采用新型熱電材料實(shí)現(xiàn)塞貝克系數(shù)測(cè)量?jī)x的高精度系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言

20世紀(jì)末以來，對(duì)熱電材料的研究成為材料科學(xué)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。作為一種能源轉(zhuǎn)換材料，熱電材料的應(yīng)用不需要傳動(dòng)部件，工作時(shí)無(wú)噪音，無(wú)排棄物，與太陽(yáng)能，風(fēng)能，水能等二次能源的應(yīng)用一樣，對(duì)環(huán)境沒有污染，并且這種材料性能可靠，使用壽命長(zhǎng)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

塞貝克系數(shù)是熱電材料的重要性能參數(shù)之一，現(xiàn)有涉及塞貝克系數(shù)的測(cè)試裝置，主要存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測(cè)試過程耗時(shí)較長(zhǎng)，需根據(jù)極性來進(jìn)行樣品安裝，測(cè)量精度較低等問題。針對(duì)上述問題，系統(tǒng)采用了精確的高電壓電流控制電路，選用半導(dǎo)體致冷片作為制冷機(jī)制，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)從任意方向?qū)犭姴牧系娜惪讼禂?shù)進(jìn)行快速的溫度控制以及測(cè)量。

1 熱電材料簡(jiǎn)介

熱電材料指通過其熱電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換的功能材料。目前已有一系列的熱電材料被研制出來，如Biz‘17、e系、PbTe系、SiGe系等合金，但由于其熱電轉(zhuǎn)換率相對(duì)較低，限制了熱電材料的廣泛應(yīng)用。衡量熱電材料的熱電性能使用優(yōu)值系數(shù)Z，Z值越高，熱電轉(zhuǎn)換效率越高，熱電材料的性能越好。優(yōu)值系數(shù)Z可通過以式（1）計(jì)算得出：

其中：S是塞貝克系數(shù)；σ是材料的電導(dǎo)率；k是材料的熱導(dǎo)率。

塞貝克系數(shù)是熱電材料重要的性能參數(shù)之一，從式（1）可見，塞貝克系數(shù)s越大，優(yōu)值系數(shù)Z越大，材料的熱電性能越好。精確測(cè)量材料的塞貝克系數(shù)，對(duì)于研究熱電材料性能以及開發(fā)新型熱電材料具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

熱電材料的塞貝克系數(shù)可表示為：

式中：E為溫差電材料兩端產(chǎn)生的塞貝克電動(dòng)勢(shì)；S即塞貝克系數(shù)；ΔT為溫差電材料兩端的溫差。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2．1 系統(tǒng)概述

傳統(tǒng)測(cè)量塞貝克系數(shù)的裝置，都是固定一端用于加熱，另一端用于制冷，對(duì)不同極性的樣品進(jìn)行測(cè)量時(shí)需要重新裝卸。該系統(tǒng)的一個(gè)突出特點(diǎn)就是在每個(gè)樣品夾內(nèi)均設(shè)有加熱及制冷機(jī)構(gòu)，樣品夾內(nèi)的加熱機(jī)構(gòu)采用交流調(diào)壓模塊控制加熱絲實(shí)現(xiàn)，制冷機(jī)構(gòu)采用半導(dǎo)體致冷片實(shí)現(xiàn)。半導(dǎo)體制冷片是一種利用半導(dǎo)體珀?duì)柼?yīng)而制的器件，將其冷端貼在樣品夾上，熱端與水冷裝置相連。致冷片通過吸熱效應(yīng)把樣品一端的熱量傳至致冷片的熱端，并通過水冷裝置把樣品冷端的熱量帶離系統(tǒng)。該測(cè)量?jī)x的熱電材料溫度控制測(cè)量?jī)x的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

通過加熱與致冷機(jī)制，該系統(tǒng)可以從任意方向?qū)犭姴牧系娜惪讼禂?shù)進(jìn)行測(cè)量、且不需確定待測(cè)樣品的極性，對(duì)于溫度的控制響應(yīng)迅速且精度較高，可避免將樣品從樣品夾上拆卸再重新裝上所帶來的麻煩，簡(jiǎn)化了測(cè)試步驟，縮短了測(cè)試時(shí)間。

該測(cè)量?jī)x的系統(tǒng)電路如圖2所示。

溫度傳感器測(cè)量出的溫度信號(hào)，經(jīng)中心控制器模糊自調(diào)整PID運(yùn)算后，求得兩路通道的加熱控制值及制冷控制值，分別通過D／A轉(zhuǎn)換和積分電路，輸出至相應(yīng)的控制執(zhí)行電路以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。樣品兩端的電勢(shì)差，經(jīng)高精度A／D轉(zhuǎn)換送入中心控制器。

2．2 溫度測(cè)量電路

溫度測(cè)量電路由恒流源電路以及放大濾波電路組成。該設(shè)計(jì)采用豪蘭德電流源電路，引入了深度負(fù)反饋，利用集成運(yùn)放來實(shí)現(xiàn)恒流輸出，電路如圖3所示。恒流源輸出的1 mA電流傳至溫度傳感器PT100，把溫度值轉(zhuǎn)變電壓信號(hào)輸入至放大濾波電路，經(jīng)過增益以及有源低通濾波器濾波后，由A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入中心控制器。

2．3 控制執(zhí)行電路

對(duì)于樣品的控溫，需要較大的功率，因此涉及對(duì)高電流及高電壓的精確控制，這是該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)之一。系統(tǒng)的加熱與制冷采用不同的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了高精度的電壓電流控制。加熱電路采用全隔離單相交流調(diào)壓模塊。全隔離單相交流調(diào)壓模塊是集同步變壓器、相位檢測(cè)電路、移相觸發(fā)電路和輸出可控硅于一體，當(dāng)改變控制電壓的大小，就可改變輸出可控硅的觸發(fā)相角，實(shí)現(xiàn)單相交流電的調(diào)壓。由中心處理器輸入0～10 V直流控制信號(hào)，輸出0～220 V可調(diào)交流電壓，驅(qū)動(dòng)加熱絲進(jìn)行加熱。該系統(tǒng)采用PwM脈沖對(duì)半導(dǎo)體致冷片Peltier進(jìn)行控制，通過調(diào)節(jié)脈沖的占空比來控制制冷的程度。制冷電路通過PwM控制積分電路的充電以及放電，當(dāng)PwM脈沖為低電平時(shí)，MOS管導(dǎo)通，電容開始充電，電流經(jīng)Peltier及電感流到地；當(dāng)PwM脈沖為高電平時(shí)，MOS管截止，由于電流突變，電感產(chǎn)生較大的電動(dòng)勢(shì)，這時(shí)電流呈線性下降的趨勢(shì)，通過控制MOS管的導(dǎo)通和截止，就能形成與脈沖的占空比有關(guān)的電流，以驅(qū)動(dòng)致冷片Peltier進(jìn)行制冷。電路中的電感與電容組成的電感電容濾波器在這里有2個(gè)功能：一是減少PwM驅(qū)動(dòng)造成的電磁干擾；二是濾波使得較為穩(wěn)定的電壓輸出提升了Peltier的制冷性能。系統(tǒng)還接有風(fēng)扇，直接對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行散熱。系統(tǒng)的PWM積分電路如圖4所示。

2．4 電壓測(cè)量電路

由于熱電材料兩端輸出的電壓信號(hào)較微弱，為微伏量級(jí)，因此采用高精度的24位A／D轉(zhuǎn)換器AD7714，測(cè)量精度可達(dá)1μV。樣品兩端的電勢(shì)差以全差分的形式輸入至24位A／D轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)，光電隔離后輸入中心控制器，具有較高的抗干擾性。

2．5 中心處理器

中心處理器是熱電材料溫度控制測(cè)量?jī)x的核心，用于實(shí)現(xiàn)測(cè)量以及控制的功能。系統(tǒng)采用MSP430F157作為中心處理器的MCU，具有8路12位A／D轉(zhuǎn)換以及2路12位D／A轉(zhuǎn)換，支持多路測(cè)溫以及雙通道控制信號(hào)輸出，可以滿足系統(tǒng)對(duì)于2路的溫度測(cè)量以及加熱制冷控制的要求。有利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高集成度以及系統(tǒng)穩(wěn)定性。

中心處理器還實(shí)現(xiàn)與上位PC機(jī)的USB通信功能。本系統(tǒng)選用NI的LabView作為監(jiān)控軟件開發(fā)平臺(tái)，給測(cè)試工作帶來了很大的方便；同時(shí)也帶來一種人性化的信息。該系統(tǒng)可外接液晶顯示和鍵盤，可以脫離上位機(jī)進(jìn)行測(cè)量，具有較高的靈活性。

3 算法分析

該系統(tǒng)采用模糊自調(diào)整PID控制，既具有模糊控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，又具有PID控制精度高的特點(diǎn)，可達(dá)到較高的動(dòng)、靜態(tài)性能。

典型的離散差分PID表達(dá)式為：

式中：ui為第i個(gè)采樣時(shí)刻系統(tǒng)輸出量；e（k）為第k個(gè)采樣時(shí)刻系統(tǒng)的輸入偏差；Kp為比例系數(shù)；KI為積分系數(shù)，KI=KPT/TI；KD為微分系數(shù)，KD=KPTD/T。

系統(tǒng)中的自調(diào)整PID控制器以測(cè)量溫度值與設(shè)定溫度值的偏差E和該偏差的變化率EC作為輸入，利用模糊理論在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行校正。把偏差E和偏差變化率EC劃分為NB，．NM，NS，Zo，PS，PM，PB七個(gè)模糊子集。根據(jù)| E|I和|EC|所屬的模糊子集，計(jì)算出相應(yīng)的PID參數(shù)：

式中：Kpi，kIi和KDi（i=1，2，…，5）分別是在不同狀態(tài)下對(duì)參數(shù)KP，KI和KD用常規(guī)PID參數(shù)整定法得到整定值。用在線自整定的PID參數(shù)KP，KI，KD就可根據(jù)式（3）計(jì)算出輸出控制值ui。

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4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)論

對(duì)于塞貝克系數(shù)的確定該系統(tǒng)采用改進(jìn)的Har—man方法，只要知道樣品兩端的電勢(shì)差以及溫度差，就可求出塞貝克系數(shù)。

式中：V為樣品兩端電勢(shì)差；Th為樣品熱端的溫度；T，為樣品冷端溫度。在對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)量時(shí)，首先用測(cè)量?jī)x（見圖5）調(diào)節(jié)樣品兩端的溫度Th，Tc，測(cè)量樣品在不同的溫差條件下的電勢(shì)差，以此計(jì)算出對(duì)應(yīng)的塞貝克系數(shù)，并找出塞貝克系數(shù)最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的Tb與Tc值。

定義樣品熱端溫度與冷端溫度的平均溫度為：

改變Th，Tc值，但保持塞貝克系數(shù)最大時(shí)的平均溫度Tavg值不變，測(cè)量在固定Tavg下樣品兩端的電勢(shì)差，驗(yàn)證該塞貝克系數(shù)是否符合式（2）的規(guī)律。

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)，完成對(duì)熱電材料樣品塞貝克系數(shù)的測(cè)量，選用性能相近，但極性相反的N型及P型。BizTe系樣品，在15～70℃的溫度范圍內(nèi)，分別改變樣品冷端和熱端的溫度，使平均溫度Tavg在一定范圍內(nèi)變化，并同時(shí)測(cè)量?jī)煞N樣品兩端的電勢(shì)差。

結(jié)果如圖6所示，在平均溫度Tavg=310．9 K時(shí)，待測(cè)N型熱電材料樣品的塞貝克系數(shù)達(dá)到最大值，為293．88μV／K；在平均溫度Tavg=311．4 K時(shí)，待測(cè)N型熱電材料樣品的塞貝克系數(shù)達(dá)到最大值，為270．18μV／K。

分別保持兩種熱電材料的平均溫度維持在塞貝克系數(shù)最大時(shí)的數(shù)值下不變，改變待測(cè)樣品冷熱兩端的溫度Th，Tc，使△T=| T1一T2|在一定范圍內(nèi)變化，并同時(shí)測(cè)量?jī)啥说碾妱?shì)差。

N型和P型熱電材料得溫差電動(dòng)勢(shì)如圖7、圖8所示。

通過線性擬合，可求出N型樣品的塞貝克系數(shù)約為288.99μV/K，P型樣品的塞貝克系數(shù)約為274．79 μV／K，與在不同平均溫度下測(cè)量所得的塞貝克系數(shù)最大值相符合，因此該系統(tǒng)對(duì)于熱電材料塞貝克系數(shù)的測(cè)量是比較準(zhǔn)確的。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)熱電器件性能研究的需要，這里設(shè)計(jì)開發(fā)出一種比較完善的實(shí)時(shí)高精度塞貝克系數(shù)測(cè)量?jī)x，可以靈活切換對(duì)樣品兩端的加熱制冷控制，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電材料塞貝克系數(shù)的測(cè)量，實(shí)驗(yàn)證明，測(cè)量?jī)x抗干擾能力較強(qiáng)，控制測(cè)量精度高，是一個(gè)良好的測(cè)試方案。

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