20世紀末以來,，對熱電材料的研究成為材料科學的一個研究熱點。作為一種能源轉換材料,，熱電材料的應用不需要傳動部件,，工作時無噪音，無排棄物,，與太陽能,，風能，水能等二次能源的應用一樣,，對環(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)的測試裝置,，主要存在結構復雜,，測試過程耗時較長，需根據(jù)極性來進行樣品安裝,，測量精度較低等問題,。針對上述問題，系統(tǒng)采用了精確的高電壓電流控制電路,，選用半導體致冷片作為制冷機制,，簡化了系統(tǒng)結構，可實現(xiàn)從任意方向對熱電材料的塞貝克系數(shù)進行快速的溫度控制以及測量,。
1 熱電材料簡介
熱電材料指通過其熱電效應實現(xiàn)熱能和電能直接相互轉換的功能材料。目前已有一系列的熱電材料被研制出來,，如Biz'17,、e系、PbTe系,、SiGe系等合金,，但由于其熱電轉換率相對較低，限制了熱電材料的廣泛應用,。衡量熱電材料的熱電性能使用優(yōu)值系數(shù)Z,，Z值越高，熱電轉換效率越高,，熱電材料的性能越好,。優(yōu)值系數(shù)Z可通過以式(1)計算得出：
其中：S是塞貝克系數(shù),；σ是材料的電導率；k是材料的熱導率,。
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。精確測量材料的塞貝克系數(shù),，對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)實意義,。
熱電材料的塞貝克系數(shù)可表示為：
式中：E為溫差電材料兩端產生的塞貝克電動勢；S即塞貝克系數(shù),；ΔT為溫差電材料兩端的溫差,。
2 系統(tǒng)設計方案
2．1 系統(tǒng)概述
傳統(tǒng)測量塞貝克系數(shù)的裝置，都是固定一端用于加熱,，另一端用于制冷,，對不同極性的樣品進行測量時需要重新裝卸。該系統(tǒng)的一個突出特點就是在每個樣品夾內均設有加熱及制冷機構,，樣品夾內的加熱機構采用交流調壓模塊控制加熱絲實現(xiàn),，制冷機構采用半導體致冷片實現(xiàn)。半導體制冷片是一種利用半導體珀爾帖效應而制的器件,，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),。該測量儀的熱電材料溫度控制測量儀的硬件結構圖如圖1所示。
通過加熱與致冷機制,，該系統(tǒng)可以從任意方向對熱電材料的塞貝克系數(shù)進行測量,、且不需確定待測樣品的極性，對于溫度的控制響應迅速且精度較高,，可避免將樣品從樣品夾上拆卸再重新裝上所帶來的麻煩,，簡化了測試步驟，縮短了測試時間,。
該測量儀的系統(tǒng)電路如圖2所示,。
溫度傳感器測量出的溫度信號，經(jīng)中心控制器模糊自調整PID運算后,，求得兩路通道的加熱控制值及制冷控制值,，分別通過D／A轉換和積分電路，輸出至相應的控制執(zhí)行電路以實現(xiàn)對溫度的控制。樣品兩端的電勢差,，經(jīng)高精度A／D轉換送入中心控制器,。
2．2 溫度測量電路
溫度測量電路由恒流源電路以及放大濾波電路組成。該設計采用豪蘭德電流源電路,，引入了深度負反饋,，利用集成運放來實現(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,，把溫度值轉變電壓信號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轉換成數(shù)字信號送入中心控制器,。
2．3 控制執(zhí)行電路
對于樣品的控溫，需要較大的功率,，因此涉及對高電流及高電壓的精確控制,，這是該系統(tǒng)的設計重點之一。系統(tǒng)的加熱與制冷采用不同的機制來實現(xiàn),，實現(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壓模塊。全隔離單相交流調壓模塊是集同步變壓器,、相位檢測電路,、移相觸發(fā)電路和輸出可控硅于一體，當改變控制電壓的大小,，就可改變輸出可控硅的觸發(fā)相角,，實現(xiàn)單相交流電的調壓。由中心處理器輸入0～10 V直流控制信號,，輸出0～220 V可調交流電壓,，驅動加熱絲進行加熱。該系統(tǒng)采用PwM脈沖對半導體致冷片Peltier進行控制,，通過調節(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PwM脈沖為低電平時,，MOS管導通,，電容開始充電，電流經(jīng)Peltier及電感流到地,；當PwM脈沖為高電平時,，MOS管截止,，由于電流突變,，電感產生較大的電動勢，這時電流呈線性下降的趨勢，通過控制MOS管的導通和截止,，就能形成與脈沖的占空比有關的電流,，以驅動致冷片Peltier進行制冷。電路中的電感與電容組成的電感電容濾波器在這里有2個功能：一是減少PwM驅動造成的電磁干擾,；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)還接有風扇，直接對場效應管進行散熱,。系統(tǒng)的PWM積分電路如圖4所示,。
2．4 電壓測量電路
由于熱電材料兩端輸出的電壓信號較微弱，為微伏量級,，因此采用高精度的24位A／D轉換器AD7714,，測量精度可達1μV。樣品兩端的電勢差以全差分的形式輸入至24位A／D轉換電路,，經(jīng)A／D轉換后的數(shù)字信號,，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量儀的核心,，用于實現(xiàn)測量以及控制的功能。系統(tǒng)采用MSP430F157作為中心處理器的MCU,，具有8路12位A／D轉換以及2路12位D／A轉換,，支持多路測溫以及雙通道控制信號輸出，可以滿足系統(tǒng)對于2路的溫度測量以及加熱制冷控制的要求,。有利于簡化系統(tǒng)設計,，提高集成度以及系統(tǒng)穩(wěn)定性。
中心處理器還實現(xiàn)與上位PC機的USB通信功能,。本系統(tǒng)選用NI的LabView作為監(jiān)控軟件開發(fā)平臺,，給測試工作帶來了很大的方便；同時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,，可以脫離上位機進行測量，具有較高的靈活性,。
3 算法分析
該系統(tǒng)采用模糊自調整PID控制,，既具有模糊控制動態(tài)響應快、適應性強的特點,，又具有PID控制精度高的特點,，可達到較高的動、靜態(tài)性能,。
典型的離散差分PID表達式為：
式中：ui為第i個采樣時刻系統(tǒng)輸出量,；e(k)為第k個采樣時刻系統(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)中的自調整PID控制器以測量溫度值與設定溫度值的偏差E和該偏差的變化率EC作為輸入,，利用模糊理論在線對PID參數(shù)進行校正。把偏差E和偏差變化率EC劃分為NB,，．NM,，NS，Zo,PS,，PM,，PB七個模糊子集。根據(jù)| E|I和|EC|所屬的模糊子集,，計算出相應的PID參數(shù)：
式中：Kpi,kIi和KDi(i=1,，2，…,，5)分別是在不同狀態(tài)下對參數(shù)KP,，KI和KD用常規(guī)PID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)計算出輸出控制值ui。
4 實驗數(shù)據(jù)及結論
對于塞貝克系數(shù)的確定該系統(tǒng)采用改進的Har—man方法,，只要知道樣品兩端的電勢差以及溫度差,，就可求出塞貝克系數(shù)。
式中：V為樣品兩端電勢差,；Th為樣品熱端的溫度,；T，為樣品冷端溫度,。在對樣品進行測量時,，首先用測量儀(見圖5)調節(jié)樣品兩端的溫度Th，Tc,，測量樣品在不同的溫差條件下的電勢差,，以此計算出對應的塞貝克系數(shù)，并找出塞貝克系數(shù)最大時所對應的Tb與Tc值,。
定義樣品熱端溫度與冷端溫度的平均溫度為：
改變Th,Tc值,，但保持塞貝克系數(shù)最大時的平均溫度Tavg值不變，測量在固定Tavg下樣品兩端的電勢差,，驗證該塞貝克系數(shù)是否符合式(2)的規(guī)律,。
為了驗證該系統(tǒng),，完成對熱電材料樣品塞貝克系數(shù)的測量，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,，分別改變樣品冷端和熱端的溫度，使平均溫度Tavg在一定范圍內變化,，并同時測量兩種樣品兩端的電勢差,。
結果如圖6所示，在平均溫度Tavg=310．9 K時,，待測N型熱電材料樣品的塞貝克系數(shù)達到最大值,，為293．88μV／K；在平均溫度Tavg=311．4 K時,，待測N型熱電材料樣品的塞貝克系數(shù)達到最大值,，為270．18μV／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)最大時的數(shù)值下不變,，改變待測樣品冷熱兩端的溫度Th,Tc,，使△T=| T1一T2|在一定范圍內變化，并同時測量兩端的電勢差,。
N型和P型熱電材料得溫差電動勢如圖7,、圖8所示。
通過線性擬合,，可求出N型樣品的塞貝克系數(shù)約為288.99μV/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量所得的塞貝克系數(shù)最大值相符合,，因此該系統(tǒng)對于熱電材料塞貝克系數(shù)的測量是比較準確的,。
5 結 語
針對熱電器件性能研究的需要，這里設計開發(fā)出一種比較完善的實時高精度塞貝克系數(shù)測量儀,，可以靈活切換對樣品兩端的加熱制冷控制,，用以實現(xiàn)對熱電材料塞貝克系數(shù)的測量，實驗證明,，測量儀抗干擾能力較強,，控制測量精度高，是一個良好的測試方案,。