熱電參數測量實驗儀器設計與研制

斯劍霄，趙 戟，楊 杰，何小偉，胡益煦

（浙江師范大學 數理與信息工程學院，浙江 金華 321004）

熱電材料作為通過固體材料內部載流子輸運實現熱能與電能相互轉換的功能性新材料近年來引起了人們的廣泛關注［1－3］。利用熱電材料制造的溫差發電和制冷器件具有非常廣泛的應用前景，也是國家大力扶持發展的綠色低碳環保產業［4］。目前，國內一些高校已經在相關材料專業中開設了熱電轉化課程，然而在實踐教學環節中，由于現有的熱電參數測量的實驗儀器價格昂貴、結構復雜，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過程中教師存在不敢放手讓學生做實驗，而學生也不敢動手做實驗的尷尬情景，無法激發學生的學習興趣，不利于學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，設計和研制了一套成本低、開放性好、拓展性強的熱電參數測量實驗裝置，滿足了材料專業學生實踐教學的需要，提高了課程教學質量和教學效果。

1 測量設計原理

熱電參數主要由Seebeck系數和電導率2個參量構成。Seebeek系數可簡單表示為

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和對應產生的電壓ΔV，就可以求出相應條件下的Seebeck系數［5］。電導率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 系統硬件設計

根據上述熱電參數測量原理，在設計系統硬件時應考慮以下因素：

（1）樣品兩端溫差的控制和測量；

（2）對應溫差下產生的微電壓測量；

（3）消除接觸電阻和溫差電勢對阻值測量的影響；

（4）滿足高溫和真空環境的相對穩定。根據上述要求，硬件設備構成如圖1所示。

圖1 熱電參數測量儀器硬件構成框圖

為確保待測樣品與測量系統之間保持良好的熱傳導和電學接觸，待測樣品平臺采用“T”型鎖扣結構，用耐高溫和熱導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，這一設計大大節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”型鎖扣結構實物圖

樣品兩端穩態溫差形成是通過在“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，實現樣品兩端0～10℃范圍溫差的穩態控制。常溫環境下，穩態溫差控制誤差小于0.3℃。對應溫差下的微電壓測量要求快速響應的高精度的動態實時測量，采用六位半Keithley2700數據采集模塊和系統實現快速、低噪聲、多功能連續測量［7－8］。采用雙全橋步進電機專用驅動芯片L298控制電導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］。儀器高溫和真空環境采用在箱式加熱爐中引入抽真空等設備，真空度優于10Pa，溫度范圍為室溫到500℃左右。

3 系統軟件設計

系統軟件利用圖形化程序開發軟件LabVIEW編寫，數據采集模塊Keithley2700通過IVI Driver和I／O Layer（VISA）實現軟件控制和開發，Keithley公司提供大量的VI子程序［10］。系統軟件主要包括設置、運行、退出三大模塊，流程圖構成包括通信設置、初始化、參數設置、Seebeck系數采集和分析、電導率數據采集和分析、數據保存和繪圖等部分，軟件工作流程如圖3所示。

3.1 系統設置模塊

系統設置模塊包括通信端口設置、熱電參數選擇、通道設置、熱電偶參數設置、觸發方式、延時等，通信端口選擇串口連接，設置采樣速率，端口連接正確時在界面顯示串口端，否則返回錯誤報告。測量參數按鈕選擇電導率測量或Seebeck系數測量，在電導率測量時，設置電流正反向參數。根據相應通道選擇測量函數和通道端口，控制界面如圖4所示。

3.2 系統運行模塊

根據系統設置參數，系統運行模塊完成數據采集和記錄，在Seebeck系數測量時，記錄樣品兩端溫度值以及樣品兩端熱電勢，并將動態數據存儲在相應表格內并繪圖，同時利用擬合控件對采集數據進行線性擬合，在波形圖中顯示擬合效果，通過擬合數據得到Seebeck系數值。在電導率測量時，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，準確計算電導率數值。在得到相應的Seebeck系數和電導率值后，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 系統結果輸出和退出模塊

系統根據運行結果在相應的選項卡下顯示測量結果，并利用繪圖子VI給出相應的表格和圖表，方便數據存儲和保持。在設置模塊和運行模塊中，利用Keithley2700提供的close子VI，在事件響應后退出程序。

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

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

圖6 PbTe／CdTe多層薄膜熱電參數測量結果界面

5 結束語

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

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