具有半导体制冷的新型膜蒸馏组件性能实验研究

设计了一种新型的半导体制冷空气隙膜蒸馏系统,将具有半导体制冷的冷腔与膜蒸馏系统的热腔有机地结合起来。实验研究了半导体输入电流、冷却水流量及热液温度对通量的影响。实验表明:冷却水流量900 L/h,输入电流8 A时的冷壁温度平均为5℃,制冷面各测点的温差最大只有0.5℃,制冷面温度均匀;实验工况8~12 A,冷却水流量300L/h时,膜通量随半导体输入电流的增大而增大。本文的研究为小型半导体制冷空气隙膜蒸馏系统的理论与应用研究奠定了基础。     

半导体制冷及其在物理实验中的应用

半导体制冷是通过空穴和电子在运动中直接传递热量的固体致冷方式.本文通过半导体致冷型恒温量热器和半导体热电特性实验为例,说明在物理实验中应用半导体制冷技术的设计思路及优势.     

薄片激光介质分区域主动冷却方法

针对高功率、大口径薄片激光器,提出了采用半导体制冷片阵列对薄片激光介质进行分区域主动冷却的方法,通过调节各单元半导体制冷片的工作电压,改变阵列的冷却效率分布,实现了对薄片激光介质的局部温度的控制,进而使得薄片介质的横向温度分布均匀,降低了热效应的影响,为薄片激光器的冷却设计提供了新思路,并通过实验验证了该方法的可行性。     

基于TEC的小型快速高精度恒温系统设计

为研究半导体器件的瞬态热学特性,研制了基于半导体加热制冷片(TEC)的小型快速高精度恒温系统;论述了基于STM32F103RBT6的加热制冷恒温系统设计,系统以微控制器STM32F103RBT6,恒温驱动电路,TEC和温度采集电路为硬件,用数字PID(proportion integration differentiation)算法实时调整输出脉宽调制信号PWM(pulse-width modulation),直到温度在预设精度范围内,从而实现恒温控制;系统采用H桥电路实现快速加热制冷,恒温驱动电路采用无源滤波器和有源滤波器构成的混合滤波器大大降低了电流纹波,提高了系统控温精度;实验结果表明,恒温系统工作稳定可靠,控制精度高,可快速加热制冷,在微小型恒温系统研制方面有一定的实用和推广价值。     

基于模糊控制的光子辐射制冷功率测量系统

依据热平衡原理设计了以单片机为控制核心,DS18B20数字温度传感器和铂电阻PT100为检温元件,正温度系数（PTC）效应加热器为执行元件的温控及制冷功率测量系统。通过模糊PID(Proportional Integral Derivative)控制算法输出不同占空比的脉宽调制波,控制辐射冷却材料温度和环境温度保持一致性,同时利用3D打印工艺完成装置的搭建,最终测算出辐射制冷功率。实验结果表明,系统测量计算的辐射制冷功率与理论预测值接近,该系统可以有效满足多种辐射冷却材料的测量。     

基于STM32的变温霍尔效应装置设计

霍尔元器件的霍尔电势、灵敏度系数、内阻等参数会随温度的改变而发生变化,本文设计了一种基于STM32温度连续可调的霍尔效应装置。应用单片机、恒流源、继电器、数字温度传感器、温度控制等硬件电路,对传统单一温度装置进行了优化,可实现在-20℃到100 ℃温度范围内连续可调。并开发了一种Web前端可视化系统用以分析实验数据,该装置对于分析和研究半导体材料在不同温度下的电学特性及霍尔效应的广泛应用有较大意义。     

台式核磁共振仪变温探头系统的研制

变温探头系统是拓展低场强核磁共振仪应用领域的重要部件. 半导体致冷片由于体积小,功耗低,控制方便,广泛应用于各种制冷场合. 本研究利用半导体致冷组件研制的变温探头系统能实现-20 ℃~60 ℃范围变温,相比传统高场强核磁共振波谱仪变温探头系统,结构简单、性价比高. 在NMI20-analyst台式核磁共振仪上应用3.5%的CuSO₄水溶液对本变温系统进行了测试,实验效果能够体现出相应的规律,具有实用价值. 最后对系统与实验结果进行了讨论,给出了改进方案.     

半导体制冷片制作的高能激光靶屏

 为了用热图法测量高能激光强度的时空分布,设计了将半导体制冷片作为激光靶屏的测量方案。研制了由16个50 mm×50 mm的制冷片组装成的总面积为200 mm×200 mm、总制冷功率超4 800 W的靶屏, 屏四周安装了8个红外标定物用于校正红外图像的畸变。理论上用热传导方程建立了激光辐照半导体制冷片靶屏的加热模型;数值模拟了屏表面温度分布同光强分布的关系,论证了氧化铝陶瓷材料制成的半导体制冷片作为高能激光靶屏的可行性,以及制冷片的制冷功能对测试性能的改善;通过实验验证了研制的靶屏测量光强是可行的。     

基于动态多段温度标定的分布式光纤Raman测温系统

温度标定是分布式光纤喇曼测温系统重要组成部分.本文设计了一种基于半导体制冷模块的多温度参考标定装置,采用了新颖的动态多段光纤温度标定方法,并通过实验验证了该标定方案的可行性与准确性.结果表明,随着外界环境温度的变化,传感光纤所处任一处的温度都能够精确解调,其温度解调结果更加准确,测量误差小于1℃.系统性能更加稳定,更能...     

半导体制冷电脑CPU恒温散热研究

用风冷的方法给CPU降温存在着降温效率低、反应速度慢、风扇的机械转动可靠性差、噪音大等弊病.因此,这里设计了一种用半导体制冷降温的装置来提高CPU的散热效率.它用温度传感器检测电脑CPU温度,当CPU温度超过设定温度的时侯,控制电路供电使半导体制冷块制冷,使CPU温度保持恒定.为防止冷凝结露,采用绝热材料密封导热铜板及...     

采用半导体激光器自身pn结特性测温的 半导体激光器恒温控制

温度对半导体激光器的发射波长有很大的影响,而很多应用都要求半导体激光器的发射波长是稳定的。针对使用测温元件作为温度传感器进行半导体激光器恒温控制中存在的温度误差,提出了以半导体激光器自身pn结作为温度检测元件进行半导体激光器恒温控制的方法,设计了半导体制冷器的驱动电路。该方法利用pn结的温度敏感特性,首先通过实际测量标定pn结的温度与其两端压降的对应关系,然后通过测量压降得出相应的实际温度。实验结果表明,采用该方法消除了使用温度传感器进行半导体激光器恒温控制中温度梯度造成的恒温误差,提高了测量速度,显著减小了超调量,消除了静差和波动。     

High Precision Characterisation of Semiconductor Bolometers

We describe techniques for testing and characterising semiconductor bolometers, using the bolometer model presented in Sudiwala et. al. [1]. The procedures are illustrated with results from a prototype bolometer for the high frequency instrument (HFI) in the Planck Surveyor cosmic microwave background mission. This is a bolometer using spider-web geometry and a neutron transmutation doped (NTD) germanium thermistor, designed for operation at 100 mK. Details are given of the laboratory facility used to take data at temperatures from 70 mK to 350 mK. This employs an adiabatic demagnetisation refrigerator to cool the detector and optics. The spatial and spectral properties of the optical system are controlled using feedhorns and edge filters. To characterise the bolometer, blanked and optically loaded load curves were measured over a range of temperatures, and the response to modulated radiation was measured as a function of modulation frequency, temperature and bias current. Results for the prototype bolometer show that its behaviour is well represented by an ideal thermal detector down to a temperature of approximately 100 mK. Below this, non-thermal effects such as electron-phonon decoupling or electric field dependent resistance appear to lead to departure from ideal behaviour. The performance was in good agreement with the design goals for the bolometer.     

石英晶体旋光性的温度效应测试研究

为了测试温度对石英晶体旋光性的影响,采用陶瓷平板型半导体制冷器件作为温控器,设计、建立了石英晶体旋光性温度效应的测试系统,对石英晶体旋光特性的温度效应进行了测试研究：在-10～60℃的温度范围内,从实验上测试了石英晶体的旋光角随温度的变化。实验结果表明：对于确定的单色光,随着温度的升高石英晶体的旋光率增大。根据测试结果,通过求解塞耳迈耶尔方程和四次拟合的方法,得出了塞耳迈耶尔方程的常数与温度的关系式,从而可以得出任意温度下不同波长对应的石英晶体的旋光率。     

基于单片机的光纤半导体温度传感器的研究

提出了一种基于单片机技术的光纤半导体温度传感器.利用GaAs晶体对光的吸收率与温度所存在的确定关系进行测温,并采用单片机进行信号检测与信号处理.实验表明,所研制的传感器具有较高精度,精度为0.2℃(-50～150℃).现场试用情况表明,此光纤半导体温度传感器具有较高时间稳定性、高重复性、高可靠性、高性价比等特点,是一种应用前景广阔的传感器.     

热敏电阻数字温度计设计制作实验的线性化方案探究

分析了半导体热敏电阻制作电子数字温度计的原理,对两种线性化设计方案及其实验结果进行了比较,对实验的教学进行了探讨.     

改进冷端换热器的大功率脉冲管制冷机

依据热力学非对称理论对脉冲管制冷机冷端的热力学过程进行分析 ,对脉冲管制冷机制冷功率的提高提出了改进方案 ,搭建了单级低频大功率脉冲管制冷机的实验台 ,在实验中首次采用新型的填料烧结型换热器作为脉冲管的冷头 ,对这种换热器的效率在不同实验条件下进行了计算 ,并通过实验验证了这种新型换热器在脉冲管制冷机中应用的可行性。实验表明 :改进冷端换热器是提高脉冲管制冷机制冷效率的关键问题。在使用烧结换热器的单级脉冲管制冷机实验台上 ,采用输出功率 3k W的压缩机在 80 K时得到了 35W的制冷量 ,在效率上属国内领先水平。     

新型热驱动半导体制冷器性能的优化分析

提出一种新型的热驱动半导体制冷器模型 ,以制冷系数和制冷率为目标函数分析其性能特性。计算在不同情况下热驱动半导体制冷器的最大制冷系数和制冷率。进而优化工作电流的最佳范围 ,从而确定热驱动半导体制冷器的内部结构参数。所得结果可为新型的热驱动半导体制冷器的优化设计和最佳运行提供有价值的理论指导 ,可促进热驱动半导体制冷器的开发和在不同高新科技领域中的应用。     

Reprint of : Three-terminal heat engine and refrigerator based on superlattices

We propose a three-terminal heat engine based on semiconductor superlattices for energy harvesting. The periodicity of the superlattice structure creates an energy miniband, giving an energy window for allowed electron transport. We find that this device delivers a large power, nearly twice than the heat engine based on quantum wells, with a small reduction of efficiency. This engine also works as a refrigerator in a different regime of the system's parameters. The thermoelectric performance of the refrigerator is analyzed, including the cooling power and coefficient of performance in the optimized condition. We also calculate phonon heat current through the system and explore the reduction of phonon heat current compared to the bulk material. The direct phonon heat current is negligible at low temperatures, but dominates over the electronic at room temperature and we discuss ways to reduce it.     

Surface and bulk conductivity of vanadium dioxide

The dc and ac resistances of a TR-68 thermistor based on the vanadium dioxide film have been measured and the temperature dependence of the resistance in the semiconductor–metal transition region under adsorption has been studied. The energy band model has been proposed, which explains the anomalous response to adsorption of donor gases by the inversion of the conductivity type of vanadium dioxide surface layers.     

探空温度传感器的计算流体动力学分析与实验研究

伴随着数值天气预报和气候变化研究精细化程度的不断提高, 希望探空温度传感器的观测精度达到0.1 K数量级. 为了实现此目标, 运用计算流体动力学方法对珠状热敏电阻从海平面上升至20 km高空的整个过程进行数值仿真分析. 并在此基础上, 针对影响测温精度的太阳辐射强度和传感器倾斜角度两个因素进行分析. 仿真结果表明, 太阳辐射强度和海拔高度是辐射误差的重要影响因子. 当传感器倾斜角度为90°时, 珠状热敏电阻的辐射误差最小. 通过麦夸特法和通用全局优化法对仿真数据进行拟合, 获得不同海拔高度和太阳辐射强度下的辐射误差修正方程; 为验证方程的准确性, 设计和搭建太阳辐射误差模拟系统. 实验结果表明, 辐射误差实验测量值与修正方程修正值之间的平均偏移量为0.017 K, 均方根值RMS误差为0.023 K, 验证了计算流体动力学方法、麦夸特法和通用全局优化法获得辐射误差数据的准确性.