专利名称：热电材料参数自动测定仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量仪器，尤其涉及一种热电材料参数自动测定仪。
背景技术：
热电材料，又称温差电半导体材料，能够实现热能与电能间的直接转换，由多组/7 型和/7型热电材料的热电结组成的电制冷系统或热发电系统，具有体积小、重量轻、无传动 部件、无噪声运行、易于维护、无污染、性能稳定、寿命长等特点。好的热电材料必须具有较高的塞贝克(Seebeck)系数&从而保证有较明显的热 电效应，同时应有低的热导率k，使热量能保持在接头附近，另外还要求电导率s较大，使产 生的焦耳热量小，对于这几个性质的要求可由优值系数Z= 描述。材料的热电效率主 要由品质因子ι决定，r为冷热端绝对温度的平均值，ι值越大，效率越高。热电材料的电导率s和塞贝克(Seebeck)系数S的测量相对容易，但由于试样、弓丨 线和环境的热辐射以及相互之间的热交换的影响，热导率k的测量比较困难，难以同时测 量热电材料的电导率S、塞贝克(Seebeck)系数S及热导率k，影响了热电材料的性能表征 和应用研究。

发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种可自动对热电材料在各温度点的参 数进行测定的热电材料参数自动测定仪。为了实现上述的目的，采用如下的技术方案
一种热电材料参数自动测定仪，包括有真空测试系统和计算机控制系统，所述真空测 试系统包括有机械泵(1)、真空罩(2)、低温恒温槽(3)、炉体(4)、第一热电偶(51)、第二 热电偶(52)、第三热电偶(53)、温度控制器(6)、样品支持器(7)、交流电源(8)、直流电源 (9)，所述机械泵⑴与真空罩(2)连接，炉体⑷置于真空罩(2)内，样品支持器(7)置于 炉体⑷内，第一热电偶(51)的输出端与温度控制器(6)连接，第一热电偶(51)、第二热 电偶(52)、第三热电偶(53)的参考点置于低温恒温槽(3)内，所述计算机控制系统包括有 控制电路(10)、模/数多功能卡(11)、计算机系统(12)，所述控制电路(10)和计算机系统
(12)分别与模/数多功能卡(11)连接，控制电路(10)与交流电源⑶及直流电源(9)分 别连接，模/数多功能卡(11)与第二热电偶(52)及第三热电偶(53)的输出端分别连接， 计算机系统(12)与温度控制器(6)连接。上述方案中所述炉体⑷包括有冷却层(13)、保温层(14)和发热体(15)，冷却层
(13)与低温恒温槽(3)连接，发热体(15)与温度控制器(6)连接，第一热电偶(51)的测温 点置于保温层(14)内。通过低温恒温槽(3)和温度控制器(6)可以控制炉体内的温度，使 温度能够根据需要进行调节。上述方案中所述样品支持器(7)内设置有银片盒(16)，银片盒(16)内设置有陶瓷 架(19)，试样(17)置于陶瓷架(19)上。试样(17)与模/数多功能卡(11)通过第一银电流引丝(231)、第二银 电流引丝(232)及银电压引丝(22)连接，第一银电流引丝(231)还与 控制电路(10)连接。上述方案中所述第一银电流引丝(231)及第二银电流引丝(232)由装在陶瓷架 (19)上的可调螺丝(20)及云母片(21)分别压在试样(17)两端，银电压引丝(22)由装在 陶瓷架(19)中间位置处的可调螺丝(20)及云母片(21)压在试样(17)上。利用装在陶瓷 架(19)上的可调螺丝(20)及云母片(21)，可以把各引丝紧密压在试样(17)上，又可以根 据实际使用进行调整。上述方案中所述第二热电偶(52)和第三热电偶(53)的测温点由装在陶瓷架(19) 上的可调螺丝(20)及云母片(21)分别压在试样(17)两端，第二热电偶(52)和第三热电 偶(53)的输出端分别与模/数多功能卡(11)连接。上述方案中所述低温恒温槽(3)内设置有参考电阻丝(18)，参考电阻丝(18)与试 样(17)串联，参考电阻丝(18) —端通过第一铜电流引线(241)与控制电路(10)连接，另 一端通过第二铜电流引线(242)与第二银电流引丝(232)连接，参考电阻丝(18)上焊接有 铜电压引线(25)，铜电压引线(25)另一端与模/数多功能卡(11)连接，铜电压引线(25) 间的电阻恒定。上述方案中所述交流电源(8)为精密交流恒流电源，所述直流电源(9)为精密直 流恒流电源。精密的恒流电源，可使测定的结果更加精确可靠。上述方案中所述低温恒温槽(3)的温度低于_30°C，可以使冷却层(13)的温度控 制在-30°C的恒温。所述温度控制器(6)的温度控制范围为_30°C到800°C之间，可以使测 试温度在_30°C到800°C范围内的任意温度下进行。与现有技术相比，本发明的有益效果是可自动对热电材料在各温度点的电导率 S、塞贝克(Seebeck)系数S及热导率k进行测定，得到热电材料在绝对温度Γ时的品质因 子K其中Z= ^s/k)值，为热电材料的性能表征和应用研究提供了很好的研究工具。


图1为本发明的原理结构示意图2为实施例的电导率S-温度Γ曲线图； 图3为实施例的塞贝克(Seebeck)系数温度Γ曲线图； 图4为实施例的热导率k-温度Γ曲线图； 图5为实施例的品质因子ZT1-温度T曲线图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步的描述。本发明的原理结构如图1所示。测定热电材料参数时，选择某温度下热导率kSD已知、性能与待测试样相近的热电 材料，做成与待测试样尺寸一致的标准试样。精密直流恒流电源9断电一段时间后，试样17 两端的温差趋于线性变化，温差的变化率(d/7di)与试样17的热导率k成正比，k=A*(d/y 北)，其中比例系数α由对标准试样温差的变化率(d/ydi)SD=kSD众得出。第二热电偶52和第三热电偶53的输出端分别与模/数多功能卡11连接，用于测量试样17两端产生的温差。当控制电路10选择精密直流恒流电源9时，试样17两端产生 一定的温差，最后达到稳定值DA第一银电流引丝231和第二银电流引丝232与模/数多 功能卡11连接，控制电路10断开精密直流恒流电源9后，可以得到温差为D7时第一银电流 引丝231和第二银电流引丝232的热电势K，得到试样的相对塞贝克(Seebeck)系数乂=厂/ DA试样的塞贝克(Seebeck)系数S= 5;+5’Ag(其中5^>0，是银在该温度下的Seebeck系数)。 同样的方法可得到标准试样的相对塞贝克(Seebeck)系数SSD1。断电后经过一段时间，试样 17两端的温差趋于线性变化，由于试样17的塞贝克(Seebeck)系数较大，用来表征温差精 度更高，故试样17两端温差的变化率(d/ydi) = (dK/di)/^，其中(dK/di)为热电势K的变 化速率；同样的方法可以得到标准试样的温差的变化率(d/ydi)SD=(dK/di)SIASD1，由(d/y di)SD=kSDA得出比例系数左，试样17的热导率k =左X { Τ/dt)。参考电阻丝18电阻恒定，参考电阻丝18上铜电压引线25间的电阻怂已用精 密LCR自动平衡电桥准确测出，样品支持器7内有银片盒16，用于保持环境温度均勻， 银电压引丝22及铜电压引线25与模/数多功能卡11连接。当控制电路10选择精密 交流恒流电源8时，交流恒流通过试样17和参考电阻丝18，得到试样17和参考电阻 丝18电压峰峰值比左’，从而得到试样17上银电压引丝22两端的电阻TP= k' X怂，利用
R = li{mvd)(其中八『和J分别为试样17的长度、宽度和厚度)，得到试样17的电导
率So 下面举例说明本发明的测量结果
选用《型掺杂碲化铋基合金作为标准试样，测定/7型掺杂碲化铋基合金试 样的电导率S、塞贝克(Seebeck)系数S及热导率k，标准试样和试样的尺寸均为 10. OmmX 2. 5mmX 2. 5mm，标准试样在38°C时的电导率s=903S/cm，塞贝克(Seebeck)系数 ^=-193mV/K,热导率k=l. 2ff/m · K，参考电阻丝电阻礼=0. 0131W,参考电阻丝恒温在0°C。测定/7型掺杂碲化铋基合金的电导率S-温度T曲线如图2为所示。已知试样在 41°C时的电导率s=538S/cm，如图中☆所示，测量温度范围30°C到160°C。测定/7型掺杂碲化铋基合金的塞贝克(Seebeck)系数S-温度T曲线如图3所示， 已知试样在41°C时的塞贝克(Seebeck)系数於244mV/K，如图中☆所示，测量温度范围 30°C 到 160°C。测定/7型掺杂碲化铋基合金的热导率k-温度T曲线如图4所示，已知试样在41°C 时的热导率k=1.06 W/m*K，如图中☆所示，热导率比例系数左=107.41，测量温度范围30°C 到 160°C。测定ρ型掺杂碲化铋基合金的品质因子ZT-温度T曲线如图5所示，已知试样在 41°C时的热导率ZT=O. 95，如图中☆所示，测量温度范围30°C到160°C。
权利要求
1.一种热电材料参数自动测定仪，其特征在于包括有真空测试系统和计算机控制系 统，所述真空测试系统包括有机械泵(1)、真空罩O)、低温恒温槽(3)、炉体0)、第一热电 偶(51)、第二热电偶(52)、第三热电偶(53)、温度控制器(6)、样品支持器(7)、交流电源(8)、直流电源(9)，所述机械泵⑴与真空罩(2)连接，炉体⑷置于真空罩(2)内，样品支 持器⑵置于炉体⑷内，第一热电偶(51)的输出端与温度控制器(6)连接，第一热电偶 (51)、第二热电偶(52)、第三热电偶(53)的参考点置于低温恒温槽(3)内，所述计算机控制 系统包括有控制电路(10)、模/数多功能卡(11)、计算机系统(12)，控制电路(10)和计算 机系统(12)分别与模/数多功能卡(11)连接，控制电路(10)与交流电源⑶及直流电源(9)分别连接，模/数多功能卡(11)与第二热电偶(52)及第三热电偶(53)的输出端分别 连接，计算机系统(1 与温度控制器(6)连接。
2.根据权利要求1所述的热电材料参数自动测定仪，其特征在于所述炉体(4)包括有 冷却层(13)、保温层(14)和发热体(15)，冷却层(13)与低温恒温槽(3)连接，发热体(15) 与温度控制器(6)连接，第一热电偶(51)的测温点置于保温层(14)内。
3.根据权利要求1所述的热电材料参数自动测定仪，其特征在于所述样品支持器(7) 内设置有银片盒(16)，银片盒(16)内设置有陶瓷架(19)，试样(17)置于陶瓷架(19)上， 试样(17)与模/数多功能卡(11)通过第一银电流引丝031)、第二银电流引丝(23 及银 电压引丝0 连接，第一银电流引丝(231)还与控制电路(10)连接。
4.根据权利要求3所述的热电材料参数自动测定仪，其特征在于所述第一银电流引丝 (231)及第二银电流引丝032)由装在陶瓷架(19)上的可调螺丝OO)及云母片分别 压在试样(17)两端，银电压引丝0 由装在陶瓷架(19)中间位置处的可调螺丝OO)及 云母片压在试样(17)上。
5.根据权利要求1所述的热电材料参数自动测定仪，其特征在于所述第二热电偶(52) 和第三热电偶(53)的测温点由装在陶瓷架(19)上的可调螺丝OO)及云母片分别压 在试样(17)两端，第二热电偶(52)和第三热电偶(53)的输出端分别与模/数多功能卡 (11)连接。
6.根据权利要求1所述的热电材料参数自动测定仪，其特征在于所述低温恒温槽(3) 内设置有参考电阻丝(18)，参考电阻丝(18)与试样(17)串联，参考电阻丝(18) —端通过 第一铜电流引线(Ml)与控制电路(10)连接，另一端通过第二铜电流引线( 与第二银 电流引丝(232)连接，参考电阻丝(18)上焊接有铜电压引线(25)，铜电压引线05)另一端 与模/数多功能卡(11)连接，铜电压引线05)间的电阻在恒温时恒定。
7.根据权利要求1所述的热电材料参数自动测定仪，其特征在于所述交流电源(8)为 精密交流恒流电源，所述直流电源(9)为精密直流恒流电源。
8.根据权利要求1所述的热电材料参数自动测定仪，其特征在于所述低温恒温槽(3) 的温度低于_30°C。
9.根据权利要求1所述的热电材料参数自动测定仪，其特征在于所述温度控制器(6) 的温度控制范围为_30°C到800°C之间。
全文摘要
本发明提供一种热电材料参数自动测定仪，包括有真空测试系统及计算机控制系统，其中真空测试系统包括有机械泵、真空罩、低温恒温槽、炉体、热电偶、温度控制器、样品支持器、交流电源、直流电源，计算机控制系统包括有控制电路、模/数多功能卡、计算机系统。本发明可在-30oC到800oC的温度范围内，按选择的温度间隔，自动测量热电材料在各温度点的电导率s、塞贝克(Seebeck)系数S及热导率k，从而得到热电材料在绝对温度T时的品质因子ZT(其中Z=S2s/k)值。
文档编号G01N25/20GK102053100SQ20101057424
公开日2011年5月11日 申请日期2010年12月6日 优先权日2010年12月6日
发明者丁喜冬, 刘晖, 张进修, 林国淙 申请人:中山大学