CN112985592A - 一种基于半导体温差发电片的光功率计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于半导体温差发电片的光功率计，包括温差发电片、光吸收集热板件、电位器和电压表，温差发电片包括热端板件、热电偶组和冷端板件，热端板件设置在热电偶组的第一侧，冷端板件设置在热电偶组的第二侧；光吸收集热板件设置在热端板件上远离热电偶组的一侧，用于吸收入射光线以产生热量并能够将热量传导给热端板件；电位器具有第一电连接端、第二电连接端和调压端，第一电连接端和第二电连接端分别与热电偶组的正极和负极导线连接，电压表的第一端与热电偶组的正极或负极导线连接，电压表的第二端与电位器的调压端导线连接。该光功率计不需要信号放大电路就能够读出入射光功率，结构简单，成本较低，提高了生产的便利性。
Description
技术领域
本发明涉及一种光功率计，尤其涉及一种基于半导体温差发电片的光功率计。
背景技术
目前，激光器在通信、医疗、工业制造等领域的应用越来越广泛。在激光器的研制、生产及应用过程中，对激光器的功率进行测量和标定是必不可少的步骤。现有技术中，通常采用光功率计测试连续激光的功率或者脉冲激光在某一段时间的平均功率。
光功率计一般由探测器、信号放大电路、模拟-数字转换单元、数据处理单元和显示设备组成。按照测量原理不同，激光探测器主要包括两类：光电型激光探测器和热电型激光探测器。现在，具有较好探测功能的热电型激光功率探测器采用热电堆结构，基于塞贝克效应，把热能转化为电能从而实现激光功率的探测。当需探测的激光照射在探测区中心位置时，局部引起高温高热，随后热量向边缘扩散，形成中心向边缘辐射的热量梯度场，距离中心位置较近的热电偶一端为热端，远离的一端为冷端，冷端一侧通常加载风扇等冷却装置，保持为环境温度。热电偶由于冷热端温度差的存在引起接点电势差。热电偶通过串联方式形成热电堆，通过测量各个热电偶叠加后的总温差电动势，并根据温差电动势与激光功率的对应关系，得到待测激光的功率。
在上述光功率计中，热电堆的制备工艺复杂，不便于生产和制造，且成本高昂；并且，在使用热电堆的激光探测器中，为了对入射光的功率进行显示，需要经过功率放大电路和校准电路对热电堆的输出电压进行功率放大，结构比较复杂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于半导体温差发电片的光功率计，简化光功率计的结构，以提高光功率计生产的便利性。
为了实现上述技术目的，本发明采用下述技术方案：
本发明提供了一种基于半导体温差发电片的光功率计，包括：
温差发电片，所述温差发电片包括热端板件、热电偶组和冷端板件，所述热端板件设置在所述热电偶组的第一侧，所述冷端板件设置在所述热电偶组的第二侧；所述热电偶组的第一端为正极，所述热电偶组的第二端为负极；
光吸收集热板件，所述光吸收集热板件设置在所述热端板件上远离所述热电偶组的一侧，用于吸收入射光线以产生热量并能够将热量传导给所述热端板件；
电位器和电压表，所述电位器具有第一电连接端、第二电连接端和调压端，所述第一电连接端和第二电连接端分别与所述热电偶组的正极和负极导线连接，所述电压表的第一端与所述热电偶组的正极或负极导线连接，所述电压表的第二端与所述电位器的调压端导线连接；
散热件，所述散热件设置在所述冷端板件上远离所述热电偶组的一侧，用于吸收从热端板件传导到冷端板件上的热量以使冷端板件快速冷却。
其中较优的，所述光吸收集热板件和所述温差发电片的热端板件可以用一体的黑色的、导热率较好、导电性较差的材料替代。
其中较优地，所述光吸收集热板件和所述温差发电片的热端板件是由黑色碳化硅、黑色氮化硅、黑色硅片中的任意一种制成的一体板件。
其中较优的，所述光吸收集热板件的远离所述热端板件的一侧为深色，所述深色至少包括黑色。
其中较优的，所述光吸收集热板件是由石墨片、石墨烯散热片、黑色碳化硅片、黑硅片或表面氧化成黑色的铝合金片制成的板状结构。
其中较优的，所述光吸收集热板件粘贴或焊接在所述热端板件上；所述散热件粘贴或焊接在所述冷端板件上。
其中较优的，所述散热件的热容量远大于所述光吸收集热板件和所述温差发电片的热容量之和。
其中较优的，所述散热件的热容量与所述光吸收集热板件和所述温差发电片的热容量之和的比值，大于系统测量误差绝对值的倒数。
其中较优的，所述热电偶组包括多个半导体组和多个铜电极片，所述半导体组包括一个N型半导体和一个P型半导体，所述多个半导体组通过所述多个铜电极片依次串联，且首尾两端的铜电极片形成所述正极和负极；
所述N型半导体和所述P型半导体采用碲化铋半导体材料；
所述热端板件是由氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、铝基板或铜基板制成的板状结构；所述冷端板件是由氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、铝基板或铜基板制成的板状结构。
其中较优的，所述电压表的小数点位置可调，以便于读数调整。
本发明与现有技术相比，有益效果如下：
本发明所提供的基于半导体温差发电片的光功率计，其通过光吸收集热板件吸收入射光并转化为热量，然后，将热量传导给温差发电片的热端板件，热能从温差发电片的热端板件流向冷端板件，从而通过塞贝克效应在温差发电片的两端产生感应电压。当达成稳定的热传导之后，其感应电压与入射光功率大致成正比，通过选择合适参数的温差发电片，可以得到较大的输出电压，用电位器分压之后，无需信号放大电路即可通过电压表直接测量以读出电压值，而通过使用电位器，能够对电压表的电压和入射光功率进行逐步校正，同时调整电压表显示的小数点位置，可以让电压表的名义读数和实际入射光功率一一对应，则电压表的读数即为入射光功率。该光功率计基于温差发电片实现入射光功率的测量，不需要信号放大电路就能够读出入射光功率，结构简单，成本较低，并且方便组装，组装时，仅需将光吸收集热板件、散热件与温差发电片焊接或贴装，然后将温差发电片的输出端与电位器和电压表导线连接即可，从而提高了生产的便利性。
附图说明
图1是本发明所提供的一种光功率计的结构示意图；
图2是图1中温差发电片的结构示意图。
在附图中，各附图标记表示：
1、温差发电片；11、热端板件；12、热电偶组；13、冷端板件；121、半导体组；122、铜电极片；1211、N型半导体；1212、P型半导体；2、光吸收集热板件；3、电位器；4、电压表；5、散热件。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行进一步地详细描述。
参照图1所示，本发明实施例所提供的基于半导体温差发电片的光功率计，包括：温差发电片1、光吸收集热板件2、电位器3、电压表4和散热件5。
其中，温差发电片1(又称半导体制冷片)包括热端板件11、热电偶组12和冷端板件13，热端板件11设置在热电偶组12的第一侧，冷端板件13设置在热电偶组12的第二侧；热电偶组12的第一端为正极，热电偶组12的第二端为负极。光吸收集热板件2设置在热端板件11上远离热电偶组12的一侧，用于吸收入射光线以产生热量并能够将热量传导给热端板件11。散热件5设置在冷端板件13上远离热电偶组12的一侧，用于吸收从热端板件11传导到冷端板件13上的热量以使冷端板件13快速冷却。电位器3具有第一电连接端、第二电连接端和调压端，第一电连接端和第二电连接端分别与热电偶组12的正极和负极导线连接。电压表4的第一端与热电偶组12的负极(或正极)导线连接，电压表4的第二端与电位器3的调压端导线连接。较优地，电压表4的小数点位置可调，以便于读数调整。该光功率计基于温差发电片1实现入射光功率的测量，不需要信号放大电路就能够读出入射光功率，结构简单，成本较低。
具体来说，参照图1和图2所示，温差发电片1(又称半导体制冷片)包括热端板件11、热电偶组12和冷端板件13，热端板件11设置在热电偶组12的第一侧，冷端板件13设置在热电偶组12的第二侧；热电偶组12的第一端为正极，热电偶组12的第二端为负极。
其中，热电偶组12包括多个半导体组121和多个铜电极片122，半导体组121包括一个N型半导体1211和一个P型半导体1212，多个半导体组121通过多个铜电极片122依次串联，且首尾两端的铜电极片122形成正极和负极。本实施例中，N型半导体1211和P型半导体1212均由碲化铋半导体材料制成。
热端板件11和冷端板件13均由氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、铝基板或铜基板制成板状结构。由此，利用导热性较好的材料保证了热量在热端板件11和冷端板件13之间的热传导效果。
如图1所示，光吸收集热板件2设置在热端板件11上远离热电偶组12的一侧，用于吸收入射光线以产生热量并能够将热量传导给热端板件11。光吸收集热板件2可以粘贴或焊接在热端板件11上。具体的，可以通过硅胶、金属环氧胶、焊锡、导热硅脂等材料粘贴或焊接，从而使得光吸收集热板件2与热端板件11完美贴合，以提高热量传导效率。
光吸收集热板件2的远离热端板件11的一侧为深色。光吸收集热板件2用于吸收入射光的一侧为深色，能够最大程度地减少光线的反射，以保证最好的光线吸收效果。深色可以是黑色、褐色、棕色、灰色等，其中以黑色为最佳。可以理解，在上述结构中，可以是光吸收集热板件2本身整体为深色或者是在光吸收集热板件2的远离热端板件11的一侧涂覆深色涂层。
优选地，光吸收集热板件2可以是由黑色的、导热率较好、导电性较差的材料制作成的板件，例如，光吸收集热板件2可以是由石墨片、石墨烯散热片、黑色碳化硅片、黑硅片或表面氧化成黑色的铝合金片制成的板状结构。光吸收集热板件2本身呈黑色，可以保证最佳的光线吸收效果；光吸收集热板件2的导热性较好，以保证入射光源产生的能量可以全部吸收；最后，光吸收集热板件2呈板状，从而能够与同样是板状的热端板件11完美贴合，以提高热传导效率。
或者，光吸收集热板件2和温差发电片1的热端板件11还可以用一体的黑色的、导热率较好、导电性较差的材料替代。例如，使用由黑色碳化硅、黑色氮化硅、黑色硅片等材料制成的一体板件作为温差发电片1的热端板件11，温差发电片1的热端板件11同时可以用作光吸收集热板件2。
如图1所示，散热件5设置在冷端板件13上远离热电偶组12的一侧，用于吸收从热端板件11传导到冷端板件13上的热量以使冷端板件13快速冷却。由此，当热量从热端板件11传导到冷端板件13上后，利用该散热件5能够使得冷端板件13快速冷却，从而有利于热量的传导。其中，散热件5的具体结构不做限定，可以是风冷式结构，也可以是水冷式结构。
优选的，散热件5粘贴或焊接在冷端板件13上。具体的，可以通过硅胶、金属环氧胶、焊锡、导热硅脂等材料粘贴或焊接，从而使得散热件5与冷端板件13完美贴合，以提高冷端板件13的散热效率，进而有利于提高热传导效率。
在上述结构中，散热件5的热容量远大于光吸收集热板件2和温差发电片1的热容量之和，以保证几乎所有热量都可以流经热电偶组12，进而保证测量精度。优选地，散热件5的热容量与光吸收集热板件2和温差发电片1的热容量之和的比值，大于系统测量误差绝对值的倒数。如系统测量误差要求±2％，则建议散热件5的热容量大于光吸收集热板件2和温差发电片1的热容量之和的50倍。
具体使用时，上述功率计利用光吸收集热板件2吸收入射光并转化为热量，然后，将热量传导给温差发电片1的热端板件11，热能从温差发电片1的热端板件11流向冷端板件13，并被散热件5将热量散发出去；在上述热传导的过程中，通过塞贝克效应在温差发电片1的两端产生感应电压(即输出电压)。当达成稳定的热传导之后，温差发电片1的感应电压与入射光功率大致成正比。通过选择合适参数的温差发电片1，可以使温差发电片1产生较大的输出电压。温差发电片1的输出电压用电位器3分压之后，通过调整电压表4显示的小数点位置，可以让电压表4的名义读数和实际入射光功率一一对应，则电压表4的读数即为入射光功率，从而无需信号放大电路即可通过电压表4直接测量以读出电压值。举例说明如下：在1200mW入射光功率的情况下，假定温差发电片1输出300mV，则使用电位器3进行40％分压，用电压表4读出电压120mV，同时向后调整电压表4的小数点，得到1200mV读数，则此1200读数即与1200mW入射光功率一一对应。
综上所述，本发明所提供的基于半导体温差发电片的光功率计，具有免信号放大、反应迅速等优点。并且，上述功率计结构简单、成本低廉，在生产和制造时，仅需将光吸收集热板件2、散热件5和温差发电片1焊接或贴装，然后将温差发电片1的输出端与电位器3和电压表4导线连接即可，从而提高了生产的便利性。
以上对本发明所提供的一种基于半导体温差发电片的光功率计进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。
Claims (10)
1.一种基于半导体温差发电片的光功率计，其特征在于包括：
温差发电片，所述温差发电片包括热端板件、热电偶组和冷端板件，所述热端板件设置在所述热电偶组的第一侧，所述冷端板件设置在所述热电偶组的第二侧；所述热电偶组的第一端为正极，所述热电偶组的第二端为负极；
光吸收集热板件，所述光吸收集热板件设置在所述热端板件上远离所述热电偶组的一侧，用于吸收入射光线以产生热量并能够将热量传导给所述热端板件；
电位器和电压表，所述电位器具有第一电连接端、第二电连接端和调压端，所述第一电连接端和第二电连接端分别与所述热电偶组的正极和负极导线连接，所述电压表的第一端与所述热电偶组的正极或负极导线连接，所述电压表的第二端与所述电位器的调压端导线连接；
散热件，所述散热件设置在所述冷端板件上远离所述热电偶组的一侧，用于吸收从热端板件传导到冷端板件上的热量以使冷端板件快速冷却。
2.如权利要求1所述的光功率计，其特征在于：
所述光吸收集热板件和所述温差发电片的热端板件可以用一体的黑色的、导热率较好、导电性较差的材料替代。
3.如权利要求2所述的光功率计，其特征在于：
所述光吸收集热板件和所述热端板件是由黑色碳化硅、黑色氮化硅、黑色硅片中的任意一种制成的一体板件。
4.如权利要求1所述的光功率计，其特征在于：
所述光吸收集热板件的远离所述热端板件的一侧为深色。
5.如权利要求4所述的光功率计，其特征在于：
所述光吸收集热板件由石墨片、石墨烯散热片、黑色碳化硅片、黑硅片或表面氧化成黑色的铝合金片制成板状结构。
6.如权利要求1所述的光功率计，其特征在于：
所述光吸收集热板件粘贴或焊接在所述热端板件上；所述散热件粘贴或焊接在所述冷端板件上。
7.如权利要求1所述的光功率计，其特征在于：
所述散热件的热容量远大于所述光吸收集热板件和所述温差发电片的热容量之和；
所述散热件的热容量与所述光吸收集热板件和所述温差发电片的热容量之和的比值，大于系统测量误差绝对值的倒数。
8.如权利要求1所述的光功率计，其特征在于：
所述热电偶组包括多个半导体组和多个铜电极片，所述半导体组包括一个N型半导体和一个P型半导体，所述多个半导体组通过所述多个铜电极片依次串联，且首尾两端的铜电极片形成所述正极和负极；
所述N型半导体和所述P型半导体采用碲化铋半导体材料。
9.如权利要求1所述的光功率计，其特征在于：
所述热端板件由氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、铝基板或铜基板制成板状结构；所述冷端板件由氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、铝基板或铜基板制成板状结构。
10.如权利要求1所述的光功率计，其特征在于：
所述电压表的小数点位置可调。
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| CN202110222787.6A CN112985592A (zh) | 2021-02-26 | 2021-02-26 | 一种基于半导体温差发电片的光功率计 |
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|---|---|---|---|
| CN202110222787.6A CN112985592A (zh) | 2021-02-26 | 2021-02-26 | 一种基于半导体温差发电片的光功率计 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| CN112985592A true CN112985592A (zh) | 2021-06-18 |
Family
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Family Applications (1)
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| CN202110222787.6A Pending CN112985592A (zh) | 2021-02-26 | 2021-02-26 | 一种基于半导体温差发电片的光功率计 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116059533A (zh) * | 2023-02-20 | 2023-05-05 | 湖南安泰康成生物科技有限公司 | 一种主动散热电极片及电极装置 |
-
2021
- 2021-02-26 CN CN202110222787.6A patent/CN112985592A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116059533A (zh) * | 2023-02-20 | 2023-05-05 | 湖南安泰康成生物科技有限公司 | 一种主动散热电极片及电极装置 |
| CN116059533B (zh) * | 2023-02-20 | 2023-11-21 | 湖南安泰康成生物科技有限公司 | 一种主动散热电极片及电极装置 |
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