专利名称：一种热电势快速测量系统及测量方法
技术领域：
本发明涉及热电势測量技术领域，尤其涉及一种可以快速測量热电势的測量系统及測量方法。
背景技术：
热电势的产生机制是当材料的两端存在ー个温度梯度时，由于温度的不均匀性导致体系电子的不对称性分布，从而在材料两端产生一个电势差。通常所说的热电势也即塞贝克(seebeck)系数，其定义是样品的两端由温度差AT引起的电势差AV与温度差AT之比，即热电势S= Λ V/AT，它是ー个仅与材料性质有关的物理量。热电势是材料的ー个基本性质，仅当材料本身的基本性质发生改变时才会随之变化，理论上它与材料的几何形状和尺寸没有关系(纳米尺寸除外)，并且具备良好的线性叠加特性。热电势是衡量热电材料的重要參数，其在发电、制冷等能源应用方面有着广泛的 应用，并且一直以来热电势的相关特性是各种新型材料和复杂的物理体系研究中的重点。热电势作为材料的重要物理參数，直接与费米面附近的电子态密度相关，对研究物体的输运性质、费米面形态、电子结构、电子-声子相互作用等有着重要的意义。基于以上特点，热电势測量成为了常见的物理学和材料学中的研究手段。目前常见的热电势测量方法主要采用的是微分法进行热电势的測量，该方法的原理是给样品加热并在被测样品上焊接两种已知热电势的材料，通常为Cu和CuNi合金，并将这两种材料的一端焊接在样品的冷端，分别测量Cu导线上的电势差Uci=(Ss-Sqj) X (T1-T2)和CuNi合金导线上的电势差U1= (Ss-Sam) X (T1-T0)，则可以得到样品本身的热电势も=^上述方法的优点是可以不用检测样品本身的实际温度差，仅通过测得两个不同热电势材料上的电势差即可相消得到温度差，从而样品本身的热电势。但该方法的不足之处是I.样品与两种不同热电势材料之间的连接要求十分严格，一般需要在样品上面先镀上ー层金膜，以确保良好的欧姆接触；2.所需样品的表面需要十分平整；3.为了减少测量的误差，所接两种材料热电势要求相差越大越好，同时因为这两种不同热电势材料起到了导线的作用，一般均采用金属，但金属的热电势均较小，因此在实际测量中的増加了降低误差的难度；4.虽然该方法不需要测出实际的温度差，但温度的稳定是一个缓慢的过程因此仍然需要控温的装置来确保温度梯度的稳定以便測量；5.该方法接线较为复杂
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供ー种快速測量热电势的測量系统及测
量方法。为达到上述目的，本发明提供ー种热电势快速測量系统，其特征在于，包括样品台，其包括第一支撑铜块和第二支撑铜块，所述第一支撑铜块和第二支撑铜块分别支撑于待测样品的两端；温度測量和控制模块，其包括温度控制仪及与所述温度控制仪连接的第一温度传感器、第二温度传感器、第一加热块以及第ニ加热块，所述第一温度传感器、第一加热块与所述第一支撑铜块热接触，所述所述第二温度传感器、第二加热块与所述第二支撑铜块热接触，所述第一温度传感器和第二温度传感器分别获取所述第一支撑铜块和第二支撑铜块的温度信号，并将所述温度信号输入所述温度控制仪，所述温度控制仪将所述温度信号与预设温度对比判断，根据实际温度与预设温度之间的差异，确定所述第一加热块与第二加热块的加热功率，所述第一加热块与第二加热块分别对所述第一支撑铜块与第二支撑铜块进行加热；热电势測量模块，其包括纳伏表，所述纳伏表的输入端与待测样品的两端分别连接，所述纳伏表的输入信号为待测样品两端的电势差信号；数据处理模块，其包括A/D转换装置、数据传输总线及数据处理単元，所述A/D转换装置分别与所述温度控制仪及所述纳伏表连接，所述A/D转换装置将所述温度控制仪的温度信号和纳伏表的电势差信号由模拟信号转换为数字信号，所述数据传输总线连接所述A/D转换装置和数据处理単元，所述数字信号经过数据传输总线传送给所述数据处理単元，所述数据处理单元将所接收的数字信号通过软件计算分析得出热电势測量結果。优选地，所述温度測量和控制模块还包括与所述温度控制仪分别连接的第一制冷 片及第二制冷片，所述第一制冷片与所述第一支撑铜块热接触，所述第二制冷片与所述第ニ支撑铜块热接触，所述第一制冷片及第ニ制冷片分别用于对所述第一支撑铜块及第ニ支撑铜块进行快速降温。所述第一制冷片与所述第二制冷片均为恒定功率。优选地，所述温度控制仪与所述第一加热块和第二加热块之间还设有功率放大装置，所述功率放大装置用于将所述温度控制仪输出至所述第一加热块和第二加热快的输出功率进行放大。优选地，所述纳伏表的输入端与所述待测样品的两端之间还设有噪声滤波器，用以滤除所述待测样品两端输出的电势差信号中的噪声及交流信号。优选地，所述数据处理单元为计算机或嵌入式处理单元。优选地，所述数据处理模块还包括绘图单元，所述绘图単元与所述数据处理单元连接，所述数据处理单元将所述热电势測量结果传送给绘图单元进行绘图。本发明还提供一种采用上述測量系统快速測量热电势的方法，其特征在于，包括以下步骤(I)通过所述第一温度传感器获得待测样品第一端的温度信号T1，通过所述第二温度传感器获得待测样品第二端的温度信号T2,并将所述温度信号！\、T2输入温度控制仪；(2)通过所述纳伏表获得待测样品两端的正温度梯度方向的电势差信号AU1 ；(3)通过所述温度控制仪控制所述第一加热块及第ニ加热块的加热功率，使所述待测样品第一端与第二端的温度梯度方向与所述步骤(I)中待测样品的温度梯度相反，直至所述第一温度传感器获得待测样品第一端的温度信号T2，通过所述第二温度传感器获得待测样品第二端的温度信号T1 ；(5)通过纳伏表获得待测样品两端的反温度梯度方向的电势差信号AU2 ；(6)通过所述A/D转换装置将所述温度信号 \、Τ2及电势差信号AU1. AU2分别转换为数字信号，并将所述数字信号以ΙΕΕΕ488标准协议的格式通过总线传送给数据处理单
元，所述数据处理单元通过计算得出正温度梯度方向热电势A =I τ-ψ-1和反温度梯度方
向热电势A =II以及待测样品的平均热电势。
ゾ2-ろ2相较于现有技术，本发明提供的ー种热电势快速測量系统及测量方法具有以下优 点I.对于消除寄生电势的影响，本发明不需要对待测样品进行繁琐的镀金膜，而采用的是调节样品两端温度梯度方向的方法(即将样品两端的温度相对调)，通过两次測量得出待测样品的热电势值；2.因为现有技术的传统方法引入了金属制的热电势较小的材料，因此在测量热电势较小的材料时测量误差较大，而本发明不受此影响，适用于热电势较小的材料的測量，误差较小；3.本发明对待测样品表面的光滑程度没有严格要求，可以测试粗糙和/或非平整表面的样品；4.本发明热电势快速测量系统接线简单，操作方便。
图I为本发明ー种热电势快速測量系统的示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
进行详细说明。请參阅图1，本发明提供ー种热电势快速測量系统，用于对待测样品10进行热电势快速測量，该测量系统包括样品台、温度測量和控制模块、热电势测量模块以及数据处理模块。所述样品台包括第一支撑铜块20和第二支撑铜块30，所述第一支撑铜块20和第ニ支撑铜块30分别支撑于待测样品10的两端。所述样品台还包括一个底座(图中未示)，所述第一支撑铜块20与所述第二支撑铜块30可移动地安装于所述底座上，所述第一支撑铜块20与所述第二支撑铜块30之间的间距通过移动进行调整，以适应于支撑不同尺寸的待测样品10。所述温度測量和控制模块包括温度控制仪40及与所述温度控制仪40连接的第一温度传感器21、第二温度传感器31、第一加热块22以及第二加热块32。所述第一温度传感器21、第一加热块22与所述第一支撑铜块20热接触，所述第二温度传感器31、第二加热块32与所述第二支撑铜块30热接触，所述第一温度传感器21和第二温度传感器31分别获取所述第一支撑铜块20和第二支撑铜块30的温度信号，并将所述温度信号输入所述温度控制仪40。所述温度控制仪40将所述温度信号与预设温度对比判断，根据实际温度与预设温度之间的差异，确定所述第一加热块22与第二加热块32的加热功率，所述第一加热块22与第二加热块32分别对所述第一支撑铜块20与第二支撑铜块30进行加热。所述温度控制仪40与所述第一加热块21和第二加热块31之间还设有功率放大器50，所述功率放大器50用于将所述温度控制仪40输出至所述第一加热块21和第二加热快31的输出功率进行放大。所述温度測量和控制模块还包括与所述温度控制仪40分别连接的第一制冷片23及第ニ制冷片33，所述第一制冷片23与所述第一支撑铜块20热接触，所述第二制冷片33与所述第二支撑铜块30热接触，所述第一制冷片23及第ニ制冷片33分别用于对所述第一支撑铜块20及第ニ支撑铜块30进行降温。所述热电势测量模块包括纳伏表60，所述纳伏表60的输入端与待测样品10的两端分别连接，所述纳伏表60的输入信号为所述待测样品10两端的电势差信号。所述纳伏表60的输入端与所述待测样品10的两端之间还设有噪声滤波器70，用以滤除所述待测样 品10两端输出的电势差信号中的噪声及交流信号。所述数据处理模块包括A/D转换装置80、数据传输总线90及计算机100，所述A/D转换装置80分别与所述温度控制仪40及所述纳伏表60连接，所述A/D转换装置80将所述温度控制仪40的温度信号和纳伏表60的电势差信号由模拟信号转换为数字信号，所述数据传输总线90连接所述A/D转换装置80和计算机100，所述数字信号经过数据传输总线90传送给所述计算机100，所述计算机100将所接收的数字信号通过软件计算分析得出待测样品的热电势測量結果。所述数据处理模块还包括绘图单元110，所述绘图単元110与所述计算机100连接，所述计算机100将热电势测量结果传送给绘图単元110进行绘图。本发明还提供一种采用上述測量系统快速測量热电势的方法，包括以下步骤(I)通过所述第一温度传感器21获得待测样品10第一端的温度信号T1，通过所述第二温度传感器31获得待测样品10第二端的温度信号T2,并将所述温度信号 \、Τ2输入温度控制仪40 ；(2)通过所述纳伏表60获得待测样品10两端的正温度梯度方向的电势差信号AU1 ；(3)通过所述温度控制仪40的输出功率控制所述第一加热块22及第ニ加热块32的加热功率，使所述待测样品10第一端与第二端的温度梯度方向与所述步骤(I)中待测样品的温度梯度相反，所述第一温度传感器21获得待测样品10第一端的温度信号T2,通过所述第二温度传感器31获得待测样品10第二端的温度信号T1 ；(5)通过纳伏表60获得待测样品10两端的反温度梯度方向的电势差信号AU2 ；(6 )通过所述A/D转换装置80将所述温度信号T1、T2及电势差信号Λ U1、Λ U2分别转换为数字信号，并将所述数字信号以ΙΕΕΕ488标准协议的格式通过数据传输总线90传
送给计算机loo,所述计算机loo通过计算得出正温度梯度方向热电势A =I τシI和反
温度梯度方向热电势、=| -2P I以及待测样品的平均热电势Ss =i±^。
T2 -T18 2相较于现有技术，本发明无需对待测样品的表面镀金膜处理及焊接等操作，即可快速简便地測量待测样品的热电势，而且测量热电势较小的待测样品时误差较小。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人 士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.ー种热电势快速測量系统，其特征在于，包括 样品台，其包括第一支撑铜块和第二支撑铜块，所述第一支撑铜块和第二支撑铜块分别支撑于待测样品的两端； 温度測量和控制模块，其包括温度控制仪及与所述温度控制仪连接的第一温度传感器、第二温度传感器、第一加热块以及第ニ加热块，所述第一温度传感器、第一加热块分别与所述第一支撑铜块热接触，所述第二温度传感器、第二加热块分别与所述第二支撑铜块热接触，所述第一温度传感器和第二温度传感器分别获取所述第一支撑铜块和第二支撑铜块的温度信号，并将所述温度信号输入所述温度控制仪，所述温度控制仪将所述温度信号与预设温度对比判断，根据实际温度与预设温度之间的差异，确定所述第一加热块与第二加热块的加热功率，所述第一加热块与第二加热块分别对所述第一支撑铜块与第二支撑铜块进行加热； 热电势測量模块，其包括纳伏表，所述纳伏表的输入端与待测样品的分别两端连接，所述纳伏表的输入信号为待测样品两端的电势差信号； 数据处理模块，其包括A/D转换装置、数据传输总线及数据处理単元，所述A/D转换装置分别与所述温度控制仪及所述纳伏表连接，所述A/D转换装置将所述温度控制仪的温度信号和纳伏表的电势差信号由模拟信号转换为数字信号，所述数据传输总线连接所述A/D转换装置和数据处理単元，所述数字信号经过数据传输总线传送给所述数据处理単元，所述数据处理单元将所接收的数字信号通过软件计算分析得出热电势測量結果。
2.根据权利要求I所述的热电势快速測量系统，其特征在于所述温度測量和控制模块还包括与所述温度控制仪分别连接的第一制冷片及第ニ制冷片，所述第一制冷片与所述第一支撑铜块热接触，所述第二制冷片与所述第二支撑铜块热接触，所述第一制冷片及第ニ制冷片分别对所述第一支撑铜块及第ニ支撑铜块进行快速降温。
3.根据权利要求I所述的热电势快速測量系统，其特征在于所述温度控制仪与所述第一加热块和第二加热块之间还设有功率放大装置。
4.根据权利要求I所述的热电势快速測量系统，其特征在于所述纳伏表的输入端与所述待测样品的两端之间还设有噪声滤波器。
5.根据权利要求I所述的热电势快速測量系统，其特征在于所述数据处理单元为计算机或嵌入式处理单元。
6.根据权利要求I所述的热电势快速測量系统，其特征在于所述数据处理模块还包括绘图单元，所述绘图単元与所述数据处理单元连接，所述数据处理单元将所述热电势测量结果传送给绘图单元进行绘图。
7.ー种采用权利要求I所述的测量系统快速測量热电势的測量方法，其特征在于，包括以下步骤 (1)通过所述第一温度传感器获得待测样品第一端的温度信号T1，通过所述第二温度传感器获得待测样品第二端的温度信号T2,并将所述温度信号！\、T2输入温度控制仪； (2)通过所述纳伏表获得待测样品两端的正温度梯度方向的电势差信号AU1； (3)通过所述温度控制仪控制所述第一加热块及第ニ加热块的加热功率，使所述待测样品第一端与第二端的温度梯度方向与所述步骤(I)中待测样品的温度梯度相反，直至所述第一温度传感器获得待测样品第一端的温度信号T2，所述第二温度传感器获得待测样品第二端的温度信号T1 ； (5)通过纳伏表获得待测样品两端的反温度梯度方向的电势差信号AU2； (6)通过所述A/D转换装置将所述温度信号 \、Τ2及电势差信号AU1.AU2分别转换为数字信号，并将所述数字信号以ΙΕΕΕ488标准协议的格式通过总线传送给数据处理単元，所述数据处理单元通过计算得出正温度梯度方向热电势
全文摘要
本发明提供一种热电势快速测量系统，其主要包括具有第一支撑铜块及第二支撑铜块的样品台；具有温度控制仪、第一温度传感器、第二温度传感器、第一加热块及第二加热块的温度测量和控制模块；具有纳伏表的热电势测量模块；具有A/D转换装置、数据传输总线和数据处理单元的数据处理模块。本发明还提供了一种采用上述测量系统快速测量热电势的测量方法。相较于现有技术，采用本发明热电势快速测量系统及测量方法可快速简便地测量待测样品的热电势，无需对待测样品的表面镀金膜处理及焊接等操作，对待测样品表面的粗糙度、平整性也没有严格要求，而且测量热电势较小的待测样品时误差较小。
文档编号G01R19/25GK102721857SQ20121021476
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月27日 优先权日2012年6月27日
发明者任爱, 王荣山, 范念青, 钱王洁, 黄平 申请人:中国广东核电集团有限公司, 苏州热工研究院有限公司