基于LABVIEW的温差半导体特性测量装置的研制

任学智，徐胜男，李　琪，薛家豪，陈文娟，展凯云

(中国石油大学(华东)，山东 青岛　266580)



*通讯联系人

基于LABVIEW的温差半导体特性测量装置的研制

任学智，徐胜男，李琪，薛家豪，陈文娟*，展凯云

(中国石油大学(华东)，山东 青岛266580)

摘 要：温差半导体作为一种新型的发电和制冷材料已经为人们所熟知，现有的温差半导体实验教学只能对半导体的特性进行简单的演示，无法进行定量的分析和计算，该装置基于LABVIEW通过第三方采集卡、温度传感器、电表以及温度控制器采集温差半导体制冷与发电的数据并进行分析处理，得出温差半导体的特性曲线和参数。该测量装置操作方便，可对温差半导体特性进行定量的分析和计算，有利于实验教学的改进。

关键词：温差半导体；LABVIEW；测量

热电效应作为半导体温差发电的理论基础，是指由温差引起的电效应和电流引起的热效应的总称，包括赛贝克(Seebeck)效应，珀尔帖(Peltier)效应和汤姆逊(Thomson)效应[1]。塞贝克效应由德国物理学家塞贝克于1821年发现，其指两种不同材料的金属A与B组成的回路中接点处的温度不同时回路中会产生电流，该效应现多应用于温差发电以产生清洁能源。12年后珀尔帖发现若给由两种不同金属(或半导体)组成的闭合回路上通上电流，其中一接点将发热而另一接点则会吸热，此即珀尔贴效应，该效应现多应用于高效制冷[2]。现有的温差半导体实验教学大都通过演示仪让学生直观的了解实验现象，没有一个定量分析的过程，无法让学生定量的认识半导体的工作特性。本测量装置综合了珀尔贴效应与塞贝克效应的演示与测量，利用LABVIEW对数据进行分析并绘制温差半导体特性曲线，操作简单，演示直观，可进行定量的测试与计算。

1装置原理

1.1塞贝克(Seebeck)效应原理

利用半导体的塞贝克效应可将热能转化为电能[3-4]。如图1所示，在两种不同金属材料组成的回路中,当两个接触点处温度不同时,回路中会产生电流。人们把产生这种电流的电动势叫做热电动势,也叫做塞贝克电动势或温差电动势。由于两种金属的电子逸出功与电子密度不同，电子会从一种金属穿过界面向另一种金属迁移,在接点处形成接触电势,两接点温度不同时,其接触电动势的代数和不等于零，即产生热电动势。在两接点温度差不大时热电动势与温度差成正比[5]。

1.2珀尔贴(Peltier)效应原理

珀尔帖效应指在有电流通过的不同导体之间的结点处发生的吸热和放热现象，载流子在流过结点时势能的变化可解释该现象[6]。图2为半导体制冷(热)原理图，它包括1个P型半导体、1个N型半导体和3块金属板，当加上图2所示的电压时，P型半导体中的空穴由正极流向负极，金属板中的空穴进入P型半导体时势能变大，空穴越过势垒吸热，金属板变冷；P型半导体中的空穴进入金属板时势能变小，放出热量，金属板变热。N型半导体中的电子由负极流向正极，金属板中的电子进入N型半导体时势能变大，电子越过势垒吸热，金属板变冷；N型半导体中的电子进入金属板时势能变小，放出热量，金属板变热[7]。

2装置设计

本装置原理框图如图3所示。本装置采用换向开关向不同的电路供电，拨动换向开关使装置工作在制冷模式时，温度控制器限制半导体的制冷温度范围，电压表和电流表采集温差半导体的工作电压和电流并传送给电脑，温度传感器采集温度并反馈给温度控制器和电脑[8]；半导体工作在发电模式时，用热源给半导体加热，电压表与电流表采集半导体的工作电压和电流并传送给电脑，温度传感器采集半导体两侧的温度并传送给电脑。电脑对采集到的数据进行分析处理并绘制温差半导体工作特性曲线。

本装置结构图如图4所示。

2.1制冷性能测量模块设计

现市面上使用的温差半导体工作电压多为12 V、6 V、3 V。本装置使用12 V、6 V两档电压给半导体供电，可测量工作电压为12 V、6 V的半导体制冷性能。为保证温差半导体正常工作，本装置采用风扇与散热片给半导体热端散热，如图4所示，测量时将半导体放置在制冷温差半导体槽中，热端向下放置，在接近箱顶的位置装有50 mm长*50 mm宽*60 mm高的宝塔型散热片，在散热片与半导体的连接面涂有导热硅脂，风扇安装在仪器内的通风口处[9]。装置采用YB5135D三位半LCD液晶数显电压表和电流表实时采集半导体工作电压和电流，安装在温差半导体冷端的DS18B20温度传感器实时采集制冷温度，该温度被传送到WH7016M温度控制器，WH7016M温度控制器使制冷温度保持在设定的温度区间，本装置的制冷温度范围设定为5～26 ℃，电脑端使用LABVIEW软件实时采集电流表、电压表以及DS18B20温度传感器的数据并进行分析处理，绘制电压电流关系曲线、制冷温度曲线等特性曲线，将数据导入EXCLE表格。

2.2发电性能测量模块设计

测量时将半导体放置在图4所示的发电温差半导体槽处，半导体下表面与50 mm*60 mm*50 mm的宝塔型散热片贴合，并在连接面处涂上导热硅脂以保持两端的温差。将温差半导体与YB5135D三位半LCD液晶数显电流表串联，与YB5135D三位半LCD液晶数显电压表并联，两个DS18B20传感器分别安装在半导体的两侧实时监测半导体两侧的温度，电脑使用LABVIEW采集电流电压以及温度值进行分析处理，绘制半导体的伏安特性曲线、温差与电流电压的关系曲线等特性曲线，将数据导入EXCLE表格中。

2.3上位机数据分析处理模块设计

本装置使用阿尔泰USB5935数据采集卡采集数据，其属于第三方数据采集卡，利用LABVIEW的调用库函数节点以及代码接口节点等功能通过调用动态链接库(DLL)以驱动采集卡工作，其具体方式如图5所示[10]。安装DS18B20温度传感器的驱动程序与LABVIEW软件的VISA函数库后，LABVIEW上位机可通过USB串口读取DS18B20温度传感器采集的温度值[11]。如图5所示，LABVIEW将采集到的电压、电流、温度等数据进行处理，通过编写程序绘制伏安特性曲线、功率曲线、电压电流与温度的关系曲线，将数据写入EXCLE表格中[12]。程序运行后，可在LABVIEW的虚拟仪器面板得到温差半导体的特性曲线，采集到的数据被写入EXCLE表格中，实现温差半导体特性参数的测量。

3装置操作

3.1制冷性能测量

以SP1848-27145温差半导体为例。将SP1848-27145温差半导体安置到图4所示的制冷温差半导体槽中，装置通电后拨动换向开关使装置工作在制冷模式，温差半导体开始工作，DS18B20温度传感器实时采集制冷温度并将温度值反馈给WH7016M温度控制器，电压表和电流表实时显示工作电压和电流，电脑实时采集电流电压等数据并进行分析处理。当制冷温度低于5 ℃时温度控制器断开电源，半导体停止制冷，温度回升，当温度高于26 ℃时，控制器接通电源，半导体开始制冷。图6为在室温(17 ℃)下测得的温差半导体制冷温度部分变化曲线，表1为EXCLE表格中导入的数据，由此可定量计算气体中水分与温度、相对湿度、露点的关系[13]。

3.2发电性能测量

以SP1848-27145温差半导体为例，将SP1848-27145温差半导体安置在图4所示的发电温差半导体槽中，装置通电后拨动换向开关使半导体工作在发电模式，用热水给温差半导体向上的一端加热，电压表和电流表实时显示发电电压和电流。DS18B20温度传感器实时检

测半导体两侧的温度并通过USB串口发送给电脑。LABVIEW上位机对采集到的数据进行分析处理，绘制伏安特性曲线、电压电流与温度的关系曲线、发电功率等特性曲线。图7为使用温度约90 ℃的开水给半导体加热时的伏安特性曲线以及温差半导体的发电功率随时间的变化曲线，表2为同时刻半导体发电参数记录表，由此可分析温差半导体的发电效率与塞贝克系数等发电特性[14，15]。

4结束语

本装置可以通过控制电路测量温差半导体的制冷和发电特性参数，采用DS18B20温度传感器测量半导体的制冷温度以及发电时两端的温差，利用WH7016M温度控制器控制制冷温度，使用第三方数据采集卡采集半导体的工作电流和电压，编写LABVIEW上位机对采集到的温度、电流、电压等参数进行处理和分析从而得到温差半导体的伏安特性曲线、发电功率曲线等特性曲线并将数据写入EXCLE表格。本装置可以对温差半导体的特性进行定量的测量与展示，方便实用，操作简单，可应用于大学物理实验教学，培养学生创新思维，有利于改进温差半导体实验教学。

参考文献：

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[2]陈国庆.半导体温差发电实验装置的研制[D].陕西科技大学,2014.

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[4]Nuwayhid R Y,Rowe D M，Min G ．Low cost stove-top thermoelectric generator for regions with unreliable electricity supply[J]．Renewalbe Energy，2003，28：205-222．

[5]邹乾林.温差电技术原理及在工科物理实验中的应用[J].大学物理实验,2010,23(5):43-46.

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[8]程成柱.用压力继电器紧急代换温控器[J].暖通空调,2002,32(4):47-47.

[9]王月媛,黄升民,胡建民等.热电效应演示实验[J].大学物理实验,2005,18(1):50-51.

[10] 战卫侠,谭继文.在LABVIEW中第三方数据采集卡的应用[J].工业控制计算机,2008,21(8):29,31.

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[13] 杨玉光,潘学方.温差电现象物理教学演示仪[J].大学物理实验,2004,17(3):42-43.

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[15] 陈文娟，薛家豪，黄兴洲，等.珀尔贴效应与塞贝克效应综合演示仪[J].大学物理实验，2015(4)：81-84.

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

基金项目：中国石油大学(华东)教改项目(QN201531)；中国石油大学(华东)精品实验项目(JS 201415)；中国石油大学(华东)大学生创新创业训练项目(201510425063)

文章编号：1007-2934(2016)03-0087-05

中图分类号：O 4-33

文献标志码：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.003.024