CN110596185A - 一种热电纤维材料塞贝克值测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热电纤维材料塞贝克值测试装置，与现有技术相比解决了无法针对热电纤维材料进行Seebeck测试的缺陷。本发明中测试纤维样品的左端安装在左陶瓷片上、右端安装在右陶瓷片上，所述的左陶瓷片为加热陶瓷片，左电压探针台的探针抵在测试纤维样品的左端，右电压探针台的探针抵在测试纤维样品的右端。本发明能够适用于热电纤维材料的塞贝克值测试。

Description

一种热电纤维材料塞贝克值测试装置

技术领域

本发明涉及热电材料测试技术领域，具体地说是一种热电纤维材料塞贝克值测试装置。

背景技术

1821年，德国科学家Thomas Johann Seeback发现，当两种不同的导体或者半导体相接触，由温差的不同而引起的两种物质之间形成电压差，称之为塞贝克效应(Seebeck效应)。热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料，这种材料中热能直接转化为电能。半导体产生Seebeck效应的主要原因是在热场的作用下，载流子由热端往冷端扩散的结果。对p型半导体来说，由于热端空穴具有较高的温度，空穴便在热场的作用下由高温端向低温端扩散，当材料内部的扩散作用与电场的漂移作用相互抵消时，即达到稳定状态，此时在半导体内部便出现了电场，称为温差电动势；这里温差电动势是半导体在的冷热两端由于温度梯度所引起的电动势。对n型半导体而言，温差电动势是由于电子从高温向低温扩散，电子在冷端聚集而形成。显而易见，p型半导体的温差电动势的方向是从低温端指向高温端，此时Seebeck系数为负，相反，n型半导体的温差电动势的方向是高温端指向低温端，此时Seebeck系数为正，因此利用温差电动势的方向即可判断半导体的导电类型。半导体的温差电动势较大，可用来制作温差发电器，可以通过对环境余热的利用，实现将热能转换成为电能，是一种绿色环保的新型能源技术。

塞贝克系数(Seebeck coefficient)也称为温差电动势率，其只与材料本身的性质有关，是材料的固有物理属性。材料的热电优值(ZT)决定了材料得热电转化效率，通常来说，材料的热电优值越大，热电转化效率越高，其计算公式为ZT＝S²σT/k，其中S是塞贝克系数，σ是导电率，T是绝对温度，k是热导率。所以要评价一种材料热电效应得好坏，须知道该材料的S。待测材料的塞贝克系数可由S＝ΔV/ΔT计算得来，由此可见，要想获得材料的塞贝克系数，只需测量温差ΔT，以及相对该温差产生的电动势ΔV。样品的绝对塞贝克系数S需要从获得的相对塞贝克系数中去除导线和热电偶对塞贝克系数的额外贡献Sref，金属的绝对塞贝克系数很低，若采用铜镀金的探针测材料的塞贝克系数，其产生的Sref则可忽略。

由于热电材料分很多种形态，常见的有块材、纤维与薄膜，已有的塞贝克系数测量仪器大多价格昂贵、测试耗时长，且只针对大体(面)积的块材、薄膜进行测试，无法针对于纤维状材料的测试，细小的纤维材料难以在传统的塞贝克系数测量仪器上安装，以致无法针对纤维材料进行Seebeck测试。

因此，如何研发出一套用于热电纤维材料进行Seebeck测试的专用装置已经成为急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术无法针对热电纤维材料进行Seebeck测试、填补了缺少热电纤维Seebeck系数测试专有设备的缺陷，提供一种热电纤维材料塞贝克值测试装置来解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种热电纤维材料塞贝克值测试装置，包括左电压探针台、右电压探针台和呈台，

所述的左电压探针台、右电压探针台均活动安装在呈台上且均与呈台构成滑动配合，呈台上设有支撑平台，支撑平台的中部设有凹台，样品框放置在凹台内，样品框的左侧通过PI膜裹敷在样品框上形成左试验台，样品框的右侧通过PI膜裹敷在样品框上形成右试验台，左试验台与右试验台之间设有空腔，支撑平台上位于左试验台一侧设有左轴支架、位于右试验台一侧设有右轴支架，左轴支架上安装有左陶瓷片辅助安装组件且两者构成转动配合，右轴支架上安装有右陶瓷片辅助安装组件且两者构成转动配合，左陶瓷片辅助安装组件与右陶瓷片辅助安装组件结构相同且基于空腔呈镜像对应；

当安装(左、右)陶瓷片时，左陶瓷片夹在左陶瓷片辅助安装组件上、右陶瓷片夹在右陶瓷片辅助安装组件上且左陶瓷片、右陶瓷片分别通过左陶瓷片辅助安装组件、右陶瓷片辅助安装组件放置在左试验台、右试验台上；测试纤维样品的左端安装在左陶瓷片上、右端安装在右陶瓷片上，所述的左陶瓷片为加热陶瓷片，左电压探针台的探针抵在测试纤维样品的左端，右电压探针台的探针抵在测试纤维样品的右端。

所述的左陶瓷片通过PI膜裹敷固定在左试验台上。

所述测试纤维样品的左端通过银胶粘接在左陶瓷片上。

所述的左陶瓷片辅助安装组件包括陶瓷片支架和陶瓷片夹具，陶瓷片夹具安装在陶瓷片支架的侧部，陶瓷片支架与陶瓷片夹具之间安装有压簧。

所述的呈台上设有左导轨和右导轨，左电压探针台滑动安装在左导轨上，右电压探针台滑动安装在右导轨上。

还包括左温度传感器和右温度传感器，所述的左温度传感器粘在左陶瓷片上，左温度传感器与测试纤维样品的左端间距小于2mm，所述的右温度传感器粘在右陶瓷片上，右温度传感器与测试纤维样品的右端间距小于2mm。

所述的左陶瓷片上设有纤维安装凹槽。

还包括MCU，MCU的串口上接有电压输出模块，电压输出模块的输出端与左陶瓷片的电压输入端相连，左温度传感器、右温度传感器的数据输出端分别与MCU的温度数据输入端相连，左电压探针台、右电压探针台的电压数据输出端分别与MCU的电压数据输入端相连。

有益效果

本发明的一种热电纤维材料塞贝克值测试装置，与现有技术相比能够适用于热电纤维材料的塞贝克值测试；本发明通过将纤维材料固定在陶瓷加热片上利用陶瓷加热片实现快速加热，PI膜所形成的弹性接触面能够使纤维材料的搭载更加稳固、便捷，并快速达到既定温差。本发明热损耗小、电压低(最大加载电压仅为5伏)、各测试部件电绝缘、安全性高，是一种适用于热电纤维器件快速、高效的Seebeck测试系统，同时可以扩展兼容薄膜热电器件Seebeck系数的测量。

本发明通过采用PI膜搭载陶瓷加热片，使得测试基板和探针接触时具有一定弹性，能够确保热电纤维和探针实现有效的欧姆接触，使测量结果准确可靠，同时本发明结构简单、使用方便、制造成本低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的结构爆炸图；

图3为本发明在安装陶瓷片时的结构示意图；

图4为本发明中样品框的结构示意图；

图5为本发明中左陶瓷片和右陶瓷片放置在左试验台和右试验台上的结构示意图；

图6为本发明中左陶瓷片和右陶瓷片通过PI膜包裹在左试验台和右试验台上的结构示意图；

图7为本发明中左陶瓷片的结构示意图；

图8为本发明中电路连接结构框图；

其中，1-左电压探针台、2-右电压探针台、3-呈台、4-样品框、5-支撑平台、6-凹台、7-左试验台、8-右试验台、9-空腔、10-左轴支架、11-右轴支架、12-左陶瓷片辅助安装组件、13-左陶瓷片、14-右陶瓷片、15-测试纤维样品、16-陶瓷片支架、17-陶瓷片夹具、18-压簧、19-左导轨、20-右导轨、21-右温度传感器、22-左温度传感器、23-MCU、24-电压输出模块、25-纤维安装凹槽、26-右陶瓷片辅助安装组件、27-PI膜。

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

总结构图如图1、图2和图3所示，本发明所述的一种热电纤维材料塞贝克值测试装置，包括左电压探针台1、右电压探针台2和呈台3，左电压探针台1和右电压探针台2为现有技术中传统的电压探测器件，其后分别接有引线，引线接至电压表，用于测得测试纤维样品15左端、右端的电压值。

左电压探针台1、右电压探针台2均活动安装在呈台3上且均与呈台3构成滑动配合，即左电压探针台1、右电压探针台2均可以在呈台3上进行滑动，可以在呈台3上设置左导轨19和右导轨20，左电压探针台1滑动安装在左导轨19上，右电压探针台2滑动安装在右导轨20上，以实现左电压探针台1、右电压探针台2的滑动。

如图2所示，呈台3上设有支撑平台5，支撑平台5的中部设有凹台6，样品框4放置在凹台6内。如图4所示，样品框4的左侧通过PI膜裹敷在样品框4上形成左试验台7，样品框4的右侧通过PI膜裹敷在样品框上形成右试验台8，左试验台7与右试验台8之间设有空腔9，通过空腔9为测试纤维样品15提供长度空间。通过PI膜27裹敷形成弹性接触面，在探针与样品接触时有一个良好的弹性接触能有效防止样品破损，有利于探针与样品接触紧密；并且PI膜还可以防止陶瓷片在加热时的温度扩散，起到良好的控温作用；PI膜还可以起到绝缘作用，保证电压测得数据的准确性。

支撑平台5上位于左试验台7一侧设有左轴支架10、位于右试验台8一侧设有右轴支架11，左轴支架10和右轴支架11用于陶瓷片辅助安装使用。左轴支架10上安装有左陶瓷片辅助安装组件12且两者构成转动配合，右轴支架11上安装有右陶瓷片辅助安装组件26且两者构成转动配合，左陶瓷片辅助安装组件12可以在左轴支架10上转动，右陶瓷片辅助安装组件26可以在右轴支架11上转动。左陶瓷片辅助安装组件12包括陶瓷片支架16和陶瓷片夹具17，陶瓷片夹具17安装在陶瓷片支架16的侧部，陶瓷片支架16与陶瓷片夹具17之间安装有压簧18，通过压簧18的弹性力陶瓷片夹具17将陶瓷片挤在陶瓷片支架16上。

左陶瓷片辅助安装组件12与右陶瓷片辅助安装组件26结构相同且基于空腔9呈镜像对应，这样使得安装时，左陶瓷片13的位置与右陶瓷片14的位置处于正对位置，不产生错位，防止人工每次放置两块陶瓷片时位置错位，以避免左陶瓷片13与右陶瓷片14错位时致使测试纤维样品15产生弯曲、多个测试纤维样品15之间无法进行数据对比的问题，以此确保每次安装的纤维样品准确无误的在相同位置(保证多个纤维样品测试时长度的统一)，确保样品测量的准确性。

安装陶瓷片：当安装陶瓷片时，左陶瓷片13夹在左陶瓷片辅助安装组件12上、右陶瓷片14夹在右陶瓷片辅助安装组件26上且左陶瓷片13、右陶瓷片14分别通过左陶瓷片辅助安装组件12、右陶瓷片辅助安装组件26放置在左试验台7、右试验台8上。左陶瓷片13、右陶瓷片14直接放置在PI膜所组成的左试验台7、右试验台8上即可使用，可用于多根测试纤维样品15在批量测试分析时方便取拿。为了固定左陶瓷片13，如图6所示，左陶瓷片13还可以通过PI膜裹敷固定在左试验台7上，右陶瓷片14与此同理。

安装纤维样品：如图5所示，测试纤维样品15的左端安装在左陶瓷片13上、右端安装在右陶瓷片14上，其中左陶瓷片13为加热陶瓷片，以此实现热(左陶瓷片13)、冷(右陶瓷片14)的温差测试需要。左电压探针台1的探针抵在测试纤维样品15的左端，右电压探针台2的探针抵在测试纤维样品15的右端。左电压探针台1的探针、右电压探针台2的探针抵在测试纤维样品15的左、右端，也可以将测试纤维样品15的左端通过银胶粘接在左陶瓷片13上，保证探针可以准确压在样品两端，实现良好的欧姆接触，确保电压的准确测量。

在此通过PI膜的裹敷作用，不仅可以拥有很好的隔热效果，还可以形成一个PI膜所生成的弹性力，因为测试样品的多样性、测试纤维粗细不同、形状不同，当探针抵在测试纤维样品15两端时，难以确保电压探针台的探针紧压在测试纤维样品15两端。而在此将测试纤维样品15两端通过PI膜的裹敷后，测试纤维样品15两端利用PI膜的弹性力，可以配合将测试纤维样品15两端与电压探针台的探针相抵紧，从而保证两者的接触。

为了保证测试准确性，左温度传感器21粘在左陶瓷片13上，左温度传感器21与测试纤维样品15的左端间距小于2mm，所述的右温度传感器22粘在右陶瓷片14上，右温度传感器22与测试纤维样品15的右端间距小于2mm。同时，为了保证不同样品测试的准确性，可以左陶瓷片13上设有纤维安装凹槽25，测试纤维样品15左端专放在此，右陶瓷片14与此同理，保证多样品批量测试时测量仪器的准确性。

数据输出：如图1和图8所示，为了方便塞贝克值的直接读取，可以在呈台3上安装集成电路控制结构。其电路控制结构利用传统的电路设计即可，在MCU23的串口上接电压输出模块24，电压输出模块24的输出端与左陶瓷片13的电压输入端相连，通过MCU23控制左陶瓷片13(加热陶瓷片)的加热。左温度传感器21、右温度传感器22的数据输出端分别与MCU23的温度数据输入端相连，将温度数据输出给MCU23进行计算，左电压探针台1、右电压探针台2的电压数据输出端分别与MCU23的电压数据输入端相连，将电压数据输出给MCU23进行计算，还可以在MCU23上加接显示模块，通过MCU23进行传统的数学计算，将测得的塞贝克值直接输出。

其他说明：在实际使用时，先将左陶瓷片13夹在左陶瓷片辅助安装组件12上、右陶瓷片14夹在右陶瓷片辅助安装组件上，将左陶瓷片辅助安装组件12、右陶瓷片辅助安装组件下移使得左陶瓷片13放置在左试验台7上、右陶瓷片14放置在右试验台8上。由于左试验台7和右试验台8是由PI膜构成，存在一定的弹性力，人工放置容易产生陶瓷片位置偏移、落在膜上产生移位等，利用左陶瓷片辅助安装组件12和右陶瓷片辅助安装组件可以待陶瓷片放置稳妥后再松开夹具。同时，在多个样品批量测试时，还可以保证每个样品之间的位置相同，以杜绝多个样品测试位置变化所带来测试数据影响的可能性，满足多个样品长度尺寸统一化的要求(多个热电纤维长度不统一，在测试时会对测试结果产生微动变化影响)。待左陶瓷片13和右陶瓷片14放置稳妥后，再将测试纤维样品15的两端分别放在左陶瓷片13和右陶瓷片14上，将左电压探针台1和右电压探针台2的顶针分别顶在测试纤维样品15的两端。同理，由于左试验台7和右试验台8是由PI膜构成，通过其存在的弹性力，左电压探针台1和右电压探针台2的顶针下压的过程，PI膜所形成的左试验台7和右试验台8形成一个向上的反作用力，使得热电纤维和探针实现有效的欧姆接触，使测量结果准确可靠。最后，左温度传感器21、右温度传感器22将温度数据传送给MCU23，左电压探针台1、右电压探针台2将电压数据传送给MCU23，MCU23进行计算后测得此纤维材料的塞贝克值。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (8)

1.一种热电纤维材料塞贝克值测试装置，包括左电压探针台(1)、右电压探针台(2)和呈台(3)，其特征在于：

所述的左电压探针台(1)、右电压探针台(2)均活动安装在呈台(3)上且均与呈台(3)构成滑动配合，呈台(3)上设有支撑平台(5)，支撑平台(5)的中部设有凹台(6)，样品框(4)放置在凹台(6)内，样品框(4)的左侧通过PI膜(27)裹敷在样品框(4)上形成左试验台(7)，样品框(4)的右侧通过PI膜(27)裹敷在样品框(4)上形成右试验台(8)，左试验台(7)与右试验台(8)之间设有空腔(9)，支撑平台(5)上位于左试验台(7)一侧设有左轴支架(10)、位于右试验台(8)一侧设有右轴支架(11)，左轴支架(10)上安装有左陶瓷片辅助安装组件(12)且两者构成转动配合，右轴支架(11)上安装有右陶瓷片辅助安装组件(26)且两者构成转动配合，左陶瓷片辅助安装组件(12)与右陶瓷片辅助安装组件(26)结构相同且基于空腔(9)呈镜像对应；

当安装陶瓷片时，左陶瓷片(13)夹在左陶瓷片辅助安装组件(12)上、右陶瓷片(14)夹在右陶瓷片辅助安装组件(26)上且左陶瓷片(13)、右陶瓷片(14)分别通过左陶瓷片辅助安装组件(12)、右陶瓷片辅助安装组件(26)放置在左试验台(7)、右试验台(8)上；测试纤维样品(15)的左端安装在左陶瓷片(13)上、右端安装在右陶瓷片(14)上，所述的左陶瓷片(13)为加热陶瓷片，左电压探针台(1)的探针抵在测试纤维样品(15)的左端，右电压探针台(2)的探针抵在测试纤维样品(15)的右端。

2.根据权利要求1所述的一种热电纤维材料塞贝克值测试装置，其特征在于：所述的左陶瓷片(13)通过PI膜(27)裹敷固定在左试验台(7)上。

3.根据权利要求1所述的一种热电纤维材料塞贝克值测试装置，其特征在于：所述测试纤维样品(15)的左端通过银胶粘接在左陶瓷片(13)上。

4.根据权利要求1所述的一种热电纤维材料塞贝克值测试装置，其特征在于：所述的左陶瓷片辅助安装组件(12)包括陶瓷片支架(16)和陶瓷片夹具(17)，陶瓷片夹具(17)安装在陶瓷片支架(16)的侧部，陶瓷片支架(16)与陶瓷片夹具(17)之间安装有压簧(18)。

5.根据权利要求1所述的一种热电纤维材料塞贝克值测试装置，其特征在于：所述的呈台(3)上设有左导轨(19)和右导轨(20)，左电压探针台(1)滑动安装在左导轨(19)上，右电压探针台(2)滑动安装在右导轨(20)上。

6.根据权利要求1所述的一种热电纤维材料塞贝克值测试装置，其特征在于：还包括左温度传感器(21)和右温度传感器(22)，所述的左温度传感器(21)粘在左陶瓷片(13)上，左温度传感器(21)与测试纤维样品(15)的左端间距小于2mm，所述的右温度传感器(22)粘在右陶瓷片(14)上，右温度传感器(22)与测试纤维样品(15)的右端间距小于2mm。

7.根据权利要求1所述的一种热电纤维材料塞贝克值测试装置，其特征在于：所述的左陶瓷片(13)上设有纤维安装凹槽(25)。

8.根据权利要求6所述的一种热电纤维材料塞贝克值测试装置，其特征在于：还包括MCU(23)，MCU(23)的串口上接有电压输出模块(24)，电压输出模块(24)的输出端与左陶瓷片(13)的电压输入端相连，左温度传感器(21)、右温度传感器(22)的数据输出端分别与MCU(23)的温度数据输入端相连，左电压探针台(1)、右电压探针台(2)的电压数据输出端分别与MCU(23)的电压数据输入端相连。