热电转换材料
摘要：随着工业的进步，很多废热得不到合理的利用，造成很大的能量浪费，而热电材料可以很好的解决这个问题。利用自然界温差和工业废热热电发电。他能利用自然界的非污染能源，具有良好的社会综合效益。在环境污染和能源危机日益严重的今天，进行热电材料的研究具有很强的现实意义。
关键词:热电材料；热导率；电导率；影响因素
引言
热电材料主要是利用温差将热能转化为电能，热电材料主要通常无量纲热电优值来表征。无量纲热电优值越大热电材料性能越好。而影响无量纲优值的因素有：see-beck系数、电导率和热导率。固体中的导热主要是由晶格振动的格波和自由电子的运动来实现的，所以影响热导率的主要影响因素有温度，显微结构，化学组成，复相陶瓷，气孔等。影响无机材料电导率的因素主要有杂质及缺陷。在中国主要的发电形式是热电，但热电的由于余热浪费很严重。还有汽车尾气、工厂废气余热等都得不到很好的利用。在资源日益紧缺的当代，解决余热浪费问题就显得比较迫切了。而提高热电材料的热电转换率就可以解决这一问题。现在热电材料在电厂及工厂废热发电以及在处理汽车尾气上，航空航天领域都有很高的应用价值。
正文
随着全球工业化步伐的加快，世界性的能源短缺已成为制约经济社会发展的重要因素。然而，生活中有许多耗费能源所生成、却又被废弃的热能，例如汽车尾气、工厂锅炉排放的气体等。经计算，汽车的能源利用率不到30%，其余的能量除了用来冷却和摩擦生热外，有高达40%的能量作为尾气直接排掉，不仅浪费了大量能量，而且污染环境、造成温室效应。如果能将这些热能善加利用，即可成为再次使用的能源。
热电材料就是这样的一类材料，热电材料是有温差引起载流子运动并将热能转换为电能的一种环保行动能材料。热电材料因具有耐高温、耐氧化、无污染等特性，使其在特殊领域具有其他
材料所不具备的优势。热航天航空领域；电厂及供暖废热的转化利用、热点转换制冷等，热电材料的性能通常用无量纲热电优值
来表征，其中S，σ，T和K分别表示se e-b ec k 系数，电导率，绝对温度和热导率。S2?σ成为功率因子。反映材料的电传输性能，好的热电材料通常具有较大的s ee-b eck系数和电导率，同时还具有较小的热导率。
利用余热来发电，就是一种能源再利用的方法，但其关键是选择热电材料与技术。因为其应用不需要使用传动部件，工作时静音、无排放物，对环境没有污染，并且这种材料性能可靠、使用寿命长，是一种具有广泛应用前景的环保节能材料。因此，人们希望找到一种拥有较高热电转换效率的材料。然而，热电转换效率偏低成为制约热电材料应用的主要因素。热电转换效率主要由热电优值（Z T）来决定。现在，大部分热电材料ZT<1（对应热电转换效率<10%），因此，提高Z T值一直是热电材料研究者的主要工作。我国对此也非常重视，目前有国家“973”计划等项目进行支持。
一般工业废气都具有较高的温度和一定的腐蚀性。而陶瓷具有好的力学性能和抗腐蚀性能。
1.理论基础
好的热点交换材料一般具有耐高温、耐腐蚀、耐氧化等指标。而陶瓷就具有好的力学性能和抗腐蚀性能。对于陶瓷热电性能用
无量纲优值来表征。其中S，σ，T和K分别表示s ee-b ec k系数，电导率，绝对温度和热导率。由于在使用时s ee-b ec k系数Ｓ和绝对温度Ｔ都是定值，所以只用讨论热导率和电导率。
1.1热导率
固体中的热导主要是由晶格振动的格波和自由电子的运动来实现的，而陶瓷材料中的自由电子很少，晶格振动则是它的主要导热机构。格波分为声频支和光频支，在温度较低时可只考虑
声频支，但陶瓷热点交换器的工作温度一般较高，应该全部考虑。
晶体材料的声频支热导率公式为 l v c -=3
1λ ，c 是声子的体积热容， -v 是声子的平均速度，l 是声子的平均自由程。晶格间有着一定的耦合作用，声子间会产生碰撞，是声子的平均自由程减小。格波间的相互作用越强，也就是声子间碰撞几率越大，相应的平均自由程越小，导热率也就越低。因此声子间碰撞引起的散射是晶格中热阻的主要来源。且晶体中的各种缺陷、杂质以及晶界都会使热导率降低。
晶体材料光频支热导率公式为错误！未指定书签。错误！未指定书签。错误！未指定书签。T T l T n 323
16σλ=，其中σ是波尔兹漫常数，n 是折射率，T 是K 氏温度，T l 是辐射线光子的平均自由程。T λ就是描述介质中辐射能的传递能力，它取决与辐射能传播过程中的光子的平均自由程。对于辐射线是透明的介质，热阻很小，T l 较大；对于辐射线不透明的介质，T l 很小；对于完全不透明的介质，T l =0，在这种介质中，辐射传热可以忽略。
热导率的主要影响因素温度，显微结构，化学组成，复相陶瓷，气孔等。
1.2电导率
电阻率的倒数定义为电导率，任何物质，只要存在电荷的自由粒子——载流子就可以在电场的作用下产生电流，无机材料的载流子可以是电子（负电子，空穴）、离子（正负离子，空穴）。载流子为离子的电导称为离子电导，载流子为电子的电导称为电子电导。
电导率的一般表达式为∑∑==i
i i i i i q n μσσ错误！未指定书签。错误！未指
定书签。 其中i q 为第i 中载流子的电荷量，i n 为单位体积内第i 种载流子数，i μ为第i 种载流子的迁移率。由公式可知影响电导率的因素主要是载流子浓度和离子迁移率。对于固有电导，载流子浓度由晶体本身热缺陷——弗伦克尔缺陷和肖特基缺陷提供。杂质离子载流子的浓度决定于杂质的数量和种类。
一般杂质及缺陷的存在是影响电导的主要因素，因而多晶多相材料中，如形成间隙或缺陷固溶体，其电导率增大。对于少量气孔分散相，气孔率增加，材料
电导率减少，如果气孔量很大，形成连续相，电导主要受气相控制。
2.结论
通过以上的影响因素，可以知道在热电转换材料的制造过程中减小声子和光子的平均自由程。增加晶体中的缺陷浓度和杂质的数量，适当减小材料的气孔率，通过这些方法来提高材料的电导率以及降低材料的热导率来提高材料的无量纲热优值，提高热电转换效率。增加废热的利用率。
参考文献：
【1】陈玉安，现代功能材料，重庆：重庆大学出版社，2008
【2】关振铎，无机材料物理性能（131-150，260-266），北京，清华大学出版社，1992
【3】「波」R·帕姆普奇著、杨宇乾译，陶瓷材料性能导论，西安：中国建筑工业出版社，1984
【4】材料研究学报，第24卷，第2、4期
【5】田增英，精密陶瓷及应用，北京：科学普及出版社，1993
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AD转换器及其应用 一A/D转换器的基本原理 定义：能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC。 A/D转换器转化模拟量的四个步骤：采样、保持、量化、编码。 模拟电子开关S在采样脉冲CP S的控制下重复接通、断开的过程。S接通时，ui(t)对C充电，为采样过程；S断开时，C上的电压保持不变，为保持过程。在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组n位的二进制数输出。 1取样定理 将一个时间上连续变化的模拟量转换成时间上离散的模拟量称为采样。
取样定理：设取样脉冲s(t)的频率为f S，输入模拟信号x(t)的最高频率分量的频率为f max，必须满足f s ≥ 2f max y(t)才可以正确的反映输入信号(从而能不失真地恢复原模拟信号)。 通常取f s ＝（2.5～3）f max 。 由于A/D转换需要一定的时间，在每次采样以后，需要把采样电压保持一段时间。 s(t)有效期间，开关管VT导通，u I向C充电，u0(=u c)跟随u I的变化而变化； s(t)无效期间，开关管VT截止，u0(=u c)保持不变，直到下次采样。（由于集成运放A具有很高的输入阻抗，在保持阶段，电容C上所存电荷不易泄放。） 2 量化和编码 数字量最小单位所对应的最小量值叫做量化单位△。 将采样－保持电路的输出电压归化为量化单位△的整数倍的过程叫做量化。 用二进制代码来表示各个量化电平的过程，叫做编码。 一个n位二进制数只能表示2n个量化电平，量化过程中不可避免会产生误差，这种误差称为量化误差。量化级分得越多（n越大），量化误差越小。 划分量化电平的两种方法 （a）量化误差大；（b）量化误差小 3 采样-保持电路
热电转换效应的研究 张镱 哈尔滨工业大学能源学院核反应堆工程，哈尔滨150001，zuguoyukexue@https://www.doczj.com/doc/721784512.html, 摘要：热能是自然界最广泛的能量之一，电能是人类社会应用最普遍的能源。如何将热能转 换为电能并且提高热电转换的效率将是一件意义重大的课题。本文首先介绍热电转换的原 理，以塞贝克效应为基本原理，探索热电效应转换的效率。然后介绍现阶段热电转换研究进 展，展示当前热电转换的最新研究成果。其次，揭示热电转换效应在现代工业中的应用，比 如温差发电等新型能源的利用。最后，得出自己的研究心得与感悟，对热电转换效应有更深 入的认识。 关键词：塞贝克效应；温差发电；半导体；载流子 The research of thermoelectric conversion Zhang Yi Harbin Institute of Technology Nuclear Reactors of Energy Institute, Harbin 150001, china, zuguoyukexue@https://www.doczj.com/doc/721784512.html, Abstract: Thermal energy is one of the most extensive energy in the nature, electricity is the most common energy in the human social . How to convert heat to electricity and improve the efficiency of thermoelectric conversion will be a significant issue. This paper introduces the principle of thermoelectric conversion, to the basic principle of the Seebeck effect, to explore the efficiency of thermoelectric conversion. Then introduces the research progress of thermoelectric conversion at this stage, display the current thermoelectric conversion of latest research results. Second, revealing Thermoelectric effect in the application of modern industry, such as thermal power generation and other new energy. Finally, draw their own research experiences and has a better understanding on the thermoelectric conversion effect. Key words: Seebeck effect; Thermal energy; Semiconductor; Carrier “1821年，德国科学家塞贝克做了一个实验：当把一个由两种不同导体构成的闭
《电子技术》课程设计报告 课题：计数式8位AD转换器的设计与制作 班级电子1141学号 1141202207 学生姓名冯申申 专业电子信息工程 系别电子信息工程系 指导教师电子技术课程设计指导小组 淮阴工学院 电子信息工程学院 2016年06月
计数式8位A/D转换器的设计与制作 1、设计目的： a)培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和生产实际知识去分析和解决工程实际问题的能力。 b)学习较复杂的电子系统设计的一般方法，了解和掌握模拟、数字电路等知识解决电子信息方面常见实际问题的能力，由学生自行设计、自行制作和自行调试。 c)进行基本技术技能训练，如基本仪器仪表的使用，常用元器件的识别、测量、熟练运用的能力，掌握设计资料、手册、标准和规范以及使用仿真软件、实验设备进行调试和数据处理等。 d)培养学生的创新能力。 2、技术指标及要求： 1电源±5V 2输出数字量8位 3误差1LSB 4定时开始转换或手动控制开始 5有转换结束标志 6输入电压直流电压0～2.5V； 7 主要单元电路和元器件参数计算、选择； 8画出总体电路图； 9 安装自己设计的电路，按照自己设计的电路，在通用板上焊接。焊接完毕后，应对照电路图仔细检查，看是否有错接、漏接、虚焊的现象； 10 调试电路； 11 电路性能指标测试； 12提交格式上符合要求，内容完整的设计报告；
3、总体设计 总体设计框图 上图为8位为计数式8位A/D转换器的总体设计框图。该八位AD转换器由以下几部分组成：1）模拟电压产生电路 2）电压比较电路 3） DA转换电路 4）脉冲产生电路 5）控制电路 6）计数电路 7）输出电路 3.2 电路组成及工作原理
热电材料作为环境友好的能源转化材料，已显示出了引人瞩目的应用前景，但是热电器件 走向实际应用的最大问题在于它的转换效率。从热力学的基本定理来说，热电优值没有上限。即使是应用固体理论模型和较为实际的数据计算得到的优值上限为ZT=4，仍远远大于目前 己获得的最大ZT值。通过寻求新类型或新结构的热电材料，优化制备工艺等，将有可能使 材料优值得到明显提高。 从目前的研究现状来看，未来热电材料的研究方向趋于以下几个方面： 2.纳米复合热电材料的研究 1低维热电材料的研究 降低材料维度，使用二维量子阱，一维量子线超晶格可以有效提高费米能级附近的态密度，增加载流子有效质量，提高Seebeek系数，同时材料中大量晶界对声子的散射使热导率大幅降低，两方面的共同作用使材料ZT值大幅提高。 即在三维块体材料中引入或原位生成纳米结构，或者将低维材料体系聚合成微纳复合材料，纳米结构的引入一方面可以大幅降低热导率，另一方面，可以通过量子限制效应大幅提高费米能级附近的电子态密度，提咼Seebeck系数。 电子跃迁示意图 导电聚合物的热电优值(ZT)优化只是处于起步阶段，还需要关于形态，化学和电子结构对三个主要的热电参数的影响进行了系统的了解。因为热电特性都彼此相关，以及导电聚合物众所周知的形态复杂性及其物理性质的各向异性，这一问题变得困难起来。就在过去几十年的导体和半导体聚合物研究的基础上，为聚合物基有机热电材料的发展奠定了坚实的基础。这一新兴研究领域的一个主要挑战是理解在导电聚合物各种塞贝克效应的来源以获得高的能量因子。此外，材料的热电性能表征也应得到发展。今天，从废物和太阳热能中大面积地进行热电能量收集看起来不起眼，但正在投入一些重要的努力，使起成为可能变得不再那么遥远。 随着能源与环境问题的日益突出，矿物能源来源枯竭和污染环境的挑战，太阳能的热利用越来越受到人们的重视。太阳能作为一种绿色可再生能源，具有储量大、利用经济、清洁环保等优点，温差发电技术是利用塞贝克效应效应，直接将热能转化为电能的发电技术，具有无运动部件，体积小，质量轻，可靠性高等特点，是绿色环保的发电方式。将温差发电技术和太阳能集热技术结合起来，能够直接将太阳热能转化为电能，大大简化了发电系统的结构，具有广阔的应用前景。 随着我国国民经济的迅速发展，能源的日益紧张以及环境污染的日趋严重。热电材料作为一种环保型能力转换材料备受人们的关注、重视，热电材料巨大的军用、民用市场需求和现代科学技术的飞速发展，必将带动相关产业的发展，形成一个具有广阔发展空间的绿色节能和环保高技术产业，产生巨大的社会和经济效益。 最初，热电材料主要在太空探索等一些特殊领域被应用。20世纪60~70年代，美国、俄罗斯等国家就研究和开发了铅-碲系中温热电偶臂以及硅-锗系高温热电偶臂，并将其用作太空飞行器，微波无人中继站和地震仪等的特殊电源。1962年，美国首次将热电发电机应用于卫星上，开创了研制长效远距离，无人维护的热电发电站的新纪元。此后，美
ad转换器ad转换芯片ad转换器原理与分类常用ad转换器 2008年08月18日星期一23:02 下面简要介绍常用的几种类型的基本原理及特点：积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、Σ-Δ调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。 1）积分型（如TLC7135） 积分型AD工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器/计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。初期的单片AD转换器大多采用积分型，现在逐次比较型已逐步成为主流。 2）逐次比较型（如TLC0831） 逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较高、功耗低，在低分辩率（<12位）时价格便宜，但高精度（>12位）时价格很高。 3）并行比较型/串并行比较型（如TLC5510） 并行比较型AD采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称FLash(快速)型。由于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频AD转换器等速度特别高的领域。 串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2个n/2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为Half flash(半快速)型。还有分成三步或多步实现AD转换的叫做分级（Multistep/Subrangling）型AD，而从转换时序角度又可称为流水线（Pipelined）型AD，现代的分级型AD中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。这类AD速度比逐次比较型高，电路规模比并行型小。 4）Σ-Δ(Sigma?/FONT>delta)调制型（如AD7705） Σ-Δ型AD由积分器、比较器、1位DA转换器和数字滤波器等组成。原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间(脉冲宽度)信号，用数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音频和测量。 5）电容阵列逐次比较型 电容阵列逐次比较型AD在内置DA转换器中采用电容矩阵方式，也可称为电荷再分配型。一般的电阻阵列DA转换器中多数电阻的值必须一致，在单芯片上生成高精度的电阻并不容易。如果用电容阵列取代电阻阵列，可以用低廉成本制成高精度单片AD转换器。最近的逐次比较型AD转换器大多为电容阵列式的。 6）压频变换型（如AD650） 压频变换型（V oltage-Frequency Converter）是通过间接转换方式实现模数转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种AD的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其优点是分辩率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共同完成AD转换。 2. AD转换器的主要技术指标 1）分辩率(Resolution)指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2n 的比值。分辩率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。 2）转换速率(Conversion Rate)是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD，逐次比较型AD是微秒级属中速AD，全并行/串并行型AD可达到纳秒级。采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为
3.2.4热电式传感器热电式传感器是一种将温度变化转化为电量变化的装置。在各种热 电式传感器中，以将温度量转换为电势和电阻的方法最为普遍。其中最为常用于测量温度的是热电偶和热电阻，热电偶是将温度转化为电势变化，而热电阻是将温度变化转化为电阻的变化。这两种热电式传感器目前在工业生产中被广泛应用。该系统需要的传感器是将温度转化为电流，且水温最高是100℃，所以选择Pt100铂热电阻传感器。P100铂热电阻，简称为：PT100铂电阻，其阻值会随着温度的变化而改变。PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。它的工作原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的的阻值会随着温度上升它的阻值成匀速增长。 3.2.5可控硅加热装置简介 对于要求保持恒温控制而不要温度记录的电阻炉采用带PID调节的数字式温度显示调节仪显示和调节温度，输出0～10mA作为直流信号输入控制可控硅电压调整器或触发板改变可控硅管导通角的大小来调节输出功率，完全可以满足要求，投入成本低，操作方便直观并且容易维护。温度测量与控制是热电偶采集信号通过PID温度调节器测量和输出0～10mA 或4～20mA控制触发板控制可控硅导通角的大小，从而控制主回路加热元件电流大小，使电阻炉保持在设定的温度工作状态。可控硅温度控制器由主回路和控制回路组成。主回路是由可控硅，过电流保护快速熔断器、过电压保护RC和电阻炉的加热元件等部分组成 3系统整体设计方案和电气连接图 系统选用了PLC CPU 226为控制器，PT100型热电阻将检测到的实际锅炉水温转化为电流信号，经过EM231模拟量输入模块转化成数字量信号并送到PLC中进行PID调节，PID控制器输出转化为0～10mA的电流信号输入控制可控硅电压调整器或触发板改变可控硅管导通角的大小来调节输出功率，从而调节电热丝的加热。PLC和组态王连接，实现了系统的实时监控。 整体设计方案如图3 系统工作原理加热炉温度控制系统基本构成如图1-1所示 它由PLC主控系统、固态继电器、加热炉、温度传感器等4个部分组成。
热电材料研究进展 热电材料研究进展 颜艳明1，应鹏展1，2,张晓军1，崔鑫3 （1中国矿业大学材料科学与工程学院，江苏徐州，221116 2中国矿业大学应用技术学院，江苏徐州，221008 3河南永煤集团城郊煤矿，河南永城，476600，） 摘要：本文介绍了热电材料的种类及各种热电材料的ZT值，提高热电材料热电性能的方法及热电材料在温差发电和制冷方面的应用，并对其发展前景进行了展望。 关键词：热电材料；热导率；载流子 Progress of thermoelectric materials Yanyanming1,Yingpengzhan1,2，zhangxiaojun1,cuixin3 (1:Shool of Materials, CUMT,Xuzhou , Jiangsu, 221116 2: School of applied Technology,CUMT,xuzhou,Jiangsu,221116 3: Yong suburban coal mine in Henan Coal Group,yongcheng,Henan,476600)
Abstract: This paper is described the types of thermoelectric materials and every thermoelectric materials’ZT value,the way to improve the thermoelectric materials’performance of thermal power and the application of thermoelectric materials’on thermal power generation and refrigeration, also give its future development prospects. Key words: Thermoelectric materials; Thermal conductivity; Carrier 1、引言 在以石油价格暴涨为标志的“能源危机”之后,世界上又相继出现以臭氧层破坏和温室气体效应为首的“地球危机”和“全球变暖危机”。各国科学家都在致力于寻求高效、无污染的新的能量转化利用方式, 以达到合理有效利用工农业余热及废热、汽车废气、地热、太阳能以及海洋温差等能量的目的。于是,从上个世纪九十年代以来, 能源转换材料（热电材料）的研究成为材料科学的一个研究热点。尤其是近几年, 国际上关于热电材料的研究更是非常火热。目前，热电材料的研究主要集中在三个领域：室温以下的低温领域、从室温到700K的中温领域和700K以上的高温领域。 热电材料（又称温差电材料）是利用固体内部载流子和声子的输运及其相互作用来实现将热能和电能之间相互转换的半导体功能材料，其具有无机械可动部分、运行安静、小型轻便及对环境无污染等优点，在温差发电和制冷领域具有重要的应用价值和广泛的应用前景。
AD指标与类型 1. AD转换器的分类 下面简要介绍常用的几种类型的基本原理及特点：积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、Σ-Δ调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。 1）积分型（如TLC7135） 积分型AD工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器/计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。初期的单片AD转换器大多采用积分型，现在逐次比较型已逐步成为主流。 2）逐次比较型（如TLC0831） 逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较高、功耗低，在低分辩率（<12位）时价格便宜，但高精度（>12位）时价格很高。 3）并行比较型/串并行比较型（如TLC5510） 并行比较型AD采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称FLash(快速)型。由于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频A D转换器等速度特别高的领域。 串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2个n/2位的并行型A D转换器配合DA转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为Half flash(半快速)型。还有分成三步或多步实现AD转换的叫做分级（Multistep/Subrangling）型AD，而从转换时序角度又可称为流水线（Pipelined）型AD，现代的分级型AD中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。这类AD速度比逐次比较型高，电路规模比并行型小。 4）Σ-Δ(Sigma?/FONT>delta)调制型（如AD7705） Σ-Δ型AD由积分器、比较器、1位DA转换器和数字滤波器等组成。原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间(脉冲宽度)信号，用数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音频和测量。
A/D转换：就是把模拟信号，转换为数字信号 ad:模数转换，将模拟信号变成数字信号，便于数字设备处理。 da：数模转换，将数字信号转换为模拟信号与外部世界接口。 具体可以看看下面的资料，了解一下工作原理： ad转换器的分类 1.下面简要介绍常用的几种类型的基本原理及特点：积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、∑-δ调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。 1）积分型（如tlc7135） 积分型ad工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器/计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。初期的单片ad转换器大多采用积分型，现在逐次比较型已逐步成为主流。 2）逐次比较型（如tlc0831） 逐次比较型ad由一个比较器和da转换器通过逐次比较逻辑构成，从msb 开始，顺序地对每一位将输入电压与内置da转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较高、功耗低，在低分辩率（<12位）时价格便宜，但高精度（>12位）时价格很高。 3）并行比较型/串并行比较型（如tlc5510） 并行比较型ad采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称flash(快速)型。由于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频ad转换器等速度特别高的领域。
串并行比较型ad结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2个n/2位的并行型ad转换器配合da转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为half flash(半快速)型。还有分成三步或多步实现ad转换的叫做分级（multistep/subrangling）型ad，而从转换时序角度又可称为流水线（pipelined）型ad，现代的分级型ad中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。这类ad速度比逐次比较型高，电路规模比并行型小。4）∑-δ(sigma?/font>delta)调制型（如ad7705） ∑-δ型ad由积分器、比较器、1位da转换器和数字滤波器等组成。原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间(脉冲宽度)信号，用数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音频和测量。 5）电容阵列逐次比较型 电容阵列逐次比较型ad在内置da转换器中采用电容矩阵方式，也可称为电荷再分配型。一般的电阻阵列da转换器中多数电阻的值必须一致，在单芯片上生成高精度的电阻并不容易。如果用电容阵列取代电阻阵列，可以用低廉成本制成高精度单片ad转换器。最近的逐次比较型ad转换器大多为电容阵列式的。 6）压频变换型（如ad650） 压频变换型（voltage-frequency converter）是通过间接转换方式实现模数转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种ad的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其优点是分辩率高、功
热电转换材料 摘要：随着工业的进步，很多废热得不到合理的利用，造成很大的能量浪费，而热电材料可以很好的解决这个问题。利用自然界温差和工业废热热电发电。他能利用自然界的非污染能源，具有良好的社会综合效益。在环境污染和能源危机日益严重的今天，进行热电材料的研究具有很强的现实意义。 关键词:热电材料；热导率；电导率；影响因素 引言 热电材料主要是利用温差将热能转化为电能，热电材料主要通常无量纲热电优值来表征。无量纲热电优值越大热电材料性能越好。而影响无量纲优值的因素有：see-beck系数、电导率和热导率。固体中的导热主要是由晶格振动的格波和自由电子的运动来实现的，所以影响热导率的主要影响因素有温度，显微结构，化学组成，复相陶瓷，气孔等。影响无机材料电导率的因素主要有杂质及缺陷。在中国主要的发电形式是热电，但热电的由于余热浪费很严重。还有汽车尾气、工厂废气余热等都得不到很好的利用。在资源日益紧缺的当代，解决余热浪费问题就显得比较迫切了。而提高热电材料的热电转换率就可以解决这一问题。现在热电材料在电厂及工厂废热发电以及在处理汽车尾气上，航空航天领域都有很高的应用价值。 正文 随着全球工业化步伐的加快，世界性的能源短缺已成为制约经济社会发展的重要因素。然而，生活中有许多耗费能源所生成、却又被废弃的热能，例如汽车尾气、工厂锅炉排放的气体等。经计算，汽车的能源利用率不到30%，其余的能量除了用来冷却和摩擦生热外，有高达40%的能量作为尾气直接排掉，不仅浪费了大量能量，而且污染环境、造成温室效应。如果能将这些热能善加利用，即可成为再次使用的能源。 热电材料就是这样的一类材料，热电材料是有温差引起载流子运动并将热能转换为电能的一种环保行动能材料。热电材料因具有耐高温、耐氧化、无污染等特性，使其在特殊领域具有其他
热电材料 关键字：热电材料分类探究与展望 热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料，1823年发现的塞贝克效应和1834年发现的帕尔帖效应为热电能量转换器和热电制冷的应用提供了理论依据。 较好的热电材料必须具有较高的Seebeck系数，从而保证有较明显的热电效应，同时应有低的热导率，使能量能保持在接头附近。另外还要求热阻率较小，使产生的焦耳热量小。目前限制热电材料得以大规模应用的问题是其热电转换效率太低。热电材料的热电转换效率可用无量纲热电优值—ZT值来表征，ZT= S2Tσ/λ, ZT越大, 热电材料的性能越好，这里的T为绝对温度，Z=S2σ/λ，式中S为材料的热电系数，即材料的Seebeck系数，σ为材料的电导率，S2σ 又称为材料的功率因子，它决定了材料的电学性能。由Z的表达式可以看出，要提高材料的热电转换效率，应选用同时具有较大功率因子和尽可能低热导率的热电材料。影响热电材料的优值Z的3个参数Seebeck系数、热导率、电导率都是温度的函数。同时优值Z又敏感地依赖于材料种类、组分、掺杂水平和结构。因此每种热电材料都有各自的适宜工作温度范围。 1半导体金属合金型热电材料 金属材料的热电效应非常小,除在测温方面的应用外,其他没有实际的应用价值。直到20世纪50年代,人们发现小带隙(small band gap)掺杂半导体比金属大很多热电效应,研制温差电源和热电制冷器已具有现实意义。这类材料以Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ族及稀土元素为主。目前,研究较为成熟并且已经应用于热电设备中的 材料主要是金属化合物及其固溶体合金如Bi 2Te 3 /Sb 2 Te 3 、PbTe、SiGe、CrSi等, 这些材料都可以通过掺杂分别制成P型和n型材料。有报道称在实验室得到的最 高ZT值达到2.2 (AgPb m SbTe 2+m , 800K) 到2.4(Bi 2 Te 3 /Sb 2 Te 3 超晶格, 300K)。通 过调整成分、掺杂和改进制备方法可以进一步提高这些材料的ZT,通过化学气相 沉积（ CVD ）过程得到综合两维Sb 2Te 3 /Bi 2 Te 3 超晶格薄膜的ZT高达2.5，ZT的 研究还在继续进行。但是这些热电材料存在制备条件要求较高,需在一定的气体保护下进行,不适于在高温下工作以及含有对人体有害的重金属等缺点[1]。 2方钴矿(Skutterudite)热电材料 Skutterudide是CoSb 3的矿物名称，名称为方钴矿，是一类通式为AB 3 的化 合物（其中A是金属元素，如Ir、Co、Rh、Fe等；B是V族元素，如As、Sb、P 等）。二元Skutterudite化合物是窄带隙半导体，其带隙仅为几百毫电子伏，同时此类化合物具有较高的载流子迁移率和中等大小的反Seebeek系数，但热导率比传统的热电材料要高.此类化合物的显著特点是，外来小原子可以插入晶体结构的孔隙，在平衡位置附近振动，从而可以有效地散射热声子，大大降低晶格 热导率。最初的研究集中在等结的IrSb 3, RhSb 3 和CoSb 3 等二元合金,其中CoSb 3 的热性能相比较而言最好。尽管二元合金有良好的电性能,但其热电数据受到热 导率的限制。因此对多元合金的研究得到了重视，实验得到P型CeFe 3.5Co 0.5 Sb 12 方钴矿化合物ZT值在620K时达到1.4。目前进一步提高Skutterudite材料热电性能的途径有两条：（l）通过各种拾杂调节电学性能，（2）引入额外的声子散射降低晶格热导率[2]。
什么是ad转换器 将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（简称a/d转换器或adc,analog to digital converter）；将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器（简称d/a转换器或dac,digital to analog converter）；a/d转换器和d/a转换器已成为信息系统中不可缺俚慕涌诘缏贰?br> 为确保系统处理结果的精确度，a/d转换器和d/a转换器必须具有足够的转换精度；如果要实现快速变化信号的实时控制与检测，a/d与d/a转换器还要求具有较高的转换速度。转换精度与转换速度是衡量a/d与d/a转换器的重要技术指标。随着集成技术的发展，现已研制和生产出许多单片的和混合集成型的a/d和d/a转换器，它们具有愈来愈先进的技术指标。 A/D转换的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，因此，A/D 转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的。 取样和保持 取样是将随时间连续变化的模拟量转换为时间离散的模拟量。取样过程示意图如图11.8.1所示。图（a）为取样电路结构，其中，传输门受取样信号S(t)控制，在S(t)的脉宽τ期间，传输门导通，输出信号v O(t)为输入信号v1,而在（T s-τ）期间，传输门关闭，输出信号v O(t)=0。电路中各信号波形如图（b）所示。 图11.8.1 取样电路结构(a)
图11.8.1 取样电路中的信号波形(b) 通过分析可以看到，取样信号S(t)的频率愈高，所取得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。但带来的问题是数据量增大，为保证有合适的取样频率，它必须满足取样定理。 取样定理：设取样信号S(t)的频率为f s，输入模拟信号v1(t)的最高频率分量的频率为f imax，则f s与f imax必须满足下面的关系f s≥2f imax，工程上一般取f s>(3～5)f imax。 将取样电路每次取得的模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定值，每次取得的模拟信号必须通过保持电路保持一段时间。 取样与保持过程往往是通过取样-保持电路同时完成的。取样-保持电路的原理图及输出波形如图11.8.2所示。
热电材料 早在1823年德国的物理学家Thomas Seebeck就在实验中上发现, 在具有温度梯度的样品两端会出现电压降, 这一效应成为制造热电偶测量温度和将热能直接转换为电能的理论基础, 称为Seebeck 效应.Seebeck提出了用热电材料制成热电发电器的设想. 1834年Heinrich Lens又发现将一滴水置于铋(Bi)和锑(Sb)的接点上, 通以正向电流, 水滴结成冰, 通以反向电流, 冰融化成水, 此效应称为制冷效应或Peltier效应. 在此后的100多年, 热电材料的研究主要是围绕金属材料进行的, 由于热电转换效率低, 所以有关热电材料及热电转换装置的研究和应用一直进展缓慢. 在20世纪50年代, Abram Ioffe发现, 半导体材料的热电转换效应比金属材料有数量级上的增强, 利用半导体热电材料有望实现温差发电和制冷的设想, 从而在全世界范围内掀起了研究热电材料的热潮, 这种研究热潮持续了数年之久, 研究和评估了大量的半导体材料, 并发现Bi-Te Sb-Te系半导体材料具有良好的热电特性[1]. 在此后的几十年, 由于半导体热电材料仍难以满足现实应用过程对热电转换和制冷效率的要求, 研究工作又处于低潮阶段. 直到90年代初期, 随着全世界环境污染和能源危机的日益严重, 对人类可持续发展广泛的关注, 导致发达国家对新环保能源替代材料开发研究的重视和巨额投入, 利用热电材料制成的制冷和发电系统体积小重量轻; 无任何机械转动部分, 工作中无噪音, 不造成任何环境污染; 使用寿命长, 且易于控制. 由于热电材料的这些特性使其再次成为材料科学的研究热点. 近十年来, 材料科学的新进展, 如材料制备工艺及分析手段的多样化, 计算机模拟在材料科学中的应用, 新型先进材料的不断出现, 使得设计和制备新型 高性能高效率的热电材料的可能性逐渐增大. 目前, 围绕着一种称为声子玻璃电子晶体型热电材料(PGEC)的研究正在广泛展开[2]. 这类材料因具有晶体的导电性能和玻璃的导热性能而成为新一代前景广阔的热电材料. 从近年来在热电材料研究方面取得的进展, 美国科学家Terry. M. Tritt乐观地认为在未来几年内热电材料的研究将会有惊人的突破. §5.1热电效应和热电特性
碲化铋及其合金：这是目前被广为使用于热电致冷器的材料，其最佳运作温度<450℃。 碲化铅及其合金：这是目前被广为使用于热电产生器的材料，其最佳运作温度大约为1000℃。 硅锗合金：此类材料亦常应用于热电产生器,其最佳运作温度大约为1300℃。 本图显示的是直接将热能转化成电能的实验设备。这种设备在实际应用中可以将任何高温损耗热量转化为有用的电能。图片左侧的是一个热电极，它像任何发热金属一样，该热电极表面覆盖着电镀层，如果它接触到冰冻的物体表面，便会产生电能。然而在一般情况下，在高温热电极下却很少产生电流。热电转换材料是一种可以将热能和电能相互转换的材料。目前常用的热电转换材料多以重金属铋、锑和铅等为原料，这些原料不仅在自然界含量少、熔点低，而且还有剧毒，这在很大程度上影响了真正的实用化。 与热电发电相反，热电制冷利用Peltier效应可以制造热电制冷机。它具有机械压缩制冷机所没有的一些优点：尺寸小、质量轻、无任何机械转动部分，工作无噪声，无液态或气态介质，因而不存在污染环境问题，可实现精确控温，响应速度快，器件使用寿命长。因此热电制
冷已用于很多领域。除冰箱、空调、饮水机等家用电器外，热电制冷更重要的应用是信息技术领域，如红外探测器、激光器、计算机芯片等。例如，俄罗斯米格战斗机配备的AA-8和AA-11系列导弹就采用热电制冷对红外探测系统进行温控。热电制冷也已用于医学，如半导体制冷运血箱、冷敷仪、冷冻切片机、呼吸机、N D：YAG激光手术器，PCR仪等。另外，热电制冷材料的一个可能具有实际应用意义的场合是为超导材料的使用提供低温环境。 方钴矿型热电材料 方钴矿( Skutterudite)是一类通式为AB3的化合物，其中A是金属元素，如Ir、C o、Rh、Fe等，B是V族元素，如P、As、Sb等。方钴矿(Skutterudite)化合物是立方晶系晶体结构，具有比较复杂的结构，如图1所示。一个单位晶胞包含了8个A岛分子，共32个原子，每个晶胞内还有两个较大的笼状孔隙。 半导体金属合金型 热电材料半导体金属合金型热电材料以Ⅲ、Ⅳ、V族及稀土元素为主，目前研究比较成熟。已用作热电设备的材料主要是金属化合物及固溶体合金。如：Bi 2Te3／Sb2Te3、PbTe、SiGe、CrSi等。
第九章 A/D 转换器和D/A 转换器 一、填空题 1.（11-1易）D/A 转换器是把输入的________转换成与之成比例的_________。 2.（11-1中）倒T 形电阻网络D/A 转换器由___________、__________、_________及 _____________组成。 3.（11-1易）最小输出电压和最大输出电压之比叫做__________,它取决于D/A 转换器的 ________。 4.（11-1中）精度指输出模拟电压的_________和_________之差，即最大静态误差。主要 是参考电压偏离__________、运算放大器____________、模拟开关的 ________、电阻值误差等引起的。 5.（11-1易）D/A 转换器输出方式有____________、__________和__________。 6.（11-2易）采样是将时间上___________（a.连续变化，b.断续变化）的模拟量，转换成 时间上_________（a.连续变化，b.断续变化）的模拟量。 7.（11-2） 参考答案： 1.数字量/数字信号，模拟量/模拟信号 2.译码网络，模拟开关，求和放大器，基准电源 1. 分辨率 位数 2. 实际值 理论值 标准值 零点漂移 压降 3. 单极性同相输出 单极性反相输出 双极性输出 4. a b 二、选择题 1.（11-2中）将采样所得的离散信号经低通滤波器恢复成输入的原始信号，要求采样频率s f 和输入信号频谱中的最高信号max i f 的关系是（ ）。 A ．max 2s i f f ≥ B ．max s i f f ≥ C ．max s i f f = D ． max s i f f < 2.（11-2易）下列不属于直接型A/D 转换器的是（ ）。 A ．并行A/D 转换器 B ．双积分A/D 转换器 C ．计数器A/ D 转换器 D ．逐次逼近 型A/D 转换器 三、判断题（正确打√，错误的打×） 1.（11-2易）采样是将时间上断续变化的模拟量，转换成时间上连续变化的模拟量。 （ ） 2.（11-2中）在两次采样之间，应将采样的模拟信号暂存起来，并把该模拟信号保持到下 一个采样脉冲到来之前。 （ ）
AD转换器的主要技术指标 1）分辩率(Resolution) 指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2n的比值。分辩率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。 2）转换速率(Conversion Rate)是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD，逐次比较型AD是微秒级属中速AD，全并行/串并行型AD可达到纳秒级。采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率(Sample Rate)必须小于或等于转换速率。因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是ksps和Msps，表示每秒采样千/百万次（kilo / Million Samples per Second）。 3）量化误差(Quantizing Error) 由于AD的有限分辩率而引起的误差，即有限分辩率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率AD（理想AD）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB、1/2LSB。 4）偏移误差(Offset Error) 输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。 5）满刻度误差(Full Scale Error) 满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。
6）线性度(Linearity) 实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上三种误差。 其他指标还有：绝对精度(Absolute Accuracy) ，相对精度(Re lative Accuracy)，微分非线性，单调性和无错码，总谐波失真（T otal Harmonic Distotortion缩写THD）和积分非线性。 AD的选择，首先看精度和速度，然后看是几路的，什么输出的比如SPI或者并行的，差分还是单端输入的，输入范围是多少，这些都是选AD需要考虑的。DA呢，主要是精度和输出，比如是电压输出啊，4-20mA电流输出啊，等等。DSP呢，用来计算嘛，所以主要是看运算能力了，当然，外围的接口也是需要考虑的。个人看法，TI的单DSP处理能力还可以，ADI的多DSP联合使用的优点特别突出，当然了，不同档次的DSP的运算能力和速度都是有很大差别的。 工程师在进行电路设计时，面对林林总总的AD/DA芯片，如何选择你所需要的器件呢？这要综合设计的诸项因素，系统技术指标、成本、功耗、安装等，最主要的依据还是速度和精度。 精度 与系统中所测量控制的信号范围有关，但估算时要考虑到其他因素，转换器位数应该比总精度要求的最低分辩率高一位。常见的AD/DA器件有8位，10位，12位，14位，16位等。 速度 应根据输入信号的最高频率来确定，保证转换器的转换速率要高于系统要求的采样频率。 通道 有的单芯片内部含有多个AD/DA模块，可同时实现多路信
A :DC 4?20mA :DC 0?10V Z :指定电流量程 :DC 0?5V :DC 1?5V －□□ 机 型 输入信号（热电偶）1:K 2:E 3:J 4:T 5:B 6:R 7:S 8:N 0:上述以外 输出信号◆输出电流 ◆输出电压 0:指定电压量程 构造:小型端子盘构造连接方式:M 3.5螺丝端子连接端子螺丝材质:优质电镀光面 （螺丝的许容扭矩为0.8N ·m ） 机壳材质:黑色耐燃隔离:3通道隔离（输入－输出－电源-地） 机型代码（例如:）·输入量程（例如:0?800℃） 线性化电路:标准装备 冷端补偿:输入端子外接冷端传感器 输入电阻:20k ?制造可能范围量 程:3mV 以上 热电偶测定范围（℃）最小量程（℃以上）零点范围（℃）K E -270?+1370-270?+10007550-270?+1200-270?+750J T B -210?+1200-270?+4000?182********-210?+800-270?+3250? 750 R S N -50?+1760-50?+1760-270?+1300 360380110 -50?+550-50?+550-270?+1100 输入温度范围起始于0℃以下时，一部分有可能会在标准精度之外。详情请咨询。 123■输出电流 允许负载电阻 （输出量程） DC 4?20mA :550?以下 制造可能范围·输出电流范围:DC 0?20mA ·输出电流量程:DC 1?20mA ·输出零点电流:输出电流量程的1.5倍以下 ·允许负载电阻:使变换器的输出端子间的电压为11V 以下的电阻值 ■输出电压 允许负载电阻 （输出量程） DC 0?10V :1000（?以上）DC 0?5V :500DC 1?5V :500 制造可能范围·输出电压范围:DC 0?10V ·输出电压量程:DC 1?10V ·输出零点电压:输出电压量程的1.5倍以下 ·允许负载电阻 :使负载电流为10mA 以下的电阻值（但是，输出电压应在1V 以上） MW9D ＭＷ９Ｄ－２３