一种热电元件可靠性评价系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种热电元器件可靠性评价系统及方法，更具体的说，特别涉及一种热电元器件性能测试及其在不同使用工况下可靠性评价系统及方法。
【背景技术】
[0002]半导体热电技术是利用塞贝克和珀尔贴效应实现热能和电能之间的相互转换，主要应用表现为热电发电和热电致冷，是一种静态的能量转换方式，其中热电发电由于没有转动部件，因此最大的优点是寿命长，可靠性高，不管在民用还是军用方面都有着广泛的应用前景；然而，作为热电发电核心的热电部件的可靠性却在一定程度上影响到整个系统的可靠性。
[0003]通常热电部件是由一系列的P型和N型元件采用电串联，热并联的方式组成，任何一个元件的性能都会影响整个部件，因此需要对元件特性进行研究，从而改善元件的性能，使其在热，力，电方面匹配，提高系统性能。
[0004]潜在应用包括汽车尾气热发电、太阳能热发电、热电空调等，其中热电元件都会处于高低温热循环工作，而军用电源则主要工作在一定的温差下，因此，作为应用不仅需要知道热电元件的基本特性，同时还需要研究其在真实使用工况下的可靠性，稳定性，并定量的评价其使用寿命。
[0005]中国专利公开CN 1975448A公开了一种热电发电元件性能测量装置及方法，中国专利公开CN1782680A公开了一种温差电元器件热电转换效率的测试方法，公开了热电元器件的转换效率测量方法，以及中国专利公开CN202421371U公开了一种可控热电模块冷热端温度的功率测试实验装置，均是针对热电器件或模块输出功率或转换效率的测量，并没有涉及元器件可靠性评价方法。
[0006]美国专利公开US2003/0218464AI公开了一种用于测试薄膜热电器件工作在制冷、热栗及发电三种模式下的性能，但不具有测量块体热电元件可靠性功能。
[0007]又，文献〈〈computer controlled test system for measuring the parametersof the real thermoelectric module)) (R.Ahiska, etc.，((Energy Convers1n andManagement》，2011，Volume52，Pages27_36)报道了一种测量热电模块性能的方法，主要用于测试真实热电模块制冷性能有关的参数。
[0008]此外，日本真空理工商业化的PEM设备仅能用于测量20mm、30mm方形热电器件的输出功率和转换效率，同样不具有评价元器件可靠性的功能。
[0009]因此，本发明着眼于在测量热电元器件基本性能的基础上，通过模拟热电元器件的真实使用工况，在实验室进行加速老化实验快速的评价热电元件的可靠性，并预测其寿命，对开展热电元器件的结构优化设计、材料界面老化机制研究及最终应用有着重要作用。
【发明内容】
[0010]鉴于以上存在的问题，本发明所要解决的技术问题在于提供一种热电元器件可靠性评价系统及方法，能够评价热电元器件恒温热持久和高低温热循环工况下的老化性能，通过加速老化实验，对热电元器件的可靠性进行评价，根据性能衰减变化趋势可以预测热电元器件在相应工况下的使用寿命。
[0011]为解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种热电元器件可靠性评价系统，包括:具备真空腔体的真空装置；用于装夹待测的热电元器件的样品测试装置，所述样品测试装置位于所述真空腔体内，且包括热源和热沉，所述热电元器件位于所述热源与热沉之间；用于控制所述样品测试装置中的所述热源的温度的热端温度控制装置；用于控制所述样品测试装置中的所述热沉的温度的冷端温度控制装置；与所述热电元器件构成串联连接电路并控制所述热电元器件的电流输出的负载装置；与所述负载装置以及所述热电元器件的冷、热侧相连以采集所述热电元器件的测量信号的多通道数据采集装置；与所述负载装置、多通道数据采集装置和热端温度控制装置相连的控制单元。
[0012]本发明的技术方案是通过模拟热电元器件使用工况进行老化试验，当热电元器件两端建立稳定的温差，分别测量热电元器件的伏安特性，采用数据拟合得到热电元器件在该温差下的基本性能(开路电压、内阻及峰值输出功率等)，通过监控热电元器件基本特性参数变化，实现对热电元器件的可靠性进行评价。
[0013]采用本系统可以评价热电元器件恒温差热持久和高低温热循环工况下的性能变化，通过实验室加速老化实验，最终对热电元件的寿命进行预测，评价过程为全自动控制，避免手动操作误差，有效节省时间，同时评价结果更可靠。
[0014]又，在本发明中，也可以是，所述控制单元包括内置评价程序的上位机，所述上位机通过USB转GPIB电缆与所述负载装置、多通道数据采集装置连接，且所述上位机通过USB转RS485接口转换器与所述热端温度控制装置连接。
[0015]根据本发明，可有效地通过上位机控制负载装置、多通道数据采集装置及热端温度控制装置的工作。
[0016]又，在本发明中，也可以是，所述热端温度控制装置包括温度控制器、控温热电偶、过载检测热电偶、直流电源及温度显示报警器，所述温度控制器通过所述USB转RS485接口转换器与所述上位机连接；优选地，所述温度控制器为PID温度控制器。
[0017]根据本发明，通过该热端温度控制装置能够精确控制样品测试装置中热源温度，同时进行过载保护。
[0018]又，在本发明中，也可以是，所述冷端温度控制装置包括恒温循环水箱、流量计及水路，所述冷端温度控制装置配置为当循环水的流速未达到预定值时将发出报警信号。
[0019]根据本发明，采用该冷端温度控制装置，通过打开恒温循环水箱，并设置好冷端温度值，启动水循环，从而能够控制样品测试装置中热沉温度。
[0020]又，在本发明中，也可以是，所述负载装置包括电子负载仪和分流器，所述电子负载仪的输入端子与所述分流器、所述热电元器件构成串联连接电路，且所述电子负载仪通过所述USB转GPIB电缆与所述上位机连接。
[0021]根据本发明，电子负载仪输入端子与分流器、热电元器件构成串联连接电路，改变电子负载大小可以使热电元件按照设定的电流输出。
[0022]又，在本发明中，也可以是，所述多通道数据采集装置通过GPIB电缆与所述负载装置中的所述电子负载仪相连，所述多通道数据采集装置配置为每触发一次采集即切换不同通道开关完成一次测量。
[0023]根据本发明，通过多通道数据采集装置可有效地采集所述热电元器件的测量信号。
[0024]又，在本发明中，也可以是，所述真空装置还包括真空栗、压差阀、波纹管、主抽阀、角阀、真空计组成抽气管路连接至所述真空腔体的法兰接口，惰性气体通过进气阀连接至所述真空腔体的法兰接口，优选地，所述真空腔体包括石英钟罩和不锈钢法兰。
[0025]根据本发明，可使热电元器件可处在真空、惰性气氛或空气中测量。
[0026]又，在本发明中，也可以是，所述测量信号包括所述热电元器件的输出电流和两端电压、P型元件两端电压及N型元件两端电压，以及所述热电元器件的热端温度和冷端温度。
[0027]另一方面，本发明还提供一种采用上述热电元器件可靠性评价系统执行的方法，包括:
在制备好的待测的热电元器件的热端导流电极引出测试导线，P型元件冷端导流电极引出测试导线，N型元件冷端导流电极引出测试导线；
将所述热电元器件装夹在位于真空腔体内的样品测试装置上；
连接测试电路，使所述热电元器件与负载装置构成串联回路，且通过多通道数据采集装置采集所述热电元器件的测量信号；
通过冷端温度控制装置控制所述热电元器件的冷端温度值；
控制单元启动评价程序，根据模拟工况选择评价模式；
所述控制单元开始评价，按照设置的采样间隔采集数据，当所述热电元器件处于预设的温差下且判断温度稳定，调用伏安特性测试程序，完成后通过数据处理得到所述热电元器件的基本性能，依此方法完成所述热电元器件在指定工况下的测试过程。
[0028]又，在本发明中，也可以是，测量过程中随时查看包括热电元器件、P型元件、N型元件老化性能随热持久时间或热