基于LABVIEW的溫差半導(dǎo)體特性測量裝置的研制

任學(xué)智，徐勝男，李　琪，薛家豪，陳文娟，展凱云

(中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島　266580)

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*通訊聯(lián)系人

基于LABVIEW的溫差半導(dǎo)體特性測量裝置的研制

任學(xué)智，徐勝男，李琪，薛家豪，陳文娟*，展凱云

(中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島266580)

摘 要：溫差半導(dǎo)體作為一種新型的發(fā)電和制冷材料已經(jīng)為人們所熟知，現(xiàn)有的溫差半導(dǎo)體實驗教學(xué)只能對半導(dǎo)體的特性進行簡單的演示，無法進行定量的分析和計算，該裝置基于LABVIEW通過第三方采集卡、溫度傳感器、電表以及溫度控制器采集溫差半導(dǎo)體制冷與發(fā)電的數(shù)據(jù)并進行分析處理，得出溫差半導(dǎo)體的特性曲線和參數(shù)。該測量裝置操作方便，可對溫差半導(dǎo)體特性進行定量的分析和計算，有利于實驗教學(xué)的改進。

關(guān)鍵詞：溫差半導(dǎo)體；LABVIEW；測量

熱電效應(yīng)作為半導(dǎo)體溫差發(fā)電的理論基礎(chǔ)，是指由溫差引起的電效應(yīng)和電流引起的熱效應(yīng)的總稱，包括賽貝克(Seebeck)效應(yīng)，珀爾帖(Peltier)效應(yīng)和湯姆遜(Thomson)效應(yīng)[1]。塞貝克效應(yīng)由德國物理學(xué)家塞貝克于1821年發(fā)現(xiàn)，其指兩種不同材料的金屬A與B組成的回路中接點處的溫度不同時回路中會產(chǎn)生電流，該效應(yīng)現(xiàn)多應(yīng)用于溫差發(fā)電以產(chǎn)生清潔能源。12年后珀爾帖發(fā)現(xiàn)若給由兩種不同金屬(或半導(dǎo)體)組成的閉合回路上通上電流，其中一接點將發(fā)熱而另一接點則會吸熱，此即珀爾貼效應(yīng)，該效應(yīng)現(xiàn)多應(yīng)用于高效制冷[2]。現(xiàn)有的溫差半導(dǎo)體實驗教學(xué)大都通過演示儀讓學(xué)生直觀的了解實驗現(xiàn)象，沒有一個定量分析的過程，無法讓學(xué)生定量的認識半導(dǎo)體的工作特性。本測量裝置綜合了珀爾貼效應(yīng)與塞貝克效應(yīng)的演示與測量，利用LABVIEW對數(shù)據(jù)進行分析并繪制溫差半導(dǎo)體特性曲線，操作簡單，演示直觀，可進行定量的測試與計算。

1裝置原理

1.1塞貝克(Seebeck)效應(yīng)原理

利用半導(dǎo)體的塞貝克效應(yīng)可將熱能轉(zhuǎn)化為電能[3-4]。如圖1所示，在兩種不同金屬材料組成的回路中,當(dāng)兩個接觸點處溫度不同時,回路中會產(chǎn)生電流。人們把產(chǎn)生這種電流的電動勢叫做熱電動勢,也叫做塞貝克電動勢或溫差電動勢。由于兩種金屬的電子逸出功與電子密度不同，電子會從一種金屬穿過界面向另一種金屬遷移,在接點處形成接觸電勢,兩接點溫度不同時,其接觸電動勢的代數(shù)和不等于零，即產(chǎn)生熱電動勢。在兩接點溫度差不大時熱電動勢與溫度差成正比[5]。

1.2珀爾貼(Peltier)效應(yīng)原理

珀爾帖效應(yīng)指在有電流通過的不同導(dǎo)體之間的結(jié)點處發(fā)生的吸熱和放熱現(xiàn)象，載流子在流過結(jié)點時勢能的變化可解釋該現(xiàn)象[6]。圖2為半導(dǎo)體制冷(熱)原理圖，它包括1個P型半導(dǎo)體、1個N型半導(dǎo)體和3塊金屬板，當(dāng)加上圖2所示的電壓時，P型半導(dǎo)體中的空穴由正極流向負極，金屬板中的空穴進入P型半導(dǎo)體時勢能變大，空穴越過勢壘吸熱，金屬板變冷；P型半導(dǎo)體中的空穴進入金屬板時勢能變小，放出熱量，金屬板變熱。N型半導(dǎo)體中的電子由負極流向正極，金屬板中的電子進入N型半導(dǎo)體時勢能變大，電子越過勢壘吸熱，金屬板變冷；N型半導(dǎo)體中的電子進入金屬板時勢能變小，放出熱量，金屬板變熱[7]。

2裝置設(shè)計

本裝置原理框圖如圖3所示。本裝置采用換向開關(guān)向不同的電路供電，撥動換向開關(guān)使裝置工作在制冷模式時，溫度控制器限制半導(dǎo)體的制冷溫度范圍，電壓表和電流表采集溫差半導(dǎo)體的工作電壓和電流并傳送給電腦，溫度傳感器采集溫度并反饋給溫度控制器和電腦[8]；半導(dǎo)體工作在發(fā)電模式時，用熱源給半導(dǎo)體加熱，電壓表與電流表采集半導(dǎo)體的工作電壓和電流并傳送給電腦，溫度傳感器采集半導(dǎo)體兩側(cè)的溫度并傳送給電腦。電腦對采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理并繪制溫差半導(dǎo)體工作特性曲線。

本裝置結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

2.1制冷性能測量模塊設(shè)計

現(xiàn)市面上使用的溫差半導(dǎo)體工作電壓多為12 V、6 V、3 V。本裝置使用12 V、6 V兩檔電壓給半導(dǎo)體供電，可測量工作電壓為12 V、6 V的半導(dǎo)體制冷性能。為保證溫差半導(dǎo)體正常工作，本裝置采用風(fēng)扇與散熱片給半導(dǎo)體熱端散熱，如圖4所示，測量時將半導(dǎo)體放置在制冷溫差半導(dǎo)體槽中，熱端向下放置，在接近箱頂?shù)奈恢醚b有50 mm長*50 mm寬*60 mm高的寶塔型散熱片，在散熱片與半導(dǎo)體的連接面涂有導(dǎo)熱硅脂，風(fēng)扇安裝在儀器內(nèi)的通風(fēng)口處[9]。裝置采用YB5135D三位半LCD液晶數(shù)顯電壓表和電流表實時采集半導(dǎo)體工作電壓和電流，安裝在溫差半導(dǎo)體冷端的DS18B20溫度傳感器實時采集制冷溫度，該溫度被傳送到WH7016M溫度控制器，WH7016M溫度控制器使制冷溫度保持在設(shè)定的溫度區(qū)間，本裝置的制冷溫度范圍設(shè)定為5～26 ℃，電腦端使用LABVIEW軟件實時采集電流表、電壓表以及DS18B20溫度傳感器的數(shù)據(jù)并進行分析處理，繪制電壓電流關(guān)系曲線、制冷溫度曲線等特性曲線，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入EXCLE表格。

2.2發(fā)電性能測量模塊設(shè)計

測量時將半導(dǎo)體放置在圖4所示的發(fā)電溫差半導(dǎo)體槽處，半導(dǎo)體下表面與50 mm*60 mm*50 mm的寶塔型散熱片貼合，并在連接面處涂上導(dǎo)熱硅脂以保持兩端的溫差。將溫差半導(dǎo)體與YB5135D三位半LCD液晶數(shù)顯電流表串聯(lián)，與YB5135D三位半LCD液晶數(shù)顯電壓表并聯(lián)，兩個DS18B20傳感器分別安裝在半導(dǎo)體的兩側(cè)實時監(jiān)測半導(dǎo)體兩側(cè)的溫度，電腦使用LABVIEW采集電流電壓以及溫度值進行分析處理，繪制半導(dǎo)體的伏安特性曲線、溫差與電流電壓的關(guān)系曲線等特性曲線，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入EXCLE表格中。

2.3上位機數(shù)據(jù)分析處理模塊設(shè)計

本裝置使用阿爾泰USB5935數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，其屬于第三方數(shù)據(jù)采集卡，利用LABVIEW的調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點以及代碼接口節(jié)點等功能通過調(diào)用動態(tài)鏈接庫(DLL)以驅(qū)動采集卡工作，其具體方式如圖5所示[10]。安裝DS18B20溫度傳感器的驅(qū)動程序與LABVIEW軟件的VISA函數(shù)庫后，LABVIEW上位機可通過USB串口讀取DS18B20溫度傳感器采集的溫度值[11]。如圖5所示，LABVIEW將采集到的電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)進行處理，通過編寫程序繪制伏安特性曲線、功率曲線、電壓電流與溫度的關(guān)系曲線，將數(shù)據(jù)寫入EXCLE表格中[12]。程序運行后，可在LABVIEW的虛擬儀器面板得到溫差半導(dǎo)體的特性曲線，采集到的數(shù)據(jù)被寫入EXCLE表格中，實現(xiàn)溫差半導(dǎo)體特性參數(shù)的測量。

3裝置操作

3.1制冷性能測量

以SP1848-27145溫差半導(dǎo)體為例。將SP1848-27145溫差半導(dǎo)體安置到圖4所示的制冷溫差半導(dǎo)體槽中，裝置通電后撥動換向開關(guān)使裝置工作在制冷模式，溫差半導(dǎo)體開始工作，DS18B20溫度傳感器實時采集制冷溫度并將溫度值反饋給WH7016M溫度控制器，電壓表和電流表實時顯示工作電壓和電流，電腦實時采集電流電壓等數(shù)據(jù)并進行分析處理。當(dāng)制冷溫度低于5 ℃時溫度控制器斷開電源，半導(dǎo)體停止制冷，溫度回升，當(dāng)溫度高于26 ℃時，控制器接通電源，半導(dǎo)體開始制冷。圖6為在室溫(17 ℃)下測得的溫差半導(dǎo)體制冷溫度部分變化曲線，表1為EXCLE表格中導(dǎo)入的數(shù)據(jù)，由此可定量計算氣體中水分與溫度、相對濕度、露點的關(guān)系[13]。

3.2發(fā)電性能測量

以SP1848-27145溫差半導(dǎo)體為例，將SP1848-27145溫差半導(dǎo)體安置在圖4所示的發(fā)電溫差半導(dǎo)體槽中，裝置通電后撥動換向開關(guān)使半導(dǎo)體工作在發(fā)電模式，用熱水給溫差半導(dǎo)體向上的一端加熱，電壓表和電流表實時顯示發(fā)電電壓和電流。DS18B20溫度傳感器實時檢

測半導(dǎo)體兩側(cè)的溫度并通過USB串口發(fā)送給電腦。LABVIEW上位機對采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理，繪制伏安特性曲線、電壓電流與溫度的關(guān)系曲線、發(fā)電功率等特性曲線。圖7為使用溫度約90 ℃的開水給半導(dǎo)體加熱時的伏安特性曲線以及溫差半導(dǎo)體的發(fā)電功率隨時間的變化曲線，表2為同時刻半導(dǎo)體發(fā)電參數(shù)記錄表，由此可分析溫差半導(dǎo)體的發(fā)電效率與塞貝克系數(shù)等發(fā)電特性[14，15]。

4結(jié)束語

本裝置可以通過控制電路測量溫差半導(dǎo)體的制冷和發(fā)電特性參數(shù)，采用DS18B20溫度傳感器測量半導(dǎo)體的制冷溫度以及發(fā)電時兩端的溫差，利用WH7016M溫度控制器控制制冷溫度，使用第三方數(shù)據(jù)采集卡采集半導(dǎo)體的工作電流和電壓，編寫LABVIEW上位機對采集到的溫度、電流、電壓等參數(shù)進行處理和分析從而得到溫差半導(dǎo)體的伏安特性曲線、發(fā)電功率曲線等特性曲線并將數(shù)據(jù)寫入EXCLE表格。本裝置可以對溫差半導(dǎo)體的特性進行定量的測量與展示，方便實用，操作簡單，可應(yīng)用于大學(xué)物理實驗教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維，有利于改進溫差半導(dǎo)體實驗教學(xué)。

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The Development of Measuring Equipment Based on LABVIEW for Thermo-Semiconductor’s Character

REN Xue-zhi,XU Sheng-nan,LI Qi,XUE Jia-hao,CHEN Wen-juan,ZHAN Kai-yun

(China University of Petroleum,Shandong Qingdao 266580)

Key words：thermo-semiconductor；LABVIEW；measurement

Abstract：As a new type of power generation and refrigeration material,thermo-semiconductor has been known by the world.Existing experiment teaching of thermo-semiconductor can only accomplish simple demonstration of thermo-semiconductor’s character without quantitative analysis and calculation.The facility based on LABVIEW can collect data of thermo-semiconductor’s character and process it via the third party collection card,temperature sensor,voltmeter,amperemeter and temperature controller to get the characteristic curve and parameter.The facility is easy to operate and it can analyze and calculate the data of thermo-semiconductor’s character quantitatively.It benefit the improvement of experiment teaching.

收稿日期：2016-01-20

基金項目：中國石油大學(xué)(華東)教改項目(QN201531)；中國石油大學(xué)(華東)精品實驗項目(JS 201415)；中國石油大學(xué)(華東)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目(201510425063)

文章編號：1007-2934(2016)03-0087-05

中圖分類號：O 4-33

文獻標(biāo)志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.003.024