CN108761172B - 热电材料Seebeck系数的高精度测量方法 - Google Patents

热电材料Seebeck系数的高精度测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明旨在提供一种操作简单且能精确获得测量值的热电材料Seebeck系数的高精度测量方法。本发明方法包括以下步骤：制备测试探头；布置探测连接；将两组测试探头的同一种金属物测试极与被测热电材料分别组成两个环路，分别检测两对测试极之间的电压，分别记为U1和U2；计算被测热电材料的Seebeck系数S，最后得到被测热电材料的Seebeck系数。本发明应用于新材料测试领域。

Description

热电材料Seebeck系数的高精度测量方法
技术领域
本发明涉及新材料测试领域，特别涉及一种热电材料Seebeck系数（塞贝克系数）的高精度测量方法。
背景技术
随着世界范围内以石油、煤、天然气为代表的一次能源的日益短缺和环境污染的不断恶化，环境友好型的新能源材料——热电材料备受关注。热电材料是利用固体内部载流子运动实现热能和电能转换的功能材料，它可以用于制作温差发电机或者电制冷装置。凭借着结构简单、质量轻、体积小、无运动部件、寿命长、安全、清洁、环保等优势被越来越多的领域广泛使用。
如何测试热电材料的发电性能，保证其质量和一致性也就显得尤为重要。当前测试热电材料的Seebeck系数（塞贝克系数）主要有两种方法，其一是在材料的一端加热几百摄氏度，然后测量中间两个点的Seebeck系数；另外一种是测试热电材料时一端加热10摄氏度左右。但这两种方式均存在一定的不足：第一种加热几百摄氏度的方式，高温加热会导致材料本身发生氧化，使测得的Seebeck系数参杂氧化物的Seebeck系数，从而导致测量不准。同时温度变化几百摄氏度，材料本身的Seebeck系数可能会发生变化。第二种测量方式，由于热电材料本身的导热性很差，当一端加热一个较低的温度时，在中间两个测量点上几乎没有温差，测试Seebeck系数困难而且偏差较大，该方法只能测试尺寸比较小的热电材料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种操作简单且能精确获得测量值的热电材料Seebeck系数的高精度测量方法。
本发明所采用的技术方案是：本发明方法包括以下步骤：
（a）制备测试探头：以已知Seebeck系数的铜和康铜作为测试探头的两个测试极，将两种金属物在端点处熔接为一体，并以该熔接点作为探测接触点，其中，铜和康铜的Seebeck系数分别记为S1和S2，同时制备两组测试探头；
（b）布置探测连接：将两组测试探头同时与被测热电材料通过探测接触点连接，且两组测试探头与被测热电材料的接触点不同，对其中一组测试探头加热；
（c）将两组测试探头的同一种金属物测试极与被测热电材料分别组成两个环路，分别检测两对测试极之间的电压，其中铜极记为U1，康铜极记为U2；
（d）计算被测热电材料的Seebeck系数S：
设两组测试探头在被测热电材料上的两个探测接触点之间的温差为△T，得
U1=（S1-S）×△T，
U2=（S2-S）×△T，U1和U2相除，最后得到
S=U2×（S2-S1）/（U1-U2）+S2。
进一步地，在所述步骤（c）中，检测两对测试极之间的电压时，通过信号放大器放大后，再模数转换器转换，最后经过校准仪校准后测得U1和U2。
又进一步地，在所述步骤（a）中，所述铜和康铜不掺杂其它元素，且两种金属物均为均质金属物。
再又进一步地，在所述步骤（b）中，对其中一组测试探头加热时，采用陶瓷加热片进行加热。
上述方案可见，本发明通过设置由两种不同金属物组成的测试探头来检测被测热电材料的电压差值，且在其中一个测试探头一端加热，这种方式加热温度只比常温高几个摄氏度，测试探头将热量传递给被测物品；与现有技术相比，本发明无需对热电材料加以高温，不会加速被测热电材料出现老化现象，无需为了防止氧化问题去搭建真空测试环境，大大地降低了成本；也不会改变被测热电材料本身的Seebeck系数，保证了测试的精确度；而测试点之间会有几个摄氏度的温差，这并不会受限于被测热电材料的面积大小与形状不一，从而大大地简化了测试过程，也扩大了其适应性和使用范围；此外，采用两种不同的金属物熔接为一体而成为测试点，测试点与被测热电材料的受热点几乎是同一点，测量更加准确，进一步提升了测试精确度。经过试验，以测试四根N型热电材料为例，测试四个面，每个面测试4个点，测试数据符合N型热电材料因制作工艺形成的Seebeck系数呈趋势变化。
附图说明
图1是本发明布置探测连接的简易示意图；
图2是被加热的所述测试探头的简易结构示意图；
图3是本发明信号放大部分的简易电路原理示意图；
图4是本发明模数转换部分的简易电路原理示意图；
图5是本发明对样品一进行Seebeck系数测试的Seebeck系数结果示意图，其中，纵坐标是Seebeck测试值，横坐标是测试的点；
图6是本发明对样品二进行Seebeck系数测试的Seebeck系数结果示意图，其中，纵坐标是Seebeck测试值，横坐标是测试的点；
图7是本发明对样品三进行Seebeck系数测试的Seebeck系数结果示意图，其中，纵坐标是Seebeck测试值，横坐标是测试的点；
图8是本发明对样品四进行Seebeck系数测试的Seebeck系数结果示意图，其中，纵坐标是Seebeck测试值，横坐标是测试的点。
具体实施方式
如图1至图8所示，本发明方法包括以下步骤：
（a）制备测试探头：以已知Seebeck系数的铜1和康铜2作为测试探头的两个测试极，将两种金属物在端点处熔接为一体，并以该熔接点作为探测接触点，其中，两种金属物的Seebeck系数分别记为S1和S2，同时制备两组测试探头；此外，两种金属物不掺杂其它元素，且两种金属物均为均质金属物。
（b）布置探测连接：将两组测试探头同时与被测热电材料通过探测接触点连接，且两组测试探头与被测热电材料的接触点不同，对其中一组测试探头加热，在本实施例中，采用陶瓷加热片3进行加热。
（c）将两组测试探头的同一种金属物测试极与被测热电材料分别组成两个环路，即两组测试探头中的铜1与被测热电材料形成一个环路，两组测试探头中的康铜2与被测热电材料形成一个环路，然后分别检测两对测试极之间的电压，其中铜极记为U1，康铜极记为U2，如图1所示。检测两对测试极之间的电压时，通过信号放大器放大后，再模数转换器转换，最后经过校准仪校准后测得U1和U2，如图3和图4的原理图所示，图3是测试样品的微弱电压信号（DC_Sense_P/DC_Sense_N）经过滤波和放大之后形成可测量的电压信号（DC_Sense_ADC_P/DC_Sense_ADC_N）；图4是ADC采集电路，将模拟的电压信号转换为数字信号。在这里，校准仪选用安捷伦的34420仪器（7位半的纳伏表），经过校准之后，精度能达到0.1%+1uV。之所以对信号进行无损处理，是因为热电材料在低温差下产生的电压是微伏级的微弱电压信号，而普通6位半的仪器最小量程是100毫伏，满量程误差大多是0.02%，所以使用普通仪器测量该电压误差较大，并且成本高。所以使用信号放大器将信号放大后再使用24位的ADC采集，该电路经过安捷伦的34420仪器（7位半的纳伏表）校准之后，精度能达到0.1%+1微伏。并且这种测量方法成本低。
（d）计算被测热电材料的Seebeck系数S：
设两组测试探头在被测热电材料上的两个探测接触点之间的温差为△T，得
U1=（S1-S）×△T，
U2=（S2-S）×△T，U1和U2相除，最后得到
S=U2×（S2-S1）/（U1-U2）+S2。
在本实施例中，测试四根N型热电材料样品，测试四个面，每个面测试4个点，测试数据符合N型因制作工艺形成的Seebeck系数呈趋势变化。如图5至图8所示。
本发明测试方法操作简单，成本低；无需为了防止氧化问题去搭建真空测试环境；测试点与被测热电材料的受热点几乎是同一点，测量更加准确；测试产品不受大小限制，使用范围更广。
本发明应用于新材料测试领域。

Claims (4)

1.一种热电材料Seebeck系数的高精度测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（a）制备测试探头：以已知Seebeck系数的铜（1）和康铜（2）作为测试探头的两个测试极，将两种金属物在端点处熔接为一体，并以该熔接点作为探测接触点，其中，铜（1）和康铜（2）的Seebeck系数分别记为S1和S2，同时制备两组测试探头；
（b）布置探测连接：将两组测试探头同时与被测热电材料通过探测接触点连接，且两组测试探头与被测热电材料的接触点不同，对其中一组测试探头加热；
（c）将两组测试探头的同一种金属物测试极与被测热电材料分别组成两个环路，分别检测两对测试极之间的电压，其中两个铜极之间的电压记为U1，两个康铜极之间的电压记为U2；
（d）计算被测热电材料的Seebeck系数S：
设两组测试探头在被测热电材料上的两个探测接触点之间的温差为△T，得
U1=（S1-S）×△T，
U2=（S2-S）×△T，U1和U2相除，最后得到
S=U2×（S2-S1）/（U1-U2）+S2。
2.根据权利要求1所述的热电材料Seebeck系数的高精度测量方法，其特征在于：在所述步骤（c）中，检测两对测试极之间的电压时，通过信号放大器放大后，再经过模数转换器转换，最后经过校准仪校准后测得U1和U2。
3.根据权利要求1所述的热电材料Seebeck系数的高精度测量方法，其特征在于：在所述步骤（a）中，所述铜（1）和康铜（2）不掺杂其它元素，且两种金属物均为均质金属物。
4.根据权利要求1所述的热电材料Seebeck系数的高精度测量方法，其特征在于：在所述步骤（b）中，对其中一组测试探头加热时，采用陶瓷加热片进行加热。
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