雙端可調(diào)的塞貝克系數(shù)測量儀

梁曉峰　王自鑫　任　山　陳弟虎

摘 要：針對現(xiàn)有涉及塞貝克系數(shù)測試裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測試過程耗時較長，測量精度較低等問題，采用準(zhǔn)確的高電壓電流控制電路，并基于模糊自調(diào)整PID控制器，設(shè)計一種新型的塞貝克系數(shù)測量儀。該系統(tǒng)可以從任意方向?qū)犭姴牧系娜惪讼禂?shù)進(jìn)行測量。實驗證明，該測量儀抗干擾能力較強，控制及測量精度高。

關(guān)鍵詞：熱電材料；塞貝克系數(shù)；雙端可調(diào)；高精度；測量

中圖分類號：TP216 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1004－373X(2009)04－134－04

Bi－end Tunable Seebeck Coefficient Measuring Equipment

LIANG Xiaofeng,WANG Zixin,REN Shan,CHEN Dihu

(Physics and Engineering School,Sun Yat－Sen University,Guangzhou,510275,China)

Abstract：Concerning the problems of complex structure,time consuming and low control precision,a new Seebeck coefficient measuring system is designed,which contains precise voltage and current control module,it is based on fuzzy self－tuning PID controller.The measurement system can measure samples in either directions.Experiments show that the system is of good noise immunity,high controlling and measuring precision.

Keywords：thermoelectric material;Seebeck coefficient;bi－end tunable;high precision;measurement

0 引 言

20世紀(jì)末以來,對熱電材料的研究成為材料科學(xué)的一個研究熱點［1］。作為一種能源轉(zhuǎn)換材料，熱電材料的應(yīng)用不需要傳動部件,工作時無噪音,無排棄物,與太陽能,風(fēng)能,水能等二次能源的應(yīng)用一樣,對環(huán)境沒有污染,并且這種材料性能可靠,使用壽命長,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)的測試裝置，主要存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測試過程耗時較長，需根據(jù)極性來進(jìn)行樣品安裝，測量精度較低等問題。針對上述問題，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制，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可實現(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量。

1 熱電材料簡介

熱電材料指通過其熱電效應(yīng)實現(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BizTe系、PbTe系、SiGe 系等合金，但由于其熱電轉(zhuǎn)換率相對較低，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［2］。優(yōu)值系數(shù)Z可通過以式（1）計算得出：

Z=S2σ/k(1)

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［3］。

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。精確測量材料的塞貝克系數(shù)，對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)實意義。

熱電材料的塞貝克系數(shù)可表示為:

S=limΔT→0VΔT(2)

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

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 系統(tǒng)概述

傳統(tǒng)測量塞貝克系數(shù)的裝置，都是固定一端用于加熱，另一端用于制冷，對不同極性的樣品進(jìn)行測量時需要重新裝卸。該系統(tǒng)的一個突出特點就是在每個樣品夾內(nèi)均設(shè)有加熱及制冷機構(gòu)，樣品夾內(nèi)的加熱機構(gòu)采用交流調(diào)壓模塊控制加熱絲實現(xiàn)，制冷機構(gòu)采用半導(dǎo)體致冷片實現(xiàn)。半導(dǎo)體制冷片是一種利用半導(dǎo)體珀爾帖效應(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)。該測量儀的熱電材料溫度控制測量儀的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

通過加熱與致冷機制，該系統(tǒng)可以從任意方向?qū)犭姴牧系娜惪讼禂?shù)進(jìn)行測量、且不需確定待測樣品的極性，對于溫度的控制響應(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，簡化了測試步驟，縮短了測試時間。

該測量儀的系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電路框圖

溫度傳感器測量出的溫度信號，經(jīng)中心控制器模糊自調(diào)整PID運算后，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)行電路以實現(xiàn)對溫度的控制。樣品兩端的電勢差，經(jīng)高精度A/D轉(zhuǎn)換送入中心控制器。

2.2 溫度測量電路

溫度測量電路由恒流源電路以及放大濾波電路組成。該設(shè)計采用豪蘭德電流源電路［4］，引入了深度負(fù)反饋，利用集成運放來實現(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)字信號送入中心控制器。

圖3 豪蘭德電流源電路圖

2.3 控制執(zhí)行電路

對于樣品的控溫，需要較大的功率，因此涉及對高電流及高電壓的精確控制，這是該系統(tǒng)的設(shè)計重點之一。系統(tǒng)的加熱與制冷采用不同的機制來實現(xiàn)，實現(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， 輸出0~220V可調(diào)交流電壓，驅(qū)動加熱絲進(jìn)行加熱。

該系統(tǒng)采用PWM脈沖對半導(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，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，MOS管截止，由于電流突變,電感產(chǎn)生較大的電動勢,這時電流呈線性下降的趨勢,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個功能：一是減少PWM驅(qū)動造成的電磁干擾；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，直接對場效應(yīng)管進(jìn)行散熱。系統(tǒng)的PWM積分電路如圖4所示。

圖4 PWM積分電路

2.4 電壓測量電路

由于熱電材料兩端輸出的電壓信號較微弱，為微伏量級，因此采用高精度的24位A/D轉(zhuǎn)換器AD7714 ［5］，測量精度可達(dá)1 μV。樣品兩端的電勢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，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量儀的核心，用于實現(xiàn)測量以及控制的功能。系統(tǒng)采用MSP430F157作為中心處理器的MCU［6］，具有8路12位A/D轉(zhuǎn)換以及2路12位D/A轉(zhuǎn)換，支持多路測溫以及雙通道控制信號輸出，可以滿足系統(tǒng)對于2路的溫度測量以及加熱制冷控制的要求。有利于簡化系統(tǒng)設(shè)計，提高集成度以及系統(tǒng)穩(wěn)定性。

中心處理器還實現(xiàn)與上位PC機的USB通信功能。本系統(tǒng)選用NI的LabView［7］作為監(jiān)控軟件開發(fā)平臺，給測試工作帶來了很大的方便；同時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，可以脫離上位機進(jìn)行測量，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［8］，既具有模糊控制動態(tài)響應(yīng)快、適應(yīng)性強的特點，又具有PID控制精度高的特點，可達(dá)到較高的動、靜態(tài)性能。

典型的離散差分PID表達(dá)式［9］為:

ui=KP{［e(k)+TTI∑kj=0e(j)+TDT［e(k)－e(k－1)］}

=KPe(k)+KI∑kj=0e(j)+KD［e(k)－e(k－1)］(3)

式中：ui為第i個采樣時刻系統(tǒng)輸出量；e(k)為第k個采樣時刻系統(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七個模糊子集。

根據(jù)|E|和|EC|所屬的模糊子集，計算出相應(yīng)的PID參數(shù)［10］：

KP=∑5i=1μi［(|E|,|EC|)KPi］∑5i=1μi(|E|,|EC|)(4)

KI=∑5i=1μi［(|E|,|EC|)KIi］∑5i=1μi(|E|,|EC|)(5)

KD=∑5i=1μi［(|E|,|EC|)KDi］∑5i=1μi(|E|,|EC|)(6)

式中：KPi,KIi和KDi（i=1，2，…，5）分別是在不同狀態(tài)下對參數(shù)KP,KI和KDв貿(mào)９鍼ID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）計算出輸出控制值ui。

4 實驗數(shù)據(jù)及結(jié)論

對于塞貝克系數(shù)的確定該系統(tǒng)采用改進(jìn)的Harman方法，只要知道樣品兩端的電勢差以及溫度差，就可求出塞貝克系數(shù)［11］。

S=V/（Th－Tc）(7)

式中：V為樣品兩端電勢差；Th為樣品熱端的溫度；Tc為樣品冷端溫度。

在對樣品進(jìn)行測量時，首先用測量儀（見圖5）調(diào)節(jié)樣品兩端的溫度Th,Tc，測量樣品在不同的溫差條件下的電勢差，以此計算出對應(yīng)的塞貝克系數(shù)，并找出塞貝克系數(shù)最大時所對應(yīng)的Th與Tc值。

圖5 測量儀外觀

定義樣品熱端溫度與冷端溫度的平均溫度為:

Tavg=（Th+Tc）/2(8)

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

為了驗證該系統(tǒng)，完成對熱電材料樣品塞貝克系數(shù)的測量，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，并同時測量兩種樣品兩端的電勢差。

結(jié)果如圖6所示，在平均溫度Tavg=310.9 K時，待測N型熱電材料樣品的塞貝克系數(shù)達(dá)到最大值，為293.88 μV/K；在平均溫度Tavg=311.4 K時，待測N型熱電材料樣品的塞貝克系數(shù)達(dá)到最大值，為270.18 μV/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)最大時的數(shù)值下不變，改變待測樣品冷熱兩端的溫度Th,Tc，使ΔT=|T1－T2|在一定范圍內(nèi)變化，并同時測量兩端的電勢差。

N型和P型熱電材料得溫差電動勢如圖7、圖8所示。

圖6 塞貝克系數(shù)的溫度分布圖

圖7 N型材料樣品的溫差電動勢關(guān)系圖

圖8 P型材料的溫差電動勢關(guān)系圖

通過線性擬合，可求出N型樣品的塞貝克系數(shù)約為288.99 μV/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量所得的塞貝克系數(shù)最大值相符合，因此該系統(tǒng)對于熱電材料塞貝克系數(shù)的測量是比較準(zhǔn)確的。

5 結(jié) 語

針對熱電器件性能研究的需要，這里設(shè)計開發(fā)出一種比較完善的實時高精度塞貝克系數(shù)測量儀，可以靈活切換對樣品兩端的加熱制冷控制，用以實現(xiàn)對熱電材料塞貝克系數(shù)的測量,實

驗證明，測量儀抗干擾能力較強，控制測量精度高，是一個良好的測試方案。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］劉宏，王繼揚，張展乾，等.電子晶體聲子玻璃及熱電材料研究的最新進(jìn)展.高技術(shù)通信,2001,11(5):107－110,106.

［2］徐德勝.半導(dǎo)體制冷與應(yīng)用技術(shù).上海:上海交通大學(xué)出版社,1992.

［3］肖承京,楊君友，朱文，等.半導(dǎo)體納米薄膜熱電性能表征技術(shù)的研究進(jìn)展.材料導(dǎo)報,2007(3):1－4.

［4］童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).3版.北京:高等教育出版社,2001.

［5］章彧,朱杰斌,胡小光,等.一種帶信號調(diào)理的24位A/D轉(zhuǎn)換器AD7714的原理及應(yīng)用.自動化與儀器儀表,2005,27(5):38－47,57.

［6］胡大可.MSP430系列FLASH超低功耗16位單片機.北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2001.

［7］楊樂平.LabVIEW程序設(shè)計與應(yīng)用.2版.北京：電子工業(yè)出版社,2005.

［8］曾光奇.模糊控制理論與工程應(yīng)用.武漢:華中科技大學(xué)出版社,2006.

［9］陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用.北京：機械工業(yè)出版社,2005.

［10］諸靜.模糊控制理論與系統(tǒng)原理.北京：機械工業(yè)出版社,2005.

［11］Mitrani D.Dynamic Measurement System of Thermoelectric Module Parameters.22nd International Conference on Thermoelectrics.2003.

作者簡介 梁曉峰 1982年出生，碩士研究生。主要從事智能儀器開發(fā)，集成電路設(shè)計研究工作。

王自鑫 1976年出生，講師，博士。主要從事智能儀器、光機電一體化研究工作。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。