斯劍霄，趙 戟，楊 杰，何小偉，胡益煦

（浙江師范大學(xué) 數(shù)理與信息工程學(xué)院，浙江 金華 321004）

熱電材料作為通過固體材料內(nèi)部載流子輸運實現(xiàn)熱能與電能相互轉(zhuǎn)換的功能性新材料近年來引起了人們的廣泛關(guān)注［1－3］。利用熱電材料制造的溫差發(fā)電和制冷器件具有非常廣泛的應(yīng)用前景，也是國家大力扶持發(fā)展的綠色低碳環(huán)保產(chǎn)業(yè)［4］。目前，國內(nèi)一些高校已經(jīng)在相關(guān)材料專業(yè)中開設(shè)了熱電轉(zhuǎn)化課程，然而在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，由于現(xiàn)有的熱電參數(shù)測量的實驗儀器價格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對儀器的操作要求較高，而且部分配件易損壞、難維修，使得在開展此類實驗教學(xué)過程中教師存在不敢放手讓學(xué)生做實驗，而學(xué)生也不敢動手做實驗的尷尬情景，無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，不利于學(xué)生對理論知識的掌握和實踐動手能力的提高。正是基于這一考慮，本文從硬件和軟件兩方面入手，設(shè)計和研制了一套成本低、開放性好、拓展性強的熱電參數(shù)測量實驗裝置，滿足了材料專業(yè)學(xué)生實踐教學(xué)的需要，提高了課程教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

1 測量設(shè)計原理

熱電參數(shù)主要由Seebeck系數(shù)和電導(dǎo)率2個參量構(gòu)成。Seebeek系數(shù)可簡單表示為

其中ΔV為溫差電動勢，ΔT為試樣兩端的溫度差。只要測定樣品兩端的溫差ΔT和對應(yīng)產(chǎn)生的電壓ΔV，就可以求出相應(yīng)條件下的Seebeck系數(shù)［5］。電導(dǎo)率σ是在恒溫條件和恒定電場下測量，一般讓已知電流通過被測樣品，測量試樣兩端的電壓。電導(dǎo)率σ可表示為其中R為材料電阻，S為樣品截面積，L為樣品長度［6］。電阻測量采用在同一電流信號下比較標準電阻和待測電阻的電壓比得到。為了溫差電勢的影響，采用改變電流方向測出正向、反向電流時的電阻，通過取平均值消除溫差電勢的影響。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)上述熱電參數(shù)測量原理，在設(shè)計系統(tǒng)硬件時應(yīng)考慮以下因素：

（1）樣品兩端溫差的控制和測量；

（2）對應(yīng)溫差下產(chǎn)生的微電壓測量；

（3）消除接觸電阻和溫差電勢對阻值測量的影響；

（4）滿足高溫和真空環(huán)境的相對穩(wěn)定。根據(jù)上述要求，硬件設(shè)備構(gòu)成如圖1所示。

圖1 熱電參數(shù)測量儀器硬件構(gòu)成框圖

為確保待測樣品與測量系統(tǒng)之間保持良好的熱傳導(dǎo)和電學(xué)接觸，待測樣品平臺采用“T”型鎖扣結(jié)構(gòu)，用耐高溫和熱導(dǎo)率好的紫銅塊為試樣的兩端，將其加工成密合的“T”平臺和孔扣。樣品夾在平臺和孔扣之間，并可以通過彈簧和螺母將其緊扣，如圖2所示。這種平臺設(shè)計不但可以確保樣品一端溫度分布均勻，同時保證樣品與平臺的接觸電阻小，這一設(shè)計大大節(jié)省了樣品放置的空間，同時適合二維薄膜樣品的測量。

圖2 樣品“T”型鎖扣結(jié)構(gòu)實物圖

樣品兩端穩(wěn)態(tài)溫差形成是通過在“T”平臺兩端加裝微型加熱線圈，利用φ0.5mm K型熱電偶在樣品邊緣采集溫度信號，采用可編程PID溫度控制器控制加熱線圈，實現(xiàn)樣品兩端0～10℃范圍溫差的穩(wěn)態(tài)控制。常溫環(huán)境下，穩(wěn)態(tài)溫差控制誤差小于0.3℃。對應(yīng)溫差下的微電壓測量要求快速響應(yīng)的高精度的動態(tài)實時測量，采用六位半Keithley2700數(shù)據(jù)采集模塊和系統(tǒng)實現(xiàn)快速、低噪聲、多功能連續(xù)測量［7－8］。采用雙全橋步進電機專用驅(qū)動芯片L298控制電導(dǎo)率測量過程中電流的正反方向，用PT100熱電阻作為標準電阻，在Keithley2400恒流源下，通過平均正反2次測量阻值消除溫差電勢引起的阻值誤差［9］。儀器高溫和真空環(huán)境采用在箱式加熱爐中引入抽真空等設(shè)備，真空度優(yōu)于10Pa，溫度范圍為室溫到500℃左右。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件利用圖形化程序開發(fā)軟件LabVIEW編寫，數(shù)據(jù)采集模塊Keithley2700通過IVI Driver和I／O Layer（VISA）實現(xiàn)軟件控制和開發(fā)，Keithley公司提供大量的VI子程序［10］。系統(tǒng)軟件主要包括設(shè)置、運行、退出三大模塊，流程圖構(gòu)成包括通信設(shè)置、初始化、參數(shù)設(shè)置、Seebeck系數(shù)采集和分析、電導(dǎo)率數(shù)據(jù)采集和分析、數(shù)據(jù)保存和繪圖等部分，軟件工作流程如圖3所示。

3.1 系統(tǒng)設(shè)置模塊

系統(tǒng)設(shè)置模塊包括通信端口設(shè)置、熱電參數(shù)選擇、通道設(shè)置、熱電偶參數(shù)設(shè)置、觸發(fā)方式、延時等，通信端口選擇串口連接，設(shè)置采樣速率，端口連接正確時在界面顯示串口端，否則返回錯誤報告。測量參數(shù)按鈕選擇電導(dǎo)率測量或Seebeck系數(shù)測量，在電導(dǎo)率測量時，設(shè)置電流正反向參數(shù)。根據(jù)相應(yīng)通道選擇測量函數(shù)和通道端口，控制界面如圖4所示。

3.2 系統(tǒng)運行模塊

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)，系統(tǒng)運行模塊完成數(shù)據(jù)采集和記錄，在Seebeck系數(shù)測量時，記錄樣品兩端溫度值以及樣品兩端熱電勢，并將動態(tài)數(shù)據(jù)存儲在相應(yīng)表格內(nèi)并繪圖，同時利用擬合控件對采集數(shù)據(jù)進行線性擬合，在波形圖中顯示擬合效果，通過擬合數(shù)據(jù)得到Seebeck系數(shù)值。在電導(dǎo)率測量時，開啟直流電壓，通過軟件控制L298芯片輸入電平，改變輸出電流方向。記錄樣品電壓和標準樣品電壓，選擇枚舉列表下的PT100電阻，自動計算待測樣品電阻的平均值，通過輸入樣品的長、寬、高各個參數(shù)，準確計算電導(dǎo)率數(shù)值。在得到相應(yīng)的Seebeck系數(shù)和電導(dǎo)率值后，軟件自動給出樣品的功率因子，其連線示意如圖5所示。

圖3 軟件工作流程圖

3.3 系統(tǒng)結(jié)果輸出和退出模塊

系統(tǒng)根據(jù)運行結(jié)果在相應(yīng)的選項卡下顯示測量結(jié)果，并利用繪圖子VI給出相應(yīng)的表格和圖表，方便數(shù)據(jù)存儲和保持。在設(shè)置模塊和運行模塊中，利用Keithley2700提供的close子VI，在事件響應(yīng)后退出程序。

圖4 軟件控制界面圖

圖5 運行模塊連線示意圖

4 測試與分析

用半導(dǎo)體熱電材料PbTe／CdTe多層薄膜進行了熱電參數(shù)測量，測量結(jié)果如圖6所示。Seebeck熱電勢隨兩端溫差呈現(xiàn)較好的線性變化，通過線性擬合可以得到PbTe／CdTe的Seebeck系數(shù)為－53μV／K，正反電導(dǎo)率測量的平均值為248S／m，測量結(jié)果與文獻報道接近［11－12］。表明儀器能很好用于半導(dǎo)體材料的熱電參數(shù)測量。

圖6 PbTe／CdTe多層薄膜熱電參數(shù)測量結(jié)果界面

5 結(jié)束語

本文設(shè)計和研制的熱電參數(shù)測量儀器能準確、快速地給出材料的各種熱電參數(shù)，同時操作簡單方便，開發(fā)成本低，能較好地滿足熱電參數(shù)測量實驗教學(xué)，可以廣泛應(yīng)用與材料專業(yè)熱電材料的教學(xué)和研究。

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