能够精确控温的热电制冷器件性能自动测试系统与方法

本发明涉及测试系统，尤其涉及一种能够精确控温的热电制冷器件性能自动测试系统与方法。

背景技术：

1、已有的半导体热电制冷器件性能测试系统可以分为两类。一类为间接法，这类方法通过热电制冷器件制冷温差、工作电流、工作电压等简单参数的测量与计算得到电阻、塞贝克系数以及热导等等效物性参数，随后结合具体工况将等效参数代入理论公式计算得到制冷量；另一类为直接法，这类方法不仅需要测量热电制冷器件制冷温差、工作电流、工作电压，还需要通过特定的手段去测量热电制冷器件的制冷量。得益于简单的测量原理，间接法有着较高的测试效率，但是其在计算过程中所作的诸多等效与实际情况存在较大偏差，误差较大，不能给出可靠的制冷量以及制冷性能系数结果；直接法能够获得更为准确的制冷量以及制冷性能系数测试结果，但是系统设计更为复杂，测试流程更加耗时。

2、为了得到准确的测试结果，不管采用何种技术路线，测试期间半导体热电制冷器件的热端温度应维持在设定水平附近，针对这一要求，现有的测试系统一般采取恒温液冷的方案，在不同的热负载下通过调节冷却液流量控制热端温度。对于室温(300k)附近的测试，现有测试系统一般将冷却液温度保持在实时环境温度水平，在这一温区内难以实现对热端温度的精确控制；此外，测试期间半导体热电制冷片的输入功率以及冷端热负载的变化也会引起热端温度的波动，大部分半导体热电制冷器件性能测试系统对此不能做出有效的响应；最后，充分表征热电制冷器件的制冷性能需要测试几十甚至上百种工作参数组合，而在每套参数组合下达到稳态又需要较久的时长，因而实现自动化测试也尤为重要。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种能够精确控温的热电制冷器件性能自动测试系统与方法，可以在精确、稳定的热端温度控制下对热电制冷器件实现无人值守的自动化测试。

2、本发明提供了一种能够精确控温的热电制冷器件性能自动测试系统，包括真空测试腔体、液冷样品台、热电制冷器件测试单元、温度采集系统、供电及电信号采集系统、循环冷水机和真空泵；其中，所述真空测试腔体通过密闭管路与所述真空泵连接，所述液冷样品台以及所述热电制冷器件测试单元位于所述真空测试腔体之内；所述液冷样品台通过液冷循环管路与所述循环冷水机进行循环液冷连接；所述热电制冷器件测试单元分别与所述温度采集系统、供电及电信号采集系统通信连接，实时监测运行状态并记录实验数据。

3、作为本发明的进一步改进，所述液冷样品台包括支撑柱、下部液冷铜块、导向侧柱以及与导向侧柱上下活动连接的上部滑动铜块，所述下部液冷铜块安装在所述支撑柱上，所述热电制冷器件测试单元装夹于所述下部液冷铜块与所述上部滑动铜块之间，所述下部液冷铜块中内嵌冷却介质通道，并通过液冷循环管路连接至所述循环冷水机。

4、作为本发明的进一步改进，所述液冷样品台还包括驱动所述上部滑动铜块进行上下升降运动的升降驱动部和顶部安装板，所述升降驱动部安装在所述顶部安装板上，所述顶部安装板安装在所述导向侧柱的顶部，所述升降驱动部与所述上部滑动铜块连接，所述升降驱动部与所述上部滑动铜块之间设有第一绝热垫片。

5、作为本发明的进一步改进，所述热电制冷器件测试单元包括发热片、热流标样以及待测热电制冷器件，其中，所述待测热电制冷器件的热端基板固定在所述下部液冷铜块上，以控制热端温度，所述待测热电制冷器件的冷端基板与所述热流标样连接，以监测冷端热负载；所述热流标样固定于所述发热片与所述待测热电制冷器件中间，所述发热片固定于所述热流标样上方，所述发热片与所述上部滑动铜块之间设有第二绝热垫片，所述下部液冷铜块所述支撑柱之间设有第三绝热垫片。

6、作为本发明的进一步改进，所述热流标样包括热流标样基座和上部柱体，所述热流标样的热流标样基座与所述待测热电制冷器件的冷端基板相贴合，所述热流标样的上部柱体中设有两个或两个以上并且沿竖直方向等距分布的测温孔。

7、作为本发明的进一步改进，所述能够精确控温的热电制冷器件性能自动测试系统还包括上位机，所述温度采集系统包括由四个或四个以上的极细t型热电偶测温探头组成的极细t型热电偶测温阵列以及温度采集模块，其中，所述极细t型热电偶测温探头分别插入或者埋入所述热流标样的测温孔和/或所述待测热电制冷器件的冷端基板和热端基板处，所述极细t型热电偶测温探头处涂有高热导率硅脂，所述温度采集模块与所述极细t型热电偶测温探头连接，所述温度采集模块与所述上位机建立双向通讯。

8、作为本发明的进一步改进，所述供电及电信号采集系统包括至少两台可编程直流电源以及高精度数字源表，其中，两台可编程直流电源通过usb与上位机建立双向通讯，分别向发热片施加恒定电压，向待测热电制冷器件施加恒定电流，所述高精度数字源表通过gpib与上位机建立双向通讯，用以精确测量所述待测热电制冷器件的工作电压，所述发热片为金属陶瓷发热片。

9、作为本发明的进一步改进，所述发热片与所述热流标样之间设有第一导热层，所述热流标样与所述待测热电制冷器件的冷端基板之间设有第二导热层，所述待测热电制冷器件的热端基板与所述下部液冷铜块之间设有第三导热层。

10、作为本发明的进一步改进，所述循环冷水机采用去离子水作为冷却介质，所述能够精确控温的热电制冷器件性能自动测试系统还包括液氮循环系统，所述液冷样品台通过液氮循环管路与所述液氮循环系统进行循环液冷连接，所述真空泵与所述真空测试腔体之间的密闭管路中配置有实时监测真空测试腔体的气压的电子真空计。

11、本发明还提供了一种能够精确控温的热电制冷器件性能自动测试方法，基于所述的能够精确控温的热电制冷器件性能自动测试系统进行以下过程：

12、开始测试，操作者将待测热电制冷器件、热流标样以及发热片三者组成的热电制冷器件测试单元自下而上组装好，并将其装夹在上部滑动铜块与下部液冷铜块之间，分别连接好测温热电偶、热电制冷器件供电线和电位信号采集线、发热片的供电线，操作者通过上位机控制真空泵对真空测试腔体进行抽真空，真空泵与真空测试腔体之间的密闭管路中配置有电子真空计，通过电子真空计实时监测真空测试腔体的气压，通过用户界面输入待测热电制冷器件测试时的目标热端温度以及待测输入电流数组，上位机控制其中一个可编程直流电源向发热片施加恒定电压，以控制发热片的输出功率，控制另外一个可编程直流电源向待测热电制冷器件施加恒定电流，通过高精度数字源表精确测量所述待测热电制冷器件的工作电压并上传给上位机，通过温度采集系统采集热流标样的多个测温孔和所述待测热电制冷器件3的冷端基板和热端基板处的温度并上传给上位机，上位机通过(proportional integral derivative，比例、积分和微分)算法建立起待测热电制冷器件的热端基板表面温度与循环水冷机水温的负循环，将热端温度的实时变化反馈到循环冷水机并实时控制水温，使待测热电制冷器件的热端基板表面温度稳定于操作者设定的目标热端温度附近，在发热片某一输出功率以及待测热电制冷器件的某一输入电流参数组合下，上位机持续监测系统状态，并进行自动稳态判断，当系统同时满足两条稳态判据，即待测热电制冷器件的热端基板表面温度与目标热端温度的差值绝对值在一段时间内低于设定阈值且待测热电制冷器件的热端基板表面和冷端基板表面的温度差值绝对值低于设定阈值时，上位机判断系统达到稳态，在将稳态下的测试数据输出至测试文件后，控制可编程直流电源改变发热片输出功率并等待下一个稳态，在自动稳态判断的基础上，上位机进一步通过嵌套循环实现发热片输出功率以及待测热电制冷器件输入电流两个参数组合的自动切换，从而实现测试流程的自动化。

13、在测试过程中，上位机实验数据进行的实时处理包括：

14、上位机通过建立相应函数实时处理实验数据，其中，冷端热负载计算包括：在稳态下，冷端热负载与待测热电制冷器件制冷量相等，此时，对热流标样应用一维傅里叶导热定律，首先，根据热流标样上多个测温孔的实时温度计算标样材料的平均热导率，随后对多个测温孔的温度值与距离作线性拟合，最后计算得到制冷量；

15、在测试结束后，上位机对实验数据的处理还包括：在固定的热端温度和恒定的电流下，制冷功率随着制冷温差的增加而线性减小，测试时，首先会得到不同电流下的制冷功率-制冷温差数据点，随后对这些制冷功率-制冷温差数据点分别进行线性拟合，得到不同电流下的制冷功率-制冷温差关系，最后，分别进行相应的数学处理以得到最大制冷温差、最大制冷功率和相应电流，以及不同制冷温差下的制冷功率-工作电流关系和制冷性能系数-工作电流关系。

16、本发明的有益效果是：通过上述方案，可以在精确、稳定的热端温度控制下对热电制冷器件实现无人值守的自动化测试。