（检测技术与自动化装置专业论文）建筑材料保温性能测试系统的研究与开发.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所t 交的学位论文是我个人住导师指导卜进行的研究i ：作及取得的研究成果。尽我所知， 除了文中特别j j | l 以标注和致附的地方外论文中不包含其他人已经发表或撰弓过的研究成果，也不 包含为获得尔南人学或其它教育机构的学何或t l e5 而使心过的材料。与我+ 同l ：作的同j 基对本研究 所做的任何贡献均已杓! 论义。| j 作j ，i | 月f f 角的说明) f ：表示了谢意。 研究生签名： 眺群啤 东南大学学位论文使用授权声明 尔南人。学、1 1 j 国科。技术信息研究所、国家i 纠i5 馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子义档，可以采h j 影印、缩印或其他复制r 段保存沦文。本人l u 子文档的内弈和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许沦义被奄阅州借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权尔南大 学研究生院办理。 研究生签名：师签 摘要 摘要 墙体保温对建筑节能具有重要的意义，建筑材料的保温性能则在其中起着关键作 用，必须进行有效的质量控制与监督管理。建筑材料保温性能评价采用国家标准 g b l 0 2 9 5 8 8 作为检测依据。本文从实际应用的需求出发，设计开发建筑材料保温性能 测试系统，以满足建筑节能质量管理的应用需求。 本文根据有关的国家标准并结合建筑材料保温性能现场检测的具体要求，提出了建 筑材料保温性能测试系统的设计方案，并提出了系统检测仪器的设计要求。检测系统采 用电加热和半导体制冷技术分别建立热端和冷端温度环境，检测仪器完成热端和冷端温 度控制，并测量热流计信号，计算建筑材料保温性能参数。检测仪器以立宇泰 a r m s y s 2 4 4 0 开发板和可编程逻辑器件x c 9 5 1 4 4 为核心，配置了2 6 通道温度测量输 入、l 通道热流计电压输入、半导体制冷电源控制和电热丝加热电源控制、1 0 2 4 7 6 8 像素触摸屏等模块构成仪器硬件电路，通过合理选择器件并采用抗干扰措施，保证了模 拟小信号的测量精度。仪器应用软件在嵌入式l i n u x 实时操作系统平台上运行，移植了 q t e m b e d d e d 图形开发环境，实现了多通道实时数据采样、处理、显示、存储记录功能， 具有丰富的图形界面、友善的人机交互功能。本文采用模型偏差补偿算法对冷端和热端 温度进行了控制，达到很好的控制效果。最后，对本文的工作做了总结并对今后的研发 与应用提出了建议。 关键词：半导体制冷嵌入式l i n u ) 【保温性能热流计 q t e m b e d d e d温度控 制热阻 一 a b s t 礴c t a b s t r a c t w m li n s u l a t i o ni so fg r e a ts i 2 面f i c a n c et oc o n s 仇j c t i o n a le n e r g yc o n s e r v a t i o n h l s u l a t i o n p e r f 0 m a n c eo fc o n s 仇j c t i o n a lm a t e r i a l s ，w h i c hp l a y sak e yr o l ei nw a l li n s u l a t i o n ，n e e d s e 丘e c t i v eq u a l i 母c 0 n t r 0 la i l ds u p e i s i o na n dm a i l a g e m e n t p e b n n a n c ee v a l u a t i o no f t h e n i l a li i l s u l a t i o nm a t e r i a l su s e sm en a t i o n a ls t a i l d a r dg bl0 2 9 5 8 8a st h eb a s i so ft e s t i i l t h i sp a p e r a c c o r d i i l gt 0m er e q u e s to ft e s t 蜘d a r da 1 1 dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，m ed e s i 印a n d d e v e l o p m e n to fc o n s t n j c t i o n a lm a t e r i a l si i l s u l a t i o nt e s t i n gs y s t e mi sd i s c u s s e d ，t om e e t a p p l i c a t i o i l sd e m a l l do ft h ec o n s t n l c t i o n a le n e r g y s a v i n gq u a l 时m a n a g e m e n t i nm i sp a p e r ，b 2 l s e do n 锄a l y s i so ft 1 1 en a t i o n a l 曲a i l d a 柑a n ds p e c i f i cr e q u i r e m e n t so f f i e l dt e s t ，m es y s t e ms c h e m eo fc o n 咖i c t i o n mm a t e r i a l si i l s u l a t i o nt e s ts y s t e ma n dt l l ed e s i g n c r i t 舐ao fi t si n s t n l m e n t a t i o na r ep r o p o s e d h lt l l et e s ts y s t e m ，h o t - s i d ea 1 1 dc 0 1 d - s i ( 【ea r es e t b yu s i n ge l e c t r i ch e a t i n ga n dt h e 肌o e l e c t i cc o o l i n gt e c h n o l o g y t h ei n s t n m a e n tc o n t r o l sb o t l l h o t s i d e锄dc o l d s i d et e m p e r a 【n l r e r e s p e c t i v l y ， m e a s u r e sh e a tf l o wm e t e rs i 趴a la n d c a l c u l a t e sp e r f i o n n 锄c ep a r a m e t e r so fm e 咖a ji n s u l a t i o nm a t e r i a l s t h ei n s m l m e n tc i r c u i t c o n s i s t so fa i larm s y s 2 4 4 0d e v e l o p m e n tb o a r da i l dp e r i p h e r a lc n u i t s 。s u c h硒 p r o g r 猢a b l el o 西cd e v i c ex c 9 514 4 ，2 6 c h a i m e lt e m p e r a t u r ei n p u t ，1 c b a n n e lh e a tn o w m e t e rv o l t a g ei n p u t ，p o w e rc o n 仃o l so ft h e 咖o e l e c t i cc o o l i n g 锄：1 de l e c t r i ch e a t i n g l0 2 4 7 6 8 p i x e lt o u c hs c r e e n 觚ds oo n t h em e a s u 】呛m e n ta c c u r a c yo fs m a l la 1 1 a l o g i c a ls i 翻1 a li s e n s u r e db yr e a s o n a b l es e l e c t i o no fd e v i c e s 锄da m i i m e r f e r e n c em e a l s u r e s s y s t e ms o f h 硼聆 o ft h ei n s n l n e m ，n m n i n go np l a t f o 锄o fe m b e d d e dl i m l ) 【r e a l t i m eo p e r a 血1 9s y s t e m ，i s c o n s 协l c t e d b y 仃a n s p l 觚t i n gq t - e m b e d d e d 野a p h i c a ld e v e l o p m e n te l w i r o r m l e n t t h e i 1 1 s 仃i l m e n ti se q u i p p e d 诵t 1 1f u n c t i o i l a lm o d u l e ss u c h 雒m u l t i c h a l l l l e lr e a l t i i i l es 锄p l i n g ， d a t ap r o c e s s m g 锄dc u n ，ed i s p l a y ，d a t as t o r a g ea i l dr e c o r d i n g ，t 0p e o mar i c h 笋a p k c a l n e r f a c ea 1 1 df h e n d l ym a l l m a c m n ei 1 1 t e r a c t i o nf o rt e s to p e r a c t i o n t h em o d e ld e v i a t i o n c o m p e n s a t i o n 甜g o r i m mi su s e df o rt h ec 0 1 d s i d ea i l dh o t - s i d et e m p e 均_ t i l r cc o n t r o l s ，t 0 a c h i e v eas a t i s f a c t o r yr e s u l t f i l l a l l y ，s u m m a r yo f 廿1 i sw o r ki sp r e s e n t i e da l l ds o m e r e c o m m e n d a t i o n sf o r t l l e 丘m l r ed e v e l o p m e ma n da p p l i c a t i o na r ep r o p o s e d k e y w o r d s ：t h e m o e l e c t i cc o o l i n g e m b e d d e dl i m t h e 册a 1i n s u l a t i o n p r o p e r t i e s h e a tf l o wm e t e r t e m p e r a n 鹏c o l l 仃0 l ，n l e 衄a 1r e s i s t a n c e i l 目录 目录 摘要i a b s 仃a c t i i 目录i i i 第一章绪论一1 1 1 中国建筑节能现状1 1 2 热阻及其测定2 1 2 1 热阻一2 1 2 2 绝热材料稳态热阻测定方法2 1 2 3 测定系统4 1 3 本文的研究内容与章节安排：4 第二章系统设计一6 2 1 系统结构6 2 2 系统部件7 2 2 1 热流计7 2 2 2 热端及其温度控制8 2 2 3 冷端及其温度控制8 2 3 检测仪器1o 2 3 1 仪器结构。l o 2 3 2 核心器件及平台1 0 2 3 3 开发相关技术1 1 第三章硬件设计l5 3 1 硬件结构15 3 2 核心系统电路15 3 2 1 立宇泰删s y s 2 4 4 0 开发板15 3 2 2c p l d 接口电路1 6 3 3 前向通道18 3 3 1 测量输入电路18 3 3 2 信号调理电路1 9 3 3 3a d 采样电路。2 0 3 3 4 温度测量。2 l 3 4 后向通道2 4 3 4 1 冷端温度控制电路。2 4 3 4 2 热端温度控制电路2 4 3 5 电源2 6 3 6 印刷电路板布线2 8 第四章软件设计3 0 4 1 软件总体结构3 0 4 2 驱动层软件设计31 4 2 1c p l d 编程31 4 2 2 字符设备驱动3 2 i i i 目录 4 3 图形用户界面交叉编译环境的构建3 6 4 3 1 准备实验嵌入式图形开发环境的搭建3 6 4 3 2 编译q t o p i a 所依赖的库文件3 6 4 3 3 交叉编译q t o p i a 3 8 4 4 文件系统的构建4 0 4 4 1 文件系统的功能4 0 4 4 2 根文件系统文件的设计与实现4 0 4 4 3 检测系统根文件系统的构建4 2 4 5 应用层软件设计4 2 4 5 1 信号与槽机制4 2 4 5 2 多线程技术4 3 4 5 3q t 应用程序的编译及运行4 4 第五章调试与系统功能实现4 5 5 1 系统调试4 5 5 1 1 系统硬件调试4 5 5 1 2 系统软件调试4 5 5 2 系统功能实现4 6 5 2 1 人机交互功能4 7 5 2 2 测控功能4 8 5 2 3 测试流程4 9 5 2 4 系统标定4 9 5 2 5 模拟检测实验5 0 第六章结论与展望51 6 1 结论5l 6 2 展望5 2 致 射5 3 参考文献5 4 附录a 仪器电路实物图5 6 作者在学期间发表的论文清单5 7 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀y 匕 本章首先介绍中国建筑节能现状，然后结合建筑材料保温性能测试的应用需求， 介绍了绝热材料稳态热阻及有关特性的测定原理和测定系统，最后讨论了课题的研究 内容及全文的章节安排。 1 1 中国建筑节能现状 目前，我国正处于房屋建筑的高峰时期，建筑的速度与规模前所未有。2 0 0 3 年， 我国城乡建筑竣工面积达2 0 3 亿平方米( 其中城镇1 2 7 亿平方米) ，超过所有发达国家 年建成建筑面积的总和。但令人忧虑的是，在新竣工的建筑中，节能建筑面积不到1 亿平方米，尚不足竣工建筑的5 。至今，在城乡既有建筑约4 0 0 亿平方米中( 其中城市 约1 4 0 亿平方米) ，只有3 2 亿平方米房屋是节能建筑，不到全国既有建筑的l 。 我国是一个能源短缺的国家，但单位建筑面积能耗目前却是发达国家的2 至3 倍。 与发达国家相比，我国建筑钢材消耗高出l o 至2 5 ，每拌和l 立方米混凝土要多消 耗水泥8 0 公斤；卫生洁具的耗水量高出3 0 以上，而污水回用率仅为发达国家的2 5 。 此外，在人均耕地只有世界人均耕地l 3 的情况下，实心黏土砖每年毁田1 2 万亩。 更令人担忧的是，全国建筑能耗的总量正呈逐年上升趋势，在能源总消耗量中所 占的比例从上世纪7 0 年代末的1 0 ，已上升到近年的2 7 4 5 【l j 。目前，我国正处于工 业化和城镇化快速发展阶段，以现在的建设速度，预计到2 0 2 0 年，全国高耗能建筑的 面积将达到7 0 0 亿平方米，仅空调夏季高峰负荷将相当于l o 个三峡电站满负荷能力。 这些建筑在接下来几十年至上百年的使用时间里，采暖、空调、通风、炊事、照明、 热水供应等方面都要不断消耗大量能源。建设部研究表明，国内建筑耗能比例最终将 上升至3 5 左右。 一 图1 1 中国建筑热工设计分区图 专家表示，若能把日益增加的建筑能耗减少一半，进而逐步达到发达国家的能耗 水平，就可大大减少煤矿、电站等能源设施建设的规模。如果我国城镇建筑全部达到 东南大学硕士学位论文 节能标准，到2 0 2 0 年每年就可节省3 3 5 亿吨标准煤、减少8 0 0 0 万千瓦时空调高峰负 荷，相当于每年节省电力建设投资约l 万亿元。 从图l 一1 中可以看出，我国绝大大部分地区处于严寒地区、寒冷地区和夏热冬冷地 区，要想实现这些地区建筑的节能设计，冬季保暖设计尤为重要。建筑物的冬季保暖 设计对建筑围护结构( 建筑物及房间各面的围挡物，如墙体、屋顶、地板、地面和门 窗等) 的设计、使用材料等提出了更高的要求1 2 j 。 在建筑围护结构总能耗中，建筑墙体的能耗占到了总体能耗的5 1 ，墙体作为建 筑物面积最大的部分，其保温性能直接影响到建筑物的节能性能。建筑墙体普遍采用 砖堆砌方式，墙体中留有空隙，其保温隔热性能很差，冬季冷空气渗透严重，因此有 必要在空隙中加入保温材料，以减少热量的流失，从而增强建筑保温性能。 建筑墙体的能耗主要是通过墙体的传热，因此提高建筑墙体中保温材料的保温性 能是最有效的手段之一。当今市场上，保温性能较好的建筑材料有聚苯颗粒隔热系统、 聚苯板等，而随着节能技术的发展，像无机保温板等，在成熟产品中的应用正逐步得 到推广。 建筑材料保温性能评价采用国家标准g b l 0 2 9 5 8 8 作为检测依据。为了对建筑材料 的保温性能进行规范，本文按照标准中的要求构建检测装置，检测建筑材料的热阻。 建筑材料的保温性能由建筑材料的热阻决定，热阻越大，建筑材料的保温性能越好； 反之，建筑材料的保温性能越差。保温性能测试分两种：建筑材料保温性能测试、建 筑墙体保温性能测试。建筑材料保温性能测试在实验室就能测定，而建筑墙体保温性 能测试则需到建筑现场测定。 1 2 热阻及其测定 1 2 1 热阻 热阻是反映阻止热量传递的能力的综合参量。热能从高温区自动地传到低温区， 单位时间从高温区流向低温区的热量叫做热流q 。热流与温差丁成正比，其关系如下： r = 尺q s ( 1 1 ) 式中，比例系数r 叫做热阻，s 是材料的截面积。如果r 的单位是。c ，q 的单位是w ， s 的单位为聊2 ，则足的单位是沏2 。c ) 形。 材料的热阻首先与材料本身有关，热阻是材料的本质属性。热阻越大，表示在相 同的温差下从高温区流向低温区的热量越少，反之则从高温区流向低温区的热量越多。 在传热学的工程应用中，为了满足生产工艺的要求，有时通过减小热阻以加强传热， 降低材料的保温性能；而有时则通过增大热阻以抑制热量的传递，提高材料的保温性 能。 1 2 2 绝热材料稳态热阻测定方法 课题针对建筑材料保温性能测试的应用需求，根据绝热材料稳态热阻及有关特 性的测定热流计法( g b l 0 2 9 5 8 8 ) ，进行检测装置的研发。标准要求建立热侧及 冷侧温度环境，并需要检测装置能对试件两侧温度进行有效控制。 2 第一章绪论 检测装置由加热单元、一个( 或两个) 热流计、一块( 或两块) 试件和冷却单元 组成【3 1 。图1 2 ( a ) 为单试件不对称布置，热流计可以面对任一单元放置。图1 2 ( b ) 为单试件双热流计对称布置。图1 2 ( c ) 为双试件对称布置，其中两块试件应该基本 相同，由同一样品制备。亦可在加热单元的另一侧面另加热流计和冷却单元构成双向 装置，见图1 2 ( d ) 。各种布置在满足标准要求的情况下均将得到相同的结果。 ( a ) 单试件不对称布置 u u ” u u 什 u u 一 ( b ) 单试件双热流计对称布置 l j u ” u ( c ) 双试件对称布置( d ) 双向装置 图1 2 装置典型布置图 u ，u ，_ 龄却和加热单元；h ，h ，h l 热流计 加热和冷却单元的工作表面上温度不均匀性应小于试件温差的l 。每一表面上温 度传感器的数量应不小于1 0 彳或2 ( 取大) 个，其中彳是测量区域面积( 聊2 ) 。如果 热流计直接与加热或冷却单元工作表面接触，并且热流计沿表面的温差敏感，则温度 均匀性要求更高，应保证热流密度测量误差小于o 5 。冷却单元等温面尺寸至少和加 热单元的工作表面一样大，冷却单元可以和加热单元相同。测定时工作表面温度的波 动或漂移应不超过试件温差的0 5 。热流计由于表面温度波动引起的输出波动应小于 士2 ，必要时可在热流计与加热或冷却单元的工作表面间插入绝热材料作阻尼。 以单试件不对称布置的计算为例，其余布置方式计算类似。观察热流计输出电势、 试件的平均温度以及温差来检查热平衡状态。热流计装置达到热平衡所需要的试件与 试样的密度、比热、厚度和热阻的乘积以及装置的结构密切相关。测定时，以等于上 述乘积或3 0 0 秒( 取大者) 的时间间隔进行观察，直到5 次读数所得到的热阻值相差 在士1 之内，并且不在一个方向上单调变化为止。在达到平衡以后，测量试件热、冷面 的温度。利用观察到的稳态数据的平均值进行所有的计算。关于绝热材料热性质的计 算可按式( 1 2 ) 、( 1 - 3 ) 进行。 3 东南大学硕士学位论文 试件的热阻r 按式( 1 2 ) 计算： r ：竺 ( 1 2 ) 1 。e 式中：厂热流计的标定系数，叫( m 2 聊y ) ； e 热流计的输出，朋y 。 如果满足确定导热系数的要求，用式( 1 3 ) 计算导热系数a 或热阻系数厂： 九：三：鱼：厂p 旦 ( 1 3 ) 九= 一= 一= ，p l i 3 ) ，尺 。 z 。 式中：d - 式件的平均厚度。 1 2 3 测定系统 采用热流计法测定绝热材料的稳态热阻及有关特性，首先要建立测定条件，即在 试件两侧建立稳定的、具有一定温度差且均匀分布的工作表面；然后才能测量热流计 输出，并根据有关公式计算测定结果。可见，建立满足测定标准要求的工作表面是完 成测定的基础，工作表面温度控制的质量直接影响测试稳态热阻及有关特性的测试结 果。由于g b l 0 2 9 5 8 8 对工作表面温度的误差、不均匀性和稳定性都提出了较高的要求， 所以加热和冷却单元的温度测量与控制是整个测定系统中的关键部分。另外，热流计 输出信号测量也是测试系统的重要部分，其要求主要是测量精度，但不难实现。 在已有的检测设备中，常用的控温方式有两种：一种采用双加热控制温差的方法， 即电加热分别对加热单元和冷却单元进行温度控制，使得两侧形成一定的温差；另一 部分采用电加热配合水冷的方法，即电加热对加热单元进行热温控制，用循环水恒定 冷却单元的温度，从而使得两侧形成一定的温差。但由于建筑材料保温性能测试主要 用于墙体，需要模拟墙体实际使用时的温度环境，即室内2 0 0 c 、室外一1 0 0 c 一2 0 0 c ， 所以已有的设备不能满足对冷却单元控温的要求。因此本系统采用半导体制冷来控制 冷端温度、电热丝加热来控制热端温度。这种方案的优点有：1 、两侧温度的控制相对 独立，可根据检测需要分别设定和控制热端、冷端的工作温度。2 、温度控制精度高， 控制系统结构简单、轻巧便携。 1 3 本文的研究内容与章节安排 随着节能环保在我国经济与社会生活中的重要性日益提高，建筑节能正成为建筑 质量评价中的一项重要指标，相关的行政和行业管理要求也正在逐步提出和实行。在 建筑节能各环节中，建筑墙体保温无疑是重中之重。由于建筑墙体保温性能是以墙体 材料的保温性能为基础的，所以墙体材料保温性能的测试和管理是建筑墙体保温性能 质量管理的重要组成部分。另一方面，建筑墙体保温性能不仅与墙体结构和墙体材料 有关，还与建筑施工过程密切相关。所以，在建筑现场进行测试能够得出墙体保温性 能的综合结果，从而对该建筑的墙体保温性能做出综合评价。建筑节能质量管理不仅 是对建筑设计和墙体材料的规范和管理，还必须包括对最终的建筑墙体保温性能质量 的综合管理，而质量管理的基础就是建筑墙体保温性能的现场测试。 正是在这样的背景下，受某企业的委托，针对建筑材料保温性能的实验室测试、 建筑墙体保温性能现场测试的要求，本文提出了研究与开发检测系统的研究课题。 4 第一章绪论 课题针对g b l 0 2 9 5 8 8 的要求，研究开发建筑材料保温性能测试设备。采用基于半 导体制冷技术的冷端温度控制及基于交流调压的热端温度控制，构建检测系统的硬件 平台，使得半导体制冷技术及电热丝加热技术能够运用于g b l 0 2 9 5 8 8 所要求的检测装 置中，达到进行建筑材料保温性能测试实验的要求，热板和冷板工作表面温度的波动 或漂移不超过试件温差的0 5 。这对提供新的基于g b l 0 2 9 5 8 8 的测试系统设备满足 建筑节能管理的应用要求有着积极的意义，同时也有利于推广半导体制冷技术及电热 丝加热技术的应用水平。 本文从检测装置的构成出发，主要论述了检测系统的设计，用于实现对建筑材料 保温性能的测试。检测系统以微控制器和可编程逻辑器件为核心，基于嵌入式实时操 作系统，调度应用程序，实现对建筑材料保温性能的测试。本文后续各章的内容安排 如下： 第二章概述了系统的总体设计。主要围绕g b l 0 2 9 5 8 8 中的检测系统结构，提出按 国标要求所设计的检测系统的主要功能与性能指标，并介绍了系统的组成部件，然后 概述检测仪器的总体设计与结构，最后比较分析了与开发相关的技术与条件。 第三章讨论检测仪器的硬件设计。主要围绕立宇泰a r m s y s 2 4 4 0 开发板进行展开， 简要介绍了仪器硬件系统构架，系统地介绍了各个硬件电路模块的设计，详细介绍了 仪器硬件设计过程中所使用的抗干扰措施。 第四章详细阐述了系统的软件设计方案。采用分层模块化设计，粗略介绍了软件 总体结构，详细介绍了驱动层软件设计、图形用户界面交叉编译环境的构建和文件系 统的构建，最后介绍了应用层软件设计。 第五章主要叙述了系统调试过程中遇到的一些软硬件问题及相应的解决方案，并 描述了检测系统功能的实现情况。 第六章是对全文工作的总结，并对以后的开发设计提出一些参考意见。 东南大学硕士学位论文 第二章系统设计 本章首先介绍g b l 0 2 9 5 8 8 中检测系统结构，并提出按国标要求所设计的检测系统 的主要功能与性能指标；接着介绍了系统的组成部件；然后概述检测仪器的总体设计 与结构，最后比较分析了与开发相关的技术与条件。 2 1 系统结构 国家标准g b l 0 2 9 5 8 8 提到绝热材料稳态热阻测量的4 种检测装置典型布置，本课 题采用单试件不对称布置，系统结构图如图2 1 所示。 冷 端 温 度 控 制 信 号 热 端 温 度 控 制 信 号 图2 - 1 系统结构图 根据g b l 0 2 9 5 8 8 的要求，课题研究所需的建筑材料保温性能测试系统由热侧及冷 侧温度测量与控制、热流计输出电压的测量、检测计算及报告等构成。 课题所设计的检测仪器主要完成以下功能： 1 对热流计输出电压进行采集，并完成精确测量； 2 对半导体制冷片的冷端温度信号进行采集，完成温度的精确测量； 3 实现控制算法，进而通过p w m 单元控制制冷片输入电压，从而控制制冷片冷端温 度； 4 对热端温度信号进行采集，完成温度的精确测量； 5 实现控制算法，控制交流电在一个周期内的通断时间( 即电热丝的加热时间) ，从 而控制热端温度： 6 具备友好的人机交互界面； 7 根据g b l 0 2 9 5 8 8 的计算公式计算材料的热阻，并生成报告； 根据国家标准g b l 0 2 9 5 8 8 中对热阻测量的要求，提出检测仪器的主要性能指标， 如下所示： 1 冷侧温度测温范围为一3 0 0 c 0 0 c ；测量精度为0 1 0 c ；控制精度为o 2 0 c 。 2 热侧温度测温范围为0 0 c 6 0 0 c ；测量精度为o 1 0 c ；控制精度为0 2 0 c 。 6 第二章系统设计 3 热流计输出电压测压范围为0 1 0 聊y ；测量精度：1 0 z f y 。 2 2 系统部件 整个系统有三个系统部件构成：热流计、热端及其温度控制和冷端及其温度控制， 下面分别进行介绍。 2 2 1 热流计 1 热流计的工作原理 热流量可以通过各种途径来测量，在条件许可时用热流计来测量热流量是比较理 想的方法。只要测定方法合理，热流计可以准确的直接测得热流量，而避免了其它许 多参数的测量。 目前广泛使用的热流计的原理【4 j 是：当热流通过一块平板时，由于平板具有热阻， 所以平板的两面必定有温差。它们之间的关系可以用( 2 1 ) 式表达： q ：丝 ( 2 1 ) 9 2 丁 l z 1 式中，q 热流量； a 该平板的导热系数； 6 平板的厚度； p 一一平板两面的温差。 如果用热电偶来测量上述温差，热电偶的冷端和热端分别设在这一平板的两面， 则该热电偶形成温差热电偶，其输出热电势丝与温差9 成正比，即 e = c p ( 2 2 ) 或者 f p = = =( 2 3 ) c 式中，c 热电偶系数。 将( 2 3 ) 式代入( 2 1 ) 式，得到 口：坐：c 衄 ( 2 4 )口= = l 乜l ：z 4 j 6 c 式中c = 去，- 称之为热流计的标定系数，其单位是矿( 聊2 形) 。c 的物理含义是：当 d 乙 热流计有单位热电势输出时，通过它的热流量是c 。 2 热流计的选型 国家标准g b l 0 2 9 5 8 8 对热流计的要求如下： ( 1 ) 热流计由芯板、表面温差检测器、表面温度传感器和起保护及热阻尼作用的盖板 组成。可利用金属板( 箔) 做均温板以改善或简化测量。但是不应设置在会使热 流计的输出受影响的地方。 ( 2 ) 芯板应有不吸湿的、热匀质的、各向同性的、长期稳定和硬的( 可压缩性较小的) 材料制作。在使用温度下以及正常的装卸后，材料性质不应发生有影响的变化。 软木复合物，硬橡胶一一塑料，陶瓷，酚醛层压板和环氧或硅脂填充的玻璃纤维 织品等可用制作芯板。芯板的两个表面应平行，以保证热流均匀垂直于表面。 7 东南大学硕士学位论文 ( 3 ) 热电堆。应采用灵敏和稳定的温差检测器测量芯板上的微小温差。常用多结点的 热电堆。热点堆的热电势p 与流过芯板的热流密度g 有关。g = 皿，其中厂称为 标定常数。它与温度有关，在一定程度上还与热流密度有关。热电堆的导线直径 宜小于o 2 i 啪。建议用产生热电势高，导热系数低的热点元件。 ( 4 ) 热流计的两个表面应予以覆盖。表面板的厚度在满足放置温差检测器导线分流的 前提下，应尽量薄。正确设计的热流计，在试件的热导率 大幅度变化时，其灵敏度应与试件的热导率无关。表面板 亦可起阻尼作用减少温度波动。表面板应采用与芯板类似 的材料，用粘合剂或易熔材料等方法粘合到芯板上。 综合上述4 个条件，选用了深圳市德图自控工程有限 公司的a 型标准热流计，如图2 2 所示。该款热流计精度 为l ，尺寸为1 4 1 0 2 1 0 2 ( m m ) ，热流计系数为 2 2 3 形伽2 聊矿) ，材料为合成树脂，主要用于建筑物热辐 图2 2 热流计实物图 射测定和实验室物体特性测量。 2 2 2 热端及其温度控制 加热单元采用电热丝加热的方法，使加热单元达到测试条件所需的温度范围。将 电热丝放置于热箱中，系统测量热箱的温度。热端温度控制系统方框图如图2 3 所示， 检测热箱的温度，将其与热端温度设定值的偏差及过零检测信号送入控制器，通过一 定的控制算法得到控制量，由可控硅来控制一个交流周期内电热元件加热的时间，从 而控制热箱温度毛。 热端温度 设定值 过零检测信号交流电源 2 2 3 冷端及其温度控制 图2 3 热端温度控制系统方框图 冷却单元采用半导体制冷的方法，使冷却单元达到测试条件所需的温度范围。将 半导体制冷片冷端紧贴于冷却单元，热端由散热片进行散热。冷端温度控制系统方框 图如图2 4 所示，检测半导体制冷片冷端的温度，将其与设定温度的偏差送入控制器， 通过一定的控制算法得到控制量，由p w m 斩波调制输出控制半导体制冷片的输入电压 ，进而控制制冷片冷端温度瓦，从而达到控制冷却单元温度的目的。 8 第二章系统设计 冷端温度 设定值 直流电源 图2 - 4 冷端温度控制系统方框图 下面简单介绍下制冷片的结构。制冷片结构6 1 如图2 5 所示，半导体制冷片由三部 分组成：热端、冷端和热电堆，其中热电堆由若干热电偶串联而成。根据本课题所需 冷端温度等方面考虑，选用了t e c l 1 2 7 0 6 t 1 2 5 型号的半导体制冷片，其规格7 1 见表2 1 所示。 热端 图2 5 制冷片结构图 表2 1 半导体制冷片规格 1 1 、2 7 最大温最大温差 工作 最大产冷功外形尺寸 型号差电流( ) 电压 率( w )对数 l 木b 木h ( m m ( a ) ( q c l ( v ) ( t 2 ， = 0 w ) = o ) t e c l 1 2 7 0 6 t 1 2 56 o6 51 5 45 1 41 2 74 0 枣4 0 4 1 1 ) q 卜产冷功率； 2 ) t - 一热端温差。 如图2 6 所示，冷却单元由导热性能良好( 热传导系数为2 3 7 w m k ，w 为热功率单位 瓦特，m 为长度单位米，k 为绝对温度单位开尔文【5 】) 的铝板充当，铝板面积为 2 0 c m 2 0 c m ；铝板与制冷片的冷端之间涂有一薄层导热硅胶，从而保证对铝板的制冷 效果。制冷片的热端同样抹上导热硅胶后与散热片紧密接触，散热片顶端分别安置4 个直流风扇，以提高散热能力。通过绝缘板将4 个散热片、制冷片与铝板固定在一起， 以使得制冷片受力均匀，实验时不易脱落。在绝缘板与铝板之间填充聚氨酯泡沫填缝 剂作为隔热材料，以减小散热片向铝板的热辐射，提高制冷性能。最后，在铝板下方 垫一层泡沫作为实验试件。这样就形成了一个由4 片半导体制冷片对同一块铝板制冷 的冷板结构，由此提供检测系统所需的冷侧环境温度。并且在铝板上布置1 3 个热电偶， 测量各点温度值并求平均值，而后由控制仪器施加一定的控制算法调节制冷片输入电 压，进而调节冷侧环境温度，实现对冷板的温度控制。 9 东南大学硕士学位论文 ( a ) 制冷板侧视图 2 3 检测仪器 2 3 1 仪器结构 图2 - 6 制冷板实物图 ( b ) 制冷板俯视图 一般检测系统有以下两种设计方案：1 、p c 机或工控机加检测仪器；2 、不采用p c 或工控机，而只使用m c u 或删为核心的检测仪器( 仪器带有画图显示功能) 。第 一种方案中检测仪器与p c 机或工控机之间采用r s 2 3 2 4 8 5 进行通信，检测仪器进行信 号检测后将数据传送给p c 机或工控机，p c 机或工控机对数据进行处理并动态显示。 第二种方案中m c u 或a 1 w 仪器完成信号的检测与数据处理，并将数据动态显示出来。 由于第一种方案的系统部件多，结构较为复杂，加之p c 机或工控机笨重，不方便搬运， 且其成本较高( p c 机或工控机的成本远大于m c u 或a r m 仪器) ，因此第一种方案显 得不可取。所以本课题采用第二种设计方案：由于检测系统对操作界面要求较高，数 据量大，且需使用触摸屏，所以选删9 嵌入式平台。 检测仪器由仪器平台和测控电路两部分构成。仪器平台是由控制器及一些必备外 设( 比如触摸屏) 构成的一个最小系统；测控电路主要是测量热流计的输出电压、测 量试件冷热两端温度并对其进行控制。仪器平台与测控电路通过连接线相连。检测仪 器结构框图如图2 7 所示。 g 剥试件冷端 a r m 测控电路 g j 热流计 平台 g 刊试件热端 2 3 2 核心器件及平台 图2 7 检测仪器结构框图 仪器平台是一个最小系统，其包括控制器、存储器、人机接口、外接扩展接口等。 检测仪器要能实现画图功能，且画图界面要精美，这可能会要求控制器能运行操作系 l o 第二章系统设计 统且有m y 功能，删7 平台显然不符合要求，所以检测仪器选用删9 平台。 由于a r m 9 平台较多，有立宇泰a r m s y s 2 4 4 0 开发系统、飞凌o k 2 4 4 0 开发板等。 他们的主要差别在于a r m 芯片、嵌入式系统外围配置的不同。根据需要、开发支持、 熟悉程度等考虑因素，选择立宇泰a r m s y s 2 4 4 0 开发系统作为本课题的a i 蝴平台。 立宇泰a r m s y s 2 4 4 0 开发系统中的控制器为s 3 c 2 4 4 0 a ，该微处理器是一款由 s 锄s u n g 半导体公司推出的高性能、低功耗、高集成度微处理器。除继承了s 3 c 2 4 1 0 a 的所有特性外，较s 3 c 2 4 1 0 a 发展了以下优势【8 】： ( 1 ) 具有工业级温度范围； ( 2 ) 主频高达4 0 0 m h z ； ( 3 ) 具有数字摄像头接口； ( 4 ) 更低的内核电压，支持低电压存储器； ( 5 ) 支持更多分辨率液晶屏； ( 6 ) 支持大页( 2 0 4 8 字节) n a i l d n a s h ； ( 7 ) 具有a c 9 7 编解码器接口； ( 8 ) 具有更多可用的i o 口； ( 9 ) u a r t 口输入输出各具有6 4 字节f i f o ； ( 1 0 ) 无需外围电路的触摸屏接口。 2 3 3 开发相关技术 1 嵌入式实时操作系统 嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统而直接在芯片上运行，但是为了合理地 调度多任务，利用系统资源、系统函数以及库函数接口，开发人员就应当自行选配r 1 r o s ( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 开发平台，这样有利于保证程序执行的实