CN203732477U - 双螺旋平面结构谐波法测试材料热物性参数的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种双螺旋平面结构谐波法测试材料热物性参数的装置。该装置包括样品固定台和双螺旋平面结构传感器。样品固定台包括：横截面呈“凹”字型的底座；以及由底座的两侧分别向中间延伸并分别抵压住待测样品的左抵压部件和右抵压部件。双螺旋平面结构传感器包括：柔性衬底，其材料为绝缘材料；形成于柔性衬底上的由一系列同心圆环组成的双螺旋平面结构，其材料为金属材料；以及通过胶黏层覆盖于双螺旋平面结构上方的柔性覆盖膜，其材料为绝缘材料；其中，在样品固定台的两抵压部件作用下，该双螺旋平面结构传感器的两外侧面分别与待测样品充分接触。本实用新型可以保证传感器和待测样品能够充分接触。

Description

双螺旋平面结构谐波法测试材料热物性参数的装置

技术领域

本实用新型涉及材料物性测试技术领域，尤其涉及一种双螺旋平面结构谐波法测试材料热物性参数的装置。

背景技术

热导率(λ，又称导热系数)和吸热系数(定义为热导率λ和热容ρc_p乘积的平方根，)是分别衡量材料热传输和储/放热性能的两个关键热物性参数。它们对于评价建筑节能材料性能的好坏尤为重要。因此，针对这两个参数的精确测量装置/方法的研究具有现实的意义。

在现有热物性测量方法中，几乎所有的装置/方法只能得到一个热物性参数：热导率或者吸热系数。这主要是由所采用的传感器的金属加热/温度测量单元的特定形状结构决定的。以目前广泛应用于材料热物性表征领域的基于交流加热的谐波探测技术为例，采用数十微米宽、数毫米长的矩形带状金属作为加热/温度传感器，只能得到热导率这一参数；而采用一系列平行布置且首尾相接带状金属构成的栅栏状加热/温度传感器，只能得到吸热系数这一参数。

图1为现有技术基于栅栏状加热/温度传感器的谐波法测试装置的示意图。对于图1所示的谐波法测试装置，测试时以数根平行布置的金属带首尾相接对待测样品进行均匀加热。

然而，在实现本实用新型的过程中，申请人发现上述的谐波测试装置存在如下缺陷：由于无法向待测样品施加压力，因此无法保证传感器与待测样品充分接触，在这种情况下，对待测样品进行加热和从待测样品反馈信号均会收到影响，从而无法得到准确的热物性参数。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本实用新型提供了一种双螺旋平面结构谐波法测试材料热物性参数的装置，以保证传感器和待测样品能够充分接触。

(二)技术方案

本实用新型提供了一种双螺旋平面结构谐波法测试材料热物性参数的装置。该装置包括：样品固定台，包括：横截面呈“凹”字型的底座；以及由底座的两侧分别向中间延伸并分别抵压住待测样品的左抵压部件和右抵压部件；双螺旋平面结构传感器，包括：柔性衬底，其材料为绝缘材料；形成于柔性衬底上的由一系列同心圆环组成的双螺旋平面结构，其材料为金属材料；以及通过胶黏层覆盖于双螺旋平面结构上方的柔性覆盖膜，其材料为绝缘材料；其中，在样品固定台的两抵压部件作用下，该双螺旋平面结构传感器的两外侧面分别与待测样品充分接触。

优选地，本实用新型装置中，底座的两侧面各有一圆孔，该圆孔内侧具有内螺纹；左抵压部包括：左移动顶杆和固定于该左移动顶杆末端的左移动端面；右抵压部包括：右移动顶杆和固定于该右移动顶杆末端的右移动端面；其中，左移动顶杆和右移动顶杆的对应位置具有与内螺纹相匹配的外螺纹，左移动端面和右移动端面固定于相应移动顶杆的内侧，垂直于顶杆方向设置。

优选地，本实用新型装置中，金属材料为铜、银、镍、金或铂；绝缘材料聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯；胶黏层的材料为EVA类热熔胶或邦林热熔胶。

优选地，本实用新型装置中，双螺旋平面结构中，同心圆环的宽度介于10μm～1000μm之间，相邻两同心圆环之间的间隔介于50μm～1000μm之间。

优选地，本实用新型装置中，双螺旋平面结传感器中：双螺旋平面结构的厚度介于0.2μm～100μm之间，直径介于5mm～50mm之间，柔性衬底及柔性覆盖膜厚度在12.5μm～50μm之间，胶黏层厚度在5μm～40μm之间。

优选地，本实用新型装置中，待测样品为固体样品或流体样品；当待测样品为固体样品时，双螺旋平面结构传感器的两外侧面分别与位于相应侧的固体样品充分接触；当待测样品为流体样品时，该装置还包括：流体样品容器，流体样品盛放于该流体样品容器中，左抵压部件和右抵压部件分别从两侧顶住该流体样品容器，双螺旋平面结构传感器垂直埋入流体样品中。

优选地，本实用新型装置中，流体样品容器为袋状容器或两侧开口的筒状容器。

优选地，本实用新型装置还包括：温控容器，呈圆桶形，样品固定台以及双螺旋平面结构传感器均位于该温控容器中。

优选地，本实用新型装置包括：谐波测量单元，其两电流引线端分别电性连接至双螺旋平面结构传感器的第一端和第二端，并通过两者向双螺旋平面结构传感器提供周期正弦加热电流；其两探测电压引线端分别电性连接至双螺旋平面结构传感器的第一端和第二端，并通过两者探测双螺旋平面结构传感器两端的电压值，该电压值包括各频率下基波电压平均值V_1ω，以及三次谐波电压与自然对数频率曲线V_3ω～lnω。

优选地，本实用新型装置中，双螺旋平面结构的第一端引出第一引线端和第二引线端；第二端引出第三引线端和第四引线端；双螺旋平面结构还包括：第一引线件，形成于柔性衬底上，其一端连接双螺旋平面结构的第一引线端，其另一端连接至谐波测量单元的第一探测电压引线端；第二引线件，形成于柔性衬底上，其一端连接双螺旋平面结构的第二引线端，其另一端连接至谐波测量单元的第一电流引线端；第三引线件，形成于柔性衬底上，其一端连接双螺旋平面结构的第三引线端，其另一端连接至谐波测量单元的第二探测电压引线端；第四引线件，形成于柔性衬底上，其一端连接双螺旋平面结构的第四引线端，其另一端连接至谐波测量单元的第二电流引线端。

优选地，本实用新型装置中，谐波测量单元包括：函数发生器，输出角频率为ω的交流电压信号；电桥模块，包括：转换器，将函数发生器输出的交流电压信号转换为电流信号，该电流信号经由第九可调电阻和双螺旋平面结构传感器后传输入地；第一差动放大器，其第一输入端连接至转换器的输出端，其第二输入端通过第九可调电阻连接至转换器的输出端，并连接第一电流引线端，其将第九可调电阻两端的电压信号转换为第一差动信号；第二差动放大器，其第一输入端连接至第一探测电压引线端，其第二输入端连接至第二探测电压引线端，其将由双螺旋平面结构传感器探测而来的电压信号转换为第二差动信号；前置放大器，其两输入端分别连接至第一差动放大器的输出端和第二差动放大器的输出端，其将第一差动信号和第二差动信号的差值信号进行放大；锁相放大器，其两输入端分别连接至前置放大器的输出端和函数发生器的输出端，其获取基波及三次谐波电压，该基波电压为第一差动信号的一次谐波的有效值，该三次谐波电压为第一差动信号和第二差动信号的差值的三次谐波分量的有效值；微机控制与数据采集系统，其输入端连接至锁相放大器的输出端，对锁相放大器输出的一次谐波的有效值和三次谐波分量的有效值进行数据采集，其输出端连接函数发生器，控制函数发生器的输出信号。

优选地，本实用新型装置中，第九可调电阻的阻值R9满足：R9＝α×R_m，其中R_m为双螺旋平面结构的阻值，α＝0.95～1.05。

优选地，本实用新型装置中，在第一差动放大器的第一输入端和第二输入端分别设置第一低温漂电阻和第二低温漂电阻连接至第九可调电阻R9的两端；且第一输入端通过第三低温漂电阻连接至地，第二输入端通过第四低温漂连接至其输出端；在第二差动放大器的第一输入端和第二输入端分别通过第五低温漂电阻和第六低温漂电阻连接至双螺旋平面结构的两端，且第一输入端通过第七低温漂电阻连接至地，第二输入端通过第八低温漂连接至其输出端；其中，第一低温漂电阻、第二低温漂电阻、第三低温漂电阻、第四低温漂电阻、第五低温漂电阻、第六低温漂电阻、第七低温漂电阻、第八低温漂电阻为阻值温度系数为2ppm/℃类型的低温漂电阻。

优选地，本实用新型装置还包括：热物性参数获取单元，用于利用谐波测量单元获取的各频率下基波电压平均值V_1ω，以及三次谐波电压与自然对数频率曲线V_3ω～lnω，获取待测样品的热导率和/或吸热系数。

优选地，本实用新型装置中，热物性参数获取单元利用以下公式1和2计算待测样品的热导率，利用以下公式3计算待测样品的吸热系数：

$\mathrm{Re}\left(\frac{2V_{3\mathrm{\ω}}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{CR}}{V}_{1\mathrm{\ω}}}\right)=\frac{{V_{1\mathrm{\ω}}}^2}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}2{\mathrm{\π}}^2{r}_i\mathrm{R\λ}}[-\frac{1}{2}\ln \left(4\mathrm{\πf}\right)+\frac{1}{2}\ln \frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\ρ}{c}_p{b}^2}+0.923]---\left(1\right)$

r_i＝id+(i-1)b    (i＝1，...，N)    (2)

$\mathrm{Re}\left(\frac{2V_{3\mathrm{\ω}}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{CR}}{V}_{1\mathrm{\ω}}}\right)=\frac{{V_{1\mathrm{\ω}}}^2}{32\sqrt{\mathrm{\π}}R(\mathrm{\π}{D}^2/4)\sqrt{\mathrm{\ρ}{c}_p\mathrm{\λ}}\sqrt{f}}---\left(3\right)$

式中，λ为待测材料的热导率；为待测材料的吸热系数；α_CR为双螺旋平面结构选用金属的电阻温度系数；D为双螺旋平面结构的直径；r_i为第i个同心环的半径；f为频率；b为单个环的宽度；d为环间间隔宽度；ρ为待测材料的密度；c_p为待测材料的比热；N为同心环数量；R为双螺旋平面结构的电阻；下标1ω，3ω分别代表基波和三次谐波信号。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本实用新型双螺旋平面结构谐波法测试材料热物性参数的装置具有以下有益效果：

(1)采用左抵压部件和右抵压部件分别从两侧压住待测样品，保证了待测样品和传感器的充分接触，可以准确地对待测样品进行加热和从待测样品得到反馈信号；

(2)采用双螺旋形(近似认为是双螺旋平面结构)平面结构金属作为加热/温度传感器，克服了带状、栅栏状加热/温度传感器分别仅能得到热导率、吸热系数的问题，能实现材料热导率及吸热系数测量；

(3)结合基于交流加热、频域下谐波探测原理，双螺旋平面结构传感器直接插入两相同待测固体样品中间并由固体样品固定台的执行机构压紧的测试结构，保证同时实现建筑节能材料传、储/放热特性的现场评价，简化现场测量步骤、缩短测量时间、大大提高测量效率。

附图说明

图1为现有技术基于栅栏状加热/温度传感器的谐波法测试装置的示意图；

图2为根据本实用新型实施例双螺旋平面结构谐波法测试材料热物性参数装置的示意图；

图3为图2所示双螺旋平面结构谐波法测试材料热物性参数装置中双螺旋平面结构传感器的俯视图；

图4A为图3所示双螺旋平面结构传感器沿A-A面的剖面示意图；

图4B为图4A所述双螺旋平面结构传感器中虚线部分的放大图。

图5为图2所示双螺旋平面结构谐波法测试材料热物性参数装置中谐波测量单元的结构示意图。

【本实用新型主要元件符号说明】

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本实用新型的保护范围。

本实用新型针对建筑节能材料热导率和吸热系数同时现场测量的需求，通过分析、改进现有谐波探测技术的测量特点，提出一种新型加热/温度传感器的结构及探测原理，由此简化测量过程并同时精确获取热导率和吸热系数，可应用于建筑节能材料传、储/放热特性的现场评价。

在本实用新型的一个示例性实施例中，提供了一种对固体材料进行热物性探测的双螺旋平面结构谐波法测试材料热物性参数的装置。图2为根据本实用新型实施例双螺旋平面结构谐波法测试材料热物性参数装置的示意图。请参照图2，本实施例双螺旋平面结构谐波法测试材料热物性参数的装置包括：温控容器100、样品固定台200、双螺旋平面结构传感器300、谐波测量单元400以及热物性参数获取单元。

样品固定台200包括：横截面呈“凹”字型的底座210以及由该底座的两侧分别向中间延伸并抵压住待测样品左右两外侧面的左抵压部件220和右抵压部件230。

双螺旋平面结构传感器300包括：柔性衬底310，其材料为绝缘材料；形成于所述柔性衬底310上的由一系列同心圆环组成的金属材料的双螺旋平面结构320，其材料为金属材料；以及通过胶黏层覆盖于所述双螺旋平面结构上方的柔性覆盖膜330，其材料为绝缘材料。

谐波测量单元400，其两电流引线端分别电性连接至所述双螺旋平面结构传感器的第一端和第二端，并通过两者向双螺旋平面结构传感器提供周期正弦加热电流；其两探测电压引线端分别电性连接至所述双螺旋平面结构传感器的第一端和第二端，并通过两者探测所述双螺旋平面结构传感器两端的电压值，该电压值包括各频率下基波电压平均值V_1ω，以及三次谐波电压与自然对数频率曲线V_3ω～lnω。

热物性参数获取单元，用于利用谐波测量单元获取的各频率下基波电压平均值V_1ω，以及三次谐波电压与自然对数频率曲线V_3ω～lnω，获取待测样品的热导率和/或吸热系数。

本实施例中，采用左抵压部件和右抵压部件分别从两侧压住待测样品，保证了待测样品和传感器的充分接触，可以准确地对待测样品进行加热和从待测样品得到反馈信号。此外，采用双螺旋形(近似认为是双螺旋平面结构)平面结构作为加热/温度传感器，克服了带状、栅栏状加热/温度传感器分别仅能得到热导率、吸热系数的问题，能同时实现材料热导率及吸热系数测量。

以下对本实施例双螺旋平面结构谐波法测试材料热物性参数装置的各个组成部分进行详细说明。

本实施例中，温控容器100呈圆桶形，其高度方向大于截面的尺寸。该温控容器100实际上温控容器工作时是密封的，其功能是将被测试材料加热或降温到预设范围。而如果仅是需要测量被测试材料在常温下的热物性参数，则该温控容器可以省略。

请参照图2，样品固定台200置于温控容器5的底部，且与该底部平行放置。底座210的横截面呈“凹”字型，其两侧面各有一圆孔，该圆孔内侧具有内螺纹。左抵压部220包括：左移动顶杆221和左移动端面222。右抵压部230包括：右移动顶杆231和右移动端面232。左移动顶杆221和右移动顶杆231的对应位置具有与上述内螺纹相匹配的外螺纹。左移动端面222和右移动端面232位于移动顶杆221和右移动顶杆231的内侧，垂直于顶杆方向布置，两者通过焊接方式连接。

测量固体样品时，拧动左移动顶杆221和右移动顶杆231位于样品固定台外侧的部分，该左移动顶杆221和右移动顶杆231位于样品固定台内侧的顶端推动左移动端面222和右移动端面向内侧运动，从而推动两侧的固定样品(901、902)夹紧中间位置的双螺旋平面结构传感器300。

需要说明的是，本实施例为对固体样品进行热物性参数测试的装置。而除了对固体样品进行测试之外，本实用新型还可以对流体样品，如气体样品、液体样品和粉体样品进行热物性参数测试，在这种情况下，本实用新型双螺旋平面结构谐波法测试材料热物性参数的装置还包括：流体样品容器，其内部盛放流体样品，双螺旋平面结构传感器垂直埋入流体样品中，即其所在平面与左移动顶杆和右移动顶杆的运动方向垂直即可。其中，该流体样品容器可以是袋状容器或两侧开口的筒状容器。

图3为图2所示双螺旋平面结构谐波法测试材料热物性参数装置中双螺旋平面结构传感器的俯视图。图4A为图3所示双螺旋平面结构传感器沿A-A面的剖面示意图。图4B为图4A所述双螺旋平面结构传感器中虚线部分的放大图。请参照图3、图4A和图4B，双螺旋平面结构传感器300包括：柔性衬底310；形成于该柔性衬底310上的金属材料的双螺旋平面结构320；通过胶黏层覆盖于该双螺旋平面结构320上方的柔性覆盖膜330。

双螺旋平面结构320分别与四个引线件341～344的一端部连接，四个引线件341～344的另一端有四个引线端300a～300d；引线端300b与谐波测量单元400的第一电流引线端400a电连接，引线端300a与谐波测量单元400的第一探测电压引线端400b电连接，引线端300c与谐波测量单元400的第二探测电压引线端400c电连接，引线端300d与谐波测量单元400的第二电流引线端400d电连接，两电流引线端300a、300d周期对双螺旋平面结构320电加热，两电压引线端300b、300c构成电压回路接入谐波测量单元400。

双螺旋平面结构传感器300由导电金属通过柔性电路板制作工艺附着在柔性衬底310上形成几十微米级厚的双螺旋形(近似认为是双螺旋平面结构)平面结构320，与柔性衬底310为同种材料的柔性覆盖膜330通过胶黏层与基于柔性衬底310结合，用于封装双螺旋平面结构320及四个引线件341～344，柔性衬底310和柔性覆盖膜330在双螺旋平面结构320及四个引线件341～344的底面和顶面形成具有一机械强度的绝缘保护层。数十微米厚的胶黏层能为双螺旋平面结构传感器提供柔韧性，从而能抵抗与样品夹紧时的挤压力带来的双螺旋平面结构传感器11的凹凸形变。

所述导电金属为铜、银、镍、金或铂；所述柔性衬底和柔性覆盖膜为聚酰亚胺(PI)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)；所述胶黏层为EVA类热熔胶或邦林热熔胶。

双螺旋平面结构传感器300的双螺旋平面结构320和引线件341～344厚度在0.2μm～100μm之间，双螺旋平面结构320直径在5mm～50mm之间，柔性衬底310及柔性覆盖膜330厚度在12.5μm～50μm之间，胶黏层厚度在5μm～40μm之间，引线件341～344长度在1mm～12mm范围内，宽度在0.5mm～6mm范围内。测量热导率时，双螺旋平面结构320的单个环宽度在10μm～100μm之间，环间间隔宽度在50μm～500μm之间；测量吸热系数时，双螺旋平面结构320的单个环宽度在100μm～1000μm之间，环间间隔宽度在50μm～1000μm之间。

谐波测量单元400设置于控制主机中，用于产生加热电流，测量并记录各频率下基波电压平均值V_1ω，以及双螺旋平面结构320两端的三次谐波电压与自然对数频率曲线V_3ω～lnω。

图5为图2所示双螺旋平面结构谐波法测试材料热物性参数装置中谐波测量单元的结构示意图。请参照图5，谐波测量单元400包括：函数发生器410、电桥模块420、前置放大器430、锁相放大器440和微机控制与数据采集系统450。

函数发生器410输出角频率为ω的交流电压信号。

电桥模块420包括：转换器421，将函数发生器410输出的交流电压信号转换为电流信号，双螺旋平面结构传感器的引线端300d连接至地，该电流信号经由第九可调电阻R9和双螺旋平面结构传感器后传输入地；第一差动放大器422，其第一输入端连接至转换器421的输出端，其第二输入端通过第九可调电阻R9连接至转换器421的输出端，并连接第一电流引线端400a，用于将第九可调电阻R9两端的电压信号转换为第一差动信号；第二差动放大器423，其第一输入端连接至第一探测电压引线端400b，其第二输入端连接至第二探测电压引线端400c，用于将由双螺旋平面结构传感器探测而来的电压信号转换为第二差动信号。前置放大器430，其两输入端分别连接至第一差动放大器422的输出端和第二差动放大器423的输出端，用于将第一差动信号和第二差动信号的差值信号进行放大。

锁相放大器440，其输入端连接至前置放大器430的输出端和函数发生器410的输出端，分别用于计算基波及三次谐波电压，该基波电压为第一差动信号的一次谐波的有效值，该三次谐波电压为第一差动信号和第二差动信号的差值的三次谐波分量的有效值；为锁相放大器440提供信号比较用的外部参考信号。

微机控制与数据采集系统450，其输入端分别连接至锁相放大器440的输出端，用于对锁相放大器440输出的一次谐波的有效值和三次谐波分量的有效值进行数据采集，其输出端连接函数发生器410，用于控制函数发生器410的输出信号。

在该谐波测量单元中，函数发生器410输出角频率为ω的交流电压信号经电桥模块电路420中的转换器421转换为电流信号，该电流信号用于同时驱动可调电阻R9和双螺旋平面结构传感器300，可调电阻R9和双螺旋平面结构传感器300的电压信号分别经电桥模块电路420中的第一差动放大器422和第二差动放大器423转变为差动信号，再经前置放大器430放大后输入锁相放大器440。微机控制与数据采集系统450控制函数发生器410、锁相放大器440及第九可调电阻R9。

由于实际测得的是双螺旋平面结构传感器的微弱温升，因此电流中必须用低温漂电阻，以确保温度测量的准确性。请参照图4，在第一差动放大器422的第一输入端和第二输入端分别通过第一低温漂电阻R1和第二低温漂电阻R2连接至第九可调电阻R9的两端；且第一输入端通过第三低温漂电阻R3连接至地，第二输入端通过第四低温漂R4连接至其输出端。在第二差动放大器423的第一输入端和第二输入端分别通过第五低温漂电阻R5和第六低温漂电阻R6连接至双螺旋平面结构传感器300的两端，且第一输入端通过第七低温漂电阻R7连接至地，第二输入端通过第八低温漂R8连接至其输出端。

本实施例中，第九可调电阻R9为可调电阻，其阻值接近双螺旋平面结构的阻值，其中，R9＝α×R_m，其中R_m为双螺旋平面结构的阻值，α＝0.95～1.05。第一低温漂电阻R1、第二低温漂电阻R2、第三低温漂电阻R3、第四低温漂电阻R4、第五低温漂电阻R5、第六低温漂电阻R6、第七低温漂电阻R7、第八低温漂电阻R8为阻值温度系数仅为2ppm/℃类型的低温漂电阻。

本实施例中，为了户外测量的方便性，热物性参数获取单元为一单独的可移动单元，但本实用新型并不以此为限。该热物性参数获取单元还可以集成在计算机中，以满足更高的精度。该热物性参数获取单元利用以下公式1和2计算待测样品的热导率，利用以下公式3计算待测样品的吸热系数：

$\mathrm{Re}\left(\frac{2V_{3\mathrm{\ω}}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{CR}}{V}_{1\mathrm{\ω}}}\right)=\frac{{V_{1\mathrm{\ω}}}^2}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}2{\mathrm{\π}}^2{r}_i\mathrm{R\λ}}[-\frac{1}{2}\ln \left(4\mathrm{\πf}\right)+\frac{1}{2}\ln \frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\ρc}}_p{b}^2}+0.923]---\left(1\right)$

r_i＝id+(i-1)b    (i＝1，...，N)    (2)

$\mathrm{Re}\left(\frac{2V_{3\mathrm{\ω}}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{CR}}{V}_{1\mathrm{\ω}}}\right)=\frac{{V_{1\mathrm{\ω}}}^2}{32\sqrt{\mathrm{\π}}R(\mathrm{\π}{D}^2/4)\sqrt{\mathrm{\ρ}{c}_p\mathrm{\λ}}\sqrt{f}}---\left(3\right)$

式中，λ为待测材料的热导率(单位：W·m^-1·K^-1)；为待测材料的吸热系数，(单位：J·m^-2·K^-1·s^-0.5)；α_CR为双螺旋平面结构选用金属的电阻温度系数(单位：K^-1)；D为双螺旋平面结构的直径(单位：m)；r_i为第i个同心环的半径(单位：m)；f为频率(单位：Hz)；b为单个环的宽度(单位：m)；d为环间间隔宽度(单位：m)；ρ为待测材料的密度(单位：kg·m^-3)；c_p为待测材料的比热(单位：J·kg^-1·K^-1)；N为同心环数量；R为双螺旋平面结构的电阻(单位：Ω)；下标1ω，3ω分别代表基波和三次谐波信号。

以下介绍本实施例双螺旋平面结构谐波法测试材料热物性参数的装置的使用方法，该使用方法包括：

步骤A，对双螺旋平面结构传感器300是否能正常工作进行校准，该步骤又分为：

子步骤A1，选取b＜＜d(单个环宽度远小于环间间隔宽度)的双螺旋平面结构传感器300用于标准304不锈钢或有机玻璃固体样品热导率的测量。双螺旋平面结构传感器300置于两块304不锈钢或有机玻璃固体样品901、902之间，304不锈钢或有机玻璃固体样品901、902的外表面分别抵接左移动端面222、右移动端面232；

子步骤A2，对左右两端十字槽盘头螺栓施加扭力，驱动左移动顶杆221、左移动端面222、右移动顶杆231和右移动端面232沿着底座210内底壁进行往复运动，直至左移动端面222、右移动端面232的位置能够使双螺旋平面结构传感器300与304不锈钢或有机玻璃固体样品901、902充分夹紧；

子步骤A3，将固体样品固定台200置于温控容器100内，待温度升至设定值并恒定后，将双螺旋平面结构传感器300与谐波测量单元400电连接：将双螺旋平面结构传感器300的引线端300b与谐波测量单元400的第一电流引线端400a电连接，引线端300a与谐波测量单元400的第一探测电压引线端400b电连接，引线端300c与谐波测量单元400的第二探测电压引线端400c电连接，引线端300d与谐波测量单元400的第二电流引线端400d电连接；

子步骤A4，由谐波测量单元400记录特定交流电流频率下双螺旋平面结构320两端的基波电压及三次谐波电压，三次谐波电压接近1/10000～1/1000基波电压，记录三次谐波电压与自然对数频率曲线V_3ω～lnf、各频率下基波电压平均值V_1ω；

子步骤A5，热物性参数获取单元根据公式1、2计算出待测样品的热导率值；比较得到304不锈钢或有机玻璃的热导率值与其参考值，如果在允许误差范围(5.0％)内即说明双螺旋平面结构传感器300工作正常，接下来可以继续用于304不锈钢或有机玻璃样品吸热系数的校准，否则终止检查出错原因；

子步骤A6，选取d＜＜b(环间间隔宽度远小于单个环宽度)的双螺旋平面结构传感器300用于304不锈钢或有机玻璃固体样品吸热系数的测量。同样将双螺旋平面结构传感器300置于两块304不锈钢或有机玻璃固体样品901、902之间，304不锈钢或有机玻璃固体样品901、902的外表面分别抵接左右两移动端面222、232；

子步骤A7，重复步骤Ab、Ac、Ad：通过固体样品固定台200使双螺旋平面结构传感器300与待测304不锈钢或有机玻璃固体样品901、902充分夹紧；并在温度升至设定值并恒定后，将双螺旋平面结构传感器300与谐波测量单元400电连接：将双螺旋平面结构传感器300的引线端300b与谐波测量单元400的第一电流引线端400a电连接，引线端300a与谐波测量单元400的第一探测电压引线端400b电连接，引线端300c与谐波测量单元400的第二探测电压引线端400c电连接，引线端300d与谐波测量单元400的第二电流引线端400d电连接；由谐波测量单元400记录特定交流电流频率下双螺旋平面结构320两端的三次谐波电压与自然对数频率曲线V_3ω～lnf、各频率下基波电压平均值V_1ω；

子步骤A8，热物性参数获取单元根据公式3计算出304不锈钢或有机玻璃固体样品901、902的吸热系数值；比较得到304不锈钢或有机玻璃的吸热系数值与其参考值，如果在允许误差范围(7.1％)内即说明双螺旋平面结构传感器300工作正常，即完成对其性能的校准。接下来可以继续用于待测材料的测试，否则终止检查出错原因。

步骤B，将两块待测固体样品901、902置换304不锈钢或有机玻璃标准样品，开始对待测样品901、902的测量；

步骤C，重复子步骤A1～A5完成其热导率的测试；

步骤D，将b＜＜d(单个环宽度远小于环间间隔宽度)的双螺旋平面结构传感器300置换为d＜＜b(环间间隔宽度远小于单个环宽度)的双螺旋平面结构传感器300，重复步骤A6～A8完成其吸热系数的测试；至此，完成了对待侧固体样品901、902的热物性参数的全部测量。

本实用新型测试的材料热导率范围在0.01～100W·m^-1·K^-1之间，测量不确定度估计为8.5％。吸热系数范围在100～10000J·m^-2·K^-1·s^-0.5之间，测量不确定度估计为7.4％。

至此，已经结合附图对本实用新型两实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本实用新型双螺旋平面结构谐波法测试材料热物性参数的装置有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

综上所述，本实用新型针对建筑节能材料热导率和吸热系数同时现场测量的需求，通过分析、改进现有谐波探测技术的测量特点，提出一种新型加热/温度传感器的结构及探测原理，由此简化测量过程并同时精确获取热导率和吸热系数，将该装置/方法成功应用于建筑节能材料传、储/放热特性的现场评价，具有极高的推广应用价值。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种双螺旋平面结构谐波法测试材料热物性参数的装置，其特征在于，包括：

样品固定台，包括：

横截面呈“凹”字型的底座；以及

由所述底座的两侧分别向中间延伸并分别抵压住待测样品的左抵压部件和右抵压部件；

双螺旋平面结构传感器，包括：

柔性衬底，其材料为绝缘材料；

形成于所述柔性衬底上的由一系列同心圆环组成的双螺旋平面结构，其材料为金属材料；以及

通过胶黏层覆盖于所述双螺旋平面结构上方的柔性覆盖膜，其材料为绝缘材料；

其中，在样品固定台的所述两抵压部件作用下，该双螺旋平面结构传感器的两外侧面分别与待测样品充分接触。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述底座的两侧面各有一圆孔，该圆孔内侧具有内螺纹；

所述左抵压部包括：左移动顶杆和固定于该左移动顶杆末端的左移动端面；

所述右抵压部包括：右移动顶杆和固定于该右移动顶杆末端的右移动端面；

其中，所述左移动顶杆和右移动顶杆的对应位置具有与所述内螺纹相匹配的外螺纹，所述左移动端面和右移动端面固定于相应移动顶杆的内侧，垂直于顶杆方向设置。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述金属材料为铜、银、镍、金或铂；所述绝缘材料聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯；所述胶黏层的材料为EVA类热熔胶或邦林热熔胶。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述双螺旋平面结构中，同心圆环的宽度介于10μm～1000μm之间，相邻两同心圆环之间的间隔介于50μm～1000μm之间。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述双螺旋平面结传感器中：所述双螺旋平面结构的厚度介于0.2μm～100μm之间，直径介于5mm～50mm之间，柔性衬底及柔性覆盖膜厚度在12.5μm～50μm之间，胶黏层厚度在5μm～40μm之间。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述待测样品为固体样品或流体样品；

当待测样品为固体样品时，所述双螺旋平面结构传感器的两外侧面分别与位于相应侧的固体样品充分接触；

当待测样品为流体样品时，该装置还包括：流体样品容器，所述流体样品盛放于该流体样品容器中，所述左抵压部件和右抵压部件分别从两侧顶住该流体样品容器，所述双螺旋平面结构传感器垂直埋入所述流体样品中。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述流体样品容器为袋状容器或两侧开口的筒状容器。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，还包括：

温控容器，呈圆桶形，所述样品固定台以及双螺旋平面结构传感器均位于该温控容器中。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，还包括：

谐波测量单元，其两电流引线端分别电性连接至所述双螺旋平面结构传感器的第一端和第二端，并通过两者向双螺旋平面结构传感器提供周期正弦加热电流；其两探测电压引线端分别电性连接至所述双螺旋平面结构传感器的第一端和第二端，并通过两者探测所述双螺旋平面结构传感器两端的电压值，该电压值包括各频率下基波电压平均值V_1ω，以及三次谐波电压与自然对数频率曲线V_3ω～lnω。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述双螺旋平面结构的第一端引出第一引线端和第二引线端；第二端引出第三引线端和第四引线端；所述双螺旋平面结构还包括：

第一引线件，形成于所述柔性衬底上，其一端连接所述双螺旋平面结构的第一引线端，其另一端连接至所述谐波测量单元的第一探测电压引线端；

第二引线件，形成于所述柔性衬底上，其一端连接所述双螺旋平面结构的第二引线端，其另一端连接至所述谐波测量单元的第一电流引线端；

第三引线件，形成于所述柔性衬底上，其一端连接所述双螺旋平面结构的第三引线端，其另一端连接至所述谐波测量单元的第二探测电压引线端；

第四引线件，形成于所述柔性衬底上，其一端连接所述双螺旋平面结构的第四引线端，其另一端连接至所述谐波测量单元的第二电流引线端。

11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述谐波测量单元包括：

函数发生器，输出角频率为ω的交流电压信号；

电桥模块，包括：

转换器，将函数发生器输出的交流电压信号转换为电流信号，该电流信号经由第九可调电阻和双螺旋平面结构传感器后传输入地；

第一差动放大器，其第一输入端连接至转换器的输出端，其第二输入端通过第九可调电阻连接至转换器的输出端，并连接第一电流引线端，其将第九可调电阻两端的电压信号转换为第一差动信号；

第二差动放大器，其第一输入端连接至第一探测电压引线端，其第二输入端连接至第二探测电压引线端，其将由双螺旋平面结构传感器探测而来的电压信号转换为第二差动信号；

前置放大器，其两输入端分别连接至第一差动放大器的输出端和第二差动放大器的输出端，其将第一差动信号和第二差动信号的差值信号进行放大；

锁相放大器，其两输入端分别连接至前置放大器的输出端和函数发生器的输出端，其获取基波及三次谐波电压，该基波电压为第一差动信号的一次谐波的有效值，该三次谐波电压为第一差动信号和第二差动信号的差值的三次谐波分量的有效值；

微机控制与数据采集系统，其输入端连接至锁相放大器的输出端，对锁相放大器输出的一次谐波的有效值和三次谐波分量的有效值进行数据采集，其输出端连接函数发生器，控制函数发生器的输出信号。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，第九可调电阻的阻值R9满足：R9＝α×R_m，其中R_m为双螺旋平面结构的阻值，α＝0.95～1.05。

13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于：

在第一差动放大器的第一输入端和第二输入端分别设置第一低温漂电阻和第二低温漂电阻连接至第九可调电阻R9的两端；且第一输入端通过第三低温漂电阻连接至地，第二输入端通过第四低温漂连接至其输出端；

在第二差动放大器的第一输入端和第二输入端分别通过第五低温漂电阻和第六低温漂电阻连接至双螺旋平面结构的两端，且第一输入端通过第七低温漂电阻连接至地，第二输入端通过第八低温漂连接至其输出端；

其中，第一低温漂电阻、第二低温漂电阻、第三低温漂电阻、第四低温漂电阻、第五低温漂电阻、第六低温漂电阻、第七低温漂电阻、第八低温漂电阻为阻值温度系数为2ppm/℃类型的低温漂电阻。