Сергей Александрович (Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь) — Передачи и шоу

Добро пожаловать на канал Сергея Александровича. Ведущий рассказывает, как легко настроить, подключить и починить всё, что, на первый взгляд, настраивается, подключается и чинится сложно. Основатель канала является ярым ненавистником халтуры со стороны недобросовестных сантехников, электриков и строителей. Переделывая работу после горе-мастеров, простой автор собрал на видеоплатформе довольно внушительную коллекцию роликов.

Сергей Александрович Денисов ранее работал в киевской фирме бытовых услуг под названием Свитанок. Этот проект первоначально был задуман для раскрутки его собственного сайта. Сергей, а в быту просто Саныч, показывает свою работу и оценивает чужую халтуру. Ведущий отмечает, что ни в коем случае не учит, как работать правильно, а всего лишь делится своим опытом.

Здесь подписчики найдут решение проблем, связанных с подвеской мебели и установкой люстр. Также узнают тонкости сборки и установки потолочных сушилок, креплений для спортивных тренажеров и телевизоров. Плейлист Инструменты своими руками порадует всех желающих обилием видеоматериалов по доработке и изготовлению различных инструментов. Саныч также дает полезные советы, как сделать то или иное изделие своими руками.

Здесь аудитория найдет огромное количество самоделок от мастера Переделкина. К примеру, инструмент для проверки металла на твердость, доработку полицейской видеокамеры, амбушюры из поролона для наушников. В 2016 году Сергей Александрович стал почетным обладателем Серебряной кнопки видеоплатформы, набрав сто тысяч подписчиков. В июле 2021 года число таковых на канале составило более двухсот семидесяти тысяч.

Добро пожаловать на канал Сергея Александровича. Ведущий рассказывает, как легко настроить, подключить и починить всё, что, на первый взгляд, настраивается, подключается и чинится сложно. Основатель канала является ярым ненавистником халтуры со стороны недобросовестных сантехников, электриков и строителей. Переделывая работу после горе-мастеров, простой автор собрал на видеоплатформе довольно внуш

Энергетическое образование

4. Термоэлектрический холодильник

Принцип действия термоэлектрического холодильника. Термоэлектрический холодильник строится на элементах Пельтье, бесшумен, но большого распространения не получил из-за дороговизны охлаждающих термоэлектрических элементов. Тем не менее, сумки-холодильники, небольшие автомобильные холодильники и кулеры питевой воды часто делаются с охлаждением от элементов Пельтье. Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока.

Принцип действия. В основе работы элементов Пельтье лежит контакт двух токопроводящих материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока через контакт таких материалов, электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному тепловому эффекту. При контакте металлов эффект Пельтье настолько мал, что незаметен на фоне омического нагрева и явлений теплопроводности. Поэтому при практическом применении используются контакт двух полупроводников. Элемент Пельтье состоит из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов — одного n-типа и одного p-типа в паре (обычно теллурида висмута, Bi2Te3 и германида кремния), которые попарно соединены при помощи металлических перемычек. Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей плёнкой или керамической пластинкой. Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так чтобы вверху были одни последовательности соединений (n->p), а снизу противоположные (p->n). Протекающий электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются — или наоборот. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур. Если охлаждать нагревающуюся сторону элемента Пельтье, например при помощи радиатора и вентилятора, то температура холодной стороны становится ещё ниже. В одноступенчатых элементах, в зависимости от типа элемента и величины тока, разность температур может достигать приблизительно 70 К. Достоинством элемента Пельтье является небольшие размеры, отсутствие каких-либо движущихся частей, а также газов и жидкостей. При обращении направления тока возможно как охлаждение, так и нагревание — это даёт возможность термостатирования при температуре окружающей среды как выше, так и ниже температуры термостатирования. Недостатком элемента Пельтье является очень низкий коэффициент полезного действия, что ведёт к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур. Кроме того элементы Пельтье с размерами более 60 мм x 60 мм практически не встречаются. Несмотря на это, элементы Пельтье нашли широкое применение, так как без каких-либо дополнительных устройств можно реализовать температуры ниже 0 °C.

Z-MAX｜Эффект Пельтье (принцип электронного охлаждения)

Что такое эффект Пельтье

Эволюция элемента Пельтье

Термоэлектрический охладитель Пельтье

При контакте металлов эффект Пельтье настолько мал, что незаметен на фоне омического нагрева и явлений теплопроводности. Поэтому при практическом применении используются контакт двух полупроводников.

Внешний вид элемента Пельтье. При пропускании тока тепло переносится с одной стороны на другую.Элемент Пельтье состоит из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов — одного n-типа и одного p-типа в паре (обычно теллурида висмута, Bi2Te3 и германида кремния), которые попарно соединены при помощи металлических перемычек. Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей плёнкой или керамической пластинкой. Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так чтобы вверху были одни последовательности соединений (n->p), а снизу противоположные (p->n). Электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются — или наоборот. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур.

Если охлаждать нагревающуюся сторону элемента Пельтье, например при помощи радиатора и вентилятора, то температура холодной стороны становится ещё ниже. В одноступенчатых элементах, в зависимости от типа элемента и величины тока, разность температур может достигать приблизительно 70 К/

Описание
Элемент пельтье представляет из себя термоэлектрический преобразователь, который при подаче напряжения способен создать разность температур на пластинах, то есть перекачать тепло или холод. Представленный элемент Пельтье применяется при охлаждении компьютерных плат (при условии эффективного отведения тепла), для охлаждения или нагрева воды. Так же элементы Пельтье используются в переносных и автомобильных холодильниках.

Элемент Пельтье, работающий от 12 Вольт.

•Для нагрева необходимо просто поменять полярность.
•Размеры пластины Пельтье: 40 х 40 х 4 миллиметра.
•Рабочий диапазон температур: от -30 до +70?..
•Рабочее напряжение: 9-15 Вольт.
•Потребляемая сила тока: 0.5-6 А.
•Максимальная потребляемая мощность: 60 Вт.
Забавная вещица, подключаем 12v +- холодит меняем полярность греет. Используется во многих авто холодильниках, во всяком случае у меня такой. Можно приделать компактную схему в бардачок что б летом шоколад не таял! Для использования и эффективного применения нужно использовать радиатор охлаждения — в качестве теста применил радиатор от компьютерного процессора, можно с куллером. Чем лучше охлаждение тем эффект Пельтье сильнее и эффективнее. При подключении к авто акб на 12v ток потребления составил 5 ампер. Одним словом элемент прожорлив. Так как еще не собрал всё схему, а провел лишь пробные тесты, без приборных замеров температур. Так при режиме охлаждения в течении 10ти минут появилась легкая изморозь. В режиме подогрева вода в металлической чашки закипела. Эффективность конечно же этого охладителя низка, но цена девайса и возможность по экспериментировать делают покупку оправданной. Остальное на фото

Термоэлектрические холодильники: как работают; принцип Пельтье | Обзоры

Это интересно!

07:51:38 - 25.11.2021

Элемент Пельтье (TEC):ликбез от дилетанта estimata

В англоязычной литературе элементы Пельтье обозначаются TE.

Плюсы элементов Пельтье:

• небольшие размеры. Но соединив разные модули можно добиться нужных размеров.
• отсутствие каких-либо движущихся частей, а значит отсутствие шума
• отсутствие каких-либо газов и жидкостей
• при обращении направления тока возможно как охлаждение, так и нагревание — это даёт возможность термостатирования при температуре окружающей среды как выше, так и ниже температуры термостатирования

Минусы элементов Пельтье:

• маленький КПД
• деградация (снижается эффективность и срок службы модуля) элемента при высоких температурах
• при превышении температуры нагрева элемент может выйти из строя
• нормированное количество включений/выключений
• в случае использования элемента для охлаждения источник питания должен иметь ток с пульсациями не более 5%. При более высоком уровне пульсаций эффективность модуля снизится, по некоторым данным на 30-40%.

Несмотря на это, ведутся разработки по повышению теплового КПД, а элементы Пельтье нашли широкое применение в технике, так как без каких-либо дополнительных устройств можно реализовать температуры ниже 0 °C.

Основной проблемой в построении элементов Пельтье с высоким КПД является то, что свободные электроны в веществе являются одновременно переносчиками и электрического тока, и тепла. Материал для элемента Пельтье же должен одновременно обладать двумя взаимоисключающими свойствами — хорошо проводить электрический ток, но плохо проводить тепло.

Принцип действия элемента Пельтье

В основе работы элементов Пельтье лежит контакт двух полупроводниковых материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока через контакт таких материалов электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному тепловому эффекту.

При контакте металлов эффект Пельтье настолько мал, что незаметен на фоне омического нагрева и явлений теплопроводности. Поэтому при практическом применении используется контакт двух полупроводников.

Если охлаждать нагревающуюся сторону элемента Пельтье, например при помощи радиатора и вентилятора, то температура холодной стороны становится ещё ниже. В одноступенчатых элементах, в зависимости от типа элемента и величины тока, разность температур может достигать приблизительно 70 °C.

В батареях элементов Пельтье возможно достижение большей разницы температур, но мощность охлаждения будет ниже. Для стабилизации температуры лучше использовать импульсный источник питания, т.к. это позволит повысить эффективность системы. При этом желательно сглаживать пульсации тока – это увеличит эффективность работы Пельтье и, возможно, продлит срок его службы. Также, работа элемента Пельтье будет неэффективной, если пытаться стабилизировать температуру с использованием широтно-импульсной модуляции тока.

Маркировка элементов Пельтье

Маркировка элемента Пельтье разделена на три группы

1. Обозначение элемента. Первые две буквы всегда «TE». После них идёт буква «C» (стандартный размер) или «S» — малый размер.
   Далее идёт цифра, указывающая сколько слоёв в элементе.
2. Количество термопар в элементе.
3. Величина номинального тока, в амперах.

Иногда может быть четвёртая группа, указывающая на размеры модуля. Например, «40» указывает что элемент имеет размер 40х40 мм.

Технические параметры элементов Пельтье

Главными параметрами у элементов Пельтье являются:

• Q_max – производительность холода. Данный параметр рассчитывается из максимального тока и разности температур между противолежащими обкладками модуля Пельтье
• DTmax – максимальный температурный перепад между сторонами элемента Пельтье в идеальных условиях
• I_max – ток, при котором перепад температур достигает своего максимума
• U_max — предельное напряжение, при котором перепад температур достигает своего максимума
• Resistence (RES) – сопротивление внутренних элементов изделия
• КПД (COP) — данный показатель у самых лучших модулей едва дотягивается до 50 %. Но чаще всего встречаются элементы КПД от 20% до 30%.

Пельтье термоэлектрический генератор электроэн�

Для Новаторов, изобретателей это очень интересный модуль!
Просто наберите в поисковике: генератор Пельтье или холодильник Пельтье и увидите столько всего можно сделать!

Получать электричество:
— В полевых условиях с одной стороны кружка с другой костер.
— На воде, поплавке с одной стороны охлаждать, а с другой нагревать солнцем.
— Дома , зимой встроить в стену с одной стороны мороз на улице с другой тепло.

Использовать при охлаждение или нагреве:
— Например поставив стакан, подавая питание на элемент можно охлаждать напиток, а при смене полюсов наоборот нагревать.
— При охлаждении все различных микросхем или процессоров
— При умелых руках можно изготовить минихолодильник без компрессора.

• Дерзайте и изобретайте !

Элементом модуля ТЭМ является термопара, состоящая из двух разнородных элементов с p- и n- типом проводимости. Элементы соединяются между собой пластиной из меди.
Термоэлектрический модуль представляет собой совокупность термопар, электрически соединенных, как правило, последовательно.

При прохождении через термоэлектрический модуль постоянного электрического тока между его сторонами образуется перепад температур -одна сторона (холодная) охлаждается, а другая (горячая) нагревается. Если с горячей стороны ТЭМ обеспечить эффективный отвод тепла, например, с помощью радиатора, то на холодной стороне можно получить температуру, которая будет на десятки градусов ниже температуры окружающей среды. Степень охлаждения будет пропорциональной величине тока. При смене полярности тока горячая и холодная стороны меняются местами.

При помощи элементов Пельтье можно и вырабатывать электричество.Если создать на разных сторонах пластины разницу температур внешним воздействием, то элемент начинает вырабатывать электричество. Т.е. работает как электрогенератор.

• 12V 60W
• Размеры: 40 х 40 мм х 4 мм
• Работает от 0 ~ 15.2V DC и 0 ~ 6A
• Максимальная потребляемая мощность: 70 Вт
• Эти устройства должны использоваться в сочетании с радиатором

Из такого элемента можно сделать миниатюрный холодильник, подогреватель, электрогенератор.

Смотрите видео как ври помощи простых жестяных банок можно получать электричество!!! И таких приспособлений тысячи!

ЗАКАЗЫВАЙ сразу 3шт. за 747р. для экспериментов!

ВНИМАНИЕ!! Обязательно используй радиатор!!!!

•

Как разработать модульную систему Пельтье

, также называемые термоэлектрическими модулями, часто являются основой эффективного решения по управлению температурным режимом, когда необходимо точно контролировать температуру объекта. Хотя они могут использоваться как для нагрева, так и для охлаждения объектов, чаще всего модули Пельтье используются для охлаждения объектов до температуры ниже окружающей. Поскольку они обычно предлагаются как компонент, а не как полная система, потребуются некоторые проектные работы для правильной интеграции и управления модулем.Конструировать тепловую систему Пельтье нетрудно, но базовое понимание характеристик термоэлектрического модуля полезно для обеспечения успешного применения. Для простоты обсуждения будет сделано предположение, что модуль Пельтье охлаждает интересующий объект. Однако следует отметить, что конструктивные соображения для нагрева объекта идентичны, за исключением того факта, что полярность напряжения и тока, питающих устройство Пельтье, меняется на противоположную (направление теплового потока через модуль также меняется на противоположное).

Модульные системы Пельтье

На схеме ниже показаны основные подсистемы, необходимые, когда модуль Пельтье используется для управления температурой объекта. Модуль Пельтье является ключевым элементом системы, но другие элементы также необходимы. Термоэлектрический модуль будет передавать тепло от охлаждаемого объекта, в то время как радиатор необходим для рассеивания как тепла, передаваемого через модуль Пельтье, так и тепла, генерируемого источником электроэнергии. Источник питания подает ток, необходимый для работы устройства Пельтье, а внешний контур обратной связи, связанный с тепловизором, позволяет системе точно контролировать температуру охлаждаемого объекта.

Критерии первоначального выбора модуля Пельтье

обычно выбираются в зависимости от тепловых требований приложения. Отсюда можно определить требуемый ток и соответствующее напряжение привода. Наиболее важными тепловыми условиями являются тепло, передаваемое через модуль, максимальная температура модуля Пельтье и максимальная температура горячей стороны модуля. Производители элементов Пельтье обычно предлагают ряд термоэлектрических модулей, которые будут обслуживать определенный набор тепловых условий и обеспечивать диапазон рабочих значений тока и напряжения питания.Для более подробного обсуждения выбора устройства Пельтье, пожалуйста, прочтите нашу запись в блоге «Как выбрать модуль Пельтье».

Питание модуля Пельтье

легче всего охарактеризовать по их текущему потреблению. Уровень тока, необходимый для применения, определяется путем оценки характеристических кривых выбранного устройства Пельтье. Основными параметрами, влияющими на требуемый ток, являются передаваемая тепловая мощность, поддерживаемая температура и рабочая температура модуля.Хотя характеристики модуля Пельтье определяются током, управляемый источник напряжения может использоваться для питания устройства и обеспечения желаемого рабочего тока. Приложенное напряжение, необходимое для подачи желаемого тока, можно определить, просмотрев технические характеристики выбранного термоэлектрического модуля (см. Пример).

Управление напряжением, подаваемым на модуль Пельтье

В некоторых приложениях предполагается использовать модуль Пельтье таким образом, чтобы непрерывно доставлялось максимальное количество охлаждения.В этих случаях на устройство Пельтье подается постоянное напряжение, и результирующий ток нагрузки и охлаждение могут быть определены на основе графиков характеристик в таблицах данных.

Однако в других приложениях модули Пельтье реализуются для поддержания объекта при контролируемой температуре. В этих конструкциях используется термодатчик, такой как термопара, твердотельный датчик температуры или инфракрасный датчик, для контроля температуры объекта.Данные о температуре передаются обратно в источник питания через контур терморегулирования для регулировки напряжения (или тока), подаваемого на модуль Пельтье. Распространенным методом управления напряжением, подаваемым на термоэлектрический модуль, является включение каскада широтно-импульсной модуляции (ШИМ) на выходе стандартного источника питания. Внешний каскад ШИМ необходим, потому что многие источники питания не имеют возможности легко регулировать выходное напряжение в широком диапазоне. Выходное напряжение каскада ШИМ также должно быть отфильтровано, чтобы оно показывало пульсации менее 5%.Более высокие пульсации напряжения не повредят модуль Пельтье, но уменьшат его коэффициент полезного действия (COP) и могут вызвать проблемы с электрическими шумами в охлаждаемом объекте. Конструкция контура терморегулирования может быть реализована во многих формах из-за малой требуемой полосы пропускания контура. Кроме того, полярность регулируемого напряжения или тока должна быть обратимой, если система контроля температуры будет требовать как для охлаждения, так и для нагрева объекта.

Учет всех источников тепла

Устройства Пельтье передают тепло через модуль при подаче электроэнергии.Помимо передаваемого тепла, термоэлектрические модули во время работы выделяют дополнительное тепло за счет подаваемой электроэнергии. Тепловое решение для системы Пельтье должно рассеивать как тепло, передаваемое через модуль Пельтье, так и собственное генерируемое тепло. В системах, работающих с низким КПД, количество тепла, генерируемого электрической работой устройства Пельтье, будет значительно больше, чем его теплопередача. Комбинация температуры окружающей среды и эффективности решения для радиатора будет определять максимальную рабочую температуру модуля Пельтье и производительность системы.

Сводка

, использующие модули Пельтье, могут быть чрезвычайно эффективным методом контроля температуры объекта. Эти системы имеют преимущества по сравнению с традиционными конфигурациями управления температурой на основе компрессора и рассеивающего нагревателя в том, что они могут работать в любой ориентации и часто меньше, легче и более энергоэффективны, но при этом обладают меньшим электрическим и акустическим шумом. Стандартные компоненты также могут использоваться почти для всех подсистем, необходимых для настройки приложения модуля Пельтье.Это делает модули Пельтье интересным вариантом, когда речь идет о конструкции терморегулятора вашего следующего проекта.

электронная книга

Загрузите бесплатное полное руководство по управлению температурным режимом

Дополнительные ресурсы

У вас есть комментарии к этому сообщению или темам, которые вы хотели бы, чтобы мы освещали в будущем?
Отправьте нам письмо по адресу cuiinsights @ cuidevices.ком

Термоэлектрические приложения — Термоэлектрические

3.0 Приложения для термоэлектрических охладителей

3,1 Приложения для термоэлектрических модулей охватывают широкий спектр областей продукции. Сюда входит оборудование, используемое военными, медицинскими, промышленными, потребительскими, научными / лабораторными и телекоммуникационными организациями. Диапазон применения варьируется от простых холодильников для еды и напитков для послеобеденного пикника до чрезвычайно сложных систем контроля температуры в ракетах и ​​космических аппаратах.

В отличие от простого радиатора, термоэлектрический охладитель позволяет снизить температуру объекта ниже температуры окружающей среды, а также стабилизировать температуру объектов, которые подвержены широко изменяющимся условиям окружающей среды. Термоэлектрический охладитель — это активный охлаждающий модуль, тогда как радиатор обеспечивает только пассивное охлаждение.

Термоэлектрические охладители обычно подходят для применений, требующих отвода тепла в диапазоне от милливатт до нескольких тысяч ватт.Большинство одноступенчатых охладителей TE, включая как сильноточные, так и слаботочные модули, способны перекачивать максимум от 3 до 6 Вт на квадратный сантиметр (от 20 до 40 Вт на квадратный дюйм) площади поверхности модуля. Несколько модулей, установленных термически параллельно, можно использовать для увеличения общей производительности теплового насоса. В прошлом большие термоэлектрические системы киловаттного диапазона создавались для специализированных применений, таких как охлаждение на подводных лодках и железнодорожных вагонах. Системы такого масштаба в настоящее время доказывают свою ценность в таких приложениях, как линии по производству полупроводников.

3,2 Типичные области применения термоэлектрических модулей:

• Авионика
• Охлаждение черного ящика
• Калориметры
• CCD (Устройства с заряженной парой)
• CID (Устройства с индуцированным зарядом)
• Холодильные камеры
• Плиты холодные
• Компактные теплообменники
• Бани постоянной температуры
• Осушители
• Гигрометры точки росы
• Блок электроники охлаждения
• Охладители клеток для электрофореза
• Анализаторы окружающей среды
• Измерение плотности тепла
• Ссылка на ледяную точку
• Погружные охладители
• Охлаждение интегральной схемы
• Инерционные системы наведения
• Инфракрасные калибровочные источники и эталоны черного тела
• Инфракрасные извещатели
• Ракета инфракрасного наведения
• Лазерные коллиматоры
• Охладители лазерных диодов
• Устройства охлаждения длительного действия
• Усилители малошумящие

• Охлаждение микропроцессора
• Охладители ступеней микротома
• Шкафы NEMA
• Аппаратура ночного видения
• Осмометры
• Параметрические усилители
• Корпус фотоэлектронного умножителя
• Генераторы (малые)
• Охлаждение прецизионных устройств (лазеры и микропроцессоры)
• Холодильники и бортовые системы охлаждения (самолет, автомобиль, лодка, гостиница, инсулиновый, переносной / пикник, фармацевтический, автофургон)
• Диспенсер порций для ресторана
• Самосканирующие системы массивов
• Зонды для полупроводниковых пластин
• Охладители с перемешиванием
• Тепловизоры и оружейные прицелы
• Приборы термоциклирования (анализаторы ДНК и крови)
• Термостат ванны калибровочный
• Подготовка и хранение тканей
• Трубные охладители Vidicon
• Термическая характеристика пластины
• Охладители воды и напитков
• Регулятор температуры влажного процесса
• Винные шкафы

Преимущества термоэлектрического охлаждения — термоэлектрический

4.0 Преимущества термоэлектрического охлаждения

4,1 Использование термоэлектрических модулей часто обеспечивает решение, а в некоторых случаях ЕДИНСТВЕННОЕ решение многих сложных проблем управления температурой, когда необходимо обрабатывать небольшое или умеренное количество тепла. Хотя ни один метод охлаждения не является идеальным во всех отношениях, и использование термоэлектрических модулей не подходит для каждого применения, охладители TE часто обеспечивают существенные преимущества по сравнению с альтернативными технологиями. Некоторые из наиболее важных характеристик термоэлектрических модулей включают:

Нет движущихся частей : TE-модуль работает электрически без каких-либо движущихся частей, поэтому они практически не требуют обслуживания.

Компактность и вес: В целом термоэлектрическая система охлаждения намного меньше и легче, чем сопоставимая механическая система. Кроме того, доступны различные стандартные и специальные размеры и конфигурации для удовлетворения строгих требований к применению.

Способность к охлаждению ниже температуры окружающей среды : В отличие от обычного радиатора, температура которого обязательно должна превышать температуру окружающей среды, охладитель TE, прикрепленный к тому же радиатору, имеет способность снижать температуру ниже значения окружающей среды.

Возможность нагрева и охлаждения с одним и тем же модулем: Термоэлектрические охладители будут нагреваться или охлаждаться в зависимости от полярности подаваемого постоянного тока. Эта функция устраняет необходимость обеспечения отдельных функций нагрева и охлаждения в рамках данной системы.

Точный контроль температуры : С соответствующей схемой регулирования температуры с обратной связью охладители TE могут контролировать температуру выше +/- 0,1 ° C.

Высокая надежность: Термоэлектрические модули демонстрируют очень высокую надежность благодаря своей твердотельной конструкции.Хотя надежность в некоторой степени зависит от области применения, срок службы типичных охладителей TE превышает 200 000 часов.

Электрически «бесшумная» работа: В отличие от механической холодильной системы, TE-модули практически не производят электрического шума и могут использоваться вместе с чувствительными электронными датчиками. Они также бесшумны в акустическом отношении.

Работа в любой ориентации: TE могут использоваться в любой ориентации и в условиях невесомости.Таким образом, они популярны во многих аэрокосмических приложениях.

Удобный источник питания: модули TE работают напрямую от источника постоянного тока. Доступны модули с широким диапазоном входных напряжений и токов. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) может использоваться во многих приложениях

Точечное охлаждение: С помощью охладителя TE можно охлаждать только один конкретный компонент или область, что часто делает ненужным охлаждение всего корпуса или корпуса.

Способность генерировать электрическую мощность: При использовании «в обратном направлении» путем приложения разницы температур между поверхностями охладителя TE можно генерировать небольшое количество энергии постоянного тока.

Environmentally Friendly: Обычные холодильные системы не могут быть изготовлены без использования хлорфторуглеродов или других химикатов, которые могут быть вредными для окружающей среды. В термоэлектрических устройствах не используются и не выделяются какие-либо газы.

% PDF-1.4 % 1 0 объект > эндобдж 8 0 объект /Заголовок /Предмет / Автор /Режиссер / Ключевые слова / CreationDate (D: 2021111

02-00’00 ‘) /Компания () / ModDate (D: 20210217181825 + 01’00 ‘) / SourceModified (D: 20210217171654) >> эндобдж 2 0 obj > эндобдж 3 0 obj > эндобдж 4 0 объект > эндобдж 5 0 объект > ручей 2021-02-17T18: 18: 25 + 01: 002021-02-17T18: 17: 59 + 01: 002021-02-17T18: 18: 25 + 01: 00Acrobat PDFMaker 17 для Worduuid: 23e3959e-78e6-4f9f-b04c- 9384e6986bfduuid: 8f2a1437-40a5-4442-9af5-23d2df0d4887

Электротермический преобразователь — MATLAB

Описание

Блок Peltier Device представляет преобразователь между электрическая и тепловая энергия:

• При отсутствии тока, если температура представлена ​​на тепловом порте B выше, чем температура, представленная на тепловом порте A , то имеется положительная разность потенциалов, измеренная от положительный к отрицательному электрическому порту.

• Когда блок действует как охлаждающее устройство, положительный ток заставляет тепло течь от порт A к порту B , порт охлаждения A относительно порта B .

Определяющими уравнениями являются:

QA = αTAI − 12I2R + K (TA − TB) QB = −αTBI − 12I2R + K (TB − TA) W = VIW + QA + QB = 0

где :

• Q _A — тепловой поток в порт А .

• Q _B — тепловой поток в порт В .

• T _A порт A температура.

• T _B порт B температура.

• Вт — электрическая мощность (положительная при протекании в блокировать).

• V — разность потенциалов между + и — портов.

• I — электрический ток, плюс от + до — порт.

• R — полное электрическое сопротивление.

• α — коэффициент Зеебека.

• K — теплопроводность.

Замена мощности и деление всех членов на ток дает электрическую уравнение:

Блок имеет переменную регистрации power_dissipated ( Dissipated мощность ).Эта переменная сообщает электрическую мощность постоянного тока, то есть среднее значение электрическая мощность в течение одного цикла переменного тока, если вы управляете устройством от источника переменного тока. С точки зрения уравнения равно мгновенному значению I ² R и используется в приложение охлаждения, чтобы указать непродуктивную часть теплового потока. В отоплении В приложении интерпретация рассеиваемой мощности менее полезна.

Термоэлектрические преобразователи Вопросы и ответы

Этот набор контрольно-измерительных преобразователей с несколькими вариантами ответов (MCQ) посвящен «термоэлектрическим преобразователям».

1. Термопара — это ______________
a) Первичное устройство
b) Вторичный преобразователь
c) Третичный преобразователь
d) Ни один из упомянутых
Посмотреть ответ

Ответ: a
Пояснение: Термопара — это устройство, преобразующее тепловую энергию в электрическую. энергии, и его можно рассматривать как первичное устройство.

2. Работа термопары регулируется _______________
a) Эффект Пельтье
b) Эффект Зеебека
c) Эффект Томсона
d) Все упомянутые
Посмотреть ответ

Ответ: d
Объяснение: Работа термопары основана на трех основные эффекты — Пельтье, Томсон и Зеебек, все описывают взаимосвязь между текущим потоком и температурой между двумя разными металлами.

3. ______________ описывает протекание тока между двумя соединениями, образованными двумя разными металлами.
a) Эффект Пельтье
b) Эффект Томсона
c) Эффект Зеебека
d) Ни один из упомянутых
View Answer

Ответ: a
Объяснение: Когда два разных металла соединяются с образованием двух соединений, ток протекает от одного переход к другому. Это описывается эффектом Пельтье.

4. Количество тепла, выделяемого или поглощаемого при прохождении тока 1А, называется ____________
a) Коэффициент Томсона
b) Коэффициент Пельтье
c) Коэффициент Зеебека
d) Ни один из упомянутых
Посмотреть ответ

Ответ: b
Объяснение: Пельтье Коэффициент связывает выделяемое или поглощаемое тепло и текущий поток.

5. Общий эффект Зеебека можно найти как _____________
a) Общий эффект Пельтье
b) Общий эффект Томсона
c) Частично эффект Пельтье и частично эффект Томсона
d) Ни один из упомянутых
Посмотреть ответ

Ответ: c
Объяснение: Все три эффекта, эффекты Пельтье, Зеебека и Томсона, связаны друг с другом, и общий эффект Зеебека можно найти как частично эффект Пельтье и частично как эффект Томсона.

6. Какой из следующих элементов используется в качестве термопары в ядерном реакторе?
a) Бор
b) Платина
c) Медь
d) Железо
Просмотр Ответ

Ответ: a
Объяснение: Ядерные реакторы — это места, где выделяется большое количество тепла, здесь бор используется как элемент термопары, насколько это возможно. Измерьте температуру выше 1500 ⁰ c.

7. Термопару нельзя использовать для измерения температуры жидкости.
a) Верно
b) Неверно
Посмотреть ответ

Ответ: b
Пояснение: Термопара погружного типа может использоваться для измерения температуры жидкости, в которой термопара погружена в жидкость.

8. _________________ может использоваться как замена провода термопары.
a) Запасной провод
b) Копия провода
c) Компенсирующий провод
d) Ни один из упомянутых
Посмотреть ответ

Ответ: c
Пояснение: Компенсирующие провода сделаны из тех же материалов, что и выводы термопар, и могут использоваться в качестве замены .

9. Термопару нельзя использовать для измерения ____________
a) Температура газа
b) Температура жидкости
c) ИК-излучение
d) Ни одного из упомянутых
Посмотреть ответ

Ответ: d
Пояснение: Инфракрасное излучение характеризуется температурой, и термопара может использоваться для измерения температуры.

10. Эффект Пельтье противоположен эффекту Зеебека.
a) Верно
b) Неверно
Посмотреть ответ

Ответ: a
Объяснение: Операции эффекта Пельтье и эффекта Зеебека противоположны друг другу.

Sanfoundry Global Education & Learning Series — Измерительные преобразователи.

Чтобы попрактиковаться во всех областях измерительных преобразователей, представляет собой полный набор из 1000+ вопросов и ответов с несколькими вариантами ответов .

Примите участие в конкурсе сертификации Sanfoundry, чтобы получить бесплатную Почетную грамоту. Присоединяйтесь к нашим социальным сетям ниже и будьте в курсе последних конкурсов, видео, стажировок и вакансий!

Гибкие и автономные двухпараметрические датчики температуры и давления с использованием органических термоэлектрических материалов на основе микроструктуры

Изготовление основных механизмов и устройств

Для устройства MFSOTE активный слой создается путем осаждения органических термоэлектрических материалов на деформируемый каркасы с микроструктурой, обеспечивающие их чувствительность к температуре и давлению.В соответствии с типичным термоэлектрическим механизмом генерируемое напряжение ( В, _therm ) MFSOTE определяется как В _therm = S _T × Δ T , где S _T — коэффициент Зеебека, а Δ T — температурный градиент на устройстве. Когда устройство подвергается воздействию объекта со связанными стимулами температуры и давления, разница температур между объектом и устройством определяется с помощью термоэлектрического эффекта, что приводит к мгновенному измерению температуры поверхности, когда устройство имеет постоянную базовую температуру, подобную коже. (Инжир.1а – г). Между тем каркас микроструктуры деформируется в результате действующей силы, что приводит к изменению сопротивления активного слоя в зависимости от смещенного давления (рис. 1e – f). Таким образом, стимулы температуры и давления могут быть обнаружены по отдельности и одновременно (рис. 1g – h).

( a — h ) Схематическое изображение механизма измерения температуры и давления ( T — P ): ( a , b ) в исходном виде.( c , d ) температурный градиент (Δ T ) применяется к устройству MFSOTE. ( e , f ) давление нагружается. ( г , ч ) загрузка связанных стимулов температуры и давления. График ( i , j ) показывает измеренные кривые I — V устройства MFSOTE, полученные при различных Δ T ( i ) и различном давлении нагрузки ( j ). Временная задержка ( i , j ) между контактом и измерением электрического сигнала составляет 10 с.

Как упоминалось выше, чувствительность устройства MFSOTE к температуре и давлению определяется термоэлектрическими свойствами и характеристиками деформации под давлением материалов MFSOTE. Используя термоэлектрический материал и микроструктурированный каркас, а именно поли (3,4-этилендиокситиофен): поли (стиролсульфонат) (PEDOT: PSS) и пористый полиуретан (PU), мы изготовили материалы MFSOTE путем простого погружения микроструктурированного PU (60 пор на дюймов (ppi)) в PEDOT: раствор PSS с 5 об.% этиленгликоля (EG; дополнительный рис.1). Затем однородная пленка PEDOT: PSS была нанесена на сетку из полиуретана (дополнительный рис. 2). Изготовление устройства было завершено ламинированием двух проводящих пленок на активном слое для получения структуры устройства типа «сэндвич». Обратите внимание, что в качестве функциональных материалов использовались коммерческие материалы, и весь процесс изготовления устройства легко масштабируется. Все результаты, представленные в основной рукописи, были получены с использованием композита PU – PEDOT: PSS, в то время как другие проводящие полимеры были протестированы, и результаты представлены в дополнительной информации.

Чувствительные характеристики устройства MFSOTE

Как показано на рис. 1i, типичная кривая I — V наблюдалась без приложения температуры или давления, что указывает на четко определенные электрические свойства устройств MFSOTE. Однако кривая I — V явно сдвинута, со значениями V _therm 173 и 345 мкВ при постоянной разнице температур 5 и 10 K соответственно из-за термоэлектрического эффекта слоя PEDOT: PSS. .Для сравнения, сопротивление устройства MFSOTE уменьшилось с 8,8 до 5 кОм при давлении смещения от 1 до 2 кПа (рис. 1j, дополнительный рис. 3). Следует отметить, что температурные стимулы оказали ограниченное влияние на электрическое сопротивление, а сигнал давления оказал незначительное влияние на В, _therm (дополнительный рис. 4). Эти свойства позволили раздельное считывание стимулов температуры и давления с использованием изменения напряжения и тока, соответственно, в качестве считываемых сигналов.

Сначала мы измерили зависящее от температурного градиента (Δ T ) термоэлектрическое напряжение, генерируемое устройствами MFSOTE, чтобы оценить температурную чувствительность изготовленных устройств. На рис. 2а, б представлено измеренное выходное напряжение как функция разницы температур в диапазоне от 0,1 до 100 К. Примечательно, что даже небольшой Δ T 0,1 К был четко обнаружен с помощью прибора В _therm > 3 мкВ. . Это означает, что точное температурное разрешение <0.1 К может быть достигнута при использовании типичного микровотметра (с внутренним сопротивлением 1 МОм) для измерения сигнала В, _therm (дополнительное примечание 1). В результате четко определенной линейной зависимости V _therm -Δ T было извлечено умеренное S _T 32,8 ± 2,7 мкВ / К, что согласуется со значением PEDOT, обработанного ЭГ. : Пленка PSS (31,1 ± 3,1 мкВ / К). Воспроизводимое и стабильное термоэлектрическое преобразование позволяет чувствительно определять температуру поверхности MFSOTE (дополнительные рисунки 5 и 6).

( a ) Выходное напряжение устройства MFSOTE в диапазоне смещенного температурного градиента 0-100 К. На вставке показан увеличенный ответный сигнал устройства MFSOTE на температурный градиент 0,1 К. ( b ) Измерено выходное напряжение как функция температурного градиента. ( c ) Текущий отклик устройства MFSOTE на различные давления при постоянном напряжении 0,1 В. На вставке показан усиленный сигнал отклика на давление 100 Па.( d ) Текущие реакции устройств MFSOTE на различные давления. Столбцы ошибок на графике ( b , d ) представляют стандартное отклонение. ( e ) Разрешенные во времени ответы устройства MFSOTE на стимулы температуры и давления. Розовая и серая зоны представляют время отклика и время релаксации соответственно. ( f ) Испытание на долговечность устройства MFSOTE под давлением 1 кПа.

Учитывая, что температура нижнего электрода ( T ₀ ) может нагреваться, когда верхний электрод находится в контакте с температурным сигналом ( T _S ) в течение длительного времени, мы нанесли медный термопара на нижнем электроде и измеренная T ₀ , когда горячие предметы с разной T _S находятся в контакте с устройством в течение разного времени (дополнительный рис.7). Для отдельно стоящего устройства MFSOTE температура нижнего электрода, очевидно, увеличивалась при увеличении T _S с 25 до 75 ° C. Другое явление наблюдалось при ношении устройства на теле человека. Когда горячий объект находится в контакте с устройством в течение короткого времени, не наблюдалось явного изменения T ₀ из-за постоянной температуры кожи человека. Когда горячий объект находился в контакте с устройством в течение длительного времени, T ₀ увеличивалось, когда T _S превышало 60 ° C.Следует отметить, что не наблюдалось явного изменения T ₀ , когда температура горячего электрода ниже 60 ° C. Этот результат демонстрирует, что точное измерение температуры может быть достигнуто при нормальной динамической работе с типичными условиями окружающей среды в реальном времени.

Мы также исследовали характеристики MFSOTE в зависимости от давления, чтобы оценить их способность реагировать на давление. Как показано на рис. 2c, d, устройства показали заметно увеличенный ток при увеличении давления в диапазоне от 0.От 1 до 20 кПа, даже при работе при низком рабочем напряжении 0,1 В. Чувствительность к давлению наших устройств определяется как S = (Δ I / I ₀ ) / Δ P , где Δ I — изменение тока под действием давления, I ₀ — начальный ток датчика без нагрузки давлением, а ΔP — изменение приложенного давления. Уникальная структура микроструктуры наших устройств MFSOTE позволяет достичь чувствительности 27.9 кПа ^-1 . Насколько нам известно, эта чувствительность является одним из наиболее заметных значений для гибкого резистивного датчика давления ^13,20 . Превосходные характеристики устройств MFSOTE по двойному параметру измерения температуры и давления позволяют удовлетворить требования к мониторингу для различных приложений.

Для устройства MFSOTE, состоящего из PEDOT: PSS и микроструктурированного PU, генерирование напряжения, вызванное градиентом температуры, определяется термоэлектрическими свойствами PEDOT: PSS, как упомянуто выше ( В _therm = S _T × Δ Т ).В случае PEDOT: PSS (5 об.% ЭГ) температура окружающей среды оказывает ограниченное влияние на коэффициент Зеебека в температурном режиме от 0 до 100 ° C, а смещенное давление явно не влияет на коэффициент Зеебека (дополнительный рисунок 4). . В результате может быть реализовано точное измерение температуры.

Изменение тока, вызванное давлением, определяется контактным сопротивлением электрода / MFOTE, контактным сопротивлением соседнего PU – PEDOT: поры PSS и изменения сопротивления возникают в результате уменьшения толщины сжатых устройств (дополнительные рисунки 8 и 9).Во всех этих изменениях сопротивления преобладает деформация, вызванная давлением с двумя режимами, что отражается в сопоставимых пьезорезистивных характеристиках устройства с механическими характеристиками материалов MFSOTE (дополнительные рисунки 8–10). Для нашего устройства MFSOTE на основе PU – PEDOT: PSS зависимость деформации от давления может быть выражена следующим образом (подробное обсуждение приведено в дополнительном примечании 2):

, где P — давление смещения, E — модуль упругости. , ɛ — деформация, K — параметр, связанный с модулем Юнга материала твердой стенки ячеек, n _f , на который влияет плотность, — показатель деформационного упрочнения пены, полученный путем подбора мощности –Правовая связь с контрольными точками кривой напряжение – деформация.Учитывая, что модуль упругости и плотность являются типичными параметрами, которые определяют взаимосвязь между напряжением и деформацией MFSOTE в двух разных режимах, в характеристиках измерения давления устройств MFSOTE преобладают механические и структурные свойства микроструктурных полиуретановых рам, а не PEDOT: PSS. Этот вывод может быть подтвержден характеристиками измерения давления устройств MFSOTE в зависимости от плотности пор ПУ (дополнительные рисунки 11 и 12). Большая плотность пор приводит к увеличению деформации при фиксированном давлении и приводит к улучшенным характеристикам измерения давления.Примечательно, что на чувствительность измерения давления в основном влияют изменения проводимости, вызванные температурой, во время процесса измерения. Однако в случае PEDOT: PSS (5 об.% EG) температура оказывает незначительное влияние на проводимость в большом температурном режиме от 0 до 100 ° C ³⁸ . Эти уникальные свойства делают PEDOT: PSS (5 об.% ЭГ) отличным кандидатом для использования в качестве отдельных датчиков с двумя параметрами температуры и давления.

Поскольку определение давления и температуры устройства MFSOTE определяется различными материалами с различными электрическими параметрами, мы можем сделать вывод, что характеристики измерения давления и температуры могут модулироваться независимо друг от друга с помощью несущих рам и термоэлектрических материалов.Путем нанесения типичных органических термоэлектрических материалов, таких как поли (3-гексилтиофен) (P3HT) и поли (2,5-бис (3-тетрадецилтиофен-2-ил) тиено [3,2-b] тиофен) (PBTTT), на пористый полиуретан. Опорные рамы, мы успешно сконструировали несколько устройств MFSOTE с замечательными характеристиками измерения температуры и давления (дополнительные рисунки 13 и 14). Был достигнут высокий коэффициент Зеебека до 179–200 мкВ K ^–1 , который упрощает чувствительное определение температуры. Хотя небольшое снижение чувствительности к давлению (17.5-20,0 кПа ^-1 ) наблюдалось из-за повреждения растворителем структуры полиуретановых рамок, эту проблему следует решить с помощью альтернативных растворителей. Чтобы подтвердить наш вывод, мы обработали каркас из полиуретана дихлорбензолом или перед нанесением покрытия PEDOT: PSS. Мы получили аналогичные изменения тока, вызванные давлением, с устройствами на основе PBTTT и P3HT (дополнительный рисунок 15). Кроме того, в качестве микроструктурированной опорной рамы можно использовать различные типы тканевых материалов, включая пористую повязку на основе полиуретана, переплетенную целлюлозу и кашемир с сетчатой ​​структурой, что позволяет создавать различные типы устройств MFSOTE для различных применений (дополнительный рис.16). Таким образом, предлагаемая нами стратегия включения материалов TE с поддерживающим микроструктуру каркасом может служить общим подходом к разработке датчиков температуры и давления с настраиваемой чувствительностью.

Время отклика и стабильность

Время отклика и стабильность являются важными параметрами для физических датчиков. Благодаря особенностям микроструктуры и термоэлектрическому механизму измерения, наш MFSOTE мгновенно реагировал на приложенный сигнал давления и температуры.Используя осциллограф для измерения изменения напряжения на резисторе 10 кОм при постоянном напряжении 2,2 В, MFSOTE показал мгновенный отклик на приложенное давление 1 кПа. Измеренные характеристики давления и время релаксации были <20 мс (рис. 2e, дополнительный рис. 17). В отличие от быстрого реагирования на давление, устройство показало умеренное время отклика на температуру <2 с при разнице температур 1 К (рис. 2e). Время отклика соответствует времени отклика устройства при термодиффузии (∼1.7 с), что указывает на то, что время отклика при измерении температуры ограничено температуропроводностью композитного материала (0,66 мм ² с ^-1 ). Кроме того, время отклика при измерении температуры, которое немного зависит от температуры и давления (дополнительные рисунки 18 и 19), согласуется с таковыми у многих коммерческих и ранее заявленных датчиков температуры ^39,40 . Стоит отметить, что и чувствительность, и время отклика наших изготовленных устройств могут соответствовать требованиям многих систем искусственного интеллекта.Что еще более важно, устройства MFSOTE демонстрируют превосходную стабильность, о чем свидетельствуют их незначительные зависящие от температуры окружающей среды коэффициент Зеебека и сопротивление в температурном режиме 0–100 ° C (дополнительный рис. 4c), их устойчивый токовый отклик на давление нагрузки 1 кПа, и их устойчивые термоэлектрические характеристики после 10 ⁴ циклов в испытании на нагрузку-разгрузку (рис. 2f и дополнительный рис. 20).

Работа устройств MFSOTE с автономным питанием

Конструкция устройств со сверхнизким энергопотреблением или сенсорных устройств с автономным питанием представляет собой значительный шаг вперед в разработке устойчивых гибких датчиков.Для устройства MFSOTE измерение температуры поверхности может выполняться без дополнительного источника питания из-за внутреннего термоэлектрического механизма измерения температуры. Хотя термоэлектрические материалы PEDOT: PSS, нанесенные на поверхность несущей микроструктуры каркаса, можно использовать в основном в качестве самоинтегрированного источника питания для обнаружения смещенного давления, выходное напряжение обычно ниже 1 мВ в естественной среде. Примечательно, что мы заметили, что характеристика давления MFSOTE не зависит от напряжения смещения в широком диапазоне, от 30 мкВ до 1.5 В (дополнительный рисунок 21). Таким образом, устройство MFSOTE может работать как устройство с автономным питанием (без учета измерительных цепей) при наличии небольшого температурного градиента. Как показано на рис. 3a, b, сравнимые отклики тока на фиксированное давление наблюдались, когда градиент температуры поддерживался на уровне 1-30 K (с термоэлектрическим напряжением> 30 мкВ). В частности, высокая чувствительность измерения давления с автономным питанием, составляющая 4,3 и 28,9 кПа ^-1 , была реализована независимо от температурного градиента в режимах низкого (<3 кПа) и высокого (> 3 кПа) давления соответственно (рис.3b, дополнительный рис. 22). Эти значения сопоставимы с показателями устройства, работающего от дополнительного источника питания. Поскольку в естественной среде можно легко создать температурный градиент в 1 К или более, наши устройства могут иметь автономное питание для практических приложений.

( a ) Текущий отклик датчика MFSOTE с автономным питанием на давление 1 кПа, измеренное при различных перепадах температур (0, 1, 5 и 10 K).( b ) Реакция давления на изменения тока, вызванные различными температурными градиентами. Планки погрешностей представляют собой стандартное отклонение. ( c , d ) Графики, показывающие реакцию датчика MFSOTE по току и выходному напряжению на циклы нагрузки-разгрузки ( c ) при постоянном давлении 5 кПа и прикосновении пальца ( d ). Температура измерения на верхней поверхности рассчитывается по формуле T _S = V _therm / S _T + T ₀ , где T ₀ — температура окружающей среды ( 25.0 ° С).

Чтобы оценить возможности автономного питания и одновременного восприятия сконструированных устройств, мы отслеживали изменение тока и реакцию выходного напряжения устройства MFSOTE на циклы нагрузки-разгрузки температура-давление (рис. 3c, d). Устройство MFSOTE продемонстрировало повторяемое изменение тока и реакцию V _therm на комбинированный сигнал при фиксированном давлении 5 кПа и температуре 20,7 ° C. Устройство распознало небольшую разницу в давлении между серией мягких прикосновений пальцами (от 1 до 5 кПа) на одном MFSOTE, тогда как контролируемая температура (32.7 ° C) не изменилась из-за постоянной температуры пальца. Функции автономного питания и двойного измерения параметров устройств MFSOTE предполагают, что устройства потенциально могут использоваться для долгосрочного мониторинга (дополнительный фильм 1). В качестве демонстрации мы сконструировали устройство MFSOTE на полиуретановой повязке для автономного мониторинга пульса на запястье (дополнительный рис. 23). На дополнительном рисунке 23c представлен мониторинг волн давления в режиме реального времени при нормальных условиях и после физических упражнений. Типичная форма импульсного давления была получена с различимыми пиками ⁴¹ .Частота пульса на артериях в спокойном состоянии составляет 75 ударов в минуту, а при нагрузке пульс сокращается быстрее с частотой ~ 105 ударов в минуту.

Учитывая тепловую диффузию в воздухе, бесконтактное измерение и мониторинг температуры окружающей среды должны достигаться, когда поддерживается базовая температура MFSOTE. На рисунке 4 представлен результат контрольного теста в реальном времени устройства MFSOTE с автономным питанием, когда нагретый элемент приближается к нашему сенсорному устройству. В отличие от незначительных изменений как температуры, так и давления, когда нагревательное устройство находилось на расстоянии> 5 мм от устройства MFSOTE, очевидное повышение температуры было обнаружено после того, как расстояние уменьшилось до <2 мм (рис.4а – г, и). Когда произошел механический контакт, температура поверхности поддерживалась на высоком уровне (26,8 ° C), а контролируемое давление постоянно увеличивалось со 100 Па до 5 кПа при движении шагового двигателя (рис. 4e – i). Результаты были подтверждены бесконтактным измерением теплового сигнала приближающегося пальца и температуры наружного воздуха с помощью носимого устройства MFSOTE (дополнительный рис. 23d – f). Это свойство обеспечивает бесконтактное отображение тепловых стимулов (дополнительный рис. 24) и / или интеллектуальную работу новых интеллектуальных устройств.

( a , c , e , g ) Принципиальная схема и ( b , d , f , h ) инфракрасные тепловые изображения устройства MFSOTE, к которому обратился Пельтье элемент (27 ° C). Распределение температуры регистрировалось одновременно с помощью FLIR A300. Стрелка указывает направление движения элемента Пельтье. ( i ) Графики выходного напряжения и тока в реальном времени устройства MFSOTE, к которому приблизился элемент Пельтье (27 ° C).

Самоинтегрированные свойства сенсорной матрицы по выработке энергии

В качестве внутреннего термоэлектрического устройства наши изготовленные устройства MFSOTE также могут использоваться в качестве генераторов электроэнергии. Интересно, что устройства можно заставить переключаться с модели выработки энергии на модель восприятия стимулов путем введения переключателя, индуцируемого давлением, между двумя MFSOTE в массиве устройств (подробное описание приведено в разделе «Методы» и на дополнительных рисунках 25 и 26). На рис. 5а, б представлены фотография и принципиальная схема, соответственно, массива MFSOTE с устройствами 4 × 4 пикселей.Когда к массиву устройств применялся температурный градиент, устройства работали в режиме выработки энергии, поскольку устройства MFSOTE были подключены последовательно для создания накопленного выходного напряжения (рис. 5c). После того, как на устройство нагружено давление ≥1 кПа, переключатель может отсоединить устройство MFSOTE от других устройств, чтобы обеспечить автономный мониторинг давления и температуры (рис. 5d). В качестве примера мы наблюдали высокое напряжение 10,1 мВ, когда умеренный перепад температур 18 K был нагружен на построенный массив устройств (рис.5д). Легкое прикосновение пальца к одному устройству вызвало воспроизводимый переход от модели выработки энергии к модели измерения, о чем свидетельствуют мгновенно обнаруженные показания температуры и давления 32,5 ° C и 1-6 кПа, соответственно, в течение пяти циклов касания. Более того, должно быть достигнуто эффективное отображение воспринимающих стимулов, поскольку отдельный сигнал может быть записан, даже если более одного пикселя загружается одновременно в массив устройств (дополнительные рисунки 27 и 28). Сочетание способности наших устройств MFSOTE генерировать электроэнергию и их превосходных чувствительных характеристик делает эти устройства применимыми в качестве элементов, собирающих и воспринимающих энергию.

Графики ( a , b ) показывают фотографию и принципиальную схему, соответственно, массива MFSOTE с 4 × 4 пикселями. На графиках ( c , d ) показаны схематические изображения интегрированного массива: ( c ) Все устройства, соединенные последовательно, могут использоваться в качестве генератора электроэнергии для сбора энергии. ( d ) Устройство переключается на модель двухпараметрического датчика с автономным питанием при воздействии внешнего давления.На вставках к графику ( c , d ) показаны увеличенные изображения схемы соединения между двумя пикселями в условиях разгрузки и нагрузки, соответственно. ( e ) Реакции термоэлектрического напряжения (вверху), температуры (в центре) и давления (внизу) массива MFSOTE на пять циклов касания пальцами. Нижняя поверхность массива MFSOTE нагревается элементом Пельтье.

Гибкая сенсорная матрица для приложения искусственного интеллекта

Для удовлетворения критических требований носимых интеллектуальных систем и приложений здравоохранения требуется создание сенсорной матрицы MFSOTE с выдающейся гибкостью для производства сенсорных устройств с пространственным разрешением.Особо следует отметить, что очень желателен простой метод интеграции, обеспечивающий низкую стоимость и широкую применимость. Поэтому мы построили гибкий массив MFSOTE 12 × 12 пикселей с размерами 4,6 × 4,6 см ² на полупрозрачной тканевой перчатке (толщиной 500 мкм), используя простой метод печати штампом (рис. 6a, b). Все устройства показали сопоставимые характеристики чувствительности для связанного сигнала температуры и давления. Благодаря своей равномерной чувствительности и превосходной гибкости, массив MFSOTE можно носить на протезе для получения изображений с пространственным разрешением и тонкими функциями визуализации как для температуры, так и для давления.На рис. 6а представлена ​​фотография рукопожатия с протезом руки взрослой женщины. Контактная информация была собрана путем мониторинга температуры и давления на реконструированной карте, как показано на рис. 6b. Изменения температуры и смещенного давления хорошо соответствовали цвету пикселей на отдельной карте распределения (рис. 6). Стоит отметить, что устройство может хорошо работать при высокой температуре 130 ° C (дополнительный рис. 29), что дает возможность их многообещающего применения в робототехнике и интеллектуальных носимых элементах даже для защиты руки, чтобы взять горячий предмет.

( a ) Фотография протеза руки по армрестлингу взрослой женщины. График ( b ) отображает профили отображения температуры и давления сигналов пикселей на тыльной стороне протеза руки. График ( c ) показывает прикосновение электронного пальца к кубику льда. На вставке показано изображение, полученное с помощью оптического микроскопа, матрицы MFSOTE, отпечатанной на струйном принтере. Шкала шкалы 1 мм. ( d ) Сфотографируйте карты температуры и давления сенсорной матрицы.

Кончик пальца, являясь одним из наиболее чувствительных участков кожи человека, может распознавать стимулы температуры и давления с особенно высоким пространственным разрешением. Это делает создание искусственного кончика пальца более сложной задачей, чем создание обычной электронной кожи. Поэтому создание высокоинтегрированного массива MFSOTE имеет жизненно важное значение для удовлетворения требований так называемого электронного пальца. Используя технику струйной печати, мы изготовили массив MFSOTE площадью 2 × 3 см ² (0.25 мм ² на каждый пиксель) с 1350 пикселями на тканевой рамке. На рисунке 6c показаны фотографии матрицы MFSOTE, отпечатанной на струйном принтере, на кончике пальца. Когда кончик пальца касается крошечного кубика льда с площадью контакта 1,4 × 1,4 мм ² (4 пикселя), информация о давлении (2–3 кПа) и температуре (0–5 ° C) с пространственным разрешением была собрана на реконструированной карте.