CN103336024A

CN103336024A - 热电材料的热电性能测试系统

Info

Publication number: CN103336024A
Application number: CN2013102594565A
Authority: CN
Inventors: 李洪涛; 周辉; 周宇艳; 宿太超; 林铭锋; 吉静; 徐凌云; 王彪; 吴益文; 郅惠博; 茅晔辉
Original assignee: Henan University of Technology; Shanghai Entry Exit Inspection and Quarantine Bureau of PRC
Current assignee: Henan University of Technology; Shanghai Entry Exit Inspection and Quarantine Bureau of PRC
Priority date: 2013-06-17
Filing date: 2013-06-17
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2033-06-17
Also published as: CN103336024B

Abstract

本发明提供一种热电材料的热电性能测试系统，包括n路热电性能测试装置、并行口、上位机；其中，并行口包括n+1个并行的接口，且n路热电性能测试装置分别与并行口的第1个～第n个接口对应连接，并行口的第n+1个接口与上位机连接；n为自然数。本发明具有结构简单、成本低、检测精度较高等特点，可广泛应用于热电性能测试领域。

Description

热电材料的热电性能测试系统

技术领域

本发明涉及检测技术，特别是涉及一种热电材料的热电性能测试系统。

背景技术

热电材料是一种能直接转换热能与电能的半导体材料，其被认为是二十一世纪的新能源，具有使用寿命长、可靠性强等特点，在人热电发电与热电制冷方面具有广阔的应用前景。

目前，已经有一些关于热电材料的热电性能测试装置的研究：专利号为ZL201020506406.9、名称为“一种用于工业化生产热电材料的塞贝克系数测试装置”的中国实用新型专利采用带齿轮的手柄、带齿条的升降杆、热电偶、加热块等复杂机械结构实现塞贝克系数的测试；专利号为ZL200920210692.7、名称为“一种真空高温环境下测试塞贝克系数的装置”采用可固定样品的样品杆、带有隔热屏的加热器、真空泵、扫描卡、纳伏仪表、工控机等复杂结构实现塞贝克系数的测试；申请号为200710072785.3、名称为“半导体材料热电性能测试系统”公开了一种测试塞贝克系数与电导率的测试系统，其在加热炉中的载物槽内设置有一号四孔引线管、二号四孔引线管，二号四孔引线管内设置有热端热电偶与冷锻热电偶、电流通过一号测量仪器进行检测、电压通过二号测量仪器进行检测。上述各种检测装置或检测系统虽然都能实现塞贝克系数或电导率的测量，但这些检测装置或检测系统的组成结构比较复杂、成本高且检测精度比较差。

由此可见，在现有技术中，热电材料热电性能检测存在结构复杂、成本高且检测精度低等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种结构简单、成本低、检测精度较高的热电材料的热电性能测试系统。

为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：

一种热电材料的热电性能测试系统，包括：n路用于将测得的各路样品的数字上冷端温度、数字上热端温度、数字下冷端温度、数字下热端温度、数字标准电阻端电压、数字样品端电压、数字实时冷端加热温度、实时热端加热温度、数字标准电阻端电压、数字样品端电压、数字样品冷热端电压差发送至并行口的热电性能测试装置；用于将各热电性能测试装置发送的数字上冷端温度、数字上热端温度、数字下冷端温度、数字下热端温度、数字标准电阻端电压、数字样品端电压、数字实时冷端加热温度、数字实时热端加热温度、数字标准电阻端电压、数字样品端电压、数字电流转发至上位机，将上位机发送的标准冷端加热温度、标准热端加热温、标准导线电流转发至各热电性能测试装置的并行口；用于向并行口发送标准冷端加热温度、标准热端加热温、标准导线电流，根据并行口转发的数字电流、数字标准电阻端电压、数字样品端电压、外部输入的样品宽度、样品高度、样品长度获得的样品电阻率，根据并行口转发的数字上冷端温度、数字上热端温度、数字下冷端温度、数字下热端温度、数字样品冷热端电压差获得的样品塞贝克系数，并显示数字上冷端温度、数字上热端温度、数字下冷端温度、数字下热端温度、数字标准电阻端电压、数字样品端电压、数字实时冷端加热温度、实时热端加热温度、数字标准电阻端电压、数字样品端电压、数字样品冷热端电压差、标准冷端加热温度、标准热端加热温、标准导线电流、外部输入的样品宽度、样品高度、样品长度、样品电阻率、样品塞贝克系数的上位机；其中，并行口包括n+1个并行的接口，且n路热电性能测试装置分别与并行口的第1个～第n个接口对应连接，并行口的第n+1个接口与上位机连接；n为自然数。

综上所述，本发明所述热电材料的热电性能测试系统能通过多路热电性能测试装置同时测得不同样品的样品电阻率、样品塞贝克系数。本发明由热电性能测试装置、并行口、上位机组成，结构简单、成本低，同时检测精度较高。

附图说明

图1为本发明所述热电材料的热电性能测试系统的组成结构示意图。

图2为本发明所述热电性能测试装置的组成结构示意图。

图3为本发明所述样品单元的组成结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。

图1为本发明所述热电材料的热电性能测试系统的组成结构示意图。如图1所示，本发明所述热电材料的热电性能测试系统包括n路用于将测得的各路样品的数字上冷端温度、数字上热端温度、数字下冷端温度、数字下热端温度、数字标准电阻端电压、数字样品端电压、数字实时冷端加热温度、实时热端加热温度、数字标准电阻端电压、数字样品端电压、数字样品冷热端电压差发送至并行口2的热电性能测试装置11～1n；用于将各热电性能测试装置11～1n发送的数字上冷端温度、数字上热端温度、数字下冷端温度、数字下热端温度、数字标准电阻端电压、数字样品端电压、数字实时冷端加热温度、数字实时热端加热温度、数字标准电阻端电压、数字样品端电压、数字电流转发至上位机3，将上位机3发送的标准冷端加热温度、标准热端加热温、标准导线电流转发至各热电性能测试装置的并行口2；用于向并行口2发送标准冷端加热温度、标准热端加热温、标准导线电流，根据并行口2转发的数字电流、数字标准电阻端电压、数字样品端电压、外部输入的样品宽度、样品高度、样品长度获得的样品电阻率，根据并行口2转发的数字上冷端温度、数字上热端温度、数字下冷端温度、数字下热端温度、数字样品冷热端电压差获得的样品塞贝克系数，并显示数字上冷端温度、数字上热端温度、数字下冷端温度、数字下热端温度、数字标准电阻端电压、数字样品端电压、数字实时冷端加热温度、实时热端加热温度、数字标准电阻端电压、数字样品端电压、数字样品冷热端电压差、标准冷端加热温度、标准热端加热温、标准导线电流、外部输入的样品宽度、样品高度、样品长度、样品电阻率、样品塞贝克系数的上位机3；其中，并行口2包括n+1个并行的接口，且n路热电性能测试装置分别与并行口2的第1个～第n个接口对应连接，并行口2的第n+1个接口与上位机3连接；n为自然数。

本发明中热电性能测试装置11～1n与并行口2之间通过CAN总线连接，并行口2与上位机3之间通过CAN总线连接。

本发明中，上位机3分别对数字上冷端温度与数字下冷端温度、数字上热端温度与数字下热端温度求平均值，再根据得到数字冷端温度、热端温度获得数字样品冷热端温差；上位机3根据公式

获得塞贝克系数S_SR；其中，V_sr为数字样品冷热端电压差，ΔT为数字样品冷热端温差。实际应用中，数字样品冷热端温差ΔT的范围通常为5K-10K，这样既能满足数字样品冷热端温差ΔT尽可能小的条件，也能测量得到数字样品冷热端电压差V_sr；即，如果数字样品冷热端温差ΔT小于5K，则无法测得数字样品冷热端电压差V_sr。

本发明中，上位机3根据公式

获得样品电阻率ρ；其中，w为样品宽度，h为样品高度，l为样品长度，R_f为标准电阻的阻值，V_s为数字样品端电压，V_f为数字标准电阻端电压。

总之，本发明所述热电材料的热电性能测试系统能通过多路热电性能测试装置同时测得不同样品的样品电阻率、样品塞贝克系数。本发明由热电性能测试装置、并行口、上位机组成，结构简单、成本低，同时检测精度较高。

图2为本发明所述热电性能测试装置的组成结构示意图。如图2所示，所述热电性能测试装置11～1n中，任一热电性能测试装置1i包括用于抽空石英玻璃管1i3中空气的真空泵1i1；用于将盛放的氩气充入被抽成真空的石英玻璃管1i3的氩气罐1i2；用于安装样品单元1i4的石英玻璃管1i3；用于根据第一温度控制模块1i6发送的第一温控指令对石英玻璃管1i3进行保温并将实时导线电流发送至第一温控模块的加热导线1i9；用于装设样品台、加热模块、样品、热电偶、标准电阻，根据第二温控模块1i7发送的第二温控指令保持加热模块恒温加热，并将所述样品单元1i4测得的模拟上冷端温度、模拟上热端温度、模拟下冷端温度、模拟下热端温度、模拟冷端电位、模拟热端电位、模拟标准电阻端电压、模拟样品端电压发送至测量数转换单元1i8，将实时冷端加热温度、实时热端加热温度发送至第二温控模块1i7的样品单元1i4；用于为测量模拟标准电阻端电压、模拟样品端电压提模拟供恒定电流，并将模拟恒定电流转换为数字恒定电流后发送至并行口2的恒流源1i5；用于根据加热导线1i9发送的实时导线电流、并行口2转发的标准导线电流向加热导线1i9发送第一温控指令，并将实时导线电流发送至并行口2的第一温度控制模块1i6；用于根据样品单元1i4发送的实时冷端加热温度、实时热端加热温度与并行口2转发的标准冷端加热温度、标准热端加热温度向样品单元1i4发送第二温控指令的第二温度控制模块1i7；用于将测得的数字样品冷热端电压差发送至并行口2，将对样品单元1i4发送的模拟上冷端温度、模拟上热端温度、模拟下冷端温度、模拟下热端温度、模拟冷端电位、模拟热端电位、模拟标准电阻端电压、模拟样品端电压进行转换得到的数字上冷端温度、数字上热端温度、数字下冷端温度、数字下热端温度、数字冷端电位、数字热端电位、数字标准电阻端电压、数字样品端电压发送至并行口2的测量转换模块1i8；其中，石英玻璃管1i3外部缠有用于保温的加热导线1i9。

真空泵1i1、氩气罐1i2均分别与石英玻璃管1i3连通；加热导线1i9输入端连接第一温控模块1i6输出端，加热导线1i9输出端连接第一温控模块1i6输入端，第一温控模块1i6输入输出端连接并行口2的第一输入/输出端；样品单元1i4第一输出端至第八输出端分别连接测量转换模块1i8第一输入端至第八输入端，测量转换模块1i8输入/输出端连接并行口2的第二输入/输出端；样品单元1i4第一输入/输出端连接恒流源1i5第一输入/输出端，样品单元1i4第二输入/输出端连接并行口2第三输入/输出端；样品单元1i4第二输入/输出端连接第二温控模块1i7第一输入/输出端，样品单元1i4第三输入/输出端连接第二温控模块1i7第二输入/输出端，第二温控模块1i7第三输入/输出端连接并行口2第四输入/输出端。

本发明中，恒流源1i5输出的数字恒定电流的范围为10mA～100mA。

本发明中，测量转换模块1i8通过第一导线461、第二导线462测量样品冷热端电压差。

图3为本发明所述样品单元的组成结构示意图。如图3所示，样品单元1i4包括标准电阻40、样品41、冷端样品台441、热端样品台442、冷端加热模块431、热端加热模块432、第一热电偶441、第二热电偶442、第三热电偶451、第四热电偶452、第一导线461、第二导线462、第一电压表471、第二电压表472；其中，冷端样品台421、热端样品台422均为紫铜块。

冷端样品台421底端面与冷端加热模块431顶端面固定，热端样品台422底端面与热端加热模块432顶端面固定，冷端样品台441顶端面、热端样品台442顶端面上放置样品41；样品41冷端上放置第一热电偶441、样品41热端上放置第二热电偶442；冷端样品台421内置第三热电偶451，热端样品台422内置第四热电偶452；标准电阻40、样品41、恒流源1i5串联组成一个闭合电路，标准电阻40两端并联第一电压表471，样品41两端并联第二电压表472。

第一热电偶441输出端、第二热电偶443输出端、第三热电偶451输出端、第四热电偶452输出端、第一电压表471输出端、第二电压表472输出端分别通过所述样品单1i4第一输出端至第六输出端连接至测量转换模块1i8第一输入端至第六输入端；第一导线461一端连接冷端样品台421，另一端通过所述样品单元1i4第七输出端连接测量转换模块1i8第七输入端；第二导线462一端连接热端样品台422，另一端通过所述样品单元1i4第八输出端连接测量转换模块1i8第八输入端；标准电阻40一端连接样品41一端，标准电阻40另一端通过所述样品单元1i4第一输入/输出端连接恒流源1i5第一输入/输出端，样品41另一端也通过所述样品单1i4第一输入/输出端连接恒流源1i5第一输入/输出端；冷端加热模块431输入/输出端通过所述样品单元1i4第二输入/输出端连接第二温控模块1i7第一输入/输出端，热端加热模块432输入/输出端通过所述样品单元1i4第三输入/输出端连接第二温控模块1i7第二输入/输出端。

本发明中，冷端加热模块431、热端加热模块432采用PID控制技术实现温度闭环控制，以保证恒温输出。这部分技术为现有技术，此处不再赘述。

本发明中，第一热电偶441将测得的模拟上冷端温度、第二热电偶442将测得的模拟上热端温度、第三热电偶451将测得的模拟下冷端温度、第四热电偶452将测得的模拟下热端温度发送至测量转换模块1i8，测量转换模块1i8将转换得到的数字上冷端温度、数字上热端温度、数字下冷端温度、数字下热端温度通过并行口2发送至上位机3；上位机3获取数字上冷端温度、数字下冷端温度的平均值，即数字冷端中心温度；上位机3获取数字上热端温度、数字下热端温度的平均值，即数字热端中心温度。本发明中，数字样品冷热端温差为数字冷端中心温度与数字热端中心温度的差值。因此，本发明测得的数字样品冷热端温差的误差较小。

本发明中，由于冷端样品台421底端面与冷端加热模块431顶端面固定，热端样品台422底端面与热端加热模块432顶端面固定，冷端样品台441顶端面、热端样品台442顶端面上放置样品41；因此，本发明样品单元内样品台结构比较简单，成本较低。样品41冷端上放置第一热电偶441、样品41热端上放置第二热电偶442；冷端样品台421内置第三热电偶451，热端样品台422内置第四热电偶452，也就是说，第一热电偶441、第二热电偶442、第三热电偶451、第四热电偶452测得的温度比较精确。

基于上述结构，本发明所述热电材料的热电性能测试系统测得的样品电阻率、样品塞贝克系数的精度均比较高。本发明中，所述样品电阻率的范围为10E^-4欧姆/厘米～100欧姆/厘米，所述样品塞贝克系数的范围为-800uV/K～800uV/K。

本发明中，第二温控模块1i7向样品单元1i4发送第二温控指令为第二温控模块1i7向冷端加热模块431、热端加热模块432发送第二温控指令。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种热电材料的热电性能测试系统，其特征在于，所述热电性能测试系统包括n路用于将测得的各路样品的数字上冷端温度、数字上热端温度、数字下冷端温度、数字下热端温度、数字标准电阻端电压、数字样品端电压、数字实时冷端加热温度、实时热端加热温度、数字标准电阻端电压、数字样品端电压、数字样品冷热端电压差发送至并行口的热电性能测试装置；用于将各热电性能测试装置发送的数字上冷端温度、数字上热端温度、数字下冷端温度、数字下热端温度、数字标准电阻端电压、数字样品端电压、数字实时冷端加热温度、数字实时热端加热温度、数字标准电阻端电压、数字样品端电压、数字电流转发至上位机，将上位机发送的标准冷端加热温度、标准热端加热温、标准导线电流转发至各热电性能测试装置的并行口；用于向并行口发送标准冷端加热温度、标准热端加热温、标准导线电流，根据并行口转发的数字电流、数字标准电阻端电压、数字样品端电压、外部输入的样品宽度、样品高度、样品长度获得的样品电阻率，根据并行口转发的数字上冷端温度、数字上热端温度、数字下冷端温度、数字下热端温度、数字样品冷热端电压差获得的样品塞贝克系数，并显示数字上冷端温度、数字上热端温度、数字下冷端温度、数字下热端温度、数字标准电阻端电压、数字样品端电压、数字实时冷端加热温度、实时热端加热温度、数字标准电阻端电压、数字样品端电压、数字样品冷热端电压差、标准冷端加热温度、标准热端加热温、标准导线电流、外部输入的样品宽度、样品高度、样品长度、样品电阻率、样品塞贝克系数的上位机；其中，并行口包括n+1个并行的接口，且n路热电性能测试装置分别与并行口的第1个～第n个接口对应连接，并行口的第n+1个接口与上位机连接；n为自然数。

2.根据权利要求1所述的热电材料的热电性能测试系统，其特征在于，所述热电性能测试装置与所述并行口通过CAN总线连接，所述并行口与所述上位机之间通过CAN总线连接。

3.根据权利要求1所述的热电材料的热电性能测试系统，其特征在于，所述热电性能测试装置包括用于抽空石英玻璃管中空气的真空泵；用于将盛放的氩气充入被抽成真空的石英玻璃管的氩气罐；用于安装样品单元的石英玻璃管；用于根据第一温度控制模块发送的第一温控指令对石英玻璃管进行保温并将实时导线电流发送至第一温控模块的加热导线；用于装设样品台、加热模块、样品、热电偶、标准电阻，根据第二温控模块发送的第二温控指令保持加热模块恒温加热，并将所述样品单元测得的模拟上冷端温度、模拟上热端温度、模拟下冷端温度、模拟下热端温度、模拟冷端电位、模拟热端电位、模拟标准电阻端电压、模拟样品端电压发送至测量数转换单元，将实时冷端加热温度、实时热端加热温度发送至第二温控模块的样品单元；用于为测量模拟标准电阻端电压、模拟样品端电压提模拟供恒定电流，并将模拟恒定电流转换为数字恒定电流后发送至所述并行口的恒流源；用于根据加热导线发送的实时导线电流、所述并行口转发的标准导线电流向加热导线发送第一温控指令，并将实时导线电流发送至所述并行口的第一温度控制模块；用于根据样品单元发送的实时冷端加热温度、实时热端加热温度与所述并行口转发的标准冷端加热温度、标准热端加热温度向样品单元发送第二温控指令的第二温度控制模块；用于将测得的数字样品冷热端电压差发送至所述并行口，将对样品单元发送的模拟上冷端温度、模拟上热端温度、模拟下冷端温度、模拟下热端温度、模拟冷端电位、模拟热端电位、模拟标准电阻端电压、模拟样品端电压进行转换得到的数字上冷端温度、数字上热端温度、数字下冷端温度、数字下热端温度、数字冷端电位、数字热端电位、数字标准电阻端电压、数字样品端电压发送至所述并行口的测量转换模块；其中，石英玻璃管外部缠有用于保温的加热导线；

真空泵、氩气罐均分别与石英玻璃管连通；加热导线输入端连接第一温控模块输出端，加热导线输出端连接第一温控模块输入端，第一温控模块输入输出端连接所述并行口第一输入/输出端；样品单元第一输出端至第八输出端分别连接测量转换模块第一输入端至第八输入端，测量转换模块输入/输出端连接所述并行口第二输入/输出端；样品单元第一输入/输出端连接恒流源第一输入/输出端，样品单元第二输入/输出端连接所述并行口第三输入/输出端；样品单元第二输入/输出端连接第二温控模块第一输入/输出端，样品单元第三输入/输出端连接第二温控模块第二输入/输出端，第二温控模块第三输入/输出端连接所述并行口第四输入/输出端。

4.根据权利要求3所述的热电材料的热电性能测试系统，其特征在于，所述样品单元包括标准电阻、样品、冷端样品台、热端样品台、冷端加热模块、热端加热模块、第一热电偶、第二热电偶、第三热电偶、第四热电偶、第一导线、第二导线、第一电压表、第二电压表；其中，冷端样品台、热端样品台均为铜块；

冷端样品台底端面与冷端加热模块顶端面固定，热端样品台底端面与热端加热模块顶端面固定，冷端样品台顶端面、热端样品台顶端面上放置样品；样品冷端上放置第一热电偶、样品热端上放置第二热电偶；冷端样品台内置第三热电偶，热端样品台内置第四热电偶；标准电阻、样品、所述恒流源串联组成一个闭合电路，标准电阻两端并联第一电压表，样品两端并联第二电压表；

第一热电偶输出端、第二热电偶输出端、第三热电偶输出端、第四热电偶输出端、第一电压表输出端、第二电压表输出端分别通过所述样品单元第一输出端至第六输出端连接至测量转换模块第一输入端至第六输入端；第一导线一端连接冷端样品台，另一端通过所述样品单元第七输出端连接测量转换模块第七输入端；第二导线一端连接热端样品台，另一端通过所述样品单元第八输出端连接测量转换模块第八输入端；标准电阻一端连接样品一端，标准电阻40另一端通过所述样品单元第一输入/输出端连接恒流源第一输入/输出端，样品另一端也通过所述样品单元第一输入/输出端连接恒流源第一输入/输出端；冷端加热模块输入/输出端通过所述样品单元第二输入/输出端连接第二温控模块第一输入/输出端，热端加热模块输入/输出端通过所述样品单元第三输入/输出端连接第二温控模块第二输入/输出端。

5.根据权利要求4所述的热电材料的热电性能测试系统，其特征在于，所述样品电阻率的范围为10E^-4欧姆厘米～100欧姆厘米，所述样品塞贝克系数的范围为-800uV/K～800uV/K。