CN106443273B - 热释电能量收集器电性能参数测试系统 - Google Patents
热释电能量收集器电性能参数测试系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106443273B CN106443273B CN201610957933.9A CN201610957933A CN106443273B CN 106443273 B CN106443273 B CN 106443273B CN 201610957933 A CN201610957933 A CN 201610957933A CN 106443273 B CN106443273 B CN 106443273B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- temperature
- control
- pyroelectricity
- energy harvester
- kernel
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
Abstract
本发明涉及一种热释电能量收集器电性能参数测试系统，包括热释电能量收集器测试腔、电性能参数测量接口模块、温度控制接口模块以及基于SOPC的热释电能量收集器电性能测试检测及控制系统；热释电能量收集器测试腔用于实现腔内温度恒定/快速实现腔内温度按特定规律变化；电性能参数测量接口模块用于测量热释电能量收集器热释电材料的介电常数、热释电系数等；温度控制接口模块用于实现恒温/变温的控制和腔体内温度数据采集；基于SOPC的热释电能量收集器电性能测试检测及控制系统用于实现电容、电流、功率以及耗损等数据采集和集成系统的控制。该系统能够实现热释电能量收集器电性能参数的有效测试，解决如何在强干扰噪声条件下，微小电容、微弱电流及微能量测量中关键技术问题。
Description
技术领域
本发明属于热释电系数测量、热释电能量收集器电性能参数测量以及嵌入式系统设计等技术领域，涉及一种热释电能量收集器电性能参数测试系统，特别是一种适合热释电能量收集器进行能量转换与收集特性评价的电学性能参数测试系统。
背景技术
随着无线传感网络和可携带电子器件等技术的飞速发展，特别是以低功耗智能传感器系统(如植入式器件)和分布式无线传感器网络的快速发展，如何高效地周围环境中收集能量及其相关技术越来越受到广大科研人员关注。特别是近年来，热释电材料因具有直接将热能转化为电能的优势，基于热释电效应的微能量转换、收集和存储的研究已成为环境微能源开发领域研究的热点。
热释电效应是指某些晶体在受热时晶体中的自发极化受温度变化的影响而发生变化从而在晶体的表面上产生电荷的一种效应。热释电能量收集器是一种基于热释电材料的热释电器件。目前，热释电材料主要有：单晶材料、高分子有机聚合物及复合材料、金属氧化物陶瓷及薄膜材料。单晶材料如TGS(硫酸三甘肽)、SBN(铌酸锶钡)、PGO(锗酸铅)、KTN(钽铌酸钾)等，它们具有灵敏度高、稳定性好、可靠性高、频率响应特性好等特点；高分子有机聚合物及复合材料，如PVF(聚氟乙烯)、PVDF(聚偏二氟乙烯)、PVDF-PT(聚偏二氟乙烯与钛酸铅复合)、PVDF-PZT(聚偏二氟乙烯与锆钛酸铅复合)等，高分子有机聚合物材料具有可薄膜化、大面积化等特点；金属氧化物陶瓷及薄膜材料如PMN(镁铌酸铅)、PST(钽钪酸铅)、BST(钛酸锶钡)等。它们具有抗氧化、耐高温、耐潮湿、抗辐射、变化材料配方可以改变性能、工艺简便、成本低廉等特点。
通常情况，评价热释电材料性能的优劣主要取决于热释电系数p、晶体的介电常数。热释电材料的热释电系数p越大、介电常数越小，热释电材料性能越好。因此，如何精准地测量热释电材料的热释电系数p、介电常数对表征热释电材料性能至关重要。
目前，针对热释电系数p的测量，依据采集信号的不同，主要可以分为热释电电压的测量、热释电电荷的测量和热释电电流的测量。如A.G.Chynoweth等采用直接电流法，利用红外光束被调制后形成方波，再照射到钛酸锶钡样品上，样品吸收光能使其温度发生微小的周期性变化，然后从温度变化点处观测到热释电电流，从而首次测得热释电系数；A.M.Glass等采用积分电荷法测量热释电系数，通过反馈电容采集样品随温度变化时所产生的热释电电荷，计算测得热释电系数，但使用这种方法时，温度改变量一般只有几度，因而该法分辨率差，且不宜在居里点附近测量，因为靠近居里点附近，热释电系数随温度的变化率太大；Hartley采用动态热释电电压法，使样品温度按0.1～1Hz的频率做余弦式变化，通过测量、采样装置得到热释电电压测试曲线和温度信号曲线，然后据此计算出热释电系数。华中科技大学曾亦可研究团队通过改用梯度式动态升温方式，对样品施加直流偏压，用热释电电流法，设计了用于热释电薄膜材料的热释电系数测量装置。
就目前研究而言，为了提高热释电能量转换和收集效率，研究工作的重点主要集中在对各种新型热释电材料的研制、热释电器件结构和存储收集电路优化设计几方面，而针对于热释电能量收集器的能量转换与收集特性评价的电学性能参数测量(如热释电器件输出电压、输出能量、功率密度等)研究相对较少。
为此，以微电子技术、嵌入式技术为基础，深入开展微能量收集及相关技术对于进一步研究低功耗无线传感网络节点或智能传感系统在农业、工业、建筑业、医疗、智能交通和环境监测等领域的应用具有十分重要的意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种热释电能量收集器电性能参数测试系统，该系统能够满足热释电能量收集器静/动态测试需要、实现热释电能量收集器电性能参数(如热释电能量收集器的热释电系数、介电常数、损耗以及器件输出电压、能量、功率密度等)的有效测试，解决如何在强干扰噪声条件下，微小电容、微弱电流及微能量测量中关键技术问题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种热释电能量收集器电性能参数测试系统，该系统包括热释电能量收集器测试腔、电性能参数测量接口模块、温度控制接口模块以及基于SOPC的热释电能量收集器电性能测试检测及控制系统；
所述热释电能量收集器测试腔用于快速实现腔内温度恒定/快速实现腔内温度按特定规律变化，满足热释电能量收集器静/动态测试需要；
所述电性能参数测量接口模块用于测量热释电能量收集器静态/动态等效微小电容，再依据平行板电容器电容公式计算出静态/动态条件下热释电能量收集器热释电材料的介电常数；用于测量等速升温条件下热释电电流，再依据热释电系数计算公式计算出热释电能量收集器热释电材料的热释电系数；用于测量温度按特定曲线变化(如特定频率正弦型函数变化)条件下，热释电能量收集器的能量转换与收集特性测量，如有功、无功、视在功率能量值，采样波形以及电压和电流有效值的测量；用于热释电能收集器样品工作于直流偏压条件下，相关电性能参数的测量；
所述温度控制接口模块用于实现热释电能量收集器测试腔体内恒温、等速升温以及温度按特定频率、特定变化曲线的控制；用于测量微小电容时，对腔体内实时温度进行采集或进行温度补偿；
所述基于SOPC的热释电能量收集器电性能测试检测及控制系统用于实现串行外设接口(SPI)外设的控制；用于实现快速温度控制算法的处理；用于人机交互/显示控制的触摸屏控制器控制、红外发射/接收处理控制；用于提供测试需要的直流偏压；用于快速实现腔体内温度按特定需要的PWM输出波形的控制；用于实现电容、电流、功率以及耗损等数据采集以及实现集成系统的控制。
进一步的，所述热释电能量收集器测试腔包括半导体制冷片、散热/导冷片、散热/导冷风扇、柔性蛇形温敏电阻、DS18B20数字温度传感器、PT1000以及由隔热板、保温棉、可变容积安装支架等组成；
所述半导体制冷片，热释电能量收集器测试腔体底层、顶层各安装1片，在控温PWMIP核控制下，分别用于实现腔体内快速升温、降温的控制；
所述散热/导冷片，采用导热硅胶分别与半导体制冷片发热面、致冷面良好粘结，用于快速导热/导冷；
所述散热/导冷风扇，安装在散热/导冷片上，快速实现散热/导冷；
所述柔性蛇形温敏电阻，采用导热硅胶粘贴在测试腔体内底层的半导体制冷片发热面，用于实时检测腔体内底层温度；
所述DS18B20数字温度传感器，安装在热释电能量收集器测试腔体左、右两侧，用于实时测量腔体内左右两侧温度，用于对测试腔体内恒温判别；
所述PT1000，安装在热释电能量收集器测试腔体左/右两侧，对腔体内实时温度进行采集，对测量热释电能量收集器等效微小电容时进行温度补偿；
所述隔热板、保温棉，用于热释电能量收集器腔体隔热、保温；
所述可变容积安装支架，用于改变热释电能量收集器腔体容积、用于调控特定频率控温曲线。
进一步的，所述电性能参数测量接口模块包括微小电容测量电路、微能量测量电路、微小电流测量电路、DAC及直流偏置电路等组成；
所述微小电容测量电路，用于测量热释电能量收集器静态/动态等效微小电容，再依据平行板电容器电容公式计算出静态/动态条件下热释电能量收集器热释电材料的介电常数；
所述微小电流测量电路，用于测量等速升温条件下热释电电流，再依据热释电系数计算公式计算出热释电能量收集器热释电材料的热释电系数；
所述微能量测量电路，用于测量温度按特定曲线变化(如特定频率正弦型函数变化)条件下，热释电能量收集器的能量转换与收集特性测量，如有功、无功、视在功率能量值，采样波形以及电压和电流有效值的测量；
所述DAC及直流偏置电路，用于热释电能收集器样品工作于直流偏压条件下，相关电性能参数的测量。
进一步的，所述温度控制接口模块包括固态继电器阵列电路、模拟温度采集前置放大电路、数字温度采集接口电路、多路电子开关及ADC电路；
所述固态继电器阵列电路，在控温PWM IP核、制热/致冷风扇控制器控制下，对半导体制冷片制热/致冷进行快速控制，实现测试腔体内恒温、等速升温以及温度按特定频率、特定变化曲线的快速控制；
所述模拟温度采集前置放大电路，用于柔性蛇形温敏电阻输出模拟信号采集、放大、滤波等；用于实现测试腔体内底层温度测量；
所述数字温度采集接口电路，用于连接数字温度传感器DS18B20与数字温度处理IP核，便于数字温度处理IP核实时采集测试腔体内左、右测温度；
所述多路电子开关及ADC电路，用于实现微小电流测量电路、模拟温度采集前置放大电路输出信号的采集切换控制以及模数转换控制。
进一步的，所述基于SOPC的热释电能量收集器电性能测试检测及控制系统包括红外发射模块、红外接收IP核、数据采集IP核、控温PWM IP核、散热/导冷风扇控制器、直流偏置控制IP核、快速温度控制算法模块、SPI IP核、数字温度处理IP核、触摸屏控制器、SDRAM控制器和Flash控制器；
所述红外发射模块用于设置初始参数、如控温恒定温度、升温速率、变温频率；
所述红外接收IP核用于解码红外发射的数据，再依据解码后数据进行相关处理；
所述数据采集IP核，用于对经ADC芯片转换后的模拟温度数据、微小电流数据进行采集，为后续进行恒温/变温、热释电系数计算提供依据；
所述控温PWM IP核，依据控温条件，结合采集的实际温度，在快速温度控制算法模块的控制下，输出PWM波形控制相应的固态继电器，为半导体制冷片断续供电，达到控温目的；
所述散热/导冷风扇控制器，控制相应的固态继电器，实现快速散热/导冷控制；
所述直流偏置控制IP核，依据设置的初始条件，控制输出特定的恒定数据，经DAC及直流偏置电路输出一定直流成分，作为热释电能收集器样品工作的直流偏压；
所述快速温度控制算法模块，依据控温条件，结合数字温度传感器、柔性蛇形温敏电阻采集的测试腔体底层、左右侧温度，基于模糊PID控温算法实现测试腔体内温度的快速控制；
所述SPI IP核，用于实现对微能量测量电路、微小电容测量电路中ADE7753、PCap02AE芯片的控制、并对ADE7753、PCap02AE内部用于与外部进行数据交换的寄存器进行数据读/写操作；
所述数字温度处理IP核，用于将DS18B20输出的数据处理成NIOS II软核处理器能识别的温度数据；
所述触摸屏控制器，用于实现触摸屏的显示/人机交互控制；
所述SDRAM控制器，用于控制初始设置数据的存储、数据的缓存；
所述Flash控制器，用于控制系统中数据和应用程序的存储。
进一步的，所述红外接收IP核、数据采集IP核、控温PWM IP核、散热/导冷风扇控制器、直流偏置控制IP核、快速温度控制算法模块、SPI IP核、数字温度处理IP核、触摸屏控制器、SDRAM控制器、Flash控制器通过SOPC技术封装在单一FPGA芯片中。
本发明的有益效果在于：本发明提供的热释电能量收集器电性能参数测试系统，针对热释电能量收集器静/动态测试需要，利用快速温度控制算法(如模糊PID)实现热释电能量收集器测试腔体温度恒温/变温精准控制、基于SOPC技术实现微小电容、微弱电流、微能量测量，温度数据数据采集，以及人机交互控制等。它包括芯热释电能量收集器测试腔、电性能参数测量接口模块、温度控制接口模块以及基于SOPC的热释电能量收集器电性能测试检测、控制系统。该系统能有效测试热释电能量收集器电性能参数，如热释电能量收集器的热释电系数、介电常数、损耗以及器件输出电压、能量、功率密度等；该系统架构灵活、升级换代容易、控制方式便捷、具有功耗低、灵敏度高；采用SOPC技术实现系统架构能解决采用传统的系统设计方法系统功能升级困难，维护性差以及设计的灵活性较低等问题，能有效地简化系统的构造、缩短从概念到实现的距离。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为热释电能量收集器电性能参数测试系统原理框图；
图2为热释电能量收集器测试腔体结构示意图；
图3为微小电流测量电原理图；
图4为微能量测量电原理图；
图5为微小电容测量电原理图；
其中：热释电能量收集器测试腔体1、模拟温度采集前置放大电路2、微弱电流测量电路3、固态继电器阵列4、多路电子开关及ADC电路5、红外遥控发射电路6、红外接收IP核7、NIOS II软核处理器8、Flash控制器9、数据采集控制IP核10、快速温度控制算法11、SDRAM控制器12、Flash 13、SDRAM 14、显示/人机交互15、控温PWM IP核16、触摸屏控制器17、散热/导冷风扇控制器18、直流偏置控制IP核19、数字温度处理IP核20、SPI IP核21、DAC及直流偏置电路22、微小电容测量电路23、微能量测量电路24、数字温度采集接口电路25；可变容积安装支架26、散热片27、隔热板28、保温棉29、PT1000热敏电阻30、柔性蛇形热敏电阻31、半导体制冷片(1)发热面32、导冷风扇33、导冷片34、热释电能量收集器样品35、DS18B20数字温度传感器36、半导体制冷片(2)致冷面37、散热风扇38、差动放大单元39、仪表放大单元40、电流检测输出单元41、电压输出单元42、微电能测量单元43。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
图1为热释电能量收集器电性能参数测试系统原理框图，如图所示：本发明提供的热释电能量收集器电性能参数测试系统，包括热释电能量收集器测试腔、电性能参数测量接口模块、温度控制接口模块以及基于SOPC的热释电能量收集器电性能测试检测、控制系统。
图2为热释电能量收集器测试腔体结构示意图，如图所示，所述热释电能量收集器测试腔由可变容积安装支架26、散热片27、隔热板28、保温棉29、PT1000热敏电阻30、柔性蛇形热敏电阻31、半导体制冷片(1)发热面32、导冷风扇33、导冷片34、热释电能量收集器样品35、DS18B20数字温度传感器36、半导体制冷片(2)致冷面37、散热风扇38等组成。半导体制冷片(1)发热面32、半导体制冷片(2)致冷面37分别放置在测试腔体底层、顶层；柔性蛇形热敏电阻31采用导热硅胶粘贴在测试腔体内底层的半导体制冷片发热面上，2只DS18B20数字温度传感器36分别安装在测试腔体左右两侧，PT1000热敏电阻30安装在在测试腔体左/右侧；散热片27、导冷片34采用导热硅胶粘贴在半导体制冷片(2)的发热面(即致冷面37的背面)、半导体制冷片(1)的致冷面(即发热面32的背面)，并分别散热风扇38、导冷风扇33组装在一起；通过隔热板28、保温棉29，围成一密封测试空间；通过可变容积支架26上下移动，可调节密封测试空间大小；测试用热释电能量收集器样品35可采用传统固相法按一定工艺流程制备不同Zr/Ti组分制备的热释电陶瓷片(Zr/Ti:94/6、95/5、96/4)，并制作单片、阵列和叠层三种不同结构的热释电能量收集器。陶瓷片材料组分配比为Pb[(MnxNb1-x)1/2(MnxSb1-x)1/2]y(ZrzTi1-z)1-yO3，其中：0.3≤x≤0.7，0≤y≤0.3，0.85≤z≤0.96，制备主要工艺流程为：首先，将分析纯PbO、ZrO2、TiO2、Nb2O5、Sb2O3粉体原料和Mn(NO3)2溶液按设定的化学计量比配料，经球磨、干燥和过筛后，在850℃保温2小时预烧合成粉料；再通过造粒、干压成型得到直径为17mm、厚度为1.5mm的圆形坯体；坯体通过600℃排胶后，在1180～1300℃坩埚密封气氛中烧结2h以成瓷；将成瓷试样打磨、清洗、被银、烧电极，得到有双面电极的陶瓷片。最后，进行陶瓷片极化，极化条件是：在100～120℃的硅油中极化时间为15～30min，极化电场为3～5kV/mm。双面制备有Ag电极和电极引线，阵列结构采用导电胶将多片陶瓷片并列等距粘贴在基底黄铜片上，叠层结构采用导电胶将陶瓷片上、下错位粘贴。
图3为微小电流测量电原理图，所述电性能参数测量接口模块由微小电容测量电路23、微能量测量电路24、微弱电流测量电路3、DAC及直流偏置电路22等组成。由图5可知，微小电容测量电路23由PCap02AE单芯片构成，该芯片自带有信号处理器DSP，对功耗、精度和速度都进行了优化，可灵活配置，且外部电路结构简单，能达到高精度、抗干扰、低功耗、线性度好的要求。热释电能量收集器连接在PC2-PC3两端，C21作为参考电容连接在PC0-PC1两端，通过SPI IP核21对PCap02AE控制，模块测量当前的电容值，将测量结果放在结果寄存器中。该芯片的独特之处就在于所测结果以待测电容和参考电容C21之比的形式给出，这样既可以不考虑内部晶振的误差，也减少了温度对于测量结果的影响。另外，测试系统中，还利用外接温度传感器PT100030实时测量测试腔体内温度，用以对温度进行补偿。测量热释电能量收集器静态/动态等效微小电容后，再依据平行板电容器电容公式即可计算出静态/动态条件下热释电能量收集器热释电材料的介电常数。
所述微能量测量电路24由电流检测输出单元41、电压输出单元42、微电能测量单元43构成。如图4所示，电流检测输出单元41LTC6102是一款精准零漂移、高压侧电流检测放大器，通过一个外部检测电阻器R31(分流电阻器)两端的电压来监视电流，该芯片输出与微电能测量单元43ADE7753V2P端相连，与V2N一道作为电流信号输出端。通过SPI IP核21对ADE7753控制，经LTC6102输出的电流信号经内部放大、A/D转换、数字高通滤波器处理(可选功能)后,还需经内部积分器对其进行积分，才得到可用于电流有效值和电能计算的电流数据；热释电能量收集器电压输出接ADE7753V1P、V1N两端口，电压输出单元42输出的电压信号经放大、A/D转换后,经相位校正处理,得到可用于电压有效值和电能计算的电压数据。电流数据与电压数据相乘并进行低通滤波，再累计，并用ADE7753内部APOS寄存器中的设定值进行有功失调校正，再用芯片内部WGAIN寄存器中的设定值进行有功误差校正，即可得到满足精度要求的有功电能值。该值经芯片内部CFNUM寄存器和CFDEN寄存器的值进行乘除处理后,送出与实际电功率成比例的电脉冲信号。电流数据经移相90°后与电压数据相乘得到无功电能数据。ADE7753芯片本身对该数据既不进行失调校正，也不进行误差校正。NIOS II软核处理器8经SPI IP核21读出该值后，需进行校正计算，才可得到与实际相符的无功电能值。电流有效值和电压有效值是通过对各自信号数据进行均方根计算，再通过失调校正后得到。电流与电压的有效值相乘。再累计。并用芯片内部VA-GAIN寄存器中的设定值进行视在电能的误差校正，即可得到满足精度要求的视在电能值。由于用于视在电能计算的电流有效值、电压有效值其失调均可独立进行，无需单独对视在电能进行失调校正。ADE7753内部共有42个用于与外部进行数据交换的寄存器,有的只能读,有的既能读又能写；有的数据长度只有6位，有的长度为24位；有的用于存储测量数据，有的用于完成芯片的设定，有的用于指示芯片的工作状态。通过SPI IP核21对ADE7753内部寄存器的读/写控制，能实现微能量有功、无功、视在电能的测量；电流和电压有效值测量，并可实时提供电流、电压、有功波形数据。
所述微弱电流测量电路3由差动放大单元39、仪表放大单元40构成。如图3所示，由于热释电信号是很微弱的低频信号，采用差动、源极跟随器结构，源极跟随器的输出电阻很小，实现阻抗转换的功能。差动放大三极管选用结型场效应管，为了能测到微弱的热释电信号R13、R16取值应在109数量级以上。热释电信号经差动放大后再通过仪表放大单元40AD620进一步放大，电路中为保证放大精度，R112电阻选用精度0.1％以上电阻。经后续多路电子开关及ADC电路5将模拟信号转为数字信号，由数据采集IP核采集后送NIOS II软核处理器8处理，即可得到热释电电流，再依据热释电系数计算公式计算出热释电能量收集器热释电材料的热释电系数；
所述DAC及直流偏置电路22，用于提供热释电能收集器样品工作于直流偏压条件下的直流偏置电压，便于测试直流偏置条件下相关电性能参数的测量；
所述固态继电器阵列电路4，在控温PWM IP核、制热/致冷风扇控制器控制下，对半导体制冷片制热/致冷进行快速控制，实现测试腔体内恒温、等速升温以及温度按特定频率、特定变化曲线的快速控制；
所述模拟温度采集前置放大电路2，用于柔性蛇形温敏电阻输出模拟信号采集、放大、滤波等；用于实现测试腔体内底层温度测量；
所述数字温度采集接口电路25，用于连接数字温度传感器DS18B20与数字温度处理IP核，便于数字温度处理IP核实时采集测试腔体内左、右测温度；
所述多路电子开关及ADC电路5，用于实现微小电流测量电路、模拟温度采集前置放大电路输出信号的采集切换控制以及模数转换控制；
所述基于SOPC的热释电能量收集器电性能测试检测、控制系统包括红外发射模块7、红外接收IP核7、数据采集IP核10、控温PWM IP核16、散热/导冷风扇控制器18、直流偏置控制IP核19、快速温度控制算法模块11、SPI IP核21、数字温度处理IP核20、触摸屏控制器17、SDRAM控制器12、Flash控制器9等组成；
所述红外发射模块，用于设置初始参数、如控温恒定温度、升温速率、变温频率等；
所述红外接收IP核，用于解码红外发射的数据，再依据解码后数据进行相关处理；
所述数据采集IP核，用于对经ADC芯片转换后的模拟温度数据、微小电流数据进行采集，为后续进行恒温/变温、热释电系数计算提供依据；
所述控温PWM IP核，依据控温条件，结合采集的实际温度，在快速温度控制算法模块的控制下，输出PWM波形控制相应的固态继电器，为半导体制冷片断续供电，达到控温目的；
所述散热/导冷风扇控制器，控制相应的固态继电器，实现快速散热/导冷控制；
所述直流偏置控制IP核，依据设置的初始条件，控制输出特定的恒定数据，经DAC及直流偏置电路输出一定直流成分，作为热释电能收集器样品工作的直流偏压；
所述快速温度控制算法模块，依据控温条件，结合数字温度传感器、柔性蛇形温敏电阻采集的测试腔体底层、左右侧温度，基于模糊PID控温算法实现测试腔体内温度的快速控制；
所述SPI IP核，用于实现对微能量测量电路、微小电容测量电路中ADE7753、PCap02AE芯片的控制、并对ADE7753、PCap02AE内部用于与外部进行数据交换的寄存器进行数据读/写操作；
所述数字温度处理IP核，用于将DS18B20输出的数据处理成NIOS II软核处理器能识别的温度数据；
所述触摸屏控制器，用于实现触摸屏的显示/人机交互控制；所述SDRAM控制器，用于控制初始设置数据的存储、数据的缓存；所述Flash控制器，用于控制系统中数据和应用程序的存储；所述红外接收IP核、数据采集IP核、控温PWM IP核、散热/导冷风扇控制器、直流偏置控制IP核、快速温度控制算法模块、SPI IP核、数字温度处理IP核、触摸屏控制器、SDRAM控制器、Flash控制器通过SOPC技术封装在单一FPGA芯片中。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (5)
1.一种热释电能量收集器电性能参数测试系统，其特征在于：该系统包括热释电能量收集器测试腔、电性能参数测量接口模块、温度控制接口模块以及基于SOPC的热释电能量收集器电性能测试检测及控制系统；
所述热释电能量收集器测试腔用于快速实现腔内温度恒定/快速实现腔内温度按特定规律变化，满足热释电能量收集器静/动态测试需要；
所述电性能参数测量接口模块用于测量热释电能量收集器静态/动态等效微小电容，再依据平行板电容器电容公式计算出静态/动态条件下热释电能量收集器热释电材料的介电常数；用于测量等速升温条件下热释电电流，再依据热释电系数计算公式计算出热释电能量收集器热释电材料的热释电系数；用于测量温度按特定曲线变化条件下，热释电能量收集器的能量转换与收集特性测量，采样波形以及电压和电流有效值的测量；用于热释电能收集器样品工作于直流偏压条件下，相关电性能参数的测量，所述相关电性能参数包括热释电能量收集器的热释电系数、介电常数、损耗以及器件输出电压、能量和功率密度；
所述温度控制接口模块用于实现热释电能量收集器测试腔体内恒温、等速升温以及温度按特定频率、特定变化曲线的控制；用于测量微小电容时，对腔体内实时温度进行采集或进行温度补偿；
所述基于SOPC的热释电能量收集器电性能测试检测及控制系统用于实现串行外设接口外设的控制；用于实现快速温度控制算法的处理；用于人机交互/显示控制的触摸屏控制器控制、红外发射/接收处理控制；用于提供测试需要的直流偏压；用于快速实现腔体内温度按特定需要的PWM输出波形的控制；用于实现电容、电流、功率以及耗损数据采集以及实现集成系统的控制；
所述热释电能量收集器测试腔包括半导体制冷片、散热/导冷片、散热/导冷风扇、柔性蛇形温敏电阻、DS18B20数字温度传感器、PT1000以及由隔热板、保温棉、可变容积安装支架组成；
所述半导体制冷片，热释电能量收集器测试腔体底层、顶层各安装1片，在控温PWM IP核控制下，分别用于实现腔体内快速升温、降温的控制；
所述散热/导冷片，采用导热硅胶分别与半导体制冷片发热面、致冷面良好粘结，用于快速导热/导冷；
所述散热/导冷风扇，安装在散热/导冷片上，快速实现散热/导冷；
所述柔性蛇形温敏电阻，采用导热硅胶粘贴在测试腔体内底层的半导体制冷片发热面，用于实时检测腔体内底层温度；
所述DS18B20数字温度传感器，安装在热释电能量收集器测试腔体左、右两侧，用于实时测量腔体内左右两侧温度，用于对测试腔体内恒温判别；
所述PT1000，安装在热释电能量收集器测试腔体左/右两侧，对腔体内实时温度进行采集，对测量热释电能量收集器等效微小电容时进行温度补偿；
所述隔热板、保温棉，用于热释电能量收集器腔体隔热、保温；
所述可变容积安装支架，用于改变热释电能量收集器腔体容积、用于调控特定频率控温曲线。
2.根据权利要求1所述的热释电能量收集器电性能参数测试系统，其特征在于：所述电性能参数测量接口模块包括微小电容测量电路、微能量测量电路、微小电流测量电路、DAC及直流偏置电路组成；
所述微小电容测量电路，用于测量热释电能量收集器静态/动态等效微小电容，再依据平行板电容器电容公式计算出静态/动态条件下热释电能量收集器热释电材料的介电常数；
所述微小电流测量电路，用于测量等速升温条件下热释电电流，再依据热释电系数计算公式计算出热释电能量收集器热释电材料的热释电系数；
所述微能量测量电路，用于测量温度按特定曲线变化条件下，热释电能量收集器的能量转换与收集特性测量，采样波形以及电压和电流有效值的测量；
所述DAC及直流偏置电路，用于热释电能收集器样品工作于直流偏压条件下，相关电性能参数的测量。
3.根据权利要求2所述的热释电能量收集器电性能参数测试系统，其特征在于：所述温度控制接口模块包括固态继电器阵列电路、模拟温度采集前置放大电路、数字温度采集接口电路、多路电子开关及ADC电路；
所述固态继电器阵列电路，在控温PWM IP核、制热/致冷风扇控制器控制下，对半导体制冷片制热/致冷进行快速控制，实现测试腔体内恒温、等速升温以及温度按特定频率、特定变化曲线的快速控制；
所述模拟温度采集前置放大电路，用于柔性蛇形温敏电阻输出模拟信号采集、放大、滤波；用于实现测试腔体内底层温度测量；
所述数字温度采集接口电路，用于连接数字温度传感器DS18B20与数字温度处理IP核，便于数字温度处理IP核实时采集测试腔体内左、右测温度；
所述多路电子开关及ADC电路，用于实现微小电流测量电路、模拟温度采集前置放大电路输出信号的采集切换控制以及模数转换控制。
4.根据权利要求1所述的热释电能量收集器电性能参数测试系统，其特征在于：所述基于SOPC的热释电能量收集器电性能测试检测及控制系统包括红外发射模块、红外接收IP核、数据采集IP核、控温PWM IP核、散热/导冷风扇控制器、直流偏置控制IP核、快速温度控制算法模块、SPI IP核、数字温度处理IP核、触摸屏控制器、SDRAM控制器和Flash控制器；
所述红外发射模块用于设置初始参数，所述初始参数包括控温恒定温度、升温速率、变温频率；
所述红外接收IP核用于解码红外发射的数据，再依据解码后数据进行相关处理；
所述数据采集IP核，用于对经ADC芯片转换后的模拟温度数据、微小电流数据进行采集，为后续进行恒温/变温、热释电系数计算提供依据；
所述控温PWM IP核，依据控温条件，结合采集的实际温度，在快速温度控制算法模块的控制下，输出PWM波形控制相应的固态继电器，为半导体制冷片断续供电，达到控温目的；
所述散热/导冷风扇控制器，控制相应的固态继电器，实现快速散热/导冷控制；
所述直流偏置控制IP核，依据设置的初始条件，控制输出特定的恒定数据，经DAC及直流偏置电路输出一定直流成分，作为热释电能收集器样品工作的直流偏压；
所述快速温度控制算法模块，依据控温条件，结合数字温度传感器、柔性蛇形温敏电阻采集的测试腔体底层、左右侧温度，基于模糊PID控温算法实现测试腔体内温度的快速控制；
所述SPI IP核，用于实现对微能量测量电路、微小电容测量电路中ADE7753、PCap02AE芯片的控制、并对ADE7753、PCap02AE内部用于与外部进行数据交换的寄存器进行数据读/写操作；
所述数字温度处理IP核，用于将DS18B20输出的数据处理成NIOS II软核处理器能识别的温度数据；
所述触摸屏控制器，用于实现触摸屏的显示/人机交互控制；
所述SDRAM控制器，用于控制初始设置数据的存储、数据的缓存；
所述Flash控制器，用于控制系统中数据和应用程序的存储。
5.根据权利要求4所述的热释电能量收集器电性能参数测试系统，其特征在于：所述红外接收IP核、数据采集IP核、控温PWM IP核、散热/导冷风扇控制器、直流偏置控制IP核、快速温度控制算法模块、SPI IP核、数字温度处理IP核、触摸屏控制器、SDRAM控制器、Flash控制器通过SOPC技术封装在单一FPGA芯片中。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610957933.9A CN106443273B (zh) | 2016-11-03 | 2016-11-03 | 热释电能量收集器电性能参数测试系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610957933.9A CN106443273B (zh) | 2016-11-03 | 2016-11-03 | 热释电能量收集器电性能参数测试系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN106443273A CN106443273A (zh) | 2017-02-22 |
| CN106443273B true CN106443273B (zh) | 2019-05-24 |
Family
ID=58179733
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610957933.9A Expired - Fee Related CN106443273B (zh) | 2016-11-03 | 2016-11-03 | 热释电能量收集器电性能参数测试系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN106443273B (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108019982B (zh) * | 2017-11-28 | 2020-05-26 | 四川航天系统工程研究所 | 一种半导体热电制冷器驱动控制方法 |
| CN108647168B (zh) * | 2018-04-26 | 2020-08-14 | 北京航天自动控制研究所 | 一种基于cpci的模拟量采集控制系统及方法 |
| CN114020071B (zh) * | 2021-11-10 | 2022-10-18 | 经纬恒润(天津)研究开发有限公司 | 恒温系统及恒温控制方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06160193A (ja) * | 1992-04-23 | 1994-06-07 | Nippon Ceramic Co Ltd | 焦電係数簡易測定装置 |
| CN1865965A (zh) * | 2006-05-16 | 2006-11-22 | 华中科技大学 | 热释电系数测量装置 |
| CN102890199A (zh) * | 2011-07-20 | 2013-01-23 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种同步测量热释电材料偏场下介电热释电性能的装置及方法 |
| CN205210615U (zh) * | 2015-12-16 | 2016-05-04 | 湖北民族学院 | 基于sopc的热释电能量收集系统 |
-
2016
- 2016-11-03 CN CN201610957933.9A patent/CN106443273B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06160193A (ja) * | 1992-04-23 | 1994-06-07 | Nippon Ceramic Co Ltd | 焦電係数簡易測定装置 |
| CN1865965A (zh) * | 2006-05-16 | 2006-11-22 | 华中科技大学 | 热释电系数测量装置 |
| CN102890199A (zh) * | 2011-07-20 | 2013-01-23 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种同步测量热释电材料偏场下介电热释电性能的装置及方法 |
| CN205210615U (zh) * | 2015-12-16 | 2016-05-04 | 湖北民族学院 | 基于sopc的热释电能量收集系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN106443273A (zh) | 2017-02-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106443273B (zh) | 热释电能量收集器电性能参数测试系统 | |
| Cuadras et al. | Thermal energy harvesting through pyroelectricity | |
| CN103196947B (zh) | 一种热电制冷片热电性能的测量装置及方法 | |
| CN103943771A (zh) | 一种弛豫铁电单晶热释电红外探测器及其制备方法 | |
| CN106655891B (zh) | 热释电/压电能量收集器及其集成系统 | |
| CN103994788A (zh) | 室内热舒适性检测系统 | |
| CN108803308A (zh) | 基于自适应区间pid控制的气体多通池温控系统及方法 | |
| CN107741712A (zh) | 一种集成式监控装置 | |
| CN103528361A (zh) | 一种重量可实时监控的智能烘箱 | |
| Xu et al. | CMOS compatible MEMS multienvironmental sensor chip for human thermal comfort measurement in smart buildings | |
| Zhao et al. | Enhanced temperature stability of compensated pyroelectric infrared detector based on Mn: PMN-PT single crystals | |
| CN106383161B (zh) | 基于Li3PO4-Li4SiO4混合固体电解质的电势型气体传感器及其制备方法 | |
| CN107329507A (zh) | 一种恒温控制系统 | |
| CN103674308B (zh) | 精密可调式热电偶冷端温度补偿仪 | |
| CN101867011B (zh) | 一种热释电薄膜材料及其制备方法 | |
| CN206387494U (zh) | 一种红外成像测温传感器 | |
| CN109297608A (zh) | 基于掺杂钛酸锶基氧化物的微区热扰动双向锁定探测方法 | |
| CN100380587C (zh) | 具有自支撑的非晶硅热成像探测器微结构的制作方法 | |
| CN203535468U (zh) | 温湿度控制器检测仪 | |
| CN208505947U (zh) | 一种热释电系数测量装置 | |
| CN113358575B (zh) | 基于薄膜热电器件的多颜色多材料光热传感器及试验设备 | |
| Li et al. | The research on capacitance sensor with dielectric film coating for thinkness measurement of water film | |
| CN202995518U (zh) | 新型晶硅太阳能温湿度智能调节控制装置 | |
| CN205484172U (zh) | 一种便携式蜂蜜含水率快速测量装置 | |
| Sun et al. | Design of an online moisture detection system for grain dryer |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20190524 Termination date: 20201103 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |