基于TPS技术的薄板样品导热系数测量方法的研究

摘要

导热系数作为表征物质热传递性能的重要参数在多领域具有广泛应用，目前导热系数的测量方法主要分为稳态法和瞬态法，瞬态平面热源法（Transient plane source method，简称TPS法）作为导热系数瞬态测量方法的一个重要分支具有测量时间短、精度高和范围广等优点，在实际应用中具有一定优势。基于 TPS 理论的薄板样品导热系数测量方法（简称TPS薄板法）作为TPS理论的一个重要组成部分，主要是针对导热系数大于 10 W/(m·K)的薄板样品导热系数的测量。目前国内外关于该方法的研究十分有限，虽然国内已有基于 TPS 技术的热常数分析仪上市，但大都不适用于薄板样品导热系数的测量。基于此，本文设计了基于TPS薄板法导热系数测量模块，并针对TPS薄板法的边界热损失问题建立了一种边界热损失补偿模型，显著提高了TPS薄板法的测量精度。 本论文完成的主要工作有： 1、介绍了导热系数的基本知识和主要测量方法，阐述了国内外TPS法的发展现状和存在的问题，进而引出本课题的研究目的和内容。 2、详细论述了 TPS 薄板法探头温升模型的推导过程，分析了造成 TPS 薄板法测量误差的主要来源，并从理论模型上加以修正。 3、边界热损失是TPS薄板法测量导热系数过程中的主要系统误差来源，基于此，本文在稳态传热理论的基础上推导并建立了一种边界热损失补偿模型。 4、详细讨论了TPS法导热系数测量系统的总体设计方案，并着重介绍了数字可调稳压源和基于labview的上位机软件的设计。 5、通过测量实验对TPS薄板法测量结果的重复性和相对误差进行了评价，并对TPS薄板法的测量性能进行了评估，最后对TPS薄板法边界热损失补偿模型的有效性进行了评估。 6、对本课题的工作进行了总结，对 TPS 薄板法的不足之处提出了改进意见。

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