一种稳态法测量不良导体导热系数实验装置

1.一种稳态法测量不良导体导热系数实验装置，其特征在于，包括：装置主机、不良导体样品盘(3)、温度传感器和计算机；装置主机与计算机连接，不良导体样品盘(3)设置在装置主机上，温度传感器嵌在装置主机内；
所述装置主机包括：加热装置(1)、加热铜盘(2)、散热铜盘(4)、散热风扇(5)和底座(16)；散热风扇(5)设置在底座(16)上，散热铜盘(4)设置在散热风扇(5)上方，加热铜盘(2)设置在散热铜盘(4)上方，不良导体样品盘(3)夹在和散热铜盘(4)之间，不良导体样品盘(3)上表面接触加热铜盘(2)，下表面接触散热铜盘(4)，加热装置(1)设置在加热铜盘(2)上端，且加热装置(1)与加热铜盘(2)表面接触，加热装置(1)和散热风扇(5)连接电源，加热铜盘(2)和散热铜盘(4)分别在侧壁开设用于内嵌温度传感器的第一温度传感器插入孔(6)和第二温度传感器插入孔(7)，温度传感器通过底座(16)体侧的第一温度传感器接口(8)和第二温度传感器接口(9)与控制主板电连接，且加热铜盘(2)、不良导体样品盘(3)和散热铜盘(4)均为圆盘。
2.根据权利要求1所述的一种稳态法测量不良导体导热系数实验装置，其特征在于，所述底座(16)上端面一侧设置有温度加按钮(10)、温度减按钮(11)、加热按钮(12)和复位按钮(13)，另一侧设置液晶显示屏(14)，温度加按钮(10)、温度减按钮(11)、加热按钮(12)、复位按钮(13)及液晶显示屏(14)与控制主板电连接。
3.根据权利要求1所述的一种稳态法测量不良导体导热系数实验装置，其特征在于，所述加热装置(1)通过固态继电器与电源连接。
4.根据权利要求1所述的一种稳态法测量不良导体导热系数实验装置，其特征在于，所述散热风扇(5)通过电磁继电器与电源连接。
5.根据权利要求1所述的一种稳态法测量不良导体导热系数实验装置，其特征在于，所述加热装置(1)采用电阻式加热器。
6.根据权利要求1所述的一种稳态法测量不良导体导热系数实验装置，其特征在于，所述温度传感器为数字温度传感器。

一种稳态法测量不良导体导热系数实验装置\n技术领域\n[0001] 本实用新型属于导热性能检测技术领域，具体涉及一种稳态法测量不良导体导热系数实验装置。\n背景技术\n[0002] 导热系数是表征材料性能的重要参数，在各个领域均有应用。材料的导热系数与材料的成分和结构有关，较难使用理论公式进行计算，因此一般采用实验的方法进行测量。\n稳态法测定不良导体导热系数是各大专院校物理实验教学的常见实验，可以提高学生对热力学知识的掌握和培养学生的实验技术水平。\n[0003] 使用现有装置进行实验整个实验过程连贯性不强，同时在实验过程中需要使用秒表人工手动计时纪录实验数据，误差大且费时。同时装置加热慢、智能化程度低、操作繁琐。\n因此可以针对如上痛点进行智能化改进，使装置更符合目前物理实验教学需求。\n实用新型内容\n[0004] 为了克服上述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种稳态法测量不良导体导热系数实验装置，以解决现有技术中实验过程误差大且费时，同时装置加热效率低且不精确的问题。\n[0005] 为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：\n[0006] 本实用新型公开的一种稳态法测量不良导体导热系数实验装置，包括：装置主机、不良导体样品盘、温度传感器和计算机；装置主机与计算机连接，不良导体样品盘设置在装置主机上，温度传感器嵌在装置主机内；\n[0007] 所述装置主机包括：加热装置、加热铜盘、散热铜盘、散热风扇和底座；散热风扇设置在底座上，散热铜盘设置在散热风扇上方，加热铜盘设置在散热铜盘上方，不良导体样品盘夹在和散热铜盘之间，不良导体样品盘上表面接触加热铜盘，下表面接触散热铜盘，加热装置设置在加热铜盘上端，且加热装置与加热铜盘表面接触，加热装置和散热风扇连接电源，加热铜盘和散热铜盘分别在侧壁开设用于内嵌温度传感器的第一温度传感器插入孔和第二温度传感器插入孔，温度传感器通过底座体侧的第一温度传感器接口和第二温度传感器接口与控制主板电连接。\n[0008] 优选地，所述底座上端面一侧设置有温度加按钮、温度减按钮、加热按钮和复位按钮，另一侧设置液晶显示屏，温度加按钮、温度减按钮、加热按钮、复位按钮及液晶显示屏与控制主板电连接。\n[0009] 优选地，所述加热装置通过固态继电器与电源连接。\n[0010] 优选地，所述散热风扇通过电磁继电器与电源连接。\n[0011] 优选地，所述无线接收器上设置有USB接口。\n[0012] 优选地，所述温度传感器为数字温度传感器。\n[0013] 优选地，加热铜盘、不良导体样品盘和散热铜盘均为圆盘。\n[0014] 与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：\n[0015] 本实用新型公开的一种稳态法测量不良导体导热系数实验装置，使用无线接收器与计算机连接，接收、处理和存储温度采集控制主板发送的温度数据，可以更好的节省空间，为实验操作提供方便；装置主机中散热风扇向散热铜盘下表面送风，使其表面热量均匀，加热铜盘与散热铜盘紧贴不良导体样品盘设置，且加热铜盘与散热铜盘内设置温度传感器，温度传感器将加热铜盘和散热铜盘内温度传输给控制主板，使得在温度控制方面，采用分段加热，在温度距离目标温度较远时以较高功率加热，在接近目标温度后再启动计算机调整加热装置，实现了加热过程的高效与精确。在加热过程中，当加热铜盘温度超过88摄氏度时，温度传感器将温度信号传输给控制主板，控制主板使装置自动停止加热进入散热状态，并提醒使用者，避免温度过高导致装置损坏和其它意外发生。同时根据实验流程自动启动散热风扇，降低操作难度。同时配合计算机，装置可以自动记录降温时的温度数据并进行数据处理和图像绘制，自动记录温度数据，使实验装置更加智能化，简化了实验流程和操作难度。\n[0016] 进一步地，温度加按钮、温度减按钮、加热按钮、复位按钮和液晶显示器与控制主板电连接，实现温度设定、重启、设备运行模式以及温度显示的功能。\n[0017] 进一步地，加热装置通过固态继电器与电源连接连接，控制主板通过控制固态继电器的开合来控制加热装置的功率。\n[0018] 进一步地，散热风扇通过电磁继电器与电源连接，控制主板通过控制电磁继电器的开合控制散热风扇的启动与关闭。\n[0019] 进一步地，加热装置采用电阻式加热器，可精确控制加热温度，加热均匀，热效率高。\n[0020] 进一步地，无线接收器上设置有USB接口，无线接收器通过USB接口与计算机连接，使用配套的计算机软件用以接收、处理和储存温度数据。\n[0021] 进一步地，所述温度传感器为数字温度传感器，组成温控系统简单且费用低。\n[0022] 进一步地，加热铜盘、不良导体样品盘和散热铜盘均为圆盘，加散热均匀，有利于实验的进行。\n附图说明\n[0023] 图1为本实用新型的装置主机主视图；\n[0024] 图2为本实用新型的装置主机控制面板图；\n[0025] 图3为本实用新型的无线接收器图；\n[0026] 图4为本实用新型的整体装置图；\n[0027] 图5为本实用新型的装置主机操作流程图。\n[0028] 其中：1‑加热装置；2‑加热铜盘；3‑不良导体样品盘；4‑散热铜盘；5‑散热风扇；6‑第一温度传感器插入孔；7‑第二温度传感器插入孔；8‑第一温度传感器接口；9‑第二温度传感器接口；10‑温度加按钮；11‑温度减按钮；12‑加热按钮；13‑ 复位按钮；14‑液晶显示屏；\n15‑USB接口；16‑底座。\n具体实施方式\n[0029] 为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。\n[0030] 需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。\n[0031] 下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：\n[0032] 参见图1～4，不良导体样品盘3的上表面与加热铜盘2的下表面接触，不良导体样品盘3的下表面与散热铜盘4的上表面接触，加热装置1与加热铜盘2上表面接触。散热风扇5向散热铜盘4下表面送风，在加热铜盘2侧边镗孔，形成用以插入第一温度传感器的第一温度传感器插入孔6，在散热铜盘4相应位置也镗孔，形成用以插入第二温度传感器的第二温度传感器插入孔7，将第一温度传感器插入加热铜盘2的孔中并将其连接到相应的第一温度传感器接口8，第二温度传感器插入散热铜盘的孔中并将其连接到相应的第二温度传感器接口9，使两温度传感器与控制主板连接，其中第一温度传感器获取的温度记为T1，第二温度传感器获取的温度记为T2，在本例中使用的是Dallas公司生产的DS18B20数字温度传感器。加热装置1通过固态继电器与电源连接，控制主板通过控制固态继电器的开合来控制加热装置的功率，散热风扇5通过电磁继电器与电源连接，控制主板通过控制电磁继电器的开合控制散热风扇的启动与关闭；温度加按钮10、温度减按钮11、加热按钮12、复位按钮13和液晶显示器14与控制主板电连接，实现温度设定、重启、设备运行模式以及温度显示的功能。无线接收器上设置有 USB接口15，将无线接收器与计算机连接，使用配套计算机软件与装置主机进行通讯、接收、处理和存储数据。\n[0033] 进一步地，控制主板主要由单片机、无线发射模块及外围电路组成，其中单片机芯片为STC公司生产的8051增强型芯片。\n[0034] 进一步地，加热装置1采用电阻式加热器。\n[0035] 进一步地，数字温度传感器还可选用模拟温度传感器、NTC温度传感器/热敏电阻或热电偶，其具体性能如表1所示。\n[0036] 参见图5，为本实用新型的装置主机操作流程图，实验装置开机，液晶显示屏14上显示加热铜盘2和散热铜盘4的实时温度，点击加热按钮12，进入温度设置界面，通过温度加按钮10、温度减按钮11和复位按钮13调节所需温度，点击加热按钮12，即可进入加热模式，加热至所需温度后，点击加热按钮12，即可进入散热模式。\n[0037] 进一步地，本实用新型在温度控制方面，使用了分段加热的设计。在温度距离目标温度较远时以较高功率加热，在接近目标温度后再启动PID算法调整加热装置，实现了加热过程的高效与精确。数据显示更充分，相较于其它装置。本实用新型使用了液晶显示器，可以在一块显示屏上展示加热铜盘、散热铜盘和设定的目标温度，更方便使用者获取装置当前数据。本实用新型更智能化和安全，在加热过程中，当加热铜盘温度超过88摄氏度时，装置会自动停止加热进入散热状态，并在显示屏上提醒使用者，避免温度过高导致装置损坏和其它意外发生。同时装置会根据实验流程自动启动散热风扇，降低操作难度。同时配合计算机软件，装置可以自动记录降温时的温度数据并进行数据处理和图像绘制。装置使用了无线数据收发模块，可以更方便的与电脑进行通讯，没有布线方面的问题。\n[0038] 使用本实用新型提供的实施例进行实验，在完成装置组装与连接后，将测得的不良导体样品盘3的几何尺寸与散热铜盘4的质量和几何尺寸输入计算机软件中。通过装置主机的温度加按钮10、温度减按钮11、加热按钮12、复位按钮13 与液晶显示器14设置加热铜盘2目标温度T1后装置会自动进行加热同时启动散热风扇5进行散热使不良导体样品盘3与散热铜盘4内部的温度分布更均匀。待加热铜盘2与散热铜盘4温度稳定后，移去不良导体样品盘3，使加热铜盘2与散热铜盘4直接接触。待散热铜盘4温度上升到高于稳定温度4～6度时移去加热铜盘2，并按下加热按钮12，使装置停止加热进入降温模式。同时使用计算机软件记录降温数据。待温度数据收集完毕后，计算机软件会自动停止记录，并可自动绘制出降温曲线并根据上述公式计算出散热铜盘4的散热系数和不良导体样品盘3的导热系数，也可以通过计算机软件保存绘制的降温曲线与原始数据，以便进行进一步的分析。\n[0039] 本实用新型使用单片机对加热装置进行温度控制和温度数据进行采集；使用无线收发装置进行数据传输；使用计算机对温度数据进行处理和存储。通过上述改进减小了人为误差，提高实验精确度；同时降低了实验的操作难度、数据处理难度和实验用时。\n[0040] 综上所述，本实用新型公开了一种稳态法测量不良导体导热系数实验装置及配套计算机软件，涉及导热性能检测技术领域。装置主要包括装置主机、不良导体样品盘、温度传感器、无线接收器以及计算机；装置主机包括加热装置、加热铜盘、散热铜盘、散热风扇、底座、液晶显示器、按键、电源和控制主板；无线接收器与计算机连接，接收、处理和存储温度采集控制主板发送的温度数据。本实用新型使用单片机对加热装置进行温度控制和温度数据进行采集；使用无线收发装置进行数据传输；使用计算机对温度数据进行处理和存储。\n通过上述改进减小了人为误差，提高实验精确度；同时降低了实验的操作难度、数据处理难度和实验用时。\n[0041] 表1数字温度传感器选用型号比较\n[0042]\n[0043]\n[0044] 以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。