本仪器提供了一种采用恒功率平面热源法测试热物理参数的智能化方法。该系统具有测量准确度高、自动化程度高和操作方便等特点。测试结果表明，导热系数和导温系数的测试误差均小于±4%。        
      1　：概要
      物质热物理参数是物质的宏观物理量之一，是各类科学研究和工程设计的重要基础参数。它包括导热系数、导温系数、比热、热膨胀系数和热发射率等，其中导热系数和导温系数是物质热物理参数的主要指标。
     目前，国内生产的测量固体材料的热物理参数的仪器大多使用电位差计和电流计测定加热器的热容量和热电偶电势及相关参数，人工计算导热系数和导温系数。其缺点是自动化程度低、通用性差、调节过程复杂、测试结果受人为因素影响较大。国外生产的导热系数测试仪，结构复杂、价格昂贵、不便于推广使用。因此，迫切需要研制一种自动化程度高、操作方便、实验速度快、准确度高、通用性强的测定物质热物理参数的自动化仪器。
     对物质导热系数和导温系数的测量，有许多测试方法和相应的测试仪器，本仪器《智能热物理参数测试系统》采用的测试方法——恒功率平面热源法的测试原理、测试方法的实现和测试结果。
      2：　测试原理
      　　恒功率平面热源法热物理参数测试系统的试材固定和加热部分
试材1、试材2、试材3是紧固在一起厚度不同的相同材料。其中试材1的厚度为δ，试材2的厚度为x1，试材3的厚度为δ+x1。试材1和试材2、试材2和试材3之间各放置一对热电偶，用于测定试材2上、下两个面的温升，试材2和试材3之间放置一个恒功率平面加热器。如果试材2的长和宽各为其厚度的8～10倍，加热器的功率恒定，加热器热容量为零。在这些条件下，试材2可看作无限大平壁，并且试材无内热源。接通加热器电源，加热器对称地向上、下两个面各提供热量，每侧为q0千卡/m2。在平面加热器通电瞬时，三试材的初始温度处处一致等于T，随时间τ增加，试材将升温，热流逐渐向远离加热器的两边传递，在此过程中其温度变化仅仅发生在与平面加热器垂直的方向。

 图1　试材加热和固定部分示意图
      　　在上述条件下，试材的导热系数λ、导温系数α可按下式计算［1］：
      导温系数　
      导热系数　
      式中　ξ2x1——根据已测定的量直接从表中查出
      　θ(0，τ0)——τ0时刻试材2与平面加热器接触面上的中心区温升。

      3　测试方法的实现
      　　根据测试原理，测试装置由试件及试件夹具、加热系统和单片机数据采集及处理三部分组成(图2)。

(新投产的已把单片机控制系统改为计算机或笔记本电脑控制)
      图2　热物理参照测量装置示意图
      　　试件分为三块，中间一块试件较薄，两边试件比较厚。试件和试件之间加以热电偶并用夹具固定。加热系统包括加热器和稳压电源用以产生稳定的热量。单片机系统按测试原理提供的算法进行数据处理，并将结果显示打印。
      　　恒功率平面热源法测量材料热物理参数，在方法原理和实验技术上都需要进一步探讨。要想准确测定材料的热物理参数，除了要准确测量温度和时间外，还必须满足如下的实验条件：（1）被测试样均匀各向同性且其物性为常数；（2）试样长宽各为厚度的8-10倍即试样是半无限大，而且具有均匀一致的初始温度；（3）恒功率平面热源；（4）加热器热容量为零。如果不满足上述条件，必然造成测量误差，因此必须对这些误差因素加以分析和修正并适当控制实验条件、改善实验装置才能获得较高的准确度〔2～4〕。
      3.1系统硬件设计
      　　恒功率平面热源法智能热物理参数测试系统是以8031单片机为基础的新一代测试系统，采用单片机对测量数据进行各种计算，排除或减少了由干扰信号、模拟电路和人为因素引起的误差。
      　　系统硬件由传感器、前置放大电路、通道控制电路、模数转换电路、键盘显示及控制电路、打印驱动及控制电路、单片机系统、系统监控及后备保护电路、系统及加热器供电电源、加热器、试样夹卡等部分组成。系统硬件构成如图3所示。

图3　测试系统硬件构成框图
      　　热电偶的温度-电压特性曲线成指数形式，本系统采用单片机计算法对此进行线性校正。另外，热电偶分度表是以热电偶冷端温度等于0℃制定的，如果冷端温度不等于0℃，热电势将随冷端温度变化，所以必须对热电偶测温电路进行校正。本系统采用AD590集成温度传感器对热电偶冷端进行补偿。基于热电偶连接定律和中间温度定律的热电偶冷端补偿器的硬件电路及前置放大电路原理图如图4。

 图4　热电偶冷端补偿及前置放大电路原理图
      　　模数转换电路采用ICL7135双积分A/D转换器，通过键盘对各种工作状态进行设置，并在显示器上以不同的形式显示出来，打印控制电路的主要功能是控制微型打印头的机械动作，系统监控后备保护电路是为了防止单片机系统因瞬间掉电、电网欠电压和软件“跑飞”而设计的。
      3.2　软件设计
      　　系统软件是测试系统的重要组成部分，它包括系统管理模块、数据运算、打印机管理、参数设置、数据采集滤波、热电偶热电势—温度变换、中断处理、时钟管理等模块。通过系统管理模块按一定的层次结构把它们有机地结合起来，便可完成各项功能。系统管理软件流程图如图5。

 图5　系统管理软件流程图  
      4　测试结果  
      　　使用智能热物理参数测试系统对聚氨脂泡沫的导热系数进行了测试，并与传统的测试仪器进行比较。被测材料规格为：试材1：200×200×65mm；试材2：200×200×22mm；试材3：200×200×90mm。测试结果如表1所示。实验结果表明智能测试系统对导热系数测定值再现率、均方差和相对误差优于传统的测试仪器。考虑影响测试精度因素后，导热系数测试误差小于±4%。  
      表1　聚氨脂泡沫的导热系数测试结果(W/m.℃)  
      平面热源法仪器类型  
      实验次数智能型热物理参数测试系统传统导热系数测试系统  
      1      0.027985            0.02824  
      2      0.027947            0.02737  
      3      0.027836            0.02840  
      4      0.027875            0.02861  
      5      0.027652            0.02785  
      平均值0.027859             0.02809  
      均方差1.159776×10-4       4.39299×10-4  
      相对误差3.18%             4.04%