过最小二乘法拟合测量过程中所述冻土试样表面温度增值随时间变化的函数和无量纲特征时间函数的线性关系，得到待测土样的导热系数。

10.根据权利要求9所述的基于瞬态平面热源法的冻土热特性测试装置，其特征在于，所述将TPS传感器与所述圆柱状试样相接触，包括：

将所述TPS传感器的一面与所述圆柱状试样相接触，将TPS传感器的另一面与ABS塑料垫块相接触；

或，

将TPS传感器的两面均与所述圆柱状试样相接触。