案例 | 测量电热效应， 红外热像仪较热电偶更胜一筹

应用案例

研究电热效应

用于电子设备等的制冷系统

当今的制冷设备使用可转化成气体的冷却剂。尽管这种类型的冷却剂是有效制冷过程的基础，但可能会对环境造成危害。那么，如果我们可以使用固体材料而不是液体材料作为经济、环保的方式来对食品、饮料、药物甚至电子设备进行制冷呢？这正是卢森堡科学技术研究所（LIST）正在研究的课题。该研究所的研究人员利用FLIR红外热像仪深入研究这一课题。

LIST的研究人员测量电热效应，并希望更好地了解其制冷应用的可用性。

卢森堡科学技术研究所（LIST）是一家研究和技术机构，位于Esch-Belval镇的卢森堡新研究与创新园区的中心位置。园区汇集了大学、研究中心、联合实验室、初创企业以及孵化器的强大创新潜力。

LIST的其中一个部门为材料研究与技术（MRT）小组。该部门正在研究如何将纳米技术/纳米材料转变为应用驱动解决方案的方法。其中一个研究主题是如何将表现电热效应的固体材料用于电子设备等的制冷系统。

研究电热效应

电热效应是可极化物质随着施加或去除电场而经历可逆温度变化的现象。

薄膜中的电热效应有可能用于高功率电子设备的高效制冷设备和制冷系统。对电热材料施加电场会提高其温度，减少电场则会降低温度。

薄膜中的电热效应有可能用于高功率电子设备的高效制冷设备和制冷系统。

“在博士研究人员的纳米材料和纳米技术部门，我们一直在建造电热制冷设备的原型，以便将其与传统制冷设备进行比较，”LIST研究员Romain Faye说。“这项技术的优势在于电热制冷设备具有更高的能效，并使我们能够避免使用潜在的有害液体。”

具体来说，传感器用铁性材料组的研究人员正在使用多层电容器来测试制冷设备的冷却速率。多层电容器由数十层至数百层约10至40微米的陶瓷层组成，10到40微米的陶瓷层被几微米的金属电极隔开，金属电极交替连接至2个外部端子。

通过增加电场频率从而产生电热效应，轻松实现制冷设备的冷却速率提升。在这个过程中重要的是在去除电场之前将产生的热量与环境进行交换的能力。这样，就可达到比环境温度更低的温度。

“我们想尽快进行热交换，”Romain Faye说。“我们试图确定这种热交换过程如何受到材料本身的限制，例如在导热性方面或材料的形状方面。如果热交换足够快，我们可以每秒多次开关电场。”

高效、直接测量

通过测量电热效应，LIST研究人员希望能够更好地了解这种现象在制冷应用中的可用性。

“过去，研究人员主要使用间接测量，这种方法通过对极化进行测量，并将极化测量值作为温度和电压的函数推导得出电热效应，而不是实际的温度测量结果，”Romain Faye说。“然而，间接测量并不总是能够得出正确的解释。因此，我们的团队一直在寻找更有效的直接温度测量方法。”

直接测量温度变化最常用的方法是使用热电偶和红外热像仪。热电偶是测量与温度变化相关的电压变化的电子设备，而红外热像仪则测量与温度变化相关的红外辐射变化。

“热电偶对于我们来说未证明其实用性，”Romain Faye说。“我们在极小表面上研究由电流引起的非常快速的温度变化。热电偶不能提供进行这类测量所需的精度。另一方面，热成像技术使我们能够以可视化的方式显示材料和环境之间的快速热交换。”

LIST研究人员在极小表面上研究由电流引起的非常快速的温度变化。

热效应热成像

体积小巧的高频红外热像仪，如FLIR X6580sc，可在时间和空间上提供准确而灵敏的热效应和材料热行为成像。LIST一直使用FLIR X6580sc红外热像仪（结合使用一款能获得3倍放大倍率的镜头）研究氧化物材料的热行为。测得的热变化（作为所施加电场的函数）具有从20mK到4K的热灵敏度。

“我们需要一台能够以极高频率测量极小温差的红外热像仪，”Romain Faye说，“FLIR X6580sc做到了这一点，我们对这款热像仪的性能印象深刻。”

FLIR X6580sc准确拍摄了材料在时间和空间上的热效应和热行为图像。

FLIR X6580SC

FLIR X6580sc是一款适用于研究人员和科学家的高端红外热像仪，可提供640×512像素的热图像并能够记录高达355Hz的快速动态场景。红外热像仪还提供出色的热对比度（NETD=20 mK）。

LIST研究人员已将FLIR X6580sc红外热像仪与FLIR的ResearchIR软件结合使用，进行热测量、记录及实时分析。这款软件使研究人员能记录电场引起的温度变化，并在图像上更好地区分哪些是由于电场引起的，哪些是由图像噪音引起的。这就使他们能够以更丰富的细节展示热图像。

“来自FLIR团队的支持令人惊叹，”Romain Faye说。“他们帮助我们实现了高效的热像仪设置，并调整热像仪设置以获得最佳效果。对我们来说幸运的是，由于我们使用FLIR热像仪获得了令人满意的结果，我们将在几个月内启动一项新的后续研究项目。”

产生这些结果的研究工作通过项目COFERMAT FNR/P12/4853155获得卢森堡国家研究基金（FNR）拨款资助。