引 言

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。

塞貝克系數是熱電材料的重要性能參數之一，現有涉及塞貝克系數的測試裝置，主要存在結構復雜，測試過程耗時較長，需根據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，簡化了系統結構，可實現從任意方向對熱電材料的塞貝克系數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值系數Z，Z值越高，熱電轉換效率越高，熱電材料的性能越好。優值系數Z可通過以式（1）計算得出：

其中：S是塞貝克系數；σ是材料的電導率；k是材料的熱導率。

塞貝克系數是熱電材料重要的性能參數之一，從式（1）可見，塞貝克系數s越大，優值系數Z越大，材料的熱電性能越好。精確測量材料的塞貝克系數，對于研究熱電材料性能以及開發新型熱電材料具有重要的現實意義。

熱電材料的塞貝克系數可表示為：

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；ΔT為溫差電材料兩端的溫差。

2 系統設計方案

2．1 系統概述

傳統測量塞貝克系數的裝置，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，制冷機構采用半導體致冷片實現。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。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，該系統可以從任意方向對熱電材料的塞貝克系數進行測量、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。

該測量儀的系統電路如圖2所示。

溫度傳感器測量出的溫度信號，經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行電路以實現對溫度的控制。樣品兩端的電勢差，經高精度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，經過增益以及有源低通濾波器濾波后，由A／D轉換成數字信號送入中心控制器。

2．3 控制執行電路

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，這是該系統的設計重點之一。系統的加熱與制冷采用不同的機制來實現，實現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相角，實現單相交流電的調壓。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。該系統采用PwM脈沖對半導體致冷片Peltier進行控制，通過調節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定的電壓輸出提升了Peltier的制冷性能。系統還接有風扇，直接對場效應管進行散熱。系統的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A／D轉換后的數字信號，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，用于實現測量以及控制的功能。系統采用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。有利于簡化系統設計，提高集成度以及系統穩定性。

中心處理器還實現與上位PC機的USB通信功能。本系統選用NI的LabView作為監控軟件開發平臺，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

該系統采用模糊自調整PID控制，既具有模糊控制動態響應快、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個采樣時刻系統輸出量；e（k）為第k個采樣時刻系統的輸入偏差；Kp為比例系數；KI為積分系數，KI=KPT/TI；KD為微分系數，KD=KPTD/T。

系統中的自調整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| E|I和|EC|所屬的模糊子集，計算出相應的PID參數：

式中：Kpi，kIi和KDi（i=1，2，…，5）分別是在不同狀態下對參數KP，KI和KD用常規PID參數整定法得到整定值。用在線自整定的PID參數KP，KI，KD就可根據式（3）計算出輸出控制值ui。

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4 實驗數據及結論

對于塞貝克系數的確定該系統采用改進的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。

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，并找出塞貝克系數最大時所對應的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，驗證該塞貝克系數是否符合式（2）的規律。

為了驗證該系統，完成對熱電材料樣品塞貝克系數的測量，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最大時的數值下不變，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約為288.99μV/K，P型樣品的塞貝克系數約為274．79 μV／K，與在不同平均溫度下測量所得的塞貝克系數最大值相符合，因此該系統對于熱電材料塞貝克系數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，這里設計開發出一種比較完善的實時高精度塞貝克系數測量儀，可以靈活切換對樣品兩端的加熱制冷控制，用以實現對熱電材料塞貝克系數的測量，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。

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