基于LabVIEW的热光电性能测试系统设计

苗凤娟， 张冬冬, 陶佰睿

(齐齐哈尔大学 通信与电子工程学院， 黑龙江 齐齐哈尔 161000)



基于LabVIEW的热光电性能测试系统设计

苗凤娟， 张冬冬, 陶佰睿

(齐齐哈尔大学 通信与电子工程学院， 黑龙江 齐齐哈尔 161000)

通过对热光电性能测量原理分析，设计并实现了包括Seebeck系数测量、电阻率测量和光电转换性能测试的实验系统，以及通过NI PCI6221数据采集卡实现基于LabVIEW的上位机测量控制平台，并利用其图形化编程实现对数据的实时采集、波形显示、数据存储等功能。通过对P型硅半导体材料Seebeck测量验证该系统的测量准确性。该系统实现了对热电材料的热光电性能参数的准确及自动化测量，因其操作简单，成本低廉，拓展性强，便于推广使用。

热光电性能； 数据实时采集； LabVIEW； 测试系统

0 引 言

热电材料(又称温差电材料)是一种将热能和电能进行转换的功能材料[1]。随着航天技术、微电子技术、超导技术的发展以及能源与环境危机的加剧,适应21世纪绿色环保热电材料，在工业余废热的回收利用以及空间特殊电源等领域具有良好的应用前景[2]。在当前世界范围的化石能源短缺、环境污染问题凸显的背景下,开发高性能热电材料和高效热电发电技术受到了工业界的广泛关注和重视[3-5]。而目前国内对热电材料热电性能测试仪器大多采用国外进口的价格昂贵的商用仪器，如日本的ZEM系列和德国Linseis开发的LSR系列塞贝克系数/电阻分析系统，测量热导率所使用的德国耐驰，LFA 457型激光微扰法热导仪[6],除对其热电性能测试外，还可以对其光电转换性能进行探究，而测试光电转换性能多采用Keithley 2400源表等仪器。这些仪器虽可以实现对热光电性能参数的精确测量，但对环境要求高、测量条件受限，操作相对复杂，最主要的是仪器价格过于昂贵，不便于推广使用，影响了国内科研人员对热电材料的研究进展及研究热情,也阻碍国内热电相关产业的发展。因此，对热电材料热光电性能测试，迫切需要研发低成本，易于搭建，操作简单，精确度相对较高的测试装置。

1 测量原理

1.1 Seebeck系数测量

由温度传感器测得样品热端和冷端温度，如图1所示，测得数据通过DAQ数据采集卡传入PC机中，另对待测材料热端、冷端引两条铜线，连接到DAQ数据采集卡，测量待测材料两端的电势差ΔU，通过对LabVIEW软件数据采集框图的设计，可以显示冷端、热端温度及测得电势差随时间变化图表，并对数据进行处理，将温差ΔT、电势差ΔU信号通过线性拟合整合在同一个虚拟波形图表中，观察电势差随温差的变化，从而求得Seebeck系数。

图1 Seebeck系数测试示意图

1.2 电阻率测量

电阻率的测量方法有两探针法和四探针法[8]，但对温差电材料，考虑到实际测量中，由于温差电材料具有较为明显的塞贝克效应和帕尔贴效应，探针间不可避免会建立起温差，产生附加塞贝克电压，因此为减少误差，实验采用两探针法进行测量。对于矩型样品，若样品电阻为R，长度为L，截面积为A，则电阻率ρ=RA/L。热电材料电阻率相对较小，可采用如图2所示的两探针测量法以消除接触引起的误差。设图中参考电阻值为Rt，对待测材料S两端通电流，测量其两端电压为Us，同时测量参考电阻Rt的电压Ut，则待测样品的电阻值为：Rs=RtUs/Ut。

图2 电阻率测试示意图

1.3 光电转换性能测试

对于光电转换性能测试，采用不同口径凸透镜集聚太阳光，通过铁架台调整散热器件样品台的角度和凸透镜高度，使太阳光接近垂直入射到样品表面，形成直径约5 mm的圆光斑，面积约20 mm2。太阳光经凸透镜积聚后其浓缩比例按照透镜直径与聚焦光斑直径的比例估算，测量样品上下两端输出开路电压及短路电流[9-10]，如图3所示，直接测样品端电压得到开路电压Uo，短路电流Ik通过串入一已知小电阻r,测其端电压Ur, 由Ik=Ur/r近似求得。通过观察样品输出功率随集聚太阳光的透镜直径变化关系，从而分析其光电转换性能。

2 系统硬件设计

2.1 测试平台搭建原理

针对热光电转换性能测试系统的设计，分为待测材料热电性能测试和光电转换性能测试两部分。对于热电性能测试，测试工作台置于室内阴暗避光处，排除太阳光干扰，由外加稳压电源为NTC热敏电阻提供电源，对热电材料上端加热，作为加热器；待测材料下端用导热硅胶粘附在散热铜板表面，散热样品平台如图4所示，散热铜板连接有散热铜管，散热管插有散热片，置于装有冰水混合物的水槽中，作为冷却器。对于光电性能测试，由太阳光通过透镜聚焦到待测材料提供光源，这里光强强弱通过采用不同直径大小的透镜作为指标，测量样品上下两端输出开路电压及短路电流，实现对待测材料光电性能的分析[11-12]。

2.2 热光电转换性能测试平台的搭建

首先对于加热器件选用的是NTC圆形热敏电阻，型号为8D-20，直径20 mm；外加电源为可编程双档位直流电源，量程为0～30 V；温度传感器选用K型热电偶温度传感器，测量范围为0～600℃。

图4 热光电性能测试平台示意图

搭建热电性能测试系统，首先将测试平台置于盛有冰水混合物的水槽中，水面浸没插有散热铜管的散热片，待测材料置于测试平台铜板表面，如图5(a)所示。测量Seebeck系数时，取一贴片式温度传感器测温端，固定在散热铜板上表面，另取一贴片式温度传感器与待测材料上表面紧密连接，再将热敏电阻置于其上，热敏电阻与可编程稳压电源相连接，从样品上下两端各引出一条导电铜线；测量待测材料电阻率，由稳压电源提供电源电压，待测材料与已知参考电阻Rt串联，形成回路，从待测材料及参考电阻Rt两端各引出连接线。搭建光电转换性能测试系统，开路时，从待测材料两端引出连接线；串入已知小电阻R时，由小电阻两端引出连接线。最后将为采集温度、电压信号而引出的连接线连至DAQ数据采集卡相应的引脚，如图5(b)所示,完成测试系统的搭建。

(a)

(b)

图5 系统硬件连线图

3 系统软件设计

3.1 数据采集软件架构

对于数据采集应用来说，软件主要分为三类，如图6所示，首先是驱动，NI的数据采集硬件设备对应的驱动软件是DAQmx，它提供了一系列API函数供编写数据采集程序时调用；NI也提供了一款配置管理软件 Measurement and Automation Explorer，可以通过它与硬件进行交互，并且无需编程就能实现数据采集功能，还能将配置出的数据采集任务导入LabVIEW，并自动生成LabVIEW代码；位于最上层的是应用软件LabVIEW，它是图形化的开发环境，可以通过图标的放置和连线的方式开发数据采集程序，它还提供了大量的函数，可以对采集到的数据进行后续的分析和处理并设计出专业、美观的用户界面[13-14]。

图6 数据采集软件架构

3.2 创建NI-DAQmx任务

采用NI配置管理软件 Measurement and Automation Explorer创建NI-DAQmx任务。首先，要明确信号采集对象，测量Seebeck系数时，需要采集待测材料上下表面温度T1、T2及上下两表面间电势差ΔU，测量电阻率时，需要采集待测材料S两端电压Us及参考电阻Rt的端电压Ut；光电性能测试时，需要采集样品开路端电压Uo及短路时小电阻r两端电压Ur。打开NI配置管理软件MAX，右键单击NA-DAQmx任务，创建新的NI-DAQ任务，弹出的框图中选择采集信号中模拟温度输入，点击热电偶，弹出对任务物理通道的选择，选择ai0，命名为温度T1，然后弹出一个界面，依次对通道、热电偶和定时进行设置，见图7。按同样方法，依次创建温度T2，电势差ΔU等参数及设定。

3.3 DAQ数据采集卡与外接设备的连接

在上述创建的NI-DAQ任务中，已经设定温度、电压的采集通道，温度T1、电势差ΔU的采集通道分别为Dev1/ai0， Dev1/ai5。而在各自NI-DAQmx任务中有其对应的连线图，如图8所示，分别将温度传感器、样品两端电压引线连接至DAQ数据采集卡的相应引脚。按同样的方法，依次将其余采集信号的连接线连至DAQ数据采集卡。

3.4 热光电转换性能测试软件设计

对于热电性能软件系统设计，包括可编程稳压电源的LabVIEW控制界面，Seebeck系数测量界面，电阻率测量界面。

3.4.1 可编程稳压电源的LabVIEW控制

为了完成对热电性能参数的自动化测量，在测量Seebeck系数时，要对加热器件端电压进行自动化控制，需要实现可编程稳压电源与LabVIEW软件的交互。VISA是应用于仪器编程的标准I/O应用程序接口，在LabVIEW 中利用VISA节点进行串行通信编程，实现对可编程电源的控制，可编程稳压电源的LabVIEW控制界面如图9(a)所示，界面有仪器接口及COM端口选项，串行口参数等设置。实验中是用串口线实现对仪器的连接，所以选择Serial接口，COM1端口，串行口参数设置如图示。运行程序后，设置所要输出电压值，点击输出电压控件，输出状态调至开启端，在可编程电源显示器上显示相应的数值，如图9(b)所示，从而实现对电源输出电压的自动控制。

3.4.2 Seebeck系数测量界面

Seebeck系数测量界面如图10所示,利用选项卡控件添加波形显示(a)、数据显示(b)和线性拟合(c)选项卡页，并且通过选项卡控件属性节点的设置与事件结构的结合实现对这些选项卡页的切换；程序框图如图11所示，程序利用DAQ助手对温度、电压信号进行采集，对采集的信号进行滤波，波形显示，公式计算，实现对Seebeck系数的实时测量，程序中对采集信号进行波形数组转换、处理，可以观察数值变化趋势，对采集数据进行自动存储并保存至TDMS文件中[15]；此外，还编有TDMS文件打开等模块，如图12所示，可控制文件打开；程序采用循环结构实现对信号的连续采集，并结合事件结构，顺序结构，当点击界面中控件时，可以实现相应逻辑功能。

(a) (b)

图9 LabVIEW与仪器交互控制界面

(a) 波形显示 (b) 数据显示 (c) 线性拟合

图10 Seebeck系数测量界面

图11 程序框图

图12 TDMS文件打开模块

3.4.3 电阻率测量界面

对于电阻率测量程序，采用与上述相同的框架结构，利用DAQ助手将样品两端电压Us信号及参考电阻Rt两端电压Ut信号采集到LabVIEW软件，并对信号进行滤波，波形实时显示，公式计算测得电阻率，并将采集的数据保存至TDMS文件中，可对数据进行处理，求取平均值，从而测得样品电阻率。电阻率测量界面及程序框图分别如图13、14所示。

图13 电阻率测量界面

图14 程序框图

3.4.4 光电转换性能测试界面

对于光电转换性能测试程序，因为涉及不同电路信号的测量，因此要分别对开路电压信号Uo和短路时小电阻R电压Ur进行单独测量，在光照透过不同直径透镜照射时，还要求其各自样品输出功率，程序编写与上述不尽相同，光电转换性能测试界面如图15所示，相应的程序框图如图16所示。需要注意的是，采集完开路电压信号Uo以后退出程序，此时需要将文件操作由createorreplace改为openorcreate,并把水平摇杆转至短路处，运行程序，再对短路时小电阻R电压Ur进行采集，点击停止采集按键，之后点击输出功率按键，则会运行相应程序，求得输出功率。

图15 光电转换测试界面

图16 程序框图

3.5 主程序控制界面

为使程序界面简洁操作方便，将可编程稳压电源.ui、Seebeck系数测量.ui、电阻率测量.ui与光电性能测试.ui，利用ui引用函数，通过编程，整合到同一个主程序.ui中，编程模块如图17所示，通过改变文件名，即可实现对不同子ui的引用。

图17 ui引用程序

主程序界面如图18所示，相应的程序框图如图19所示。运行程序后，点击界面中的控件，会开启相应的测量界面，这里需要指出的是，对于可编程电源控制界面，因为需要对串口等进行设置，所以，引用ui时，不自动运行程序，对于其他测量界面，界面开启并自动运行；当子ui运行结束后，测量界面会自动关闭。

图18 主程序界面

图19 主程序框图

4 测试与分析

4.1 系统运行稳定性

在系统调试运行中发现，软件运行稳定性良好，以Seebeck系数测量为例。测量Seebeck系数时得出的ΔU-ΔT曲线具有良好的线性。

4.2Seebeck系数测量及结果分析

首先选取待测材料P型硼掺杂单晶硅片，打开并运行主程序，进行Seebeck系数的测量。测量结果如图20所示，离散数据(ΔT，ΔU)的变化曲线与线性拟合曲线具有良好的一致性，软件拟合曲线斜率该次测得的Seebeck系数。可以多次测量求得平均值，实验5次测得Seebeck系数为123.15μV/K，考虑到热电势引出线是纯铜，因此测量得到的是样品相对于铜的Seebeck系数值， 需要去除铜的值1.8μV/K[16],所以被测样品的Seebeck系数值为124.89 μV/K。非常接近linsies赛贝克系数分析系统测得的该样品Seebeck系数128.7 μV/K。产生误差的原因可能由于采集信号受内在系统噪声及外界信号扰动等影响，测温器件精度相对较低，样品材料本身的电学不均性等均会影响测量准确性。

图20 样品Si的Seebeck系数测量线性拟合界面

5 结 语

该系统测试平台搭建方便，结构简单，系统控制程序是基于LabVIEW测量控制平台，利用LabVIFW图形化程序编程可以实现对热光电性能参数的精确测量。通过对该系统运行检测，表明该系统操作简单，可以实现对热光电性能参数的实时、自动化测量。由于该热光电参数测量装置具有成本低、开放性好、拓展性强等特点，可以推广使用。

[1] MAHAN G, SALES B, SHARP J. Thermoelectric materials: new approaches to an old problem [J]. Phys Today, 1997, 50(3): 42-47.

[2] 徐立珍,李 彦,杨 知,等.汽车尾气温差发电的实验研究[J]. 清华大学学报(自然科学版),2010(2):287-289,294.

[3] 骆 军.热电材料研究进展[R].北京:中国科学院物理研究所,2010：16-22.

[4] 李洪涛,朱志秀,吴益文,等.热电材料的应用和研究进展[J].材料导报,2012(15):57-61.

[5] 谢华清.低维热电材料研究进展[J].稀有金属材料与工程,2010(3):556-560.

[6] 糜建立.方钴矿基热电材料的纳米化及热电性能[D].杭州：浙江大学,2008.

[7] 李洪涛,郅惠博,吴益文,等.热电材料塞贝克系数测试仪研制[J]. 中国测试,2014(1):66-68,82.

[8] 李 蒙,李洪涛,吴益文,等.热电材料的应用、研究及性能测试进展[J]. 理化检验(物理分册),2013(1):27-33,51.

[9] 陶佰睿.镍/硅纳米线复合材料制备及应用研究[D].上海：华东师范大学,2010:166-168.

[10] 徐 波,吴季怀,范乐庆,等.表面活性剂对染料敏化太阳能电池光电性能的提高[J]. 无机化学学报,2008(11):1900-1906.

[11] 常潇琳,杨崇立,朱春晖,等.塞贝克系数和电阻率测量设备的搭建[J].物理实验,2013(6):9-13.

[12] 郑文波,王 禹,吴知非,等.温差发电器热电性能测试平台的搭建[J]. 实验技术与管理,2006(11):62-65.

[13] 陈锡辉,张银鸿.LabVIEW 8.20 程序设计从入门到精通 [M]. 北京：清华大学出版社,2007.

[14] 张 桐，陈国顺，王正林.精通LabVIEW程序设计[M].北京：电子工业出版社，2008.

[15] 谢 冰,陈昌鑫,郑 宾.基于LabVIEW的数据采集与信号处理系统设计[J]. 现代电子技术,2011(14):173-175.

[16] 高 敏,张景韶,Rowe D M.温差电转化及其应用[M].北京：兵器工业出版社,1996:109-110.

The Design of Thermophotovoltaic Performance Test System Based on LabVIEW

MIAOFeng-juan,ZHANGDong-dong，TAOBai-rui

(Communication and Electronic Engineering institute, Qiqihar University, Qiqihar 161000, China)

The research purpose is to design a set of easy-to-build, low cost and high accuracy thermal photovoltaic performance test systems. It includes measurement of Seebeck coefficient, electrical resistivity measurement and photovoltaic system performance testing. It describes the procedure of setting up thermal photovoltaic test platform. The control program of the system is based on the LabVIEW measuring control platform which uses LabVIEW graphical program to achieve real-time data collection, waveform display, data storage and other functions. The experimental system also verifies its accuracy by testing the silicon semiconductor. The system realizes accurate and automated measurement of the thermal photovoltaic performance parameters of thermoelectric material. Because of its simple operation, low cost, strong extendibility, the thermophotovoltaic performance test system can be widely used.

thermophotovoltaic performance; real-time data acquisition; LabVIEW; test system

2015-12-10

黑龙江省教育科学“十二五”规划(GBC1214089)；齐齐哈尔大学教育科学研究项目(2014082)；齐齐哈尔市科学技术计划项目(GYGG-201409, GYGG2010-03-1 )

苗凤娟(1982-)，女，黑龙江克山人，博士，副教授，硕士生导师，研究方向：微纳传感器及传感网络、微纳器件等。

Tel.: 18946273771; E-mail:miaofengjuan@163.com

TP 391.9

A

1006-7167(2016)08-0106-05