斯剑霄，赵 戟，杨 杰，何小伟，胡益煦

（浙江师范大学 数理与信息工程学院，浙江 金华 321004）

热电材料作为通过固体材料内部载流子输运实现热能与电能相互转换的功能性新材料近年来引起了人们的广泛关注［1－3］。利用热电材料制造的温差发电和制冷器件具有非常广泛的应用前景，也是国家大力扶持发展的绿色低碳环保产业［4］。目前，国内一些高校已经在相关材料专业中开设了热电转化课程，然而在实践教学环节中，由于现有的热电参数测量的实验仪器价格昂贵、结构复杂，对仪器的操作要求较高，而且部分配件易损坏、难维修，使得在开展此类实验教学过程中教师存在不敢放手让学生做实验，而学生也不敢动手做实验的尴尬情景，无法激发学生的学习兴趣，不利于学生对理论知识的掌握和实践动手能力的提高。正是基于这一考虑，本文从硬件和软件两方面入手，设计和研制了一套成本低、开放性好、拓展性强的热电参数测量实验装置，满足了材料专业学生实践教学的需要，提高了课程教学质量和教学效果。

1 测量设计原理

热电参数主要由Seebeck系数和电导率2个参量构成。Seebeek系数可简单表示为

其中ΔV为温差电动势，ΔT为试样两端的温度差。只要测定样品两端的温差ΔT和对应产生的电压ΔV，就可以求出相应条件下的Seebeck系数［5］。电导率σ是在恒温条件和恒定电场下测量，一般让已知电流通过被测样品，测量试样两端的电压。电导率σ可表示为其中R为材料电阻，S为样品截面积，L为样品长度［6］。电阻测量采用在同一电流信号下比较标准电阻和待测电阻的电压比得到。为了温差电势的影响，采用改变电流方向测出正向、反向电流时的电阻，通过取平均值消除温差电势的影响。

2 系统硬件设计

根据上述热电参数测量原理，在设计系统硬件时应考虑以下因素：

（1）样品两端温差的控制和测量；

（2）对应温差下产生的微电压测量；

（3）消除接触电阻和温差电势对阻值测量的影响；

（4）满足高温和真空环境的相对稳定。根据上述要求，硬件设备构成如图1所示。

图1 热电参数测量仪器硬件构成框图

为确保待测样品与测量系统之间保持良好的热传导和电学接触，待测样品平台采用“T”型锁扣结构，用耐高温和热导率好的紫铜块为试样的两端，将其加工成密合的“T”平台和孔扣。样品夹在平台和孔扣之间，并可以通过弹簧和螺母将其紧扣，如图2所示。这种平台设计不但可以确保样品一端温度分布均匀，同时保证样品与平台的接触电阻小，这一设计大大节省了样品放置的空间，同时适合二维薄膜样品的测量。

图2 样品“T”型锁扣结构实物图

样品两端稳态温差形成是通过在“T”平台两端加装微型加热线圈，利用φ0.5mm K型热电偶在样品边缘采集温度信号，采用可编程PID温度控制器控制加热线圈，实现样品两端0～10℃范围温差的稳态控制。常温环境下，稳态温差控制误差小于0.3℃。对应温差下的微电压测量要求快速响应的高精度的动态实时测量，采用六位半Keithley2700数据采集模块和系统实现快速、低噪声、多功能连续测量［7－8］。采用双全桥步进电机专用驱动芯片L298控制电导率测量过程中电流的正反方向，用PT100热电阻作为标准电阻，在Keithley2400恒流源下，通过平均正反2次测量阻值消除温差电势引起的阻值误差［9］。仪器高温和真空环境采用在箱式加热炉中引入抽真空等设备，真空度优于10Pa，温度范围为室温到500℃左右。

3 系统软件设计

系统软件利用图形化程序开发软件LabVIEW编写，数据采集模块Keithley2700通过IVI Driver和I／O Layer（VISA）实现软件控制和开发，Keithley公司提供大量的VI子程序［10］。系统软件主要包括设置、运行、退出三大模块，流程图构成包括通信设置、初始化、参数设置、Seebeck系数采集和分析、电导率数据采集和分析、数据保存和绘图等部分，软件工作流程如图3所示。

3.1 系统设置模块

系统设置模块包括通信端口设置、热电参数选择、通道设置、热电偶参数设置、触发方式、延时等，通信端口选择串口连接，设置采样速率，端口连接正确时在界面显示串口端，否则返回错误报告。测量参数按钮选择电导率测量或Seebeck系数测量，在电导率测量时，设置电流正反向参数。根据相应通道选择测量函数和通道端口，控制界面如图4所示。

3.2 系统运行模块

根据系统设置参数，系统运行模块完成数据采集和记录，在Seebeck系数测量时，记录样品两端温度值以及样品两端热电势，并将动态数据存储在相应表格内并绘图，同时利用拟合控件对采集数据进行线性拟合，在波形图中显示拟合效果，通过拟合数据得到Seebeck系数值。在电导率测量时，开启直流电压，通过软件控制L298芯片输入电平，改变输出电流方向。记录样品电压和标准样品电压，选择枚举列表下的PT100电阻，自动计算待测样品电阻的平均值，通过输入样品的长、宽、高各个参数，准确计算电导率数值。在得到相应的Seebeck系数和电导率值后，软件自动给出样品的功率因子，其连线示意如图5所示。

图3 软件工作流程图

3.3 系统结果输出和退出模块

系统根据运行结果在相应的选项卡下显示测量结果，并利用绘图子VI给出相应的表格和图表，方便数据存储和保持。在设置模块和运行模块中，利用Keithley2700提供的close子VI，在事件响应后退出程序。

图4 软件控制界面图

图5 运行模块连线示意图

4 测试与分析

用半导体热电材料PbTe／CdTe多层薄膜进行了热电参数测量，测量结果如图6所示。Seebeck热电势随两端温差呈现较好的线性变化，通过线性拟合可以得到PbTe／CdTe的Seebeck系数为－53μV／K，正反电导率测量的平均值为248S／m，测量结果与文献报道接近［11－12］。表明仪器能很好用于半导体材料的热电参数测量。

图6 PbTe／CdTe多层薄膜热电参数测量结果界面

5 结束语

本文设计和研制的热电参数测量仪器能准确、快速地给出材料的各种热电参数，同时操作简单方便，开发成本低，能较好地满足热电参数测量实验教学，可以广泛应用与材料专业热电材料的教学和研究。

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