梁曉峰　王自鑫　任　山　陳弟虎

摘 要：針對(duì)現(xiàn)有涉及塞貝克系數(shù)測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測(cè)試過程耗時(shí)較長，測(cè)量精度較低等問題，采用準(zhǔn)確的高電壓電流控制電路，并基于模糊自調(diào)整PID控制器，設(shè)計(jì)一種新型的塞貝克系數(shù)測(cè)量?jī)x。該系統(tǒng)可以從任意方向?qū)犭姴牧系娜惪讼禂?shù)進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)證明，該測(cè)量?jī)x抗干擾能力較強(qiáng)，控制及測(cè)量精度高。

關(guān)鍵詞：熱電材料；塞貝克系數(shù)；雙端可調(diào)；高精度；測(cè)量

中圖分類號(hào)：TP216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004－373X(2009)04－134－04

Bi－end Tunable Seebeck Coefficient Measuring Equipment

LIANG Xiaofeng,WANG Zixin,REN Shan,CHEN Dihu

(Physics and Engineering School,Sun Yat－Sen University,Guangzhou,510275,China)

Abstract：Concerning the problems of complex structure,time consuming and low control precision,a new Seebeck coefficient measuring system is designed,which contains precise voltage and current control module,it is based on fuzzy self－tuning PID controller.The measurement system can measure samples in either directions.Experiments show that the system is of good noise immunity,high controlling and measuring precision.

Keywords：thermoelectric material;Seebeck coefficient;bi－end tunable;high precision;measurement

0 引 言

20世紀(jì)末以來,對(duì)熱電材料的研究成為材料科學(xué)的一個(gè)研究熱點(diǎn)［1］。作為一種能源轉(zhuǎn)換材料，熱電材料的應(yīng)用不需要傳動(dòng)部件,工作時(shí)無噪音,無排棄物,與太陽能,風(fēng)能,水能等二次能源的應(yīng)用一樣,對(duì)環(huán)境沒有污染,并且這種材料性能可靠,使用壽命長,具有廣泛的應(yīng)用前景。

塞貝克系數(shù)是熱電材料的重要性能參數(shù)之一,現(xiàn)有涉及塞貝克系數(shù)的測(cè)試裝置，主要存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測(cè)試過程耗時(shí)較長，需根據(jù)極性來進(jìn)行樣品安裝，測(cè)量精度較低等問題。針對(duì)上述問題，系統(tǒng)采用了精確的高電壓電流控制電路，選用半導(dǎo)體致冷片作為制冷機(jī)制，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)從任意方向?qū)犭姴牧系娜惪讼禂?shù)進(jìn)行快速的溫度控制以及測(cè)量。

1 熱電材料簡(jiǎn)介

熱電材料指通過其熱電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換的功能材料。目前已有一系列的熱電材料被研制出來，如BizTe系、PbTe系、SiGe 系等合金，但由于其熱電轉(zhuǎn)換率相對(duì)較低，限制了熱電材料的廣泛應(yīng)用。衡量熱電材料的熱電性能使用優(yōu)值系數(shù)Z， Z值越高，熱電轉(zhuǎn)換效率越高，熱電材料的性能越好［2］。優(yōu)值系數(shù)Z可通過以式（1）計(jì)算得出：

Z=S2σ/k(1)

其中：S是塞貝克系數(shù)；σ是材料的電導(dǎo)率；k是材料的熱導(dǎo)率［3］。

塞貝克系數(shù)是熱電材料重要的性能參數(shù)之一，從式（1）可見，塞貝克系數(shù)S越大，優(yōu)值系數(shù)Z越大，材料的熱電性能越好。精確測(cè)量材料的塞貝克系數(shù)，對(duì)于研究熱電材料性能以及開發(fā)新型熱電材料具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

熱電材料的塞貝克系數(shù)可表示為:

S=limΔT→0VΔT(2)

式中：E為溫差電材料兩端產(chǎn)生的塞貝克電動(dòng)勢(shì)；S即塞貝克系數(shù)；ΔΤ為溫差電材料兩端的溫差。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)概述

傳統(tǒng)測(cè)量塞貝克系數(shù)的裝置，都是固定一端用于加熱，另一端用于制冷，對(duì)不同極性的樣品進(jìn)行測(cè)量時(shí)需要重新裝卸。該系統(tǒng)的一個(gè)突出特點(diǎn)就是在每個(gè)樣品夾內(nèi)均設(shè)有加熱及制冷機(jī)構(gòu)，樣品夾內(nèi)的加熱機(jī)構(gòu)采用交流調(diào)壓模塊控制加熱絲實(shí)現(xiàn)，制冷機(jī)構(gòu)采用半導(dǎo)體致冷片實(shí)現(xiàn)。半導(dǎo)體制冷片是一種利用半導(dǎo)體珀?duì)柼?yīng)而制的器件，將其冷端貼在樣品夾上，熱端與水冷裝置相連。致冷片通過吸熱效應(yīng)把樣品一端的熱量傳至致冷片的熱端，并通過水冷裝置把樣品冷端的熱量帶離系統(tǒng)。該測(cè)量?jī)x的熱電材料溫度控制測(cè)量?jī)x的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

通過加熱與致冷機(jī)制，該系統(tǒng)可以從任意方向?qū)犭姴牧系娜惪讼禂?shù)進(jìn)行測(cè)量、且不需確定待測(cè)樣品的極性，對(duì)于溫度的控制響應(yīng)迅速且精度較高，可避免將樣品從樣品夾上拆卸再重新裝上所帶來的麻煩，簡(jiǎn)化了測(cè)試步驟，縮短了測(cè)試時(shí)間。

該測(cè)量?jī)x的系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電路框圖

溫度傳感器測(cè)量出的溫度信號(hào)，經(jīng)中心控制器模糊自調(diào)整PID運(yùn)算后，求得兩路通道的加熱控制值及制冷控制值，分別通過D/A轉(zhuǎn)換和積分電路，輸出至相應(yīng)的控制執(zhí)行電路以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。樣品兩端的電勢(shì)差，經(jīng)高精度A/D轉(zhuǎn)換送入中心控制器。

2.2 溫度測(cè)量電路

溫度測(cè)量電路由恒流源電路以及放大濾波電路組成。該設(shè)計(jì)采用豪蘭德電流源電路［4］，引入了深度負(fù)反饋，利用集成運(yùn)放來實(shí)現(xiàn)恒流輸出，電路如圖3所示。恒流源輸出的1 mA電流傳至溫度傳感器PT100，把溫度值轉(zhuǎn)變電壓信號(hào)輸入至放大濾波電路，經(jīng)過增益以及有源低通濾波器濾波后，由A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入中心控制器。

圖3 豪蘭德電流源電路圖

2.3 控制執(zhí)行電路

對(duì)于樣品的控溫，需要較大的功率，因此涉及對(duì)高電流及高電壓的精確控制，這是該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)之一。系統(tǒng)的加熱與制冷采用不同的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了高精度的電壓電流控制。

加熱電路采用全隔離單相交流調(diào)壓模塊。全隔離單相交流調(diào)壓模塊是集同步變壓器、相位檢測(cè)電路、移相觸發(fā)電路和輸出可控硅于一體，當(dāng)改變控制電壓的大小，就可改變輸出可控硅的觸發(fā)相角，實(shí)現(xiàn)單相交流電的調(diào)壓。由中心處理器輸入0~10 V直流控制信號(hào)， 輸出0~220V可調(diào)交流電壓，驅(qū)動(dòng)加熱絲進(jìn)行加熱。

該系統(tǒng)采用PWM脈沖對(duì)半導(dǎo)體致冷片Peltier進(jìn)行控制,通過調(diào)節(jié)脈沖的占空比來控制制冷的程度。制冷電路通過PWM控制積分電路的充電以及放電，當(dāng)PWM脈沖為低電平時(shí)，MOS管導(dǎo)通，電容開始充電，電流經(jīng)Peltier及電感流到地；當(dāng)PWM脈沖為高電平時(shí)，MOS管截止，由于電流突變,電感產(chǎn)生較大的電動(dòng)勢(shì),這時(shí)電流呈線性下降的趨勢(shì),通過控制MOS管的導(dǎo)通和截止，就能形成與脈沖的占空比有關(guān)的電流，以驅(qū)動(dòng)致冷片Peltier進(jìn)行制冷。

電路中的電感與電容組成的電感電容濾波器在這里有2個(gè)功能：一是減少PWM驅(qū)動(dòng)造成的電磁干擾；二是濾波使得較為穩(wěn)定的電壓輸出提升了Peltier的制冷性能。系統(tǒng)還接有風(fēng)扇，直接對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行散熱。系統(tǒng)的PWM積分電路如圖4所示。

圖4 PWM積分電路

2.4 電壓測(cè)量電路

由于熱電材料兩端輸出的電壓信號(hào)較微弱，為微伏量級(jí)，因此采用高精度的24位A/D轉(zhuǎn)換器AD7714 ［5］，測(cè)量精度可達(dá)1 μV。樣品兩端的電勢(shì)差以全差分的形式輸入至24位A/D轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)，光電隔離后輸入中心控制器，具有較高的抗干擾性。

2.5 中心處理器

中心處理器是熱電材料溫度控制測(cè)量?jī)x的核心，用于實(shí)現(xiàn)測(cè)量以及控制的功能。系統(tǒng)采用MSP430F157作為中心處理器的MCU［6］，具有8路12位A/D轉(zhuǎn)換以及2路12位D/A轉(zhuǎn)換，支持多路測(cè)溫以及雙通道控制信號(hào)輸出，可以滿足系統(tǒng)對(duì)于2路的溫度測(cè)量以及加熱制冷控制的要求。有利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高集成度以及系統(tǒng)穩(wěn)定性。

中心處理器還實(shí)現(xiàn)與上位PC機(jī)的USB通信功能。本系統(tǒng)選用NI的LabView［7］作為監(jiān)控軟件開發(fā)平臺(tái)，給測(cè)試工作帶來了很大的方便；同時(shí)也帶來一種人性化的信息。該系統(tǒng)可外接液晶顯示和鍵盤，可以脫離上位機(jī)進(jìn)行測(cè)量，具有較高的靈活性。

3 算法分析

該系統(tǒng)采用模糊自調(diào)整PID控制［8］，既具有模糊控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，又具有PID控制精度高的特點(diǎn)，可達(dá)到較高的動(dòng)、靜態(tài)性能。

典型的離散差分PID表達(dá)式［9］為:

ui=KP{［e(k)+TTI∑kj=0e(j)+TDT［e(k)－e(k－1)］}

=KPe(k)+KI∑kj=0e(j)+KD［e(k)－e(k－1)］(3)

式中：ui為第i個(gè)采樣時(shí)刻系統(tǒng)輸出量；e(k)為第k個(gè)采樣時(shí)刻系統(tǒng)的輸入偏差；KP為比例系數(shù)；KI為積分系數(shù)，KI=KPT/TI；KD為微分系數(shù)，KD=KPTD/T。

系統(tǒng)中的自調(diào)整PID控制器以測(cè)量溫度值與設(shè)定溫度值的偏差E和該偏差的變化率EC作為輸入，利用模糊理論在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行校正。把偏差E和偏差變化率EC劃分為NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB七個(gè)模糊子集。

根據(jù)|E|和|EC|所屬的模糊子集，計(jì)算出相應(yīng)的PID參數(shù)［10］：

KP=∑5i=1μi［(|E|,|EC|)KPi］∑5i=1μi(|E|,|EC|)(4)

KI=∑5i=1μi［(|E|,|EC|)KIi］∑5i=1μi(|E|,|EC|)(5)

KD=∑5i=1μi［(|E|,|EC|)KDi］∑5i=1μi(|E|,|EC|)(6)

式中：KPi,KIi和KDi（i=1，2，…，5）分別是在不同狀態(tài)下對(duì)參數(shù)KP,KI和KDв貿(mào)９鍼ID參數(shù)整定法得到整定值。

用在線自整定的PID參數(shù)KP,KI,KD就可根據(jù)式（3）計(jì)算出輸出控制值ui。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)論

對(duì)于塞貝克系數(shù)的確定該系統(tǒng)采用改進(jìn)的Harman方法，只要知道樣品兩端的電勢(shì)差以及溫度差，就可求出塞貝克系數(shù)［11］。

S=V/（Th－Tc）(7)

式中：V為樣品兩端電勢(shì)差；Th為樣品熱端的溫度；Tc為樣品冷端溫度。

在對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)量時(shí)，首先用測(cè)量?jī)x（見圖5）調(diào)節(jié)樣品兩端的溫度Th,Tc，測(cè)量樣品在不同的溫差條件下的電勢(shì)差，以此計(jì)算出對(duì)應(yīng)的塞貝克系數(shù)，并找出塞貝克系數(shù)最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的Th與Tc值。

圖5 測(cè)量?jī)x外觀

定義樣品熱端溫度與冷端溫度的平均溫度為:

Tavg=（Th+Tc）/2(8)

改變Th,Tc值，但保持塞貝克系數(shù)最大時(shí)的平均溫度Tavg值不變，測(cè)量在固定Tavg下樣品兩端的電勢(shì)差，驗(yàn)證該塞貝克系數(shù)是否符合式（2）的規(guī)律。

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)，完成對(duì)熱電材料樣品塞貝克系數(shù)的測(cè)量，選用性能相近，但極性相反的N型及P型BizTe系樣品，在15~70 ℃的溫度范圍內(nèi)，分別改變樣品冷端和熱端的溫度，使平均溫度Tavg在一定范圍內(nèi)變化，并同時(shí)測(cè)量?jī)煞N樣品兩端的電勢(shì)差。

結(jié)果如圖6所示，在平均溫度Tavg=310.9 K時(shí)，待測(cè)N型熱電材料樣品的塞貝克系數(shù)達(dá)到最大值，為293.88 μV/K；在平均溫度Tavg=311.4 K時(shí)，待測(cè)N型熱電材料樣品的塞貝克系數(shù)達(dá)到最大值，為270.18 μV/K。

分別保持兩種熱電材料的平均溫度維持在塞貝克系數(shù)最大時(shí)的數(shù)值下不變，改變待測(cè)樣品冷熱兩端的溫度Th,Tc，使ΔT=|T1－T2|在一定范圍內(nèi)變化，并同時(shí)測(cè)量?jī)啥说碾妱?shì)差。

N型和P型熱電材料得溫差電動(dòng)勢(shì)如圖7、圖8所示。

圖6 塞貝克系數(shù)的溫度分布圖

圖7 N型材料樣品的溫差電動(dòng)勢(shì)關(guān)系圖

圖8 P型材料的溫差電動(dòng)勢(shì)關(guān)系圖

通過線性擬合，可求出N型樣品的塞貝克系數(shù)約為288.99 μV/K，P 型 樣 品 的 塞 貝 克 系 數(shù) 約 為274.79 μV/K，與在不同平均溫度下測(cè)量所得的塞貝克系數(shù)最大值相符合，因此該系統(tǒng)對(duì)于熱電材料塞貝克系數(shù)的測(cè)量是比較準(zhǔn)確的。

5 結(jié) 語

針對(duì)熱電器件性能研究的需要，這里設(shè)計(jì)開發(fā)出一種比較完善的實(shí)時(shí)高精度塞貝克系數(shù)測(cè)量?jī)x，可以靈活切換對(duì)樣品兩端的加熱制冷控制，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電材料塞貝克系數(shù)的測(cè)量,實(shí)

驗(yàn)證明，測(cè)量?jī)x抗干擾能力較強(qiáng)，控制測(cè)量精度高，是一個(gè)良好的測(cè)試方案。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介 梁曉峰 1982年出生，碩士研究生。主要從事智能儀器開發(fā)，集成電路設(shè)計(jì)研究工作。

王自鑫 1976年出生，講師，博士。主要從事智能儀器、光機(jī)電一體化研究工作。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。