專利名稱：多通道熱導(dǎo)率測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多通道熱導(dǎo)率測(cè)量裝置，具體地說(shuō)是一種主要適用于巖石熱導(dǎo)率 的測(cè)量，也可應(yīng)用于固體、粉末、生物組織等熱導(dǎo)率的測(cè)試和研究的裝置。
背景技術(shù)：
巖石熱導(dǎo)率測(cè)量的方法可分為穩(wěn)態(tài)測(cè)量和非穩(wěn)態(tài)測(cè)量?jī)纱箢?。其中穩(wěn)態(tài)測(cè)試是測(cè) 量巖石熱導(dǎo)率的主要方法。然而，由于地?zé)嵫芯抗ぷ髦鸩綌U(kuò)展到不同地質(zhì)區(qū)和工程應(yīng)用領(lǐng) 域，所得巖樣中有相當(dāng)一部分是較松軟的泥巖、頁(yè)巖和弱膠結(jié)的砂巖等，無(wú)法加工成穩(wěn)態(tài)測(cè) 試方法所要求的巖餅或圓盤。有時(shí)因鉆探技術(shù)或巖石性質(zhì)的限制，必須開(kāi)展原位測(cè)試或就 近測(cè)量，加之近年來(lái)對(duì)巖石在原狀或飽水狀態(tài)下進(jìn)行熱導(dǎo)率測(cè)量的需求日益迫切。上述種 種因素使得穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法無(wú)法很好地適應(yīng)各種條件下巖石熱導(dǎo)率測(cè)量的要求，因此專家學(xué) 者們提出了非穩(wěn)態(tài)的測(cè)試方法。而且非穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法具有測(cè)量速度快，巖樣制備加工量小， 易于從實(shí)驗(yàn)室測(cè)定方法改型為原位的熱導(dǎo)率測(cè)量方法和技術(shù)等特點(diǎn)。巖石熱導(dǎo)率的非穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法中，應(yīng)用最廣泛的是中心 線熱源法。由中心線熱源法的理論推導(dǎo)出熱導(dǎo)率的計(jì)算公式為
=f·，，式中，力待測(cè)定的介質(zhì)熱導(dǎo)率，力單位長(zhǎng)度線熱源的發(fā)熱功率，單
切TlK？
位ΙΤ/ι ;5和！"2分別為^和·^時(shí)刻對(duì)應(yīng)的溫度值；公式推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)《巖石熱物理性質(zhì)及其 測(cè)試》沈顯杰等著。但是目前測(cè)量巖石的熱導(dǎo)率的電路系統(tǒng)一般為單通道測(cè)量系統(tǒng)，由于熱 導(dǎo)率的測(cè)量要在溫度穩(wěn)定的環(huán)境中進(jìn)行，因此每次測(cè)量等待環(huán)境溫度平衡的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，工 作效率低，另外測(cè)量系統(tǒng)存在噪聲和紋波干擾多，測(cè)量誤差大等問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種以非穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法的中心線熱源法 為理論依據(jù)進(jìn)行的多通道熱導(dǎo)率測(cè)量裝置，裝置采用了多通道控制加熱和測(cè)量的技術(shù)，具 有結(jié)構(gòu)合理，熱激發(fā)功率恒定、抑制干擾紋波強(qiáng)、噪聲小、測(cè)量精度高和工作效率高，能快速 準(zhǔn)確地測(cè)量巖石的熱導(dǎo)率等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明必須解決加熱控制，通道選擇與控制，溫度采集、抗干擾等方面的技術(shù)。根 據(jù)熱導(dǎo)率的推導(dǎo)公式，熱激發(fā)功率必須恒定，因此要求裝置的各電路中各通道的加熱功率 在整個(gè)加熱過(guò)程中必須盡可能保持恒定，同時(shí)為了提高單位時(shí)間內(nèi)工作效率，本裝置采用 了多通道的測(cè)量設(shè)計(jì)，以解決單通道測(cè)量長(zhǎng)時(shí)間等待環(huán)境溫度平衡，致使工作效率低下的 問(wèn)題，為了保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確可靠，各通道除了能夠穩(wěn)定切換，還應(yīng)該彼此互相匹配，即 通過(guò)任一通道測(cè)得的熱導(dǎo)率值在測(cè)量誤差允許范圍之內(nèi)保持一致。本發(fā)明的測(cè)量裝置在設(shè) 計(jì)過(guò)程中始終遵循的原則是盡可能的提高精度，因此如何控制誤差，減小噪聲和紋波，以及 抑制干擾，都是設(shè)計(jì)中要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
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為了達(dá)到上述目的和解決上述問(wèn)題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是提供一種多通道 熱導(dǎo)率測(cè)量裝置，包括電源模塊、主控模塊、光耦隔離模塊、熱脈沖控制與激發(fā)模塊和溫度 采集模塊，還設(shè)有多通道控制模塊和上位機(jī)；
所述電源模塊設(shè)有兩路獨(dú)立的電源，提供-5V和20V的電壓，其中20V電壓經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓芯 片分壓得到5V電壓，變壓器內(nèi)部通過(guò)線圈隔離；電源設(shè)置了濾波電容和指示燈，電源為各 模塊供電；
所述主控模塊的單片機(jī)，每個(gè)I/O都采用了光耦隔離后分別與熱脈沖控制與激發(fā)模 塊、多通道控制模塊和溫度采集模塊連接；
所述的熱脈沖控制與激發(fā)模塊含有功率校檢模塊、DA轉(zhuǎn)換模塊、高精度恒流源電路和 電熱絲模塊，功率校檢模塊和DA轉(zhuǎn)換模塊分別接在光耦隔離模塊后，DA轉(zhuǎn)換模塊還與高精 度恒流源電路連接；
所述的多通道控制模塊由多通道加熱控制模塊和多通道測(cè)溫控制模塊組成，多通道加 熱控制模塊受熱脈沖控制與激發(fā)模塊中的高精度恒流源電路控制，多通道加熱控制模塊與 電熱絲連接；多通道測(cè)溫控制模塊受溫度采集模塊中的微安級(jí)恒流源電路控制，多通道測(cè) 溫控制模塊與熱敏電阻連接；
所述的溫度采集模塊含有微安級(jí)恒流源電路、數(shù)據(jù)采集模塊、激勵(lì)熱敏電阻和萬(wàn)用表， 微安級(jí)恒流源電路連接光耦隔離模塊與多通道測(cè)溫控制模塊，多通道測(cè)溫控制模塊與熱敏 電阻連接，萬(wàn)用表連接電熱絲和熱敏電阻，含有8路電熱絲和熱敏電阻通道，可以選擇任意 一個(gè)通道進(jìn)行加熱或測(cè)量；
所述的上位機(jī)通過(guò)USB分別與主控模塊的單片機(jī)和溫度采集模塊中的萬(wàn)用表連接。本發(fā)明的多通道熱導(dǎo)率測(cè)量裝置，所述主控模塊中的單片機(jī)選用C8051F340，單片 機(jī)的每個(gè)I/O都采用了光耦隔離輸出，光耦隔離采用高速光耦系列芯片PS2501-4。所述萬(wàn)
用表選用Agilent34411A型數(shù)字萬(wàn)用表，為六位半萬(wàn)用表。本發(fā)明多通道熱導(dǎo)率測(cè)量裝置，所述主控模塊的單片機(jī)通過(guò)光耦隔離、DA轉(zhuǎn)換和恒 流源電路輸出大小可調(diào)的電流；同時(shí)通過(guò)單片機(jī)控制多通道控制模塊，分別選擇任意一個(gè)通 道的電熱絲和熱敏電阻進(jìn)行加熱和溫度測(cè)量，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、保存和計(jì)算出熱導(dǎo)率。本發(fā)明的多通道熱導(dǎo)率測(cè)量裝置，所述的多通道控制模塊含有8路電熱絲和熱敏 電阻通道，各通道之間參數(shù)一致且彼此不受干擾。所述的多通道控制模塊通過(guò)單片機(jī)可以 對(duì)每一路通道單獨(dú)控制，測(cè)量電熱絲中流過(guò)電流產(chǎn)生熱量和熱敏電阻感應(yīng)溫度的變化，測(cè) 量系統(tǒng)根據(jù)加熱的功率和采集的溫度值計(jì)算熱導(dǎo)率。本發(fā)明有兩處恒流源電路，一處在熱脈沖控制與激發(fā)模塊中用于控制多通道加熱 控制模塊加熱電熱絲，恒流源加熱采用閉環(huán)反饋的方式實(shí)現(xiàn)加熱功率的恒定，可以實(shí)時(shí)采 集恒流源電路的輸出功率，進(jìn)行功率校驗(yàn)以保證恒功率激發(fā)；另一處在溫度采集模塊中用 于測(cè)量溫度，電路中采用了微安級(jí)恒流源電路激勵(lì)熱敏電阻，萬(wàn)用表通過(guò)測(cè)量各通道熱敏 將各待測(cè)電阻參數(shù)量轉(zhuǎn)換為電壓值的測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度采集。與以往采用單一的恒流源電路 相比，單一的恒流源電路中盡管采用恒流源的方式進(jìn)行加熱，但加熱的過(guò)程中隨著電熱絲 溫度的升高，其電阻值會(huì)發(fā)生變化，這樣一來(lái)，單一的恒流源加熱就無(wú)法保證加熱功率的恒 定。而本發(fā)明為了保證恒功率加熱，設(shè)計(jì)的電路采用了精密電阻來(lái)采集電熱絲所在回路的 電流，同時(shí)，采用了閉環(huán)反饋的形式，實(shí)時(shí)采集電熱絲的功率，在算法上進(jìn)行補(bǔ)償，以達(dá)到加熱功率的恒定激發(fā)。所述主控模塊中的單片機(jī)選用C8051F340 ；單片機(jī)通過(guò)DA轉(zhuǎn)換和恒流源電路輸出 大小可調(diào)的電流；通過(guò)單片機(jī)控制，分別選擇任意一個(gè)通道進(jìn)行加熱和溫度測(cè)量，并對(duì)數(shù)據(jù) 進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、保存和計(jì)算熱導(dǎo)率。為了提高單片機(jī)的抗干擾性，所述的單片機(jī)每個(gè)I/O都 采用了光耦隔離輸出，來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的隔離，光耦隔離采用高速光耦系列芯 片PS2501-4，以提高I/O 口的通訊速度。本發(fā)明所述的熱敏電阻和電熱絲在電路中分別屬于不同的模塊，電熱絲屬于熱脈 沖控制與激發(fā)模塊，熱敏電阻屬于溫度采集模塊，但是在本裝置中電熱絲和熱敏電阻二者 是封裝在測(cè)量探針之內(nèi)，本裝置中共有8支測(cè)量探針，每一支測(cè)量探針內(nèi)部封裝了一個(gè)熱 敏電阻和一根電熱絲。本發(fā)明多通道熱導(dǎo)率測(cè)量裝置具有如下優(yōu)點(diǎn)
1、本發(fā)明的多通道熱導(dǎo)率測(cè)量裝置，是根據(jù)設(shè)定輸出恒定的功率對(duì)電熱絲加熱并且實(shí) 時(shí)采集加熱過(guò)程中的溫度值，采用了多通道控制加熱和測(cè)量的設(shè)計(jì)，克服了以往單通道測(cè) 量每次測(cè)量需要長(zhǎng)時(shí)間等待環(huán)境溫度平衡的過(guò)程致使工作效率低下的弊病，本裝置可以快 速準(zhǔn)確的測(cè)量巖石熱導(dǎo)率，提高了工作效率。2、本發(fā)明的裝置對(duì)元器件進(jìn)行的合理選型，對(duì)電路進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，如選用高精度 的運(yùn)算放大器，采用四線式的方法測(cè)量電阻，在電路中采用濾波電容，光耦隔離等方式的抗 干擾措施，利用場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)關(guān)作用實(shí)現(xiàn)通道的選通與關(guān)閉，使裝置的抗干擾性、使用壽命 和準(zhǔn)確度都能夠得到保證和提高。3、本發(fā)明的測(cè)量裝置將各待測(cè)電流、電阻參數(shù)量均轉(zhuǎn)換為電壓值的測(cè)量，因此簡(jiǎn) 化了測(cè)量的操作，避免了萬(wàn)用表的換擋操作，大大提高了測(cè)量的效率。4、本發(fā)明測(cè)量裝置的8路通道彼此互相匹配，并且可以準(zhǔn)確可靠的切換，經(jīng)過(guò)實(shí) 驗(yàn)檢測(cè)，在精度指標(biāo)上，各測(cè)量數(shù)據(jù)真實(shí)值與理論值之間的誤差均在士3%。以內(nèi)，可以很好 的達(dá)到巖石熱導(dǎo)率測(cè)試的精度要求。5、本發(fā)明測(cè)量裝置所設(shè)計(jì)的熱源激發(fā)功率可以很好的應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室或者原位測(cè) 試巖石的熱導(dǎo)率研究和測(cè)試，也可以很好地適用于其他固體、粉末、生物組織等的熱傳導(dǎo)性 質(zhì)研究和測(cè)試。


圖1為本發(fā)明多通道熱導(dǎo)率測(cè)量裝置系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。圖2為電源系統(tǒng)的電路圖。圖3為主控模塊的電路圖。圖4為可控恒流源加熱的電路圖。圖5為加熱通道選擇模塊的電路圖。圖6為溫度測(cè)量及其通道選擇模塊的電路圖。圖7為溫度采集模塊中的數(shù)據(jù)采集模塊電路圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)發(fā)明作進(jìn)一步詳述。
實(shí)施例1 本發(fā)明一種多通道熱導(dǎo)率測(cè)量裝置，結(jié)構(gòu)如圖1，包括電源模塊、上位 機(jī)、主控模塊、光耦隔離模塊、熱脈沖控制與激發(fā)模塊、多通道控制模塊和溫度采集模塊；
上位機(jī)通過(guò)USB分別與主控模塊的單片機(jī)和溫度采集模塊中的六位半萬(wàn)用表連接； 主控模塊中的單片機(jī)每個(gè)I/O都通過(guò)光耦隔離后，分別與熱脈沖控制與激發(fā)模塊、多 通道控制模塊和溫度采集模塊連接；
熱脈沖控制與激發(fā)模塊含有功率校檢模塊、DA轉(zhuǎn)換模塊、高精度恒流源電路和電熱絲， 功率校檢模塊和DA轉(zhuǎn)換模塊分別接在光耦隔離模塊后，DA轉(zhuǎn)換模塊與高精度恒流源電路 連接；
多通道控制模塊由多通道加熱控制模塊和多通道測(cè)溫控制模塊組成，多通道加熱控制 模塊受熱脈沖控制與激發(fā)模塊中的高精度恒流源電路控制，多通道加熱控制模塊與電熱絲 連接，多通道測(cè)溫控制模塊受溫度采集模塊中的微安級(jí)恒流源電路控制，多通道測(cè)溫控制 模塊與熱敏電阻連接；
溫度采集模塊含有微安級(jí)恒流源電路、數(shù)據(jù)采集模塊、激勵(lì)熱敏電阻和萬(wàn)用表，微安級(jí) 恒流源電路連接光耦隔離模塊與多通道測(cè)溫控制模塊，多通道測(cè)溫控制模塊與熱敏電阻連 接，萬(wàn)用表連接電熱絲和熱敏電阻，含有8路電熱絲和熱敏電阻通道，可以選擇任意一個(gè)通 道進(jìn)行加熱或測(cè)量；電熱絲和熱敏電阻的每一路通道都可通過(guò)單片機(jī)單獨(dú)控制，各通道之 間參數(shù)一致且彼此不受干擾，相互之間不受影響。參見(jiàn)圖2，本發(fā)明的測(cè)量裝置，設(shè)有兩路獨(dú)立的-5V和20V電源，所述電源采用兩路 輸出的變壓器，經(jīng)過(guò)整流濾波得到穩(wěn)定的-5V和20V電壓；
-5V電源的穩(wěn)壓芯片采用TL1963，電阻R7和電位器R49用于調(diào)節(jié)其穩(wěn)壓輸出的電壓 值；電容Cl，C2，C3，C17，C18為濾波電容，用于減小電路紋波，抑制噪聲。圖中的發(fā)光二極 管與電阻串聯(lián)，起指示燈的作用。20V電源的穩(wěn)壓芯片采用LT317，圖中電阻電容的作用和穩(wěn)壓原理的實(shí)現(xiàn)與_5V電 源系統(tǒng)類似。20V電壓經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓芯片LP2950分壓得到5V電壓，5V電源也設(shè)置了濾波電容 和指示燈；本模塊中的C3和C6采用鉭電容，這樣可以大大降低電路的噪聲。電源為裝置的 其他模塊供電。如圖3所示，本發(fā)明的主控模塊中的單片機(jī)選用C8051F340，選用這款單片機(jī)的原 因是C8051F340具有通用串行總線(USB)功能的控制器，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的電路實(shí)現(xiàn)USB通 訊，也可進(jìn)行片上仿真、編程和調(diào)試，另外片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬 部件和其它數(shù)字外設(shè)及功能部件，而且具有較多的I/O 口，編程方式與指令結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的 C51單片機(jī)兼容，總體而言，價(jià)格低廉，性能優(yōu)越，非常適宜于本發(fā)明中多通道數(shù)據(jù)采集和傳 輸?shù)膽?yīng)用。為了提高單片機(jī)模塊的抗干擾性，每個(gè)I/O都采用了光耦隔離輸出，來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字 信號(hào)和模擬信號(hào)的隔離。光耦隔離采用高速光耦系列芯片PS2501-4，以提高I/O 口的通訊 速度。單片機(jī)既可使用外部電源供電，也可采用USB供電的方式，由于本發(fā)明中單片機(jī)要與 上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行USB通信，因此采用USB供電的方式，以免多設(shè)計(jì)一路電源。本發(fā)明采用的可控恒流源加熱的電路參見(jiàn)圖4，根據(jù)所需的恒流電路的電流值，首 先通過(guò)單片機(jī)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的電壓值，由DA轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)輸出電壓，經(jīng)過(guò)濾波電路的處理、誤差 放大、功率放大、電流檢測(cè)比較放大以及電壓電流轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)，在負(fù)載電阻所在回路輸出恒定的電流。單片機(jī)通過(guò)編程控制電路中的Pl. 5,Pl. 6和Pl. 7的狀態(tài)來(lái)使DAC8560的VOUT 口輸出設(shè)定的電壓值，此電壓經(jīng)過(guò)R42和C33組成的一階低通濾波器送至運(yùn)算放大器0P27 的同相輸入端，運(yùn)放輸出端接負(fù)載，即達(dá)林頓二極管TIP142，電流采樣電阻Rsl將輸出電流 轉(zhuǎn)換為電壓，進(jìn)入運(yùn)放的反向輸入端構(gòu)成負(fù)反饋。圖中Rsl為采樣電阻，需采用初始精度 高，溫度漂移系數(shù)低的精密電阻；Rl為電熱絲，電熱絲在被加熱的過(guò)程中溫度會(huì)升高，電阻 值會(huì)變化，如果采用單一的恒流源電路，就達(dá)不到加熱功率的恒定，此處采用精密電阻Rb 來(lái)采集電熱絲所在回路的電流，將此電流值實(shí)時(shí)地反映到單片機(jī)，進(jìn)行功率校驗(yàn)，不斷調(diào)整 恒流源的輸出電流，從而保證電熱絲的加熱功率恒定。參見(jiàn)圖5，為加熱通道選擇模塊的電路圖。電路中應(yīng)用了場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)關(guān)功能，來(lái) 實(shí)現(xiàn)通道的選通和關(guān)閉。場(chǎng)效應(yīng)管選用IRF7328，當(dāng)單片機(jī)的PO 口送出低電平的時(shí)候，場(chǎng) 效應(yīng)管的柵極也為低電平，由于其源極與20V電源相連，因此柵極源極之間的壓差超過(guò)了 場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)啟電壓，場(chǎng)效應(yīng)管此時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)，1通道就處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)單片機(jī)的PO 口送出高電平的時(shí)候，場(chǎng)效應(yīng)管的柵極為高，而由于其源極恒為高，無(wú)法滿足開(kāi)啟條件，此 時(shí)通道1就處于關(guān)斷狀態(tài)。本發(fā)明的裝置場(chǎng)效應(yīng)管選用IRF7328，是根據(jù)IRF7328的芯片其柵極源極壓差超 過(guò)IOV時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)啟，漏極輸出電壓即帶負(fù)載能力為8. 0A，完全滿足熱導(dǎo)率測(cè)量電路所 需的電流。當(dāng)滿足開(kāi)啟電壓時(shí)，漏極源極之間的電阻即場(chǎng)效應(yīng)管的內(nèi)阻不超過(guò)」i iaO遠(yuǎn) 小于電熱絲的電阻14 Ω當(dāng)滿足開(kāi)啟電壓時(shí)，柵極漏極之間流過(guò)的電流為ΙΟΟμΑ，遠(yuǎn)小于電 熱絲的最小加熱電流30mA。因此采用場(chǎng)效應(yīng)管作為開(kāi)關(guān)，完全滿足精度要求，而且其開(kāi)關(guān)建 立時(shí)間小于微秒級(jí)，速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)的繼電器方式。參見(jiàn)圖6，為溫度采集及其通道選擇模塊的電路圖。在大多數(shù)的采集環(huán)境溫度下， 熱敏電阻的阻值一般都在數(shù)Ml至數(shù)百M(fèi)i之間，這個(gè)級(jí)別的電阻直接進(jìn)行測(cè)量存在難以 測(cè)
準(zhǔn)的問(wèn)題，而且需要測(cè)量較長(zhǎng)的時(shí)間才能穩(wěn)定。因此此處引進(jìn)了用微安級(jí)恒流源激勵(lì) 電阻，再通過(guò)測(cè)電阻兩端電壓的方式來(lái)間接獲取電阻值的方法。此處恒流源的基本原理與 圖4所示相類似，不同的是此處的恒流源電流值為恒定的25μΑ。圖中ΜΑΧ6126為基準(zhǔn)電 壓源，輸出電壓為2. 5V，根據(jù)運(yùn)放的虛短虛斷原理，精密電阻R4 (100 Mi )兩端的壓差為 2. 5V，因此流過(guò)R4的電流為25μΑ，即為熱敏電阻的激勵(lì)電流。此電流流過(guò)R4會(huì)在其兩端產(chǎn) 生壓降，通過(guò)測(cè)量此壓降，即電路中TEST-R-A和TEST-R-B兩節(jié)點(diǎn)之間的電壓，就可算出熱 敏電阻的阻值。圖6所示電路中包含了通道選擇電路，其實(shí)現(xiàn)方式和加熱通道的選擇方式 類似。實(shí)際上此處算出的熱敏電阻的阻值還包括場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通內(nèi)阻，由于這個(gè)內(nèi)阻 (不超過(guò)21 ι β)遠(yuǎn)小于熱敏電阻的阻值(數(shù)Jm以上)，因此對(duì)精度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于ι%。。如圖7所示，是溫度采集模塊中的數(shù)據(jù)采集模塊電路圖。系統(tǒng)要求采集8段電熱 絲兩端的電壓，直接的測(cè)量過(guò)程是將萬(wàn)用表的黑表筆固定在Uo點(diǎn)，紅表筆分別移到UOl U08各測(cè)試點(diǎn)。模擬開(kāi)關(guān)DG408的作用是將UOl U08這8個(gè)測(cè)試點(diǎn)集中到Ui這一個(gè)測(cè)試 點(diǎn)上。除了電熱絲的電壓以外，系統(tǒng)還要求采集采樣電阻Rb和熱敏電阻R兩端的電壓，將 這三組電壓的測(cè)量點(diǎn)相應(yīng)地接到模擬開(kāi)關(guān)DG409的三組差分輸入端，只需將萬(wàn)用表的表筆固定在輸出端就可編程實(shí)現(xiàn)三組電壓信號(hào)的輪流采集，從而通過(guò)電路和軟件的方式代替了 萬(wàn)用表表筆的移動(dòng)。對(duì)比電熱絲電壓的測(cè)量和熱敏電阻電壓的測(cè)量就會(huì)發(fā)現(xiàn)，兩者都有8個(gè)通道的選 擇，但測(cè)量方式不一樣，前者多加了一級(jí)模擬開(kāi)關(guān)。原因是因?yàn)殡姛峤z的電阻是14 Ω左右， 因此導(dǎo)線電阻不能忽略，所以要用四線制測(cè)量的方式；而熱敏電阻是級(jí)的，導(dǎo)線電阻以 及模擬開(kāi)關(guān)的內(nèi)阻均可以忽略(實(shí)際測(cè)量中發(fā)現(xiàn)內(nèi)阻幾乎為零)。另外，如果只用一片模擬 開(kāi)關(guān)的話，很難找到11個(gè)通道以上的高精度的模擬開(kāi)關(guān)。此處用兩片模擬開(kāi)關(guān)可以使萬(wàn)用表很方便地實(shí)現(xiàn)各參數(shù)的測(cè)量，而不用將紅黑表 筆切換到各待測(cè)點(diǎn)。另外，由于使用圖6所示的微安級(jí)恒流源激勵(lì)的方式測(cè)量熱敏電阻，將 電阻的測(cè)量轉(zhuǎn)化為電壓的測(cè)量，從而使得各待測(cè)量值均轉(zhuǎn)換為測(cè)量電壓值，因此避免了萬(wàn) 用表的換擋操作，大大提高了測(cè)量的效率。圖6中采用25μΑ的恒流源進(jìn)行激勵(lì)，也是綜合 考慮了這些因素，萬(wàn)用表的電壓檔在大部分情況下都不用換量程即可完成整個(gè)測(cè)量過(guò)程。實(shí)施例2 應(yīng)用實(shí)施例1本發(fā)明的多通道熱導(dǎo)率測(cè)量裝置對(duì)巖石熱導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)量， 測(cè)量工作過(guò)程是
①首先將探針插入巖石介質(zhì)中；
②打開(kāi)上位機(jī)與單片機(jī)，運(yùn)行測(cè)量軟件，裝置中溫度采集模塊首先判斷環(huán)境溫度是否 穩(wěn)定；
③滿足溫度平衡條件后，首先根據(jù)巖石介質(zhì)在上位機(jī)設(shè)置相應(yīng)的加熱功率；
④單片機(jī)通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)關(guān)作用實(shí)現(xiàn)通道的選通，裝置通過(guò)高速單片機(jī)控制高精度 恒流源產(chǎn)生電流，電流經(jīng)過(guò)選通的通道流經(jīng)電熱絲，產(chǎn)生熱量；
⑤單片機(jī)控制模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)各處電壓測(cè)量的切換，分別采集采樣電阻Rb、RSl和熱敏 電阻Rl兩端的電壓，將這三組電壓的測(cè)量點(diǎn)相應(yīng)地接到模擬開(kāi)關(guān)DG409的三組差分輸入 端，將Agilent34411A型數(shù)字萬(wàn)用表的表筆固定在輸出端就可按所編程序?qū)崿F(xiàn)三組電壓信 號(hào)的輪流采集，從而通過(guò)電路和軟件的方式代替了萬(wàn)用表表筆的移動(dòng)；上位機(jī)不斷地與單 片機(jī)和萬(wàn)用表進(jìn)行反饋控制來(lái)維持加熱功率的恒定，萬(wàn)用表通過(guò)高精度熱敏電阻實(shí)時(shí)采集 加熱的溫度值；
⑥上位機(jī)根據(jù)加熱功率與采集到的溫度值進(jìn)行插值擬合處理，并根據(jù)與之對(duì)應(yīng)的溫度 關(guān)系，對(duì)采集的數(shù)據(jù)溫度以VC6. 0為編程平臺(tái)，利用SAM算法實(shí)現(xiàn)熱導(dǎo)率測(cè)試數(shù)據(jù)的后續(xù)處 理工作，計(jì)算出介質(zhì)的熱導(dǎo)率。本發(fā)明的測(cè)量裝置采用了多通道控制技術(shù)，可以快速準(zhǔn)確的測(cè)量巖石熱導(dǎo)率，提 高了測(cè)量效率，同時(shí)各測(cè)量數(shù)據(jù)真實(shí)值與理論值之間的誤差在士3%。以內(nèi)，測(cè)量精度高。本 發(fā)明的測(cè)量裝置具有結(jié)構(gòu)合理，熱激發(fā)功率恒定、抑制干擾紋波強(qiáng)、噪聲小、測(cè)量精度高和 測(cè)量巖石的熱導(dǎo)率快速準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，可以很好的應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室或者原位測(cè)試巖石的熱導(dǎo)率 研究和測(cè)試，也可適用于其他固體、粉末、生物組織等的熱傳導(dǎo)性質(zhì)研究和測(cè)試。
權(quán)利要求
一種多通道熱導(dǎo)率測(cè)量裝置，包括電源模塊、主控模塊、光耦隔離模塊、熱脈沖控制與激發(fā)模塊和溫度采集模塊，其特征在于還設(shè)有多通道控制模塊和上位機(jī)；所述電源模塊設(shè)有兩路獨(dú)立的電源，提供-5V和20V的電壓，其中20V電壓經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓芯片分壓得到5V電壓，變壓器內(nèi)部通過(guò)線圈隔離；電源設(shè)置了濾波電容和指示燈，電源為各模塊供電； 所述主控模塊的單片機(jī)，每個(gè)I/O都采用了光耦隔離后分別與熱脈沖控制與激發(fā)模塊、多通道控制模塊和溫度采集模塊連接； 所述的熱脈沖控制與激發(fā)模塊含有功率校檢模塊、DA轉(zhuǎn)換模塊、高精度恒流源電路和電熱絲模塊，功率校檢模塊和DA轉(zhuǎn)換模塊分別接在光耦隔離模塊后，DA轉(zhuǎn)換模塊還與高精度恒流源電路連接；所述的多通道控制模塊由多通道加熱控制模塊和多通道測(cè)溫控制模塊組成，多通道加熱控制模塊受熱脈沖控制與激發(fā)模塊中的高精度恒流源電路控制，多通道加熱控制模塊與電熱絲連接；多通道測(cè)溫控制模塊受溫度采集模塊中的微安級(jí)恒流源電路控制，多通道測(cè)溫控制模塊與熱敏電阻連接；所述的溫度采集模塊含有微安級(jí)恒流源電路、數(shù)據(jù)采集模塊、激勵(lì)熱敏電阻和萬(wàn)用表，微安級(jí)恒流源電路連接光耦隔離模塊與多通道測(cè)溫控制模塊，多通道測(cè)溫控制模塊與熱敏電阻連接，萬(wàn)用表連接電熱絲和熱敏電阻，含有8路電熱絲和熱敏電阻通道，可以選擇任意一個(gè)通道進(jìn)行加熱或測(cè)量；所述的上位機(jī)通過(guò)USB分別與主控模塊的單片機(jī)和溫度采集模塊中的萬(wàn)用表連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多通道熱導(dǎo)率測(cè)量裝置，其特征在于所述主控模塊中的單 片機(jī)選用C8051F340，單片機(jī)的每個(gè)I/O都采用了光耦隔離輸出，光耦隔離采用高速光耦系 列芯片PS2501-4。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多通道熱導(dǎo)率測(cè)量裝置，其特征在于所述主控模塊的單片 機(jī)通過(guò)光耦隔離、DA轉(zhuǎn)換和恒流源電路輸出大小可調(diào)的電流；同時(shí)通過(guò)單片機(jī)控制多通道 控制模塊，分別選擇任意一個(gè)通道的電熱絲和熱敏電阻進(jìn)行加熱和溫度測(cè)量，并進(jìn)行數(shù)據(jù) 的實(shí)時(shí)采集、保存和計(jì)算出熱導(dǎo)率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或所述的多通道熱導(dǎo)率測(cè)量裝置，其特征在于所述的多通道控制 模塊含有8路電熱絲和熱敏電阻通道，各通道之間參數(shù)一致且彼此不受干擾。全文摘要
本發(fā)明涉及一種多通道熱導(dǎo)率測(cè)量裝置，包括兩路獨(dú)立電源模塊、上位機(jī)、主控模塊、光耦隔離模塊、熱脈沖控制與激發(fā)模塊、多通道控制模塊和溫度采集模塊。上位機(jī)通過(guò)USB分別與主控模塊的單片機(jī)和溫度采集模塊中的萬(wàn)用表連接；單片機(jī)的每個(gè)I/O都采用了光耦隔離后分別與熱脈沖控制與激發(fā)模塊、多通道控制模塊和溫度采集模塊連接；本裝置設(shè)有兩處恒流源電路，采用閉環(huán)反饋實(shí)現(xiàn)功率恒值輸出，多通道控制模塊分加熱和測(cè)量模塊，均有8路通道，通過(guò)主控模塊選擇任一通道進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、保存和計(jì)算。本裝置具有方便測(cè)量、誤差小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到高精度熱導(dǎo)率測(cè)試的要求，本裝置還可用于固體、粉末、生物組織等熱導(dǎo)率的測(cè)試和研究。
文檔編號(hào)G01N25/20GK101881742SQ20101023180
公開(kāi)日2010年11月10日 申請(qǐng)日期2010年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月21日
發(fā)明者于彥江, 張國(guó)棟, 徐行, 朱文林, 李波, 武苗, 秦陽(yáng)洋, 羅賢虎, 肖昌, 胡波, 陳光華, 陳奇, 高厚秀 申請(qǐng)人:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢);廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局