一种碳纳米管纤维的电热特性测试装置及方法

技术领域

本发明涉及电热特性测试技术领域，尤其是涉及一种碳纳米管纤维的电热特性测试装置及方法。

背景技术

近年来，随着科学技术的发展和人们对服装观念的转变，服装的舒适性、功能性和安全性日益受到重视。传统的冬季服装虽能够阻止热量流失，起到保暖作用，但是臃肿厚重，保暖效果不好，属于消极式保暖。智能发热服装是指能够通过新型技术收集处理人体或环境的温度信息，并做出相应指令和调控服装温度的新型智能服装。智能发热服装能够主动产生热量，通常由电热材料、电源、导线、集成电路等零部件组合制备而成，可以很好地为人体提供必需的热量，属于积极式保暖。在智能发热服装中，电热材料是最主要的组成部件，因此电热材料相关特性的测试与开发在一定程度上决定了智能发热服装的研究与发展。

碳材料因质量轻、导热率高而且拥有较高的电热转换效率，一直是电热材料的最佳选择。作为共价键结合碳原子的一维纳米结构，碳纳米管纤维(CNTs)具有质量轻、体积小、柔韧性好、高电导率、出色的力学稳定性和高热导率等特性,这决定了它具有作为新一代电热织物材料的应用价值及发展潜力。

目前对于碳纳米管纤维的电热特性测试基本上是利用数字电源发生器加红外热成像仪作为主要仪器，只能大体观察其在不同电压下的发热趋势，无法得到其实际的电流激励与阻抗、温度的相关关系，且仪器难以便携、价格昂贵，还需额外后续数据收集与处理，随着基于浮动催化化学气相沉积法(FCCVD)的碳纳米管导电纤维直接制备技术的发展，批量制备碳纳米管纤维已经实现，所以为使碳纳米管纤维能够更好的被应用于电热织物材料，简便、准确的对其电热特性进行测试已成为必要。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供了一种碳纳米管纤维的电热特性测试装置及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

根据本发明的第一方面，提供了一种碳纳米管纤维的电热特性测试装置，包括：

电源系统装置，用于提供所述测试装置所有的电源需求；

数控电流激励源装置，用于输出可调的电流激励，通过具有四线制开尔文结构的电流输出夹具施加电流激励到待测碳纳米管纤维上，并检测对应的电压信号；

数控温度采集装置，用于实时采集待测碳纳米管纤维的温度数据；

主控制器MCU模块，用于控制所述数控电流激励源装置的激励电流输出，采集电压信号计算待测碳纳米管纤维的实时阻抗数据，以及控制数控温度采集装置接收其采集的实时温度数据；

显示与控制装置，用于设置数控电流激励源装置的激励电流输出并显示测试数据。

优选地，所述四线制开尔文结构的电流输出夹具包括Force端和Sense端，分别用于输出激励电流和检测电压，该结构能最大限度减少导线电阻的影响，更加精确的测出待测碳纳米管纤维的电阻数据。

优选地，所述数控温度采集装置中的传感器为T型热电偶，能够更加准确的测得被测碳纳米管纤维的温度数据。

优选地，所述数控温度采集装置中的控制器为MAX31856热电偶数字转换芯片，与主控制器MCU模块通讯，进行指令控制与数据传输。

优选地，所述传感器的测温点处加装有绝缘层，以避免测温被碳纳米管纤维上的电流影响。

优选地，所述显示装置上设置有可用来设置数控电流激励源装置的激励电流输出的按键。

优选地，所述主控制器MCU模块包括最小系统电路、精密基准源电路、A/D和D/A控制电路、SPI总线通讯电路、显示屏驱动控制电路、以及数据分析与处理模块；

所述主控制器MCU模块通过控制D/A控制电路控制数控电流激励源装置的激励电流输出，通过D/A控制电路转换采集电压信号计算得到待测碳纳米管纤维的实时阻抗数据；所述主控制器MCU模块通过SPI总线通讯电路与所述数控温度采集装置连接。

优选地，所述数控电流激励源装置设置有V/I线性稳压单元、电流采样电阻、信号调理电路、以及电流电压信号转换模块。

优选地，所述电源系统装置的输入为220V/50Hz交流电，其上设置有过压、过流保护电路，输出为+15V、+10V、-10V、+5V、+3.3V的DC直流电。

根据本发明的第二方面，提供了一种碳纳米管纤维的电热特性测试方法，采用权利要求所述的装置，该方法包括：

主控制器MCU模块经由D/A转换控制数控电流激励源装置施加不同类型与大小的电流激励到被测碳纳米管纤维上，同时采集温度数据、电压数据等，通过分析数据得到不同电流激励下对应被测碳纳米管纤维的温度数据和阻抗数据，得到被测碳纳米管纤维的相关电热特性。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明可以测试电流激励与碳纳米管纤维的阻抗、温度的关系，实现了简便、准确的对待测碳纳米管纤维进行电热特性测试，性价比高且功能明确；

2)采用四线制开尔文结构电流输出夹具，包括Force端和Sense端，分别用于输出激励电流和检测电压，该结构能最大限度减少导线电阻的影响，更加精确的测出待测碳纳米管纤维的电阻数据；

3)采用T型热电偶为传感器，能够更加准确的测得被测碳纳米管纤维的温度数据；采用MAX31856热电偶数字转换芯片为控制器，控制更为精准；

4)在传感器测温点处加装绝缘层，避免了测温被碳纳米管纤维上的电流影响，提高了测量的准确性；

5)采用按键设定所需要的电流激励，更为简便且快捷。

附图说明

图1为本发明的碳纳米管纤维电热特性测试装置的组成示意图；

图2为本发明的数控电流激励源装置的组成示意图；

图3为本发明的四线制开尔文结构的组成示意图；

图4为本发明的碳纳米管纤维电热特性测试方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示，一种碳纳米管电热特性测试装置，包括：

电源系统装置1，用于提供所述测试装置所有的电源需求；

如图2所示数控电流激励源装置2，用于提供输出可调的电流激励，通过具有如图3所示的四线制开尔文结构夹具的Force端施加此电流激励到待测碳纳米管纤维6上，通过Sense端将电流信号转为电压信号供检测；

数控温度采集装置3，实时采集待测碳纳米管纤维6的温度数据；

主控制器MCU模块4，通过控制D/A转换从而控制数控电流激励源模块2的输出，通过控制A/D转换采集电压信号从而计算得到待测碳纳米管纤维6的实时阻抗数据，通过控制数控温度采集模块3从而接收其采集的实时温度数据；

显示与控制装置5，提供按键可用来控制数控电流激励源装置2的输出，同时显示各类采集与计算所得到的数据。

接下来，对各个模块进行详细介绍。

1)电源系统装置1：输入为市电220V/50Hz交流电，带有过压、过流保护电路，输出为：+15V、+10V、-10V、+5V、+3.3V的DC直流电，一共5组辅助电源为所述测试装置的各个模块所用。

2)数控电流激励源模块2：以V/I线性稳压单元为核心，实现输出电流可调，包含电流采样电阻、四线制开尔文结构电流输出、信号调理电路、电流电压信号转换。

3)数控温度采集装置3：以超细T型热电偶为传感器，并在测温点处装有超薄绝缘层，以MAX31856热电偶数字转换芯片为控制器，通过SPI总线与主控制器MCU模块4通讯从而实现指令控制与数据传输。

4)主控制器MCU模块4：包括最小系统电路、精密基准源电路、A/D和D/A控制电路、SPI总线通讯电路、按键与显示屏驱动控制电路、以及数据分析与处理模块。

5)显示与控制装置5：以按键与OLED显示为核心，按键可用来设置数控电流激励源装置输出的激励电流类型与大小，OLED显示激励电流数据、待测碳纳米管纤维的实时温度数据和阻抗数据。

如图4所示，一种使用碳纳米管电热特性测试装置的测试方法流程图，具体包括以下步骤：

S1、电源系统装置接入市电220V/50Hz交流电、四线制开尔文结构的电流输出夹具夹住待测碳纳米管纤维；

S2、通过显示与控制装置设定所需要的电流激励I；

S3、主控制器MCU模块根据电流激励I的设定值控制D/A转换输出到数控电流激励源装置，数控电流激励源装置生成特定的电流激励I通过四线制开尔文结构的夹具的Force端施加到待测碳纳米管纤维上；

S4、主控制器MCU模块控制A/D转换采集四线制开尔文结构的夹具的Sense端电压即待测碳纳米管纤维两端的电压U、数控电流激励源装置上电流采样电阻R上的电压V、通过SPI总线控制数控温度采集模块采集待测碳纳米管纤维的温度T；

S5、利用I＝V/R、Rx＝U/I得到电流激励I和待测碳纳米管纤维的阻抗Rx，利用主控制器MCU模块与数控温度采集装置SPI总线通讯得到待测碳纳米管纤维的温度T；

S6、人机交互显示与控制模块显示当前电流激励I的数据、当前条件下待测碳纳米管纤维的实时阻抗Rx数据、温度T数据，主控制器MCU模块记录并分析处理数据，得到待测碳纳米管纤维的电热特性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。