CN108680286B - 一种用于高磁环境宽温区下高分辨率热流信号测量*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高磁环境宽温区下高分辨率热流信号测量***，由两路恒流源电路、热流传感器、低温漂低噪声放大器模块和信号测量电路组成，两路恒流源电路可调节带反馈，恒流源电路给热流传感器的两对对称的铂丝测温热电阻供电，通过两组铂丝测温热电阻产生的电压差计算温度差，从而产生差热信号，差热信号再通过一组低温漂低噪声放大器模块放大，最后由高精度分辨率达24位的Σ‑Δ模数转化器采集测量。本发明与现有技术相比，具有以下特点：1、热流传感器具有顺磁性，不受强磁环境影响。2：热流传感器测温范围宽。3：热流传感器产生的热流信号大、重复性好。4：热流信号的放大模块带磁屏蔽、恒温壳体，消除噪声、温漂影响。
Description
技术领域
本发明涉及热流信号测量领域，具体是一种用于高磁环境宽温区下高分辨率热流信号测量***。
背景技术
磁环境能对材料的物相形成及性能产生影响，在磁通量密度超过1个特斯拉的高磁场环境下，温度范围在100K到973K实验，对材料新现象和机理研究具有重要的科学价值。因此制造用于磁环境下宽温区范围使用的的热分析仪器测量材料的物相形成及性能非常有意义。
差示扫描量热仪的最核心技术是测量热流信号，热流信号是测量样品温度与参比物的温度差产生的。常规的热流信号是通过两支同一型号的镍铬-康铜热电偶反向连接测量，热流信号范围在-1000uV到1000uV之间，信号的分辨率要求在±0.05uV以内。高磁环境的磁通量范围是1-15特斯拉，镍铬-康铜热电偶属于铁磁性材料，在高磁环境下产生的电势会产生较大偏差，从而引起热流信号的偏差。若采用铂铑10-铂顺磁材料热电偶，可以消除磁环境的影响，但铂铑10-铂热电偶无法测量200K以下的温度。因此设计一种用于可用于磁环境宽温区下的高分辨率测量热流信号的方法成为磁环境宽温区的热分析仪器的关键。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是，提供一种能在磁环境宽温区下高分辨率测量热流信号的方法，实现热分析仪在磁环境下分析材料现象和机理。
本发明解决上述问题所采用的技术方案如下：
一种用于高磁环境宽温区下高分辨率热流信号测量***，由两路恒流源电路、热流传感器、低温漂低噪声放大器模块和信号测量电路组成，两路恒流源电路可调节带反馈，恒流源电路给热流传感器的一对对称的铂丝测温热电阻供电，通过两组铂丝测温热电阻产生的电压差计算温度差，从而产生差热信号，差热信号再通过一组低温漂低噪声放大器模块放大，最后由高精度分辨率达24位的Σ-Δ模数转化器采集测量。
进一步的，所述恒流源电路由电流输出电路、电流调节电路和电流采集电路组成，电流采集和电流调节形成负反馈，控制恒流源输出电流的精度。
进一步的，所述恒流源电路的输出电流为0.1mA，输出精度为±0.0001mA，温漂系数小于20ppm。
进一步的，所述热流传感器分三层结构，底层、中间层和顶层，底层由高导热率的氮化铝基板组成，中间层由一对完全对称的铂丝测温热电阻组成，铂丝测温热电阻均匀地缠绕在陶瓷骨架上，每对铂丝测温热电阻引出两根内引线，从基板过孔引出；其余部分由高绝缘性高导热率的氧化镁粉做填充；顶层采用高温封釉层，实现电隔离。
进一步的，所述氮化铝基板、铂丝测温热电阻、内引线、氧化镁粉、高温封釉层都是顺磁性材料。
进一步的，所述低温漂低噪声放大器模块的电路部分由差分输入电路，初级放大电路和次级放大电路组成，其外壳为恒温控制金属磁屏蔽组件。
进一步的，所述恒温控制金属磁屏蔽组件由加热带、保温棉、测温传感器和外置温控器组成，恒温控制组件形成一个温控回路，控制壳体温度始终处于恒温状态。
进一步的，所述恒温控制金属磁屏蔽组件壳体的外表层，采用坡莫合金屏蔽罩。
本发明的设计优点如下：1：设计可在磁环境下使用的热流传感器，传感器测量测温范围宽、信号精度高、重复性高、分辨率高。2：设计提供热流传感器稳定工作的恒流源电路，电路纹波小。3：设计高分辨率测量微小信号的放大模块，放大模块噪音干扰低，温漂系数低。
本发明与现有技术相比，具有以下特点：1、热流传感器具有顺磁性，不受强磁环境影响。2：热流传感器测温范围宽。3：热流传感器产生的热流信号大、重复性好。4：热流信号的放大模块带磁屏蔽、恒温壳体，消除噪声、温漂影响。
附图说明
图1为本发明***框图。
图2为本发明热流传感器外部图。
图3为本发明热流传感器结构图。
图4为本发明热流信号放大模块结构图。
具体实施方式
参见图1所示，本发明的用于高磁环境宽温区下高分辨率热流信号测量***由两路恒流源电路、一个热流传感器、一个低温漂低噪声放大器模块和信号测量电路组成。
本发明专利的原理是，提供两路可调节带反馈恒流源电路，恒流源电路给热流传感器的一对对称的铂丝测温热电阻供电，通过两组铂丝测温热电阻产生的电压差计算温度差，从而产生差热信号。差热信号再通过一组低温漂低噪声放大器模块放大，最后由高精度分辨率达24位的Σ-Δ模数转化器采集测量。
所述恒流源电路由电流输出电路、电流调节电路和电流采集电路组成。电流采集和电流调节形成负反馈，控制恒流源输出电流的精度。经调整后，恒流源电路的输出电流为0.1mA，输出精度为±0.0001mA，温漂系数小于20ppm。
热流传感器是本发明的核心部件，外部结构如图2所示，结构参见图3。热流传感器分三层结构，底层、中间层和顶层。底层由高导热率的氮化铝基板1组成，即实现了电隔离，又实现了均匀传热。中间层由一对完全对称的铂丝测温热电阻3组成，铂丝测温热电阻3均匀的缠绕在陶瓷骨架2上，每对铂丝测温热电阻3引出两根内引线4，从基板过孔引出。其余部分由高绝缘性高导热率的氧化镁粉5做填充。顶层是一层高温封釉层6，实现电隔离。热流传感器的组成部分，氮化铝基板1、铂丝测温热电阻3、内引线4、氧化镁粉5、高温封釉层6，都是顺磁性材料，在高磁场环境下不受磁场的影响。热流传感器采用的是铂丝测温热电阻，测温范围可以在-73~1023K内使用，可以满足宽温区测量。铂丝测温热电阻的信号精度在0.5K以内，且在高温区间不会产生氧化。
由热流传感器产生的热流信号非常微弱，信号的分辨率要求在±0.05uV。微弱的噪音和温漂都会影响热流信号的测量。热流信号的低温漂低噪声放大器模块是本发明的重要部件，结构如图4。低温漂低噪声放大器模块的电路部分由差分输入电路，初级放大电路和次级放大电路组成。组成放大电路的放大器低温漂、低噪音。放大模块的外壳是一套恒温控制金属磁屏蔽组件。恒温控制金属磁屏蔽组件由加热带7、保温棉8、测温传感器9和外置温控器组成，恒温控制组件形成一个温控回路，控制壳体温度始终处于恒温状态。放大器模块在恒温环境下运行，将消除由环境温度变化和放大器本身产生的温漂干扰。壳体的外表层，采用坡莫合金屏蔽罩，屏蔽外来磁场干扰。
放大后的热流信号，由分辨率达24位的Σ-Δ模数转化芯片测量采集，信号分辨率可以达到百万分之一。
Claims (6)
1.一种用于高磁环境宽温区下高分辨率热流信号测量***，由两路恒流源电路、热流传感器、低温漂低噪声放大器模块和信号测量电路组成，其特征在于：两路恒流源电路可调节带反馈，恒流源电路给热流传感器的一对对称的铂丝测温热电阻供电，通过两组铂丝测温热电阻产生的电压差计算温度差，从而产生差热信号，差热信号再通过一组低温漂低噪声放大器模块放大，最后由高精度分辨率达24位的Σ-Δ模数转化器采集测量；所述热流传感器分三层结构，底层、中间层和顶层，底层由高导热率的氮化铝基板（1）组成，中间层由一对完全对称的铂丝测温热电阻（3）组成，铂丝测温热电阻（3）均匀地缠绕在陶瓷骨架（2）上，每对铂丝测温热电阻（3）引出两根内引线（4），从基板过孔引出；其余部分由高绝缘性高导热率的氧化镁粉（5）做填充；顶层采用高温封釉层（6），实现电隔离；所述氮化铝基板（1）、铂丝测温热电阻（3）、内引线（4）、氧化镁粉（5）、高温封釉层（6）都是顺磁性材料。
2.如权利要求1所述的用于高磁环境宽温区下高分辨率热流信号测量***，其特征在于：所述恒流源电路由电流输出电路、电流调节电路和电流采集电路组成，电流采集和电流调节形成负反馈，控制恒流源输出电流的精度。
3.如权利要求1或2所述的用于高磁环境宽温区下高分辨率热流信号测量***，其特征在于：所述恒流源电路的输出电流为0.1mA，输出精度为±0.0001mA，温漂系数小于20ppm。
4.如权利要求1所述的用于高磁环境宽温区下高分辨率热流信号测量***，其特征在于：所述低温漂低噪声放大器模块的电路部分由差分输入电路，初级放大电路和次级放大电路组成，其外壳为恒温控制金属磁屏蔽组件。
5.如权利要求4所述的用于高磁环境宽温区下高分辨率热流信号测量***，其特征在于：所述恒温控制金属磁屏蔽组件由加热带（7）、保温棉（8）、测温传感器（9）和外置温控器组成，恒温控制组件形成一个温控回路，控制壳体温度始终处于恒温状态。
6.如权利要求5所述的用于高磁环境宽温区下高分辨率热流信号测量***，其特征在于：所述恒温控制金属磁屏蔽组件壳体的外表层，采用坡莫合金屏蔽罩。
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