[精品论文] 多级热电堆型热流测量仪的研制及应用.pdf

西南科技大学 硕士学位论文 多级热电堆型热流测量仪的研制及应用 姓名：罗浩 申请学位级别：硕士 专业：凝聚态物理 指导教师：彭同江 2012-05-30 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 ( 1 ) 基于一维平面传热原理，通过对热电堆式热流测量原理的研 究，推导出传感器系数的定义式，从理论上探讨了热电堆电镀层对热 流传感器性能的影响，设计出了多级热电堆式热流传感器的基本形 式；( 2 ) 通过实验寻找热电势高的廉金属丝作为热电材料、热阻和强 度高的板材作为基板材料，重点研究了多级热电堆式热流传感器的制 作方案，利用提高单位面积内的匝数、提高电镀工艺水平、改善布线 及封装方式等途径，提高热流传感器的分辨力及准确度；( 3 ) 采用防 护热板法和热流计法对自制热流传感器进行了标定，获得自制传感器 的分辨力和准确度等关键参数，对标定过程中热流的稳定时间、传感 器系数与工作温度的关系、导致实验误差的主要因素进行了探索；( 4 ) 将自制热流传感器与高精度数字式电位差计、计算机等组合，实现了 数据的采集、转换、传输，完成了热流测量仪硬件的组装；开发了一 套具有数据接收、处理、分析和输出功能的测试软件，形成了一套完 整的多级热电堆型热流测量装置；( 5 ) 将自制热流测量仪应用到建筑 热工测试等现场，分析了热流传感器粘贴到被测物表面以后对被测表 面热流场的影响，在此基础上讨论了测试过程中可能产生的误差及减 小误差的主要方法。 研究结果表明：( 1 ) 提高多级热电堆型热流传感器性能的主要途 径是：选择热电势高的金属作为热电材料，为制备热电堆方便，需选 择方便电镀的金属；选择热阻和强度高的材料作为基板材料，厚度需 适中：在有效的传感器面积内尽量增加热电堆级数，以使输出热电势 更高；电镀层的厚度需通过实验寻找最优化条件；( 2 ) 铜、康铜配对 组成热电偶热电势高、方便电镀，是热电材料较好的选择；酚醛树脂 层压板热阻高、强度高、加工性能好，是热电堆基板的理想材料；( 3 ) 在康铜丝上电镀铜这种制备热电堆的方法适合用来制作级数特别高 的热电堆；( 4 ) 先用雕刻机裁切和刻槽，再手工绕制0 1m m 裸康铜 丝，制作出来的康铜线圈能很好满足电镀铜实验制备热电堆的要求； ( 5 ) 根据单因素实验，综合热电势和表面形态等因素，得出硫酸铜 酸性镀铜法制备热电堆的优化工艺条件为电镀时间2 0 m i n 、硫酸铜浓 度2 5 0 9 l 、硫酸浓度6 0 9 l 、镀液温度36 、电流密度1 0 a d m 二；对 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 于制备热电堆而言，镀层呈淡红色、晶粒均匀、厚度为2 1 5g m 左右、 附着力强时，输出热电势最高；( 6 ) 使用h y 8 0 0 6 型传感器封装a b 胶，在6 0 的环境中进行固化封装，是热流传感器封装的最优化条 件；( 7 ) 经中国测试技术研究院鉴定，自制热流传感器传感器系数为 4 8 4 4w ( m 2 m v ) ，测量范围为0 0 5 9 9 9 9 0 0 w m 2 ，测量分辨力为 0 05 w m 2 ，相对测量准确度为1 0 ，综合测量准确度为3 ，性能优 于同类热流测量仪。 关键词：多级式热电堆热电势热流传感器热流测量仪 a bstrac t f11b a s e d o no n e d i m e n s i o n a lp l a n a r h e a tt r a n s f e rt h e o r y ，t h e d e f i n i t i o n o ft h es e n s o rc o e f f i c i e n tw a sd e d u c e df r o mt h et h e r m o p i l e h e a tf l o w a n dd i s c u s s e dt h e r m o p i l ep l a t i n gl a y e r o nt h eh e a t 士l u x s e n s o rp e r f o r m a n c et h e o r y ，d e s i g n e dt h eb a s i cf o r m o fam u l t i s t a g e t h e r m o p i l eh e a tf l u xs e n s o r ；( 2 ) f i n d i n gt h et h e r m o e l e c t r i cp o w e r o f h i g hb a s em e t a lw i r ea s t h e r m o e l e c t r i cm a t e r i a l s ，t h e r m a l r e s i s t a n c e a n dh i g hs t r e n g t h s h e e t a st h es u b s t r a t em a t e r i a lt h r o u g h t h e e x p e r i m e n t ，e s p e c i a l l yf o c u s i n go nt h ep r o d u c t i o np r o g r a m ，t h e u s eo t m u l t i s t a g et h e r m o p i l eh e a tf l u xs e n s o rt oi m p r o v et h eu n i t a r e aw l t h l n t h en u t u b e ro ft u r n s ，t oi m p r o v et h ep l a t i n gp r o c e s s ，w a y st o1 m p r o v e t h ew i r i n ga n dt h ep a c k a g et oi m p r o v et h e r e s o l u t i o na n da c e u r a c yo f t h e h e a tf l o ws e n s o r ( 3 ) u s i n gt h eg u a r d e dh o tp l a t e a n dh e a tl l o w m e t e rm e t h o dh o m e m a d eh e a tf l u x s e n s o rc a l i b r a t i o n ，g e th o m e - m a d e s e n s o rr e s o l u t i o na n da c c u r a c yo fk e yp a r a m e t e r s ，t h es e t t l i n g t i m eo t t h eh e a tf l o wc a l i b r a t i o n ，t h e s e n s o rc o e f f i c i e n t w i t ht e m p e r a t u r e ， l e a d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a le r r o ro ft h em a i nf a c t o r sw e r ee x p l o r e d ( 4 ) h o m e m a d eh e a tf l o ws e n s o ra n dh i g h p r e c i s i o nd i g i t a l t h ep o t e n t i a l d i f f e r e n c eb e t w e e nt h ec o m b i n a t i o no fd e s i g n ，c o m p u t e ra n do t h e rd a t a c 0 1 1 e c t i o n ，c o n v e r s i o n ，t r a n s m i s s i o n ，c o m p l e t e a s s e m b l yo ft h e h e a t f l o wm e t e rh a r d w a r e ；d e v e l o p e das e to fd a t a r e c ea v m g ，p r o c e s s l n g ， a n a l y s i s a n do u t p u tf u n c t i o no ft e s ts o f t w a r e ， f o r mac o m p l e t e s e t m u l t i s t a g et h e r m o p i l eh e a tf l o wm e a s u r e m e n td e v i c e s ( 5 ) h o m e m a d e h e a tf l o wm e t e rw i l lb ea p p l i e dt ob u i l d i n gt h e r m a lt e s t i n gs i t e ，p a s t e t h eh e a tf l o ws e n s o rt ot h em e a s u r e ds u r f a c e a f t e rt h ei m p a c to nt h e m e a s u r e ds u r f a c eh e a t f l o wi n t h i s d i s c u s s e do nt h e b a s i s o ft h e p o s s i b l ee r r o ri nt h et e s t i n gp r o c e s sa n dr e d u c i n g e r r o r s t h er e s u i t ss h o wt h a t ：( 1 ) t h em a i nw a yt oe n h a n c et h em u l t i s t a g e t h e r m o p i l e h e a tf l u xs e n s o rp e r f o r m a n c e i sf o l l o w s ：s e l e c t i n gt h e t h e r m o e l e c t r i cp o w e r m e t a la st h e r m o e l e c t r i cm a t e r i a l s ， f o rt h e 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 v 页 p r e p a r a t i o no ft h e r m o e l e c t r i cp i l ec o n v e n i e n t ，m u s tb e s e l e c t e dt h e f a c i l i t a t ep l a t i n gm e t a l ； s e l e c t i n g t h et h e r m a lr e s is t a n c ea n dh i g h s t r e n g t hm a t e r i a la st h es u b s t r a t em a t e r i a l ，a n dt h em a t e r i a ls h o u l dh a v e m o d e r a t et h i c k n e s s t h e r m o p i l es e r i e st om a x i m i z et h es e n s o ra r e as o t h a tc a no u t p u th i g h e rt h e r m o e l e c t r i cp o w e r ；t h eo p t i m u mc o n d i t i o n s s h o u l db ei n v e s t i g a t e dt of i n do p t i m u m p l a t i n gt h i c k n e s s ( 2 ) t h e b e t t e rc h o i c eo ft h e r m o e l e c t r i cm a t e r i a l si sc o p p e ra n dc o n s t a n t a np a i r c o m p o s e d o f t h e r m o c o u p l e b e c a u s e o f h i g h e rt h e r m o c o u p l e t h e r m o e l e c t r i cp o w e ra n dc o n v e n i e n tp l a t i n g p h e n o l i cr e s i na m i n a t e s i sa ni d e a lm a t e r i a lf o rt h et h e r m o p i l es u b s t r a t eb e c a u s eo fh i g ht h e r m a l r e s i s t a n c e ，h i g hs t r e n g t h ，g o o dp r o c e s s a b i l i t y ( 3 ) t h em e t h o d i s s u i t a b l ef o rt h i s p r e p a r a t i o n i nh o n gc o p p e re l e c t r o p l a t i n gc o p p e r t h e r m o p i l eu s e dt o m a k et h es e r i e sp a r t i c u l a r l yh i g ht h e r m o p i l e ；( 4 ) f i r s t l ye n g r a v i n gm a c h i n ec u t t i n ga n dg r o o v e ，a n dt h e nh a n d w o u n d0 1 m mb a r ec o n s t a n t a nw i r e ，c o p p e rs u l f a t ea c i dc o p p e rp l a t i n gp r o d u c e d c o n s t a n t a nc o i l ，w h i c hc a nm e e tw e l lt h er e q u i r e m e n t so fp l a t i n gc o p p e r e x p e r i m e n tp r e p a r a t i o no ft h et h e r m o p i l e ；( 5 ) b a s e d o nt h ed a t ao f s i n g l e f a c t o r e x p e r i m e n t s ，t h e r m o e l e c t r i c p o w e r ，a n dt h e s u r f a c e m o r p h o l o g ya n do t h e rf a c t o r s ，t h eo p t i m a lc o n d i t i o n s w a so b t a i n e d ： p l a t i n gt i m e2 0m i n ，t h ec o p p e rs u l f a t e c o n c e n t r a t i o no f2 5 0 9 l ， s u l f u r i ca c i dc o n c e n t r a t i o no f6 0 9 l ，c o p p e rs u l f a t ea c i dc o p p e r p l a t i n gp r e p a r e db yt h et h e r m o p i l e ，t h eb a t ht e m p e r a t u r e36 。c ，c u r r e n t d e n s i t y10 a d m 2 ；a sf o rt h ep r e p a r a t i o no ft h e r m o p i l e ，t h eo u t p u t o ft h e r m o e l e c t r i cp o w e ri sh i g h e s ti nt h ec o n d i t i o no fc o a t i n gp a l er e d ， u n i f o r mg r a i na n dt h e2 1 5 l x mt h i c k n e s s ( 6 ) t h eo p t i m i z e dc o n d i t i o n s o fh e a tf l o ws e n s o rp a c k a g ei su s i n gt h eh y 8 0 0 6t y p es e n s o rw i t ht h e p a c k a g ea bg l u e ，c u r i n gp a c k a g ei n a ne n v i r o n m e n to f6 0 。c ( 7 ) e v a l u a t e db yt e s t i n gt e c h n o l o g yr e s e a r c hi n s t i t u t eo fc h i n e s e ，t h e h o m e m a d eh e a tf l o ws e n s o rw i t ht h e c h a r a c t e r i s t i co ft h e4 8 4 4 w f m 2 m y ) s e n s o rc o e f f i c i e n t ，t h e0 0 5 9 9 9 9 0 0 w m zm e a s u r e m e n t r a n g e ，t h e 0 0 5 w m 2 m e a s u r e m e n t r e s o l u t i o n ， 1 0 r e l a t i v e m e a s u r e m e n ta c c u r a c y ，3 c o m p r e h e n s i v e m e a s u r e m e n t a c c u r a c y ， w h i c hh a sb e t t e rp e r f o r m a n c et h a ns i m i l a rh e a tf l o wm e t e r k e y w or d s ：m u l t i s t a g et y p e ；t h e r m 。p i l e ；t h e r m o e l e e t r i c p o w e r ；h e a t f l u xs e n s o r ；h e a tf l o wm e t e r 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 1 1 选题的背景和意义 全球的能源和环境危机，启动了世界性的节能减排事业。我国建 筑行业的节能降耗工作已于2 0 世纪8 0 年代全面展开。据悉，我国目 前的城乡建筑面积已超过4 0 0 亿平方米，约9 5 是高耗能建筑【l j 。 预计到2 0 2 0 年，城乡建筑面积将增加约30 0 亿平方米，如果不采取 有效的节能降耗措施，每年建筑领域会消耗1 2 万亿度电和4 1 亿吨 标准煤，几乎是现有建筑能耗的3 倍。我国现在的建筑能耗占社会终 端能源消费的27 5 ，单位面积采暖能耗是气候相当的发达国家的 2 3 倍【2 ，3 】。随着人民生活水平的不断提高，城市化进程的加快，住 房制度改革的深化，我国的能源消费增长趋势日渐加剧，已成为我国 未来能源消费的一个主要增长点。 建设过程中的节能效率评价工作，可分为设计审查、现场实测、 验收三个阶段【3 】。节能建筑必须严格按照设计方案执行，才能保证建 筑物的节能效果。然而，建筑施工周期较长，大量的开发商和施工单 位对建筑节能重要性的认识不到位，以及不诚信导致的偷工减料现 象，致使建筑完工之后的实际节能水平低下。因此，如何测试建筑的 实际节能效果成为建筑节能降耗工作一个亟待解决的问题。 目前用于建筑节能的材料品种繁多，但能否达到国家建筑节能设 计标准，结果不得而知。即使设计方案符合标准，但施工不当同样不 能达到实际的节能效果。因此，节能建筑的评价，建筑完工之后使用 全国统一的仪器且按照统一的流程到现场实地测试已是大势所趋。目 前，全国建筑节能测试执行j g j l32 2 010 采暖居住建筑节能效率测 试标准，这是目前最权威的检测方法。标准的实施实现了节能水平 的评价从定性到定量的飞跃，使节能检测工作进入到了一个新的阶 段。然而标准中的部分环节过于繁琐，所用仪器未能普及，因此这项 工作的实际效果大打折扣。 要评价建筑的节能效果，最主要就是要掌握建筑的实际热流损失 情况。进行现场热流损失检测，就必须有合适的检测方法和具有对微 小热流测量非常灵敏和使用方便的仪器或装置。长期以来，科技工作 者在涉及到保温材料的性能时，往往单纯地根据材料的导热系数来判 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 断。随着现代科学技术的发展，人们更多地认识到，简单的按照导热 系数作为唯一的标准来评价是远远不够的，因此，热流损失检测理论 和技术引起了越来越多的关注，热流传感器和测量仪的研制工作也越 来越被重视。 除了建筑节能降耗评价工作之外，热流测量仪在其它很多领域中 也有着广泛的应用。 工业中的能源利用效率是节能降耗工作的一项重要内容【4j 。热流 测量仪可用于测量热工设备的表面热损失量，测量结果可为科技工作 者提供准确的数据指导，以改善工业设备结构，减少热能损耗。 在农业生产中，热流测量仪可以用来测量土壤的散热情况，以确 定土壤的温度和湿度，为农业种植提供科学的参考【5 】。其次，农作物 存储过程，通过测量仓库与外界的热交换，可以科学地调节储存环境 的各种参数。 随着供热到户热流表的兴起，可以使用热流测量仪对每家每户的 实际用暖值进行准确测量，按照实际采暖量收取采暖费，将使得这项 工作向着更合理的方向发展”，6 | 。 另外，热流测量仪也能应用于医疗、航天、消防与火灾控制等等 诸多的领域，因此有着广阔的发展前景。因此，热流测量仪的研究是 一项非常有意义的工作。 目前主流的热流测量仪，根据其结构的不同，大致可分为金属片 型、薄膜型、薄板型、热电堆型四种类型【7j 。热电堆型热流传感器自 发产生热电势，由多对热电偶串联，灵敏度较高，可以用于较小的热 流密度的测量，属于热阻式。根据安装方式的不同，热流测量仪有埋 入式、辅壁式和辐射式三种形式”】。辅壁式热流测量仪，是将热流传 感器粘贴于被测面表面来进行热流密度的测量。这种方法在测量时不 会损坏被测对象，而且使用起来较为方便，因此目前检测中大都采用 这种测量方式。 目前热流测量仪多数都是基于稳态传热的原理测量稳定的热流， 且最为广泛的测量方式是辅壁式。本文便是基于热电堆原理研制一种 制作简单、操作方便的平板式热流测量仪，以满足建筑节能实际检测 的需要。 本课题由彭同江教授国家支撑计划项目“高性能节能矿物材料关 键制备技术研究”( 编号：2 0 0 8 b a e 6 0 b0 7 ) 提供支持。通过微量热流 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 传感器的设计，使得热流很小时仍能输出较大的热电势，通过对信号 的精确测量，提高热流测量的精度，使得对微小热流的准确测量成为 可能。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 热流测量仪的研制 最早的热流测量仪由慕尼黑的h e n k y 发明。 1914 年，为了测量 啤酒厂通过车间地板的热流密度，他在车间地板上铺设10 c m 厚的软 木地板，通过测量软木板上下表面之间温度差和软木板的导热系数来 计算热量密度，这是现在的热阻式热流测量仪的雏形。日本的拔山四 郎也曾用类似的方法来测量墙壁的热通量。 19 2 4 年，s c h m i d t 设计制作了一种由缠绕在橡胶带上的热电堆组 成热流传感器，这种传感器最大的特点就是可以弯陆，可以用来测量 管道的热损失情况。这种传感器厚为2 c m 、宽为6 c m 、长度为6 0 c m 。 在长度方向大约缠绕了串联起来的10 0 级热电偶，这样使得热电势放 大了接近10 0 倍。一般认为，这是第一台实用的热流测量仪。s c h m i d t 研制的热电堆型热流传感器中的热电堆是由焊接的方式制作的，它的 不足之处在于工艺比较复杂。 随着人们对热流测量仪的精度越来越高的需求，19 50 前后，多 位学者开始尝试采用半导体材料来制作热流传感器，这类传感器具有 更高的测量分辨力和灵敏度，但由于半导体材料加工比较困难、技术 要求高及研究费用较高的限制，发展较为缓慢。 19 8 2 年，k l e m s 等学者试图使用相同的热敏电阻布置在塑料板两 侧，用平衡电桥测量电阻变化，由此计算出热流所导致的温差，这样 可以确定的热流密度的大小，取得成功pj 。 2 0 世纪6 0 代起，基于金属薄膜响应时间特别短的特点，薄膜型 的热流传感器日益受到科学家们的重视【1 0 】。 19 8 3 年d o r t h 等人采用 薄膜技术，制造出一款热流测量仪，他们在几何尺寸为15 m m 30 m m 的热流测量传感器上布置了50 0 级热电偶，使得热流放大倍数较高， 大大提高了低于5 0 0 以下环境，2 0 0 k w m 2 以下热流密度时的热流 密度测量精度。19 8 6 年，h a y a s h i 等使用金属真空蒸发技术制造出薄 膜热流传感器，它的结构和一般的薄膜型热流传感器相似，所不同的 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 是，他们使用硅氧化物作为电阻层，并在两个表面涂有氧化硅薄膜， 然后在氧化硅表面镀镍薄膜作为热阻，通过电桥连接来测量热电堆的 输出热电势，从而计算出通过热流测量仪的热流。19 89 年，h a g e r 等人制作出更薄的热流传感器，他们采用薄膜磁控溅射技术在只有 1g m 的氧化硅基体上制备出了微型传感器。由于这种热流传感器尺寸 不足21 tm ，因此响应时间不到2 0 i t s 。他们的研究工作对热流传感器 的小型化提供了指导。 国内的热流测量仪器的开发起步较晚，但也在近年来取得了很大 进展。据文献记载，2 0 世纪7 0 年代末，中国建筑科学研究院、中国 医学科学院劳动卫生研究所，武汉建筑材料科学研究院、西安建筑科 技大学、重庆大学建筑物理实验室等单位先后研制了性能较好的热流 测量仪，在实验室和现场的使用情况表明，这些测量仪能基本满足一 般场合的需要。 l9 85 年，北京航空航天大学曹玉璋、麻省理工学院的e p s t e i n 共 同研制了双模热流测量仪，主要应用于涡轮的热流测量。但这款测量 仪需要一个稳定的电源电压，并由表面温度随着时间的推移产生的变 化，计算的通过传感器的热流密度，操作过程比较繁琐，使得这款仪 器在实际工程实践中的应用受到了限制【l 。 19 9 6 年，湖南大学的张国强开发出建筑用动态热流测量仪，其 结构是由稳态热流量测量仪的两块基板复合而成【1 2 。他还设计和制 造了热流传感器的标定装置，并作了系统的理论研究，证明了动态热 流传感器和制备方法及其标定方法的可行性。 19 9 8 年，北京科技大学的付军隆进行了瞬态热流测量仪的探索， 取得了一定成效，不足是其研究工作是通过预测稳定热流密度大小， 以达到减少测量时间，确定瞬态热流密度，这并未从根本上解决实际 应用当中热流稳定时间长、响应速度慢等难点。 19 9 8 年，北京大学的李超【4 】总结了国内外基于薄膜技术的传感 器制备技术，并用此技术制备了热阻式微型薄膜瞬态热流传感器。这 款热流传感器的响应时间和传感器尺寸与国内产品相比有着相当大 的优势，可以满足狭小空间瞬态热流密度的测量需求。 2 0 0 3 年，武汉大学的张恒等制作了一种可以增减热电偶数目， 可以调节时间常数的环状热电堆传感器【l3 1 。该热电堆一共由8 0 0 对 镍铬康铜热电偶串联而成，具体由16 个单元串联组成，每个单元有 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 50 级镍铬康铜热电偶。该传感器由通过调节单元数来调节实际热电 堆级数，通过铜丝替换部分热电偶来调节时间常数，这样可以根据实 际情况来选择合适的热电堆级数和时间常数。 2 0 0 6 年，重庆大学的廖亚非基于金属的热电效应，提出了用三 维平面布线的方式代替线圈来制作热电堆 10 1 ，以确保每个传感器的 电阻，电容，电感等参数的一致性，由此减小传感器标定的成本，甚 至无需标定。但他并未从实验上予以证实，另外从其实验过程来看， 实验操作特别是电镀位置的定位难度比较大。 2 010 年，中国电子科技集团公司的李日东、皮桂英等基于金属 的贝塞克效应，设计了一种高量程的热流传感器，通过机器加工、焊 接及涂敷工作，制作出了热流传感器。该传感器的热流密度测量范围 达到o 30 0 0k w m 2 。 1 2 2 热流测量仪的应用 目前，热流测量仪最主要的应用是在稳定状态下测量建筑用保温 节能材料以及建筑围护结构的热工性能【l4 。具体被测对象的特性有 什么不同，利用哪种类型的测量仪，用什么样的方法进行现场测量， 主要由哪些参数来评定热工性能，实际测量时诸多的具体因素对测量 结果的影响等，是目前科技工作者研究的主要内容。 建筑用保温节能材料受施工方法和外界环境的影响，在用到建筑 上之后，热工参数会发生变化，因此研制保温材料时实验室测试的数 据并能完全适用于工程实际，因此，对建筑保温材料和建筑围护结构 进行热工性能，必须要进行现场检测才具有实际意义【l5 1 。 2 0 世纪9 0 年代，美国出台了检测建筑围护结构的热阻热箱法国 家标准【1 6 】。进入21 世纪以来，众多的国外学者对使用热流测量仪评 价建筑材料的热工性能的具体检测方法进行了研究。法国的 b o u g u e r r a 等用瞬态热源法对多孔建筑材料的导热系数、热扩散系数 和热容进行了现场测试。澳大利亚的l e n z e n 等采用长时间跟踪测试 的方法，在一年的时间内，对真空玻璃的热工性能进行了现场测试， 并对其保温效果进行了评价。日本的h a g i s h i m a 等现场测试了建筑围 护结构的对流换热系数，提出了建筑物外表面对流换热系数和风速的 关系式。希腊的l e f i a c f i o t i s 等采用外箱内套一个小热箱的做法，以 减少外箱温度波动对测量结果的影响，这种方法能够动态测试建筑材 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 料的导热系数、传热系数、热容等热物性【l7 | 。 随着国内近10 年来节能建筑的快速增加，更多的国内科技工作 者也投入到现场检测方法的研究工作中。 2 0 0 0 年，费慧慧等研究了我国北方采暖建筑热流现场检测的直 接法和间接法【l 引，直接法是直接测量入户管道热水的流量和温度， 根据被测采暖建筑的面积室内外温差和测得的消耗总热量计算建筑 物的单位耗热量。而间接法是测量建筑围护结构的传热系数和房间气 密性，再根据j g j 2 6 19 9 5 民用建筑节能设计标准计算标准规定 温差条件下建筑物的单位耗热量。 2 0 0 3 年，东南大学杨鼎宜等用冷热箱法测定了稳定传热状态下 混凝土空心砌块砌体的保温隔热性能翻，吉林省建筑材料工业设计研 究院陈宇腾研究了建筑材料热工性能的实验室检测方法。 2 0 0 4 年，甘肃省建材科研设计院田斌守【3j 等研究了热流测量仪 法在建筑围护结构传热系数测试中的应用，总结了热流测量仪法现场 检测中应注意的几个问题。 2 0 0 5 年，山东建筑工程学院潘雷等用数值模拟的方法归纳出适 用不同保温形式围护结构的修正系数。王小军等对防护热箱法在建筑 外墙传热系数检测中的应用进行了研究。同济大学黄峥等提出采用非 稳态测试方法中的常功率平面热源法进行建筑围护结构传热系数的 检测，对实际传热过程进行了三维非稳态仿真，并且将神经网络方法 引入墙体材料热工性能参数的辨识【l 引。 测量材料的导热系数是热流测量仪的另外一项重要功能。相反， 对材料导热系数测试的研究也会促进热流测量仪的性能的提高。传统 的导热系数测试方法为稳态法，对环境要求高，测试成本高。固体材 料的导热系数、热扩散系数、比热和密度等热物理性质，随着材料的 结构、密度、多孔性、导电性、含湿率的不同而变化。较为先进的测 量技术是瞬态法测量【20 1 ，根据模型的不同，瞬态法测量又分为平面 热源法、热线法、热波法，热栅法等多种测量方法。而平面热源法也 有脉冲法、恒流法之分。 2 0 0 3 年以来，西南科技大学陈昭栋【6 儿2o 】研制并不断更新s h t - 2 0 型材料热物性瞬态自动测量仪，采用瞬态法测量材料的热扩散系数、 热导率、比热及密度等热物理性质。该仪器将a d 转换技术、数值 计算技术、计算机技术和非稳态测量技术等高新技术，运用于材料的 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 热物性测量中，实现了热物性测量的自动化。并且运行成本不到稳态 测量的十分之一，测量时间不超过十分钟，缺点是仍然摆脱不了制样 的繁琐过程。 1 2 3 存在的问题 通过以上国内外关于热流传感器和热流测量仪的相关研究，我们 认为目前研究工作主要存在的不足有： ( 1 ) 热电势机理方面：分辨力和准确度是传感器性能的主要体现， 提高性能的根本就是如何在一定的热流密度条件下，尽量提高输出热 电势，而目前的研究工作未能完全探明热电势形成的物理机制和热电 势高低的影响因素，使得研究工作无法找到明确的方向。 ( 2 ) 研制工作的侧重点：传感器最重要的问题是分辨力和准确度 要高，能满足大多数应用场合的需要，而目前的研究多集中在传感器 的形式如何适应特种场合的需要，在研究如何提高精度方面的力度有 所欠缺。 ( 3 ) 关键制备技术方面：目前的研究对热流传感器热电材料的选 择和搭配、热电堆的电镀工艺、传感器的标定方式、封装方式等优化 方案尚未探明。 ( 4 ) 测量仪综合性能方面：目前国内对热流测量仪的需求最主要 是能源、建筑维护结构节能检测方面，这些场合对仪器的要求是价格 低廉，但能达到一定的测量分辨力和准确度。目前精度较高的仪器是 采用半导体镀膜刻蚀技术生产热电堆，成本过高，多用于科研单位， 而低廉的热流测量仪多采用热电偶或级数较低的热电堆作传感器，分 辨力和精度均达不到准确检测的要求【2 。 1 3 主要研究内容及成果 1 3 。1 研究内容 本论文主要进行热电堆型热流测量仪的研制工作，主要应用于能 源和建筑热工现场检测，为建筑节能的量化提供科学的依据，以满足 节能降耗检测领域对于建材与管路隔热保温节能效果的准确检测与 评价的需要。 ( 1 ) 理论分析，通过对热流测量仪热流测量原理的研究，得到热 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 流测量仪传感器系数的定义公式，并探讨热电堆电镀层对热流传感器 性能的影响； ( 2 ) 基于一维平面传热原理，通过实验寻找热电势高的廉金属丝 作热电极材料；重点研究多级热电堆热流传感器的制作方案，利用提 高匝数、提高电镀技术、改善布线及封装方式等，提高热流传感器的 分辨力及精度； ( 3 ) 对热流测量仪的标定进行研究，采用双热流计式平板导热仪 作为标准热流发生器，对所研制的热流测量仪进行标定。 ( 4 ) 设计微小热电势放大电路系统，在放大信号的同时避免失真， 选择高精度的电位差计对输出的热电势进行测量以获得尽量可靠的 温差测量结果； ( 5 ) 开发一套与测量部分相匹配的功能齐全的数据采集、记录和 分析软件系统，撰写使用指导书，形成一套完整的热流测试装置样品， 为节能降耗检测领域提供一套经济、可靠、高精度的节能检测装置与 评价系统。 ( 6 ) 研究分析热流传感器粘贴到被测物表面以后对被测表面热流 场的影响，在此基础上讨论热流传感器在进行现场热工检测时可能产 生的误差以及减小误差的主要方法。 1 3 2 研究成果 通过以上研究工作，本论文取得以下主要研究成果： ( 1 ) 通过对热电偶及热电堆的工作原理的研究，设计了一种多级 热电堆型热流传感器，总结出以下设计原则：选择热电势高的廉金属 作为热电偶的热电材料，为制备热电堆方便，需选择方便电镀的金属； 选择热阻大的材料作为基板材料，厚度需适中；为增加热电堆热流传 感器的灵敏度，需在有效的传感器面积内尽量增加热电堆级数；电镀 层的厚度太大太小都不好，需通过实验中寻找最优化条件。 ( 2 ) 通过在多级热电堆型热流传感器的制备实验中的不断摸索和 改进，获得以下结论：铜、康铜配对组成热电偶是热电材料较好的选 择，酚醛树脂层压板是热电堆基板的理想材料；先用雕刻机加工刻槽， 再手工绕制0 1m m 康铜丝，制作出来的康铜线圈能很好满足电镀铜 实验制备热电堆的要求；在康铜丝上电镀铜这种制备热电堆的方法适 合用来制作级数特别高的热电堆；使用h y 8 0 0 6 型传感器封装a b 胶， 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 在6 0 的环境中进行固化封装，是热流传感器封装的最优化条件。 ( 3 ) 根据单因素实验，综合热电势和表面形态等因素，得出硫酸 铜酸性镀铜法制备热电堆的最佳工艺条件：电镀时间2 0m i n 、硫酸 铜浓度2 50g l 、硫酸浓度6 0g l 、镀液温度36 、电流密度10a d m 2 ； 对于制备热电堆而言，镀层呈淡红色、晶粒均匀、厚度为2 1 5g m 左 右、附着力强时，输出热电势最高。 ( 4 ) 经中国测试技术研究院鉴定，该热流传感器测量分辨力为 o 05w m 2 ，测量范围为o 0 5 9 9 9 9 0 0w m 2 ，传感器系数为4 8 4 4 w ( m 2 m v ) ，相对测量准确度为1 o ，性能由于能源和建筑行业主流 热流测量仪。 ( 5 ) 经过硬件的组装和软件的编制，形成了一套完整的热流测量 仪，并用此仪器在评价保温材料节能效果，室内散热测试等场合试用 成功。 1 4 主要创新点 整篇论文紧紧围绕如何提高热流传感器测量精度展开，寻求最合 适的热电极材料、基底材料、寻求合理的形式以增加热电堆总匝数， 设计良好的电压放大电路对输出热电势进行放大，选购精度高的数字 式电位差计测量输出热电势，最终使得设计出的热流测量仪高于目前 主流热流测量仪的精度水平。其中最主要的创新之处体现在： ( 1 ) 采用多条个热电堆再次串联的方法以增加热电堆总匝数：一 片基底由于传感器尺寸以及热电材料直径的限制，能够绕制的匝数不 能太多，采用多个热电堆再次串联的方法可以大幅度的提高绕制匝 数，并且能够巧妙的使传感器为方形，减少热流畸变。 ( 2 ) 选择最合适的热电极材料和基底材料：0 1m m 裸康铜丝极 细，适合制作级数较高的热电偶，不会短路，且适合绕线和电镀，酚 醛树脂层压板强度高，加工性能好，热阻高，适合做基底材料。 ( 3 ) 在康铜丝表面镀铜制备热电堆的过程中，创新性的详细研究 了硫酸铜浓度、硫酸浓度等诸多条件对热电堆输出热电势的影响，有 效地提高了电镀式热电堆的热电性能。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 1 5 主要工作量 实验前查阅相关资料约6 个月时间，在实验室开展实验研究约 l8 个月时间，主要工作量如表1 1 。 表卜1实验主要工作量 t a bie1 1t h em ain e x per i1 1 1 n t aiw orka 1 1 dt e s ts 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 多级热电堆型热流传感器的设计与制备 2 1 引言 热电堆型热流测量仪是目前应用最普遍的热流测量仪。其核心部 件热流传感器从根本上决定了热流测量仪的性能。获得良好性能的热 电堆型热流传感器必须依赖于合理的传感器形式、选材以及制备方 法。 本章的主要研究内容为：( 1 ) 设计一种能大幅增加热电势的热流 传感器的形式；( 2 ) 研究不同阳极和阴极热电极材料配对产生的热电 势，对比不同材料作为基板材料的优劣；( 3 ) 试验了不同的热流传感 器线圈的制作方式，对比其优劣；( 4 ) 用硫酸铜酸性镀铜法制备铜一 康铜热电堆样品；( 5 ) 研究热流传感器的布线及封装方式。 通过本章的研究，确定热流传感器的形式，选定一种热电势较高 的易于电镀的金属作为热电极材料，选定一种热阻高、易于加工的绝 缘板材作为基板材料，探明较为合理的热流传感器线圈的制作方式， 探明较为合理的热电堆型热流传感器的布线及封装方式。 2 2 传感器的设计 2 2 1 热电堆的工作原理 18 21 年，德国爱沙尼亚物理学家汤玛斯塞贝克发现任何导体被 施加热梯度时都会产生电压【22 1 。现在这种现象被称为热电效应或塞 贝克效应。科学家们利用塞贝克效应制作了热电偶。热电偶的优点是 接点体积非常小，因而热容也小，所以对温度变化反应也快，常用来 测量快速的温度变化或薄膜等小样品的温度。也因此，至今仍在测温 领域里得到广泛的应用。但是，它的测温精度还不够高川。 为了提高灵敏度和测量精度，可采用热电偶串联电路，由多支同 型号热电偶组合而衍生成的热电堆。 热电堆是一个将热能转变成电能的电子装置。通常是将热电偶进 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 2 页 行串联，有时候是并联。热电堆并不能测量绝对温度，不过可以输出 一个与温度微差或温度梯度成比例的电压【2 引。 对同样的温差而言，热电堆的输出热电势比单个温差热电偶产生 的要放大得多，用热电堆制成的温差电堆温度计的灵敏度也高。如图 2 1 所示，n 级相同型号的热电偶依次串联，线路的总电势为怛5 j ： e g = e l + e 2 + + e 。= n e ( 2 1 ) 式中e ，、e ，、e 。为单个热电偶的热电势。 rrr rr 图2 1 热电堆结构示意图 fig 2 1t herm o p ies tru c t uredif l gra m 热电偶的绝对误差分别为e 。、e ：e 。，根据误差传递理论， 则整