双端可调的塞贝克系数测量仪

　　0　引　言

　　20世纪末以来,对热电材料的研究成为材料科学的一个研究热点[1]。作为一种能源转换材料,热电材料的应用不需要传动部件,工作时无噪音,无排弃物,与太阳能,风能,水能等二次能源的应用一样,对环境没有污染,并且这种材料性能可靠,使用寿命长,具有广泛的应用前景。

　　塞贝克系数是热电材料的重要性能参数之一,现有涉及塞贝克系数的测试装置,主要存在结构复杂,测试过程耗时较长,需根据极性来进行样品安装,测量精度较低等问题。针对上述问题,系统采用了精确的高电压电流控制电路,选用半导体致冷片作为制冷机制,简化了系统结构,可实现从任意方向对热电材料的塞贝克系数进行快速的温度控制以及测量。

　　1　热电材料简介

　　热电材料指通过其热电效应实现热能和电能直接相互转换的功能材料。目前已有一系列的热电材料被研制出来,如BizTe系、PbTe系、SiGe系等合金,但由于其热电转换率相对较低,限制了热电材料的广泛应用。衡量热电材料的热电性能使用优值系数Z, Z值越高,热电转换效率越高,热电材料的性能越好[2]。优值系数Z可通过以式(1)计算得出:

　　其中:S是塞贝克系数;σ是材料的电导率;k是材料的热导率[3]。

　　塞贝克系数是热电材料重要的性能参数之一,从式(1)可见,塞贝克系数S越大,优值系数Z越大,材料的热电性能越好。精确测量材料的塞贝克系数,对于研究热电材料性能以及开发新型热电材料具有重要的现实意义。

　　热电材料的塞贝克系数可表示为:

　　式中:E为温差电材料两端产生的塞贝克电动势;S即塞贝克系数;ΔΤ为温差电材料两端的温差。

　　2　系统设计方案

　　2.1　系统概述

　　传统测量塞贝克系数的装置,都是固定一端用于加热,另一端用于制冷,对不同极性的样品进行测量时需要重新装卸。该系统的一个突出特点就是在每个样品夹内均设有加热及制冷机构,样品夹内的加热机构采用交流调压模块控制加热丝实现,制冷机构采用半导体致冷片实现。半导体制冷片是一种利用半导体珀尔帖效应而制的器件,将其冷端贴在样品夹上,热端与水冷装置相连。致冷片通过吸热效应把样品一端的热量传至致冷片的热端,并通过水冷装置把样品冷端的热量带离系统。该测量仪的热电材料温度控制测量仪的硬件结构图如图1所示。

　　通过加热与致冷机制,该系统可以从任意方向对热电材料的塞贝克系数进行测量、且不需确定待测样品的极性,对于温度的控制响应迅速且精度较高,可避免将样品从样品夹上拆卸再重新装上所带来的麻烦,简化了测试步骤,缩短了测试时间。