基于LabVIEW的熱光電性能測試系統設計

苗鳳娟， 張冬冬, 陶佰睿

(齊齊哈爾大學 通信與電子工程學院， 黑龍江 齊齊哈爾 161000)

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基于LabVIEW的熱光電性能測試系統設計

苗鳳娟， 張冬冬, 陶佰睿

(齊齊哈爾大學 通信與電子工程學院， 黑龍江 齊齊哈爾 161000)

通過對熱光電性能測量原理分析，設計并實現了包括Seebeck系數測量、電阻率測量和光電轉換性能測試的實驗系統，以及通過NI PCI6221數據采集卡實現基于LabVIEW的上位機測量控制平臺，并利用其圖形化編程實現對數據的實時采集、波形顯示、數據存儲等功能。通過對P型硅半導體材料Seebeck測量驗證該系統的測量準確性。該系統實現了對熱電材料的熱光電性能參數的準確及自動化測量，因其操作簡單，成本低廉，拓展性強，便于推廣使用。

熱光電性能； 數據實時采集； LabVIEW； 測試系統

0 引 言

熱電材料(又稱溫差電材料)是一種將熱能和電能進行轉換的功能材料[1]。隨著航天技術、微電子技術、超導技術的發展以及能源與環境危機的加劇,適應21世紀綠色環保熱電材料，在工業余廢熱的回收利用以及空間特殊電源等領域具有良好的應用前景[2]。在當前世界范圍的化石能源短缺、環境污染問題凸顯的背景下,開發高性能熱電材料和高效熱電發電技術受到了工業界的廣泛關注和重視[3-5]。而目前國內對熱電材料熱電性能測試儀器大多采用國外進口的價格昂貴的商用儀器，如日本的ZEM系列和德國Linseis開發的LSR系列塞貝克系數/電阻分析系統，測量熱導率所使用的德國耐馳，LFA 457型激光微擾法熱導儀[6],除對其熱電性能測試外，還可以對其光電轉換性能進行探究，而測試光電轉換性能多采用Keithley 2400源表等儀器。這些儀器雖可以實現對熱光電性能參數的精確測量，但對環境要求高、測量條件受限，操作相對復雜，最主要的是儀器價格過于昂貴，不便于推廣使用，影響了國內科研人員對熱電材料的研究進展及研究熱情,也阻礙國內熱電相關產業的發展。因此，對熱電材料熱光電性能測試，迫切需要研發低成本，易于搭建，操作簡單，精確度相對較高的測試裝置。

1 測量原理

1.1 Seebeck系數測量

由溫度傳感器測得樣品熱端和冷端溫度，如圖1所示，測得數據通過DAQ數據采集卡傳入PC機中，另對待測材料熱端、冷端引兩條銅線，連接到DAQ數據采集卡，測量待測材料兩端的電勢差ΔU，通過對LabVIEW軟件數據采集框圖的設計，可以顯示冷端、熱端溫度及測得電勢差隨時間變化圖表，并對數據進行處理，將溫差ΔT、電勢差ΔU信號通過線性擬合整合在同一個虛擬波形圖表中，觀察電勢差隨溫差的變化，從而求得Seebeck系數。

圖1 Seebeck系數測試示意圖

1.2 電阻率測量

電阻率的測量方法有兩探針法和四探針法[8]，但對溫差電材料，考慮到實際測量中，由于溫差電材料具有較為明顯的塞貝克效應和帕爾貼效應，探針間不可避免會建立起溫差，產生附加塞貝克電壓，因此為減少誤差，實驗采用兩探針法進行測量。對于矩型樣品，若樣品電阻為R，長度為L，截面積為A，則電阻率ρ=RA/L。熱電材料電阻率相對較小，可采用如圖2所示的兩探針測量法以消除接觸引起的誤差。設圖中參考電阻值為Rt，對待測材料S兩端通電流，測量其兩端電壓為Us，同時測量參考電阻Rt的電壓Ut，則待測樣品的電阻值為：Rs=RtUs/Ut。

圖2 電阻率測試示意圖

1.3 光電轉換性能測試

對于光電轉換性能測試，采用不同口徑凸透鏡集聚太陽光，通過鐵架臺調整散熱器件樣品臺的角度和凸透鏡高度，使太陽光接近垂直入射到樣品表面，形成直徑約5 mm的圓光斑，面積約20 mm2。太陽光經凸透鏡積聚后其濃縮比例按照透鏡直徑與聚焦光斑直徑的比例估算，測量樣品上下兩端輸出開路電壓及短路電流[9-10]，如圖3所示，直接測樣品端電壓得到開路電壓Uo，短路電流Ik通過串入一已知小電阻r,測其端電壓Ur, 由Ik=Ur/r近似求得。通過觀察樣品輸出功率隨集聚太陽光的透鏡直徑變化關系，從而分析其光電轉換性能。

2 系統硬件設計

2.1 測試平臺搭建原理

針對熱光電轉換性能測試系統的設計，分為待測材料熱電性能測試和光電轉換性能測試兩部分。對于熱電性能測試，測試工作臺置于室內陰暗避光處，排除太陽光干擾，由外加穩壓電源為NTC熱敏電阻提供電源，對熱電材料上端加熱，作為加熱器；待測材料下端用導熱硅膠粘附在散熱銅板表面，散熱樣品平臺如圖4所示，散熱銅板連接有散熱銅管，散熱管插有散熱片，置于裝有冰水混合物的水槽中，作為冷卻器。對于光電性能測試，由太陽光通過透鏡聚焦到待測材料提供光源，這里光強強弱通過采用不同直徑大小的透鏡作為指標，測量樣品上下兩端輸出開路電壓及短路電流，實現對待測材料光電性能的分析[11-12]。

2.2 熱光電轉換性能測試平臺的搭建

首先對于加熱器件選用的是NTC圓形熱敏電阻，型號為8D-20，直徑20 mm；外加電源為可編程雙檔位直流電源，量程為0～30 V；溫度傳感器選用K型熱電偶溫度傳感器，測量范圍為0～600℃。

圖4 熱光電性能測試平臺示意圖

搭建熱電性能測試系統，首先將測試平臺置于盛有冰水混合物的水槽中，水面浸沒插有散熱銅管的散熱片，待測材料置于測試平臺銅板表面，如圖5(a)所示。測量Seebeck系數時，取一貼片式溫度傳感器測溫端，固定在散熱銅板上表面，另取一貼片式溫度傳感器與待測材料上表面緊密連接，再將熱敏電阻置于其上，熱敏電阻與可編程穩壓電源相連接，從樣品上下兩端各引出一條導電銅線；測量待測材料電阻率，由穩壓電源提供電源電壓，待測材料與已知參考電阻Rt串聯，形成回路，從待測材料及參考電阻Rt兩端各引出連接線。搭建光電轉換性能測試系統，開路時，從待測材料兩端引出連接線；串入已知小電阻R時，由小電阻兩端引出連接線。最后將為采集溫度、電壓信號而引出的連接線連至DAQ數據采集卡相應的引腳，如圖5(b)所示,完成測試系統的搭建。

(a)

(b)

圖5 系統硬件連線圖

3 系統軟件設計

3.1 數據采集軟件架構

對于數據采集應用來說，軟件主要分為三類，如圖6所示，首先是驅動，NI的數據采集硬件設備對應的驅動軟件是DAQmx，它提供了一系列API函數供編寫數據采集程序時調用；NI也提供了一款配置管理軟件 Measurement and Automation Explorer，可以通過它與硬件進行交互，并且無需編程就能實現數據采集功能，還能將配置出的數據采集任務導入LabVIEW，并自動生成LabVIEW代碼；位于最上層的是應用軟件LabVIEW，它是圖形化的開發環境，可以通過圖標的放置和連線的方式開發數據采集程序，它還提供了大量的函數，可以對采集到的數據進行后續的分析和處理并設計出專業、美觀的用戶界面[13-14]。

圖6 數據采集軟件架構

3.2 創建NI-DAQmx任務

采用NI配置管理軟件 Measurement and Automation Explorer創建NI-DAQmx任務。首先，要明確信號采集對象，測量Seebeck系數時，需要采集待測材料上下表面溫度T1、T2及上下兩表面間電勢差ΔU，測量電阻率時，需要采集待測材料S兩端電壓Us及參考電阻Rt的端電壓Ut；光電性能測試時，需要采集樣品開路端電壓Uo及短路時小電阻r兩端電壓Ur。打開NI配置管理軟件MAX，右鍵單擊NA-DAQmx任務，創建新的NI-DAQ任務，彈出的框圖中選擇采集信號中模擬溫度輸入，點擊熱電偶，彈出對任務物理通道的選擇，選擇ai0，命名為溫度T1，然后彈出一個界面，依次對通道、熱電偶和定時進行設置，見圖7。按同樣方法，依次創建溫度T2，電勢差ΔU等參數及設定。

3.3 DAQ數據采集卡與外接設備的連接

在上述創建的NI-DAQ任務中，已經設定溫度、電壓的采集通道，溫度T1、電勢差ΔU的采集通道分別為Dev1/ai0， Dev1/ai5。而在各自NI-DAQmx任務中有其對應的連線圖，如圖8所示，分別將溫度傳感器、樣品兩端電壓引線連接至DAQ數據采集卡的相應引腳。按同樣的方法，依次將其余采集信號的連接線連至DAQ數據采集卡。

3.4 熱光電轉換性能測試軟件設計

對于熱電性能軟件系統設計，包括可編程穩壓電源的LabVIEW控制界面，Seebeck系數測量界面，電阻率測量界面。

3.4.1 可編程穩壓電源的LabVIEW控制

為了完成對熱電性能參數的自動化測量，在測量Seebeck系數時，要對加熱器件端電壓進行自動化控制，需要實現可編程穩壓電源與LabVIEW軟件的交互。VISA是應用于儀器編程的標準I/O應用程序接口，在LabVIEW 中利用VISA節點進行串行通信編程，實現對可編程電源的控制，可編程穩壓電源的LabVIEW控制界面如圖9(a)所示，界面有儀器接口及COM端口選項，串行口參數等設置。實驗中是用串口線實現對儀器的連接，所以選擇Serial接口，COM1端口，串行口參數設置如圖示。運行程序后，設置所要輸出電壓值，點擊輸出電壓控件，輸出狀態調至開啟端，在可編程電源顯示器上顯示相應的數值，如圖9(b)所示，從而實現對電源輸出電壓的自動控制。

3.4.2 Seebeck系數測量界面

Seebeck系數測量界面如圖10所示,利用選項卡控件添加波形顯示(a)、數據顯示(b)和線性擬合(c)選項卡頁，并且通過選項卡控件屬性節點的設置與事件結構的結合實現對這些選項卡頁的切換；程序框圖如圖11所示，程序利用DAQ助手對溫度、電壓信號進行采集，對采集的信號進行濾波，波形顯示，公式計算，實現對Seebeck系數的實時測量，程序中對采集信號進行波形數組轉換、處理，可以觀察數值變化趨勢，對采集數據進行自動存儲并保存至TDMS文件中[15]；此外，還編有TDMS文件打開等模塊，如圖12所示，可控制文件打開；程序采用循環結構實現對信號的連續采集，并結合事件結構，順序結構，當點擊界面中控件時，可以實現相應邏輯功能。

(a) (b)

圖9 LabVIEW與儀器交互控制界面

(a) 波形顯示 (b) 數據顯示 (c) 線性擬合

圖10 Seebeck系數測量界面

圖11 程序框圖

圖12 TDMS文件打開模塊

3.4.3 電阻率測量界面

對于電阻率測量程序，采用與上述相同的框架結構，利用DAQ助手將樣品兩端電壓Us信號及參考電阻Rt兩端電壓Ut信號采集到LabVIEW軟件，并對信號進行濾波，波形實時顯示，公式計算測得電阻率，并將采集的數據保存至TDMS文件中，可對數據進行處理，求取平均值，從而測得樣品電阻率。電阻率測量界面及程序框圖分別如圖13、14所示。

圖13 電阻率測量界面

圖14 程序框圖

3.4.4 光電轉換性能測試界面

對于光電轉換性能測試程序，因為涉及不同電路信號的測量，因此要分別對開路電壓信號Uo和短路時小電阻R電壓Ur進行單獨測量，在光照透過不同直徑透鏡照射時，還要求其各自樣品輸出功率，程序編寫與上述不盡相同，光電轉換性能測試界面如圖15所示，相應的程序框圖如圖16所示。需要注意的是，采集完開路電壓信號Uo以后退出程序，此時需要將文件操作由createorreplace改為openorcreate,并把水平搖桿轉至短路處，運行程序，再對短路時小電阻R電壓Ur進行采集，點擊停止采集按鍵，之后點擊輸出功率按鍵，則會運行相應程序，求得輸出功率。

圖15 光電轉換測試界面

圖16 程序框圖

3.5 主程序控制界面

為使程序界面簡潔操作方便，將可編程穩壓電源.ui、Seebeck系數測量.ui、電阻率測量.ui與光電性能測試.ui，利用ui引用函數，通過編程，整合到同一個主程序.ui中，編程模塊如圖17所示，通過改變文件名，即可實現對不同子ui的引用。

圖17 ui引用程序

主程序界面如圖18所示，相應的程序框圖如圖19所示。運行程序后，點擊界面中的控件，會開啟相應的測量界面，這里需要指出的是，對于可編程電源控制界面，因為需要對串口等進行設置，所以，引用ui時，不自動運行程序，對于其他測量界面，界面開啟并自動運行；當子ui運行結束后，測量界面會自動關閉。

圖18 主程序界面

圖19 主程序框圖

4 測試與分析

4.1 系統運行穩定性

在系統調試運行中發現，軟件運行穩定性良好，以Seebeck系數測量為例。測量Seebeck系數時得出的ΔU-ΔT曲線具有良好的線性。

4.2Seebeck系數測量及結果分析

首先選取待測材料P型硼摻雜單晶硅片，打開并運行主程序，進行Seebeck系數的測量。測量結果如圖20所示，離散數據(ΔT，ΔU)的變化曲線與線性擬合曲線具有良好的一致性，軟件擬合曲線斜率該次測得的Seebeck系數?？梢远啻螠y量求得平均值，實驗5次測得Seebeck系數為123.15μV/K，考慮到熱電勢引出線是純銅，因此測量得到的是樣品相對于銅的Seebeck系數值， 需要去除銅的值1.8μV/K[16],所以被測樣品的Seebeck系數值為124.89 μV/K。非常接近linsies賽貝克系數分析系統測得的該樣品Seebeck系數128.7 μV/K。產生誤差的原因可能由于采集信號受內在系統噪聲及外界信號擾動等影響，測溫器件精度相對較低，樣品材料本身的電學不均性等均會影響測量準確性。

圖20 樣品Si的Seebeck系數測量線性擬合界面

5 結 語

該系統測試平臺搭建方便，結構簡單，系統控制程序是基于LabVIEW測量控制平臺，利用LabVIFW圖形化程序編程可以實現對熱光電性能參數的精確測量。通過對該系統運行檢測，表明該系統操作簡單，可以實現對熱光電性能參數的實時、自動化測量。由于該熱光電參數測量裝置具有成本低、開放性好、拓展性強等特點，可以推廣使用。

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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

黑龍江省教育科學“十二五”規劃(GBC1214089)；齊齊哈爾大學教育科學研究項目(2014082)；齊齊哈爾市科學技術計劃項目(GYGG-201409, GYGG2010-03-1 )

苗鳳娟(1982-)，女，黑龍江克山人，博士，副教授，碩士生導師，研究方向：微納傳感器及傳感網絡、微納器件等。

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

TP 391.9

A

1006-7167(2016)08-0106-05