瞬态平面热源法热常数分析仪的研制

摘要

热常数（如导热系数、热扩散系数等），特别是导热系数是评估材料绝热和导热性能重要热物性参数，关系到材料在很多领域内的应用。它的测量理论及测试技术已成为各国研究的热点课题。平面热源（Transient Plane Source）法是一种既可以测量导热系数、也可以测量热扩散系数的瞬态热常数测量方法，具有测试迅速、测量范围宽、适用材料种类多等优点。目前，国内尚未研制出利用瞬态平面热源法测量导热系数和热扩散系数的产品。因此，研制瞬态平面热源法热常数分析仪有重大意义。
　　本课题旨在研制一台可同时测量导热系数和热扩散系数的高精度瞬态平面热源法热常数分析仪。论文在“分析Hot disk探头温升理论模型”的基础上，提出了一种基于幂函数的新模型；设计了算法拟合，并详细分析了新模型的系统误差。通过实验证明，仪器的测量准确度和重复性均达到设计要求。
　　本文完成的主要工作有：
　　1、介绍了热量传递和热物性的基本知识以及导热系数的主要测量方法，阐述了国内外瞬态平面热源法热常数分析仪的发展状况及应用；叙述了瞬态平面热源法的理论分析，Hot disk探头温升模型的推导和修正。
　　2、进行了总体硬件设计，主要包括Hot disk探头的设计加工、直流稳压源控制电路的设计。
　　3、利用幂函数对复杂的无量纲时间函数进行拟合，提出一种基于幂函数的新模型，并详细分析了新模型的系统误差。
　　4、设计了软件程序，编写了仪器的主程序和子程序，并进行了调试。
　　5、对仪器进行了系统的标定，包括探头电阻温度系数标定及标准电阻的标定。
　　6、使用研制出的新仪器对不同标准样品进行了多组导热系数和热扩散系数的测量，并对数据结果进行了分析总结。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2导热系数的主要测量方法

1.3瞬态平面热源法热常数分析仪发展现状及应用

1.4本课题研究的目标、内容及意义

第二章 瞬态平面热源法热常数分析仪的原理分析

2.1测量原理及模型简化

2.2理论模型推导建立

2.3修正模型建立

第三章 仪器硬件系统设计

3.1总体方案设计

3.2探头的设计

3.3标准电阻的选取

3.4直流可调稳压电路设计

第四章 基于幂函数的近似模型

4.1 D(τ)函数的介绍

4.2求解软件的选取

4.3基于Mathematica的D(τ)函数曲线

4.4基于Mathematica的D(τ)函数采样

4.5基于幂函数的D(τ)曲线拟合

4.6误差分析

第五章 软件设计

5.1软件开发平台

5.2主程序流程与人机界面

5.3单片机的控制及通信程序

5.4热扩散系数迭代子程序

第六章 仪器的标定和实验

6.1仪器标定

6.2导热系数测量实验

第七章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢