热释电系数测试中的正弦波温度控制解决方案：帕尔帖制冷片

摘要：针对动态法热释电系数测试中的交变温度控制，特别是针对帕尔贴半导体制冷片正弦波温度控制中存在的稳定性差问题，本文提出了改进的解决方案。解决方案的核心是采用外部设定点技术的双向PID控制器以及外置信号发生器，此方案可很好的实现帕尔贴制冷片正弦波温度的精确控制，保证了热释电系数测量的准确性。依此方案所构成的闭环控制回路可形成独立的温控装置，也可配套集成到上位机控制的中央控制系统。

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1. 问题的提出

热释电系数是表征热释电材料性能的重要参数，代表了热释电材料极化随温度的变化率。按照被测样品的加热方式，热释电系数测试主要分为动态法和静态法两种。

（1）动态法是采用调制方法使被测样品的温度发生变化，温度变化形式是正弦波。动态法所加载的变温范围较小，反应的是某一基准温度下的热释电系数。

（2）静态法是用连续加热方式使被测样品升温，通过测量热释电电荷与温度关系来求得热释电系数。静态法测量的热释电系数反映的是一个温度范围内的平均响应。

由于动态法是在某一较窄的温度范围内测量热释电系数，所以热释电系数测试常用动态法。

在动态法测量中，样品温度的正弦波调制一般会采用帕尔贴半导体制冷片、黑体辐射和激光等方式，但能产生正弦温度波的最佳调制方式是帕尔贴制冷片，且有温度波生成装置简单和可对较大样品进行温度调制的突出特点。

采用帕尔贴半导体制冷片进行热释电系数测量的典型装置如图1所示[1]。

图1 热释电系数典型测量装置结构示意图[1]

与黑体和激光形式的温度调试方法相比，帕尔贴制冷片的温度调制相对比较准确，理论上采用帕尔贴制冷片可以将温度准确控制在某一设定点处上下波动生产正弦温度波，但目前采用帕尔贴半导体制冷片还无法进行完美的控制来产生准确和标准的正弦温度波。

如文献[1]中所报道的热释电系数测量装置，尽管采用了正弦波信号发生器，但信号发生器只能控制帕尔贴制冷片的驱动电流按照正弦波变化，并未真正按照正弦波控制温度变化，如图2所示，因此使得所形成的正弦温度波形很难达到稳定，这主要是装置散热所造成的影响。

图2 帕尔贴制冷片温度调制测试波形[1]

 

2. 问题分析

对于帕尔贴半导体制冷片的温度控制，若要实现准确、稳定、可任意设定和调节的正弦波温度输出，需要解决以下两方面的问题：

（1）直接对温度进行控制，能按照所设定幅度和频率变化直接输出正弦形式的温度波，即控制器设定值是一个幅度随时间变化的正弦波。

（2）需要解决反馈控制问题，即能根据正弦温度波设定曲线以及反馈的温度信号自动调节加热和制冷电流，使输出的温度变化与设定曲线始终一致，由此主动消除系统中的散热以及环境温度变化带来的影响，最终使得所输出的正弦温度波始终长时间保持稳定。

3. 解决方案

针对上述热释电系数测试中存在的正弦波温度控制问题，特别是为了解决帕尔贴半导体制冷片输出准确和稳定的正弦温度波难题，本文提出了如图3所示的解决方案。

图3 帕尔帖正弦波温度发生器结构示意图

 

图3所示的解决方案包括以下几项技术内容：

（1）采用具有PID自动调节功能的闭环控制技术和相关仪器，能根据设定波形和测量得到的温度传感器信号进行反馈控制，同时具有PID参数自整定能力。

（2）PID自动调节技术和相关仪器采用了双通道调节和自动切换技术，以能对加热和制冷进行自动控制，实现对TEC半导体制冷器进行正反向控制。

（3）关键技术是PID调节器具备外部设定点功能，即PID调节器能接收外部任意波形信号作为设定值，使得PID调节器能始终按照随时间快速变化的设定值（如正弦波）进行控制而形成准确和稳定的正弦温度波。

（4）为配合具有外部设定点功能的PID控制器，配套了一个函数信号发生器，以外置形式为PID控制器提供和传输所需的正弦波信号。

（5）对于PID控制器和外置函数信号发生器，配套有相应的计算机软件，可通过上位机以通讯方式操作软件进行各种参数设置和运行操作。

（6）对于TEC半导体制冷片，配备的双向电源驱动器。驱动器可有不同的功率配置以满足不同加热制冷能力的TEC制冷片要求。双向电源驱动器直接与PID控制器的加热和制冷通道连接。

4. 总结

本文提出的解决方案，可以彻底解决帕尔贴半导体制冷片正弦波温度输出中存在的问题，而且使用简便和门槛较低。通过外置正弦波信号发生器，无需再进行复杂的设定值程序编写，即可实现正弦温度波的准确和稳定输出。

本解决方案中的高精度PID控制器配备了相应的计算机软件，采用了具有标准MO D B U S协议的RS485通讯，与计算机一起可以组成独立的测控系统，通过计算机运行软件可非常方便的远程运行PID控制器以及进行控制器的各种参数设置，同时还可以采集、存储和曲线形式显示PID控制器的过程参数。

此解决方案的另外一个特点是具有很强的灵活性和拓展性，可通过外置不同传感器和信号发生器实现各种温度和压力波形的准确控制，可连接上位机直接与中央控制器进行集成。

5. 参考文献

[1] Fedorov K, Ivashchuk O, Karataev P, et al. Application of Thermoelectric Oscillations in a Lithium Niobate Single Crystal for Particle Generation[C]//8th International Beam Instrumentation Conference （IBIC'19）, Malmö, Sweden, 08-12 September 2019. JACOW Publishing, Geneva, Switzerland, 2019: 620-623.

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