文献综述

一、课题研究的背景与意义

半导体制冷因其无震动、无噪音、可靠性高、热惯性小、冷量输出无级调节等优点,已成为温控执行器研究的热点之一。半导体的p , n节在通过直流电后,将产生5种热电效应。其中塞贝克(Seeback)、珀尔帖( P e l t i e r )和汤姆逊(Thomson)三种效应表征电能和热能相互转换是直接可逆的;另外两种效应是热的不可逆效应,即焦耳效应和傅立叶效应。半导体制冷主要是珀尔帖效应的应用,它是由法国科学家帕尔贴于1834年发现的。因其具有加热制冷双向工作、无震动、无噪音、可靠性高、安装容易、热惯性小等特点,一经问世,便受到科学界普遍关注。

半导体用于制冷还是近几十年的事,主要集中在光纤通信、医疗器械、CPU温度调节等领域的小功率散热器件。我国于1956年开始研究半导体致冷器,它是半导体技术领域中一个特殊的分支。为了争夺未来市场,西方各大电气公司投入了不少力量进行技术和工艺的研究。GE、WH等四家大公司同时对美国海军提出的核潜艇空

调和制冷系统热电化进行了不同类型和系统的样机研制。大大推进了半导体制冷技术在这方面的发展。同时,苏联也进行了船用热电空调器和半导体冰箱的研制工作。

西方国家还发展了各种便携式的半导体制冷器、小冰箱和经济食品箱等。当前,国外专门从事半导体制冷器生产的厂家以MARLOW 、MELCOR、CAMBION三家公司最具代表性。另外,凌特（Linear）公司于2001年年底推出的一款专门用于控制T E C 的LTC1923芯片,它采用固定频率、电压模式结构来对温度进行控制。

半导体制冷效率成为制约其发展的关键因素,而制冷效率主要受下列因素影响:①温差电材料的热电性能; ②半导体制冷器的工作状态; ③ 系统的散热条件。因此,目前国内外针对半导体制冷的研究主要集中在上述三个方面。

现如今，利用半导体制冷的温控系统已显有成就。比如。利用半导体制冷器进行降温、升温和恒温控制。该系统使用PC 机作为控制平台,采用自整定PID 算法, 调节输出PWM 波的占空比来控制半导体制冷器的输出功率。人机界面友好, 控制精度高, 温度范围-20oC～60oC, 温控精度可达0.1oC。

再比如基于半导体制冷器件的温度控制实验平台，该平台采用模块化设计思想, 通过不同功能的模块设计和组合, 构造以温度控制为目标的系列实验。实验平台由单片机开发板、半导体制冷片驱动模块、温度检测模块等构成, 可以完成调理电路设计、A/ D 和D/ A 程序设计、串口程序设计、虚拟仪器面板设计、温度控制算法设计等多项实验, 为多门课程的教学实验服务。温度控制系统实验平台具有体积小、功耗低、使用方便的特点, 本文也将借助此平台的思想及特点为实验服务。

本论文是基于半导体制冷的热电偶温度特性研究实验仪，下面简单介绍下热电偶。热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件，随着热电偶在工业中的应用日益广泛，我们有必要了解它们的一些特性。热电偶是由两种不同成分的导体两端接合成回路时，当两接合点的温度不同时，就会在回路内产生热电流。直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）。冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。如果热电偶的工作端与补偿端有温差时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就会产生热电动势，这就是所谓的塞贝克效应(Seebeck effect)。热电偶的热电动热将随着测量端温度升高而增长，当热电偶的材料是均匀时，热电偶所产生的热电势的大小只与热电偶材料和两端的温差有关，与热电极的长度、直径无关。本设计完成了基于单片机和半导体制冷片的热电偶温度特性研究实验，探讨了单片机和半导体制冷片在物理实验中的应用。