一种适用于穿戴设备的热流高精度测量装置及方法与流程

1.本发明应用于热学测量技术领域，特别涉及一种适用于穿戴设备的热流高精度测量装置及方法。


背景技术：

2.目前穿戴式移动终端有很多具备测温功能，其中做的非常好的就会同时具备包括外部环境温度测量和人体内部自身温度测量两个监测功能的存在。这两种不同的温度，也就是在同一穿戴电子设备中的测量会同时存在，穿戴终端产品要分别精准的测量出两个温度，这就要求内部两个热传感器相互之间不会受到热导影响，即人体穿戴时候的体温不会传导影响到环境温度传感器，相对环境温度也不会影响到人体温度传感器；因热流串扰的因素，目前国内穿戴设备测量温度同时又测量环境的产品不多见，为近期疫情等等因素，国际领先品牌的穿戴电子终端产品、智能手环等设备，新增了人体与环境温度同时监测的健康管理功能。
3.目前市场对人体穿戴电子设备温度的测量方法非常简单，粗糙一点的测量一般会选择采用热阻测试仪。其中一种方法是在室外环境下，仅是通过读取设备内部的温度传感器，然后读取值和室外环境温度作比较，从而进行判断温度传感器是否工作正常，这种方法成本低廉，但测量结果随环境变化，没有可控的目标值，无法测量到与人体接近的温度，存在特征误差。
4.另外一种方法是建立一个与人体温度近似的恒温箱体，dut放入恒温箱保温后，读取dut的温度和恒温箱体设置温度作比较，从而进行判断温度传感器是否工作正常，这种方法对于传导材料本身来说，穿戴设备的热阻决定了本身热传导能力，如果穿戴产品存在两个温度测量，一个是环境温度的测量，一个是人体温度的测量，那这样就会有两个对应的温度传感器，一个是与人体接触的体温传感器，一个是与周围环境接触的温度传感器，穿戴设备本身的体积厚度在十几毫米左右，那么人体温度监测面和环境面的相互影响程度，就成为一个需要检测的重要内容。
5.穿戴电子设备的叠层比较复杂，叠层内包含塑胶、半导体器件、印刷电路板、各种金属等，所以穿戴电子设备的热阻形态比单一纯净物体复杂很多。由于固有的叠层多样化和测量时的接触热阻rc、以及测量过程热损qloss等因素的存在，仅靠热阻测试仪或温度传感器很难精准的测量出穿戴电子设备的热阻。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种结构简单、体积小并且测量精度高的适用于穿戴设备的热流高精度测量装置及方法。
7.本发明所采用的技术方案是：所述一种适用于穿戴设备的热流高精度测量装置包括计算机、温度控制模块以及恒温模块，所述温度控制模块与所述计算机信号连接，所述恒温模块包括制冷机和测量模组，所述测量模组包括隔热箱体、上层导热模组以及下层导热
模组，所述上层导热模组和所述下层导热模组均设置在所述隔热箱体的内部，所述上层导热模组上设置有热电发生器，所述上层导热模组与所述制冷机的输入端相连，所述下层导热模组与所述制冷机的输出端相连，被测量产品设置在所述上层导热模组和所述下层导热模组之间，被测量产品的测试端通过第一热电偶与所述温度控制模块信号连接，所述上层导热模组、所述下层导热模组以及所述热电发生器均与所述温度控制模块信号连接。
8.进一步地，所述上层导热模组包括上层冷却板、第一导热块、第二热电偶以及薄膜加热器，所述上层冷却板与所述制冷机的输入端相连，所述第一导热块设置在所述上层冷却板上，所述热点发生器和所述薄膜加热器设置在所述第一导热块上，所述薄膜加热器通过所述第二热电偶与所述温度控制模块信号连接。
9.进一步地，所述下层导热模组包括下层冷却板和第二导热块，所述下层冷却板与所述制冷机的输出端相连，所述第二导热块设置在所述下层冷却板上。
10.进一步地，所述上层冷却板和所述下层冷却板均包括导热板和导热管，所述导热板上设有安装孔，所述导热管适配在所述安装孔中，所述导热管的一端通过第一铜管与所述制冷机的输入端相连，所述导热管的另一端通过第二铜管与所述制冷机的输出端相连，所述第一铜管和所述第二铜管上均包设有保温泡棉。
11.进一步地，所述导热管包括若干根相连通的u型铜管。
12.进一步地，所述第二铜管上设置有温度传感器，所述温度传感器与所述温度控制模块信号连接。
13.进一步地，利用所述的一种适用于穿戴设备的热流高精度测量装置进行热学测量的方法包括以下步骤：（a）先将被测量产品放入所述一种适用于穿戴设备的热流高精度测量装置内，使被测量产品的热面和冷面分别与所述第一导热块和所述第二导热块相接触，同时被测量产品的热面和冷面分别通过两根第一热电偶与所述温度控制模块信号连接；（b）按下启动按钮后所述一种适用于穿戴设备的热流高精度测量装置自动加载配置参数，设置启动计时记录；（c）如若计时记录已完成，则开始测量产品的热面温度和冷面温度，当产品的热面温度和冷面温度稳定后，则记录解决误差和稳定时间，测出产品的热面温度和冷面温度分别为ta和tb，热电发生器的电压为vteg，采用计算方法对热流量进行计算并上传数据。
14.进一步地，在所述步骤c中，该计算方法包括以下步骤：（s1）测温控制：当放入被测量产品后，对监控温度进行连续控温和检测，通过检查判断稳态误差的目标设定点:稳态误差=|监控温度-目标温度|，当稳态误差小于温度误差时，系统将此刻时间标记为稳定起始时间，稳态误差至少在稳定时间范围内要小于温度误差，才能满足稳态条件，温度控制属于稳定，因此将稳定时间设置为两倍以上的测量时间；（s2）温度的测量：从热电偶输入端读取n个原始温度数据值然后取平均值，以减少随机噪声，如下表达式所示：；其中，tavg为温度平均值；nsamples为温度采样数据的采样个数，属于用户自定义的参数；一个修正的温度(tcor)根据以下所示的特定通道的校准参数增益和偏移量进行
修正：；其中，热流测量需要每个热电偶测量tcor的数值，nsamples的总数乘以nmeasure原始值，nmeasure是测量个数，属于用户自定义的参数；（s3）teg电压测量：采用所述步骤s2中相同的平均方法测量teg电压，teg电压通过偏置值teg_offset进行校正，在调试完成时计算teg的偏移量并存储在配置文件中，修正后vteg_cor等于vteg_avg的平均值加上偏置值，如下表达式： ；其中，teg为热电发生器，teg_offset为偏置值，vteg_avg为电压平均值，vteg_cor为电压修正值；（s4）热流密度的计算：热流密度的计算主要基于ta温度、tb温度、vteg电平三个基本参数的获得。热流的计算公式为： ；等效热阻计算为: ；等效导热系数计算为: ；其中，rc和s为特征参数。
15.本发明的有益效果是：被测量产品放入所述一种适用于穿戴设备的热流高精度测量装置内，使被测量产品的热面和冷面分别与第一导热块和第二导热块相接触，然后利用制冷机泵出恒温循环液体流过上层冷却板和下层冷却板，第一导热块的温升是由薄膜加热器实现的，通过温度控制模块的输出脉宽电流大小来控制薄膜加热器的发热量，加热薄膜产生的热量将会传导给第一导热块，使得第一导热块置换出人体温度，而第二导热块置换出外部环境温度。制冷机和测量模组的结合，具有高精控温的性能，大大减小了循环过程的能量损失，减小温度震荡的可能，为产品建立了一个精准的恒温环境条件，使得产品上下两个测温的受控面处于一个没有温度波动的恒温环境内，从而保证了产品的测量精度。采用本发明的测量方法能够完成被测产品的高精度热学测量，本发明测试方法极具科学性，按此方法设计做出来的设备，工作性能优越，体积小，易于实现此类产品在量化生产时的高精度测试，也适用于产品研发阶段的验证测试和科研攻关等。
附图说明
16.图1是本发明的系统框图；图2是本发明的测量流程图。
具体实施方式
17.如图1和图2所示，在本实施例中，所述的一种适用于穿戴设备的热流高精度测量装置包括计算机1、温度控制模块2以及恒温模块，所述温度控制模块2与所述计算机1信号
连接，所述恒温模块包括制冷机3和测量模组4，所述测量模组4包括隔热箱体、上层导热模组以及下层导热模组，所述上层导热模组和所述下层导热模组均设置在所述隔热箱体的内部，所述上层导热模组上设置有热电发生器6，所述上层导热模组与所述制冷机3的输入端相连，所述下层导热模组与所述制冷机3的输出端相连，被测量产品7设置在所述上层导热模组和所述下层导热模组之间，被测量产品7的测试端通过第一热电偶线与所述温度控制模块2信号连接，所述上层导热模组、所述下层导热模组以及所述热电发生器6均与所述温度控制模块2信号连接。
18.在本实施例中，所述上层导热模组包括上层冷却板9、第一导热块10、第二热电偶线以及薄膜加热器12，所述上层冷却板9与所述制冷机3的输入端相连，所述第一导热块10设置在所述上层冷却板9上，所述热电发生器6和所述薄膜加热器12设置在所述第一导热块10上，所述薄膜加热器12通过所述第二热电偶线与所述温度控制模块2信号连接。
19.在本实施例中，所述下层导热模组包括下层冷却板13和第二导热块14，所述下层冷却板13与所述制冷机3的输出端相连，所述第二导热块14设置在所述下层冷却板13上。
20.在本实施例中，被测量产品7的接触面分为热面和冷面，冷面温度模拟的是外部环境温度，热面温度模拟的是人体温度，环境温度设定后（例如环境温度设置在25
°
），所述制冷机3内循环的液体将会流经所述下层冷却板13，从而达到冷面温度控制在25
°
，为保证减少循环过程中间会产生的热损，外部铜管需要使用泡棉包裹进行保温，并尽量减小管道的长度，并在循环回流管道中嵌入温度传感器用来检测循环液的工作状态。
21.在本实施例中，热面的温升是由所述薄膜加热器12实现的，通过所述温度控制模块2的输出脉宽电流大小来控制所述薄膜加热器12的发热量，加热薄膜产生的热量将会传导给所述第一导热块10，所述第二热电偶线将被加热的温度信号反馈回传到温度控制模块2中，这个反馈温度将会和控制设定的温度进行比较，依据比较结果来实现所述薄膜加热器12的脉宽电流深度，从而达到所述第一导热块10的目标温度的恒温控制。
22.在本实施例中，所述上层冷却板9和所述下层冷却板13均包括导热板和导热管，所述导热板上设有安装孔，所述导热管适配在所述安装孔中，所述导热管的一端通过第一铜管15与所述制冷机3的输入端相连，所述导热管的另一端通过第二铜管16与所述制冷机3的输出端相连，所述第一铜管15和所述第二铜管16上均包设有保温泡棉。
23.在本实施例中，所述导热管包括若干根相连通的u型铜管。
24.在本实施例中，所述第二铜管16上设置有温度传感器17，所述温度传感器17与所述温度控制模块2信号连接。
25.利用所述的一种适用于穿戴设备的热流高精度测量装置进行热学测量的方法包括以下步骤：（a）先将被测量产品7放入所述一种适用于穿戴设备的热流高精度测量装置内，使被测量产品7的热面和冷面分别与所述第一导热块10和所述第二导热块14相接触，同时被测量产品7的热面和冷面分别通过两根第一热电偶线与所述温度控制模块2信号连接；（b）按下启动按钮后所述一种适用于穿戴设备的热流高精度测量装置自动加载配置参数，设置启动计时记录；（c）如若计时记录已完成，则开始测量产品的热面温度和冷面温度，当产品的热面温度和冷面温度稳定后，则记录解决误差和稳定时间，测出产品的热面温度和冷面温度分
别为ta和tb，热电发生器6的电压为vteg，采用计算方法对热流量进行计算并上传数据。
26.在所述步骤c中，该计算方法包括以下步骤：（s1）测温控制：当放入被测量产品7后，对监控温度进行连续控温和检测，通过检查判断稳态误差的目标设定点:稳态误差=|监控温度-目标温度|，当稳态误差小于温度误差时，系统将此刻时间标记为稳定起始时间，稳态误差至少在稳定时间范围内要小于温度误差，才能满足稳态条件，温度控制属于稳定，因此将稳定时间设置为两倍以上的测量时间；（s2）温度的测量：从热电偶输入端读取n个原始温度数据值然后取平均值，以减少随机噪声，如下表达式所示：；其中，tavg为温度平均值；nsamples为温度采样数据的采样个数，属于用户自定义的参数；一个修正的温度(tcor)根据以下所示的特定通道的校准参数增益和偏移量进行修正：；其中，热流测量需要每个热电偶测量tcor的数值，nsamples的总数乘以nmeasure原始值，nmeasure是测量个数，属于用户自定义的参数；（s3）teg电压测量：采用所述步骤s2中相同的平均方法测量teg电压，teg电压通过偏置值teg_offset进行校正，在调试完成时计算teg的偏移量并存储在配置文件中，修正后vteg_cor等于vteg_avg的平均值加上偏置值，如下表达式：；其中，teg为热电发生器6，teg_offset为偏置值，vteg_avg为电压平均值，vteg_cor为电压修正值；（s4）热流密度的计算：热流密度的计算主要基于ta温度、tb温度、vteg电平三个基本参数的获得；热流的计算公式为：；等效热阻计算为: ；等效导热系数计算为: ；其中，rc和s为特征参数。
27.在本实施例中，被测量产品7放入所述一种适用于穿戴设备的热流高精度测量装置内，使被测量产品7的热面和冷面分别与所述第一导热块10和所述第二导热块14相接触，然后利用所述制冷机3泵出恒温循环液体流过所述上层冷却板9和所述下层冷却板13，所述第一导热块10的温升是由所述薄膜加热器12实现的，通过所述温度控制模块2的输出脉宽电流大小来控制所述薄膜加热器12的发热量，加热薄膜产生的热量将会传导给所述第一导
热块10，使得所述第一导热块10置换出人体温度，而所述第二导热块14置换出外部环境温度。所述制冷机3和所述测量模组4的结合，具有高精控温的性能，大大减小了循环过程的能量损失，减小温度震荡的可能，为产品建立了一个精准的恒温环境条件，使得产品上下两个测温的受控面处于一个没有温度波动的恒温环境内，从而保证了产品的测量精度。
28.采用本发明的测量方法能够完成被测产品的高精度热学测量，本发明测试方法极具科学性，按此方法设计做出来的设备，工作性能优越，体积小，易于实现此类产品在量化生产时的高精度测试，也适用于产品研发阶段的验证测试和科研攻关等。