CN113589072B - 一种热电器件测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热电器件测试系统及方法。该系统包括：外壳与真空法兰形成密闭空间；机械台架置于密闭空间内，固定于真空法兰的上表面；冷却结构置于机械台架的一侧；冷却结构与真空法兰上的冷却剂流道通过胶管连接；加热结构置于机械台架的另一侧；加热结构通过真空法兰上的通信接口与温度控制器连接；温度采集模块与冷却结构和加热结构连接；当热电器件为热电制冷器件时，冷却结构与热电器件连接，电流源和电压采集模块与热电器件连接；当热电器件为温差发电器件时，冷却结构和加热结构均与热电器件连接，热电器件与电压采集模块和可调电阻并联；上位机与温度采集模块和电压采集模块连接。本发明提高了对种热电器件测试测试的多样性和全面性。

Description

一种热电器件测试系统及方法

技术领域

本发明涉及热电器件测试领域，特别是涉及一种热电器件测试系统及方法。

背景技术

热电材料具有Seebeck和Peltier效应，根据这两种效应制备的热电器件在发电和制冷领域具有良好的应用前景。热电器件作为一种无机械固体能量转换器件，根据功能，热电器件划分为温差发电器件与热电制冷器件。在温差发电器件的两端施加一个温差且温差恒定不变时，温差发电器件可视为一稳定的电流源，源源不断的输出电能。温差发电器件能够采集皮肤上散发的热量来解决可穿戴电子设备的普及过程中遇到了设备电池的续航问题，同时，温差发电器件对热源的温度要求不高，能够对低品质热源的热量回收发电。除了温差发电，热电致冷器件作为一种温度可控的制冷器件，其反应迅速，能够对制冷温度进行精确控制，无机械部件，没有震动和噪音等优点，使得热电制冷被誉为最好的芯片冷却方式。

热电器件凭借其无运动部件，无噪音，无振动，易于维护且维护成本低等优点，具有很好的应用前景。热电器件的应用需要保证热电器件具有良好的性能，热电器件的优化设计就显得十分重要。目前，热电器件的研究相对较少，对热电器件测量和表征的仪器选择面窄，且目前，市面上大多数都是针对温差发电器件的测量，对热电致冷器件测量表征的设备少。

因此，亟需一种多功能测试装置，对热电器件进行全面的测试。

发明内容

本发明的目的是提供一种热电器件测试系统及方法，提高对种热电器件测试测试的多样性和全面性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种热电器件测试系统，包括：外壳、真空法兰、冷却结构、加热结构、机械台架、温度控制器、温度采集模块、电压采集模块、可调电阻、电流源以及上位机；

所述外壳与所述真空法兰形成密闭空间；

所述机械台架置于所述密闭空间内，并固定于所述真空法兰的上表面；

所述冷却结构置于所述机械台架的一侧；所述冷却结构与所述真空法兰上的冷却剂流道通过胶管连接；

所述加热结构置于所述机械台架的另一侧；所述加热结构通过所述真空法兰上的通信接口与所述温度控制器连接；

所述温度采集模块分别与所述冷却结构和所述加热结构连接；

当热电器件为热电制冷器件时，所述冷却结构与热电器件单独连接，所述电流源和所述电压采集模块均与所述热电器件连接；

当所述热电器件为温差发电器件时，所述冷却结构和所述加热结构均与所述热电器件连接，所述热电器件与所述电压采集模块和所述可调电阻并联；

所述上位机分别与所述温度采集模块和所述电压采集模块连接。

可选地，所述机械台架包括：底板、第一支撑板、第二支撑板以及滑块；

所述底板固定在所述真空法兰的上表面；

所述第一支撑板固定在所述底板上；所述第一支撑板用于固定所述冷却结构；

所述第二支架固定在所述底板上；所述滑块通过导柱与所述第二支撑板连接；所述滑块上固定加热结构。

可选地，所述冷却结构包括：冷却板和第一测温板；

所述冷却板与所述真空法兰上的冷却剂流道通过胶管连接，并与固定在所述第一支撑板上；

所述第一测温板固定在所述冷却板上；所述第一测温板包括温度传感器；所述温度传感器通过所述真空法兰上的通信接口与所述温度采集模块连接。

可选地，所述加热结构包括：加热板与第二测温板；

所述加热板固定在所述滑块上；

所述第二测温板固定在所述加热板上；

所述第二测温板包括温度探头；所述温度探头通过所述真空法兰上的通信接口分别与所述温度控制器和所述温度采集模块连接。

可选地，还包括：夹持构件；

通过所述夹持构件分别将所述冷却结构和所述加热结构固定在所述机械台架上。

一种热电器件测试方法，应用于所述的一种热电器件测试系统，包括：

确定当前测试的热电器件的类型；所述类型包括：热电制冷器件或温差发电器件；

根据所述当前测试的热电器件的类型确定测试模式，并将所述当前测试的热电器件置于外壳与真空法兰形成密闭空间中进行测试。

可选地，所述根据所述当前测试的热电器件的类型确定测试模式，并将所述当前测试的热电器件置于外壳与真空法兰形成密闭空间中进行测试，具体包括：

当所述测试模式为温差发电器件测试时，通过滑块移动第二测温板，使第一测温板和第二测温板夹持所述当前测试的热电器件；

在所述当前测试的热电器件与第一测温板和第二测温板接触面处涂抹导热硅脂；

通过温度采集模块获取第一测温板和第二测温板的温度；

当所述第一测温板的温度和所述第二测温板的温度均不发生改变时，获取所述第一测温板的当前温度和所述第二测温板的当前温度；

根据所述第一测温板的当前温度和所述第二测温板的当前温度确定当前测试的热电器件的冷热两端温度；并将所述热电器件的冷热两端温度以及电压采集模块采集的电压传输至上位机；

所述上位机根据所述热电器件的冷热两端温度以及电压采集模块采集的电压确定当前测试的热电器件的工作参数；所述工作参数包括：发电效率、最大输出电压、最大输出功率、温差发电器件内阻、温差发电器件塞贝克系数以及温差发电器件电阻；

根据工作参数，利用热电器件拓扑结构电阻/热阻计算软件确定当前测试的热电器件的界面电阻和界面热阻。

可选地，所述根据所述当前测试的热电器件的类型确定测试模式，并将所述当前测试的热电器件置于外壳与真空法兰形成密闭空间中进行测试，具体包括：

当所述测试模式为热电制冷器件测试时，将所述当前测试的热电器件通过导热硅脂贴合在第一测温板上；

电流源为当前测试的热电器件提供电源，冷却板开始工作；

利用温度采集模块获取第一测温板的温度；

当所述第一测温板的温度不改变时，根据第一测温板的当前温度确定当前测试的热电器件的热端温度；并获取当所述第一测温板的温度不改变时当前测试的热电器件的当前电压；

断开电流源；并利用电压采集模块获取当前测试的热电器件的断开电压；

将所述当前测试的热电器件的热端温度、当前测试的热电器件的当前电压以及当前测试的热电器件的断开电压上传至上位机；

所述上位机根据所述当前测试的热电器件的热端温度、当前测试的热电器件的当前电压以及当前测试的热电器件的断开电压确定当前测试的热电器件的工作参数；所述工作参数包括：发电效率、最大输出电压、最大输出功率、温差发电器件内阻、温差发电器件塞贝克系数以及温差发电器件电阻；

根据工作参数，利用热电器件拓扑结构电阻/热阻计算软件确定当前测试的热电器件的界面电阻和界面热阻。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明所提供的一种热电器件测试系统及方法，所述冷却结构置于所述机械台架的一侧；所述冷却结构与所述真空法兰上的冷却剂流道通过胶管连接；所述加热结构置于所述机械台架的另一侧；所述加热结构通过所述真空法兰上的通信接口与所述温度控制器连接；当热电器件为热电制冷器件时，所述冷却结构与热电器件单独连接，所述电流源和所述电压采集模块均与所述热电器件连接；当所述热电器件为温差发电器件时，所述冷却结构和所述加热结构均与所述热电器件连接，所述热电器件与所述电压采集模块和所述可调电阻并联；即本发明提供了一种同时实现温差发电器件和热电致冷器件性能测量的设备，且可以测量不同尺寸的热电器件。提高了对种热电器件测试测试的多样性和全面性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种热电器件测试系统结构示意图；

图2为所述外壳与所述真空法兰形成密闭空间的内部结构示意图；

图3为温度采集和电压采集的示意图；

图4为温差发电器件测试示意图；

图5为热电致冷器件测试示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种热电器件测试系统及方法，提高对种热电器件测试测试的多样性和全面性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明所提供的一种热电器件测试系统结构示意图，图2为所述外壳1与所述真空法兰2形成密闭空间的内部结构示意图，如图1和图2所示，本发明所提供的一种热电器件测试系统，包括：外壳1、真空法兰2、冷却结构、加热结构、机械台架3、温度控制器13、温度采集模块14、电压采集模块15、可调电阻16、电流源17以及上位机18；

所述外壳1与所述真空法兰2形成密闭空间；

所述机械台架3置于所述密闭空间内，并固定于所述真空法兰2的上表面；

所述冷却结构置于所述机械台架3的一侧；所述冷却结构与所述真空法兰2上的冷却剂流道通过胶管连接；即冷却剂通过胶管流入冷却板8，再从冷却板8经由另一根胶管流出。

所述加热结构置于所述机械台架3的另一侧；所述加热结构通过所述真空法兰2上的通信接口与所述温度控制器13连接；

所述温度采集模块14分别与所述冷却结构和所述加热结构连接；

当热电器件为热电制冷器件时，所述冷却结构与热电器件单独连接，所述电流源17和所述电压采集模块15均与所述热电器件连接；

当所述热电器件为温差发电器件时，所述冷却结构和所述加热结构均与所述热电器件连接，所述热电器件与所述电压采集模块15和所述可调电阻16并联；

所述上位机18分别与所述温度采集模块14和所述电压采集模块15连接。

作为一个具体的实施例，所述外壳1为不不锈钢钟罩。

作为一个具体的实施例，真空泵通过真空法兰2上的抽气孔和放气孔，保证不锈钢钟罩与真空法兰2形成的密封空间保证真空。

如图2所示，所述机械台架3包括：底板4、第一支撑板5、第二支撑板6以及滑块7；

所述底板4固定在所述真空法兰2的上表面；

所述第一支撑板5固定在所述底板4上；所述第一支撑板5用于固定所述冷却结构；

所述第二支架固定在所述底板4上；所述滑块7通过导柱12与所述第二支撑板6连接；所述滑块7上固定加热结构。

所述冷却结构包括：冷却板8和第一测温板10；

所述冷却板8与所述真空法兰2上的冷却剂流道通过胶管连接，并与固定在所述第一支撑板5上；具体通过夹持构件进行固定。

所述第一测温板10固定在所述冷却板8上；具体通过夹持构件进行固定。所述第一测温板10包括温度传感器；所述温度传感器通过所述真空法兰2上的通信接口与所述温度采集模块14连接。

所述加热结构包括：加热板9与第二测温板11；

所述加热板9固定在所述滑块7上；具体通过夹持构件进行固定。

所述第二测温板11固定在所述加热板9上；具体通过夹持构件进行固定。

所述第二测温板11包括温度探头；所述温度探头通过所述真空法兰2上的通信接口分别与所述温度控制器13和所述温度采集模块14连接。

加热板9与冷却板8分别为测试系统提供冷源与热源，用于温度调教控制。

作为一个具体的实施例，第一测温板10和第二测温板11各有三个一定深度的凹槽，插入热电偶，热电偶采集的数据信号经由真空法兰2上的通信接口，与外部的温度采集模块14连接。

本发明所提供的一种热电器件测试系统，还包括：夹持构件；

通过所述夹持构件分别将所述冷却结构和所述加热结构固定在所述机械台架3上。

一种热电器件测试方法，应用于所述的一种热电器件测试系统，包括：

S101，确定当前测试的热电器件的类型；所述类型包括：热电制冷器件或温差发电器件；

S102，根据所述当前测试的热电器件的类型确定测试模式，并将所述当前测试的热电器件置于外壳1与真空法兰2形成密闭空间中进行测试。

S102，具体包括：

当所述测试模式为温差发电器件测试时，通过滑块7移动第二测温板11，使第一测温板10和第二测温板11夹持所述当前测试的热电器件；

在所述当前测试的热电器件与第一测温板10和第二测温板11接触面处涂抹导热硅脂；

通过温度采集模块14获取第一测温板10和第二测温板11的温度。

当所述第一测温板10的温度和所述第二测温板11的温度均不发生改变时，获取所述第一测温板10的当前温度和所述第二测温板11的当前温度。

根据所述第一测温板10的当前温度和所述第二测温板11的当前温度确定当前测试的热电器件的冷热两端温度；并将所述热电器件的冷热两端温度以及电压采集模块15采集的电压传输至上位机18；

其中，电压采集模块15具体的采集过程为：温差发电器件的引线两端并联电压采集模块15和可调电阻16。电压采集模块15采集温差发电器件并联的可调电阻16的电压U_L。断开可调电阻16，电压采集模块15采集温差发电器件两端的电压U_S。

如图3和图4所示，6个温度热电偶等距线性排列，将6路温度信号传递给温度采集模块14。当第一测温板10的热电偶采集的温度T₁、T₂、T₃、第二测温板11的热电偶采集的温度T₄、T₅、T₆达到稳态。利用傅里叶公式计算热端流入温差发电器件的热流量Q_h，温差发电器件冷热两端温度T_h、T_c。

所述上位机18根据所述热电器件的冷热两端温度以及电压采集模块15采集的电压确定当前测试的热电器件的工作参数；所述工作参数包括：发电效率、最大输出电压、最大输出功率、温差发电器件内阻、温差发电器件塞贝克系数以及温差发电器件电阻；上位机18上具有计算软件——热电器件拓扑结构电阻/热阻计算软件。在热电起价仅拓扑结构电阻/热阻计算软件中，输入拓扑结构，器件各部分采集的电导率，传热系数，可以计算有器件的拓扑结构电阻与拓扑结构热阻。热电器件的电阻和热阻不仅取决于拓扑结构，还与器件的集成设计和加工工艺有关，集成设计和加工工艺会决定器件的界面电阻和界面电阻。热电器件的总电阻包括拓扑结构电阻和界面电阻共同构成。热电器件的总热阻包括拓扑结构热阻和界面电阻共同构成。

根据工作参数，利用热电器件拓扑结构电阻/热阻计算软件确定当前测试的热电器件的界面电阻和界面热阻。

S102具体包括：

如图5所示，当所述测试模式为热电制冷器件测试时，将所述当前测试的热电器件通过导热硅脂贴合在第一测温板10上；

电流源17为当前测试的热电器件提供电源，冷却板8开始工作；

利用温度采集模块14获取第一测温板10的温度；

当所述第一测温板10的温度不改变时，根据第一测温板10的当前温度确定当前测试的热电器件的热端温度；并获取当所述第一测温板10的温度不改变时当前测试的热电器件的当前电压；

通过傅里叶公式，推导出当前测试的热电器件的热端温度：

断开电流源17；并利用电压采集模块15获取当前测试的热电器件的断开电压；

将所述当前测试的热电器件的热端温度、当前测试的热电器件的当前电压以及当前测试的热电器件的断开电压上传至上位机18；

所述上位机18根据所述当前测试的热电器件的热端温度、当前测试的热电器件的当前电压以及当前测试的热电器件的断开电压确定当前测试的热电器件的工作参数；所述工作参数包括：发电效率、最大输出电压、最大输出功率、温差发电器件内阻、温差发电器件塞贝克系数以及温差发电器件电阻；

根据工作参数，利用热电器件拓扑结构电阻/热阻计算软件确定当前测试的热电器件的界面电阻和界面热阻。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种热电器件测试系统，其特征在于，包括：外壳、真空法兰、冷却结构、加热结构、机械台架、温度控制器、温度采集模块、电压采集模块、可调电阻、电流源以及上位机；

所述外壳与所述真空法兰形成密闭空间；

所述机械台架置于所述密闭空间内，并固定于所述真空法兰的上表面；

所述冷却结构置于所述机械台架的一侧；所述冷却结构与所述真空法兰上的冷却剂流道通过胶管连接；

所述加热结构置于所述机械台架的另一侧；所述加热结构通过所述真空法兰上的通信接口与所述温度控制器连接；

所述温度采集模块分别与所述冷却结构和所述加热结构连接；

当热电器件为热电制冷器件时，所述冷却结构与热电器件单独连接，所述电流源和所述电压采集模块均与所述热电器件连接；

当所述热电器件为温差发电器件时，所述冷却结构和所述加热结构均与所述热电器件连接，所述热电器件与所述电压采集模块和所述可调电阻并联；

所述上位机分别与所述温度采集模块和所述电压采集模块连接；

所述机械台架包括：底板、第一支撑板、第二支撑板以及滑块；

所述底板固定在所述真空法兰的上表面；

所述第一支撑板固定在所述底板上；所述第一支撑板用于固定所述冷却结构；

所述第二支撑板固定在所述底板上；所述滑块通过导柱与所述第二支撑板连接；所述滑块上固定加热结构；

所述冷却结构包括：冷却板和第一测温板；

所述冷却板与所述真空法兰上的冷却剂流道通过胶管连接，并与固定在所述第一支撑板上；

所述第一测温板固定在所述冷却板上；所述第一测温板包括温度传感器；所述温度传感器通过所述真空法兰上的通信接口与所述温度采集模块连接；

所述加热结构包括：加热板与第二测温板；

所述加热板固定在所述滑块上；

所述第二测温板固定在所述加热板上；

所述第二测温板包括温度探头；所述温度探头通过所述真空法兰上的通信接口分别与所述温度控制器和所述温度采集模块连接；

当测试模式为温差发电器件测试时，通过滑块移动第二测温板，使第一测温板和第二测温板夹持当前测试的热电器件；

在所述当前测试的热电器件与第一测温板和第二测温板接触面处涂抹导热硅脂；

通过温度采集模块获取第一测温板和第二测温板的温度；

当所述第一测温板的温度和所述第二测温板的温度均不发生改变时，获取所述第一测温板的当前温度和所述第二测温板的当前温度；

根据所述第一测温板的当前温度和所述第二测温板的当前温度确定当前测试的热电器件的冷热两端温度；并将所述热电器件的冷热两端温度以及电压采集模块采集的电压传输至上位机；

所述上位机根据所述热电器件的冷热两端温度以及电压采集模块采集的电压确定当前测试的热电器件的工作参数；所述工作参数包括：发电效率、最大输出电压、最大输出功率、温差发电器件内阻、温差发电器件塞贝克系数以及温差发电器件电阻；

根据工作参数，利用热电器件拓扑结构电阻/热阻计算软件确定当前测试的热电器件的界面电阻和界面热阻。

2.根据权利要求1所述的一种热电器件测试系统，其特征在于，还包括：夹持构件；

通过所述夹持构件分别将所述冷却结构和所述加热结构固定在所述机械台架上。

3.一种热电器件测试方法，应用于权利要求1-2任意一项所述的一种热电器件测试系统，其特征在于，包括：

确定当前测试的热电器件的类型；所述类型包括：热电制冷器件或温差发电器件；

根据所述当前测试的热电器件的类型确定测试模式，并将所述当前测试的热电器件置于外壳与真空法兰形成密闭空间中进行测试；

所述根据所述当前测试的热电器件的类型确定测试模式，并将所述当前测试的热电器件置于外壳与真空法兰形成密闭空间中进行测试，具体包括：

当所述测试模式为温差发电器件测试时，通过滑块移动第二测温板，使第一测温板和第二测温板夹持所述当前测试的热电器件；

在所述当前测试的热电器件与第一测温板和第二测温板接触面处涂抹导热硅脂；

通过温度采集模块获取第一测温板和第二测温板的温度；

当所述第一测温板的温度和所述第二测温板的温度均不发生改变时，获取所述第一测温板的当前温度和所述第二测温板的当前温度；

根据所述第一测温板的当前温度和所述第二测温板的当前温度确定当前测试的热电器件的冷热两端温度；并将所述热电器件的冷热两端温度以及电压采集模块采集的电压传输至上位机；

所述上位机根据所述热电器件的冷热两端温度以及电压采集模块采集的电压确定当前测试的热电器件的工作参数；所述工作参数包括：发电效率、最大输出电压、最大输出功率、温差发电器件内阻、温差发电器件塞贝克系数以及温差发电器件电阻；

根据工作参数，利用热电器件拓扑结构电阻/热阻计算软件确定当前测试的热电器件的界面电阻和界面热阻。

4.根据权利要求3所述的一种热电器件测试方法，其特征在于，所述根据所述当前测试的热电器件的类型确定测试模式，并将所述当前测试的热电器件置于外壳与真空法兰形成密闭空间中进行测试，具体包括：

当所述测试模式为热电制冷器件测试时，将所述当前测试的热电器件通过导热硅脂贴合在第一测温板上；

电流源为当前测试的热电器件提供电源，冷却板开始工作；

利用温度采集模块获取第一测温板的温度；

当所述第一测温板的温度不改变时，根据第一测温板的当前温度确定当前测试的热电器件的热端温度；并获取当所述第一测温板的温度不改变时当前测试的热电器件的当前电压；

断开电流源；并利用电压采集模块获取当前测试的热电器件的断开电压；

将所述当前测试的热电器件的热端温度、当前测试的热电器件的当前电压以及当前测试的热电器件的断开电压上传至上位机；

所述上位机根据所述当前测试的热电器件的热端温度、当前测试的热电器件的当前电压以及当前测试的热电器件的断开电压确定当前测试的热电器件的工作参数；所述工作参数包括：发电效率、最大输出电压、最大输出功率、温差发电器件内阻、温差发电器件塞贝克系数以及温差发电器件电阻；

根据工作参数，利用热电器件拓扑结构电阻/热阻计算软件确定当前测试的热电器件的界面电阻和界面热阻。

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