瞬態(tài)平面熱源法熱常數(shù)分析儀的核心部件就是超薄膜式探頭,如下圖2-0所示,探頭的材料是由刻蝕后的電熱金屬鎳絲,其結(jié)構(gòu)是由多圈雙螺旋構(gòu)成,同時(shí)做為加熱和傳感器,如下圖2-1所示。探頭用聚酰亞胺薄膜封裝,一方面可以防止電熱鎳絲被腐蝕,另一方面可以防壓保護(hù)探頭不會(huì)變形。在實(shí)驗(yàn)時(shí),探頭被緊密夾在二塊被測樣品之間,測量電路是由探頭和標(biāo)準(zhǔn)電阻串聯(lián),給該電路提供恒定電壓,使探頭產(chǎn)生熱量,溫度升高引起探頭的電阻變化,根據(jù)探頭電阻的變化可以求出其近表面的溫升曲線,再依據(jù)溫升曲線對(duì)傳熱模型進(jìn)行擬合,就可求出材料的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)。探頭的溫度響應(yīng)受被測材料的熱物性影響,若被測材料的導(dǎo)熱系數(shù)比較小,隔熱效果好,熱量不易被傳走,則探頭的溫升比較高;探頭與樣品材料的熱流傳遞情況如下圖2-2所示。
圖2-0 超薄膜式探頭
*,任何導(dǎo)體的電阻在溫度改變時(shí)都是會(huì)發(fā)生變化,如金屬的電阻總是隨溫度的升高而增大,這是因?yàn)楫?dāng)溫度升高時(shí),金屬中分子熱運(yùn)動(dòng)加劇的結(jié)果。當(dāng)導(dǎo)體電阻為1Ω時(shí),溫度變化1℃,其電阻變化的數(shù)值稱為電阻溫度系數(shù)。由于可見,溫度對(duì)不同物質(zhì)的電阻值均有不同的影晌。
1、電阻溫度換算公式: R2=R1*(T+t2)/(T+t1) R2 = 0.26 x (235 +(-40))/(235 + 20)=0.1988Ω ;計(jì)算值 80 。
t1-----繞組溫度
T------電阻溫度常數(shù)(銅線取235,鋁線取225)
t2-----換算溫度(75 °C或15 °C)
R1----測量電阻值
R2----換算電阻值。
2、在溫度變化范圍不大時(shí),純金屬的電阻率隨溫度線性地增大,即ρ=ρ0(1+αt),式中ρ、ρ0分別是t℃和0℃的電阻率 ,α稱為電阻的溫度系數(shù)。多數(shù)金屬的α≈0.4%。 由于α比金屬的線膨脹顯著得多( 溫度升高 1℃ , 金屬長度只膨脹約0.001%) ,在考慮金屬電阻隨溫度變化時(shí) , 其長度 l和截面積S的變化可略,故R = R0 (1+αt),式中和分別是金屬導(dǎo)體在t℃和0℃的電阻。
3、電阻溫度系數(shù)表示電阻當(dāng)溫度改變1度時(shí),電阻值的相對(duì)變化,單位為ppm/℃。有負(fù)溫度系數(shù)、正溫度系數(shù)及在某一特定溫度下電阻只會(huì)發(fā)生突變的臨界溫度系數(shù)。當(dāng)溫度每升高1℃時(shí),導(dǎo)體電阻的增加值與原來電阻的比值,叫做電阻溫度系數(shù),它的單位是1代,其計(jì)算公式為 α=(R2-R1)/R1(t2--t1) ;式中R1--溫度為t1時(shí)的電阻值,Ω; R2--溫度為t2時(shí)的電阻值。
為了測量探頭表面的溫升曲線,基本的方案是由測試探頭內(nèi)的電熱金屬線的電阻的變化來反推出溫度變化。把測量電路簡單化,測量電路由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻R1 和探頭串聯(lián)組成,測試采集電路如下圖 2-4 所示。 儀器工作時(shí),給該測試電路加上恒定電壓 E,用高精度電壓信號(hào)采集系統(tǒng)測出標(biāo)準(zhǔn)電阻 R1 的電壓值 U1 和探頭二端的電壓 U0,根據(jù)歐姆定律可以很快算出探頭的電阻 R(t) ,也就可以得到探頭的電阻變化 ΔR 了,再根據(jù)電阻與溫升的關(guān)系可以獲得探頭表面的溫升曲線.
圖 2-4 電壓采集電路
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