小型高精度恒温箱设计

Ｉ－）》一鳗　廑　……………一……………　小型高精度Ｉ厘温箱设计　中国工程物理研究院应用电子学研究所余丽霞马社崔云俊　【摘要】本文介绍了一种用于给倾角传感器提供恒温环境的小型高精度恒温箱的设计与实现，包括结构设计和温控算法。实验结果证明了不仅其控温精度高，且与同类　产品比其体积小，安装调试方便。　【关键词】恒温箱　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉ　ｐａｐｅｒ　ａ　ｍｉｎｉａｔｕｒｅ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｔｈｅｒｍｏｓｔａｔｉｃ　ｔｒｕｎｋ　ｆｏｒ　ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ　ａｎ　ｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｉｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｒｉｈｍｅｔｔｉｃ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ　ｎ　ｉｄｅｔａｉｌ．ｈｅ　Ｔｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｈｉｇｈｅ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｍｏｒｅ　ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｕｓｅ　ｔｈａｎ　ｏｔｈｅｒ　ｓａｌＴｌｅ　ｔｙｐｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｓ．ｆ　ｋｅｙ　ｗｏｒｄ：ｔｈｅｒｍｏｓｔａｔｅｄ　ｃｏｎｔａｉｎｅｒ　１．概述　高精度恒温箱用于高精度倾角传感　而另外一臂上，两个三极管Ｏ３￣ｌＪＯ４都没　有导通，此时下面的Ｎ沟道ＭＯＳ管Ｑ８导　施密斯（Ｓｍｔｉｈ）预估补偿控制的思路就　是引入合适的反馈补偿环节，使系统闭　器的环境温度控制，由于倾角传感器要　通，于是在半导体制冷片两端形成１２Ｖ　求精度高，要求恒温箱的控制精度达到　电压差，制冷片开始加热（或制冷）。　±０．１℃。因此，需要对高精度恒温箱进　同理，当ＰＴＣ１为低电平，ＰＴＣ２为高电平　行精确设计才能达到设计要求。　时，此时半导体制冷片电压翻转，原来　２．技术要求　加热（或制冷）的一面开始制冷（或加　工作环境温度一２０＂Ｃ～＋６０℃；　热）。　控制精度±０．１℃；　２）温控算法　从开始工作到温度稳定所需时间小　高精度恒温箱的温控过程是典型的　于０．５ｄ，时。　含滞后的惯性控制对象，可以采用传递　３．技术实现　函数　ｉｅ　（其中Ｔ为惯性时间常数，　为滞　３．１温度控制电路设计　后时间常数）来描述。惯性为恒温箱存　１）控制电路设计　储能量的能力的体现，滞后是指恒温箱　本系统采用直流的半导体电热制冷　的外温度扰动和温控装置的温度变化需　片作为核，ｂ３ｏ￣热制冷元件。半导体电热　要经过一段时间的延迟才会对倾角传感　制冷片是利用物理现象中的帕尔贴效　器产生影响。　应，靠电子一空穴在运动中直接传递能　被控对象的数学模型为　，其中Ｔ　量来实现的。当直流电通过两种不同半　和ｆ需要在腔体设计完成的基础上，采用　导体材料串联成的电偶时，在电偶的两　ＡＮＳＹＳ软件进行分析得到。　端即可分别吸收热量和放出热量，所以　温控算法主要采用数字ＰＩＤ算法，其结构　将半导体制冷片的一面贴合在要加热或　如图２所示。　制冷的液体一侧，通过控制半导体制冷　由于介质温度的变化实质上是能量　片的电压方向就可以达到加热或制冷的　传递的结果，其温度参数不可能发生很　目的。半导体制冷技术的优点是结构简　快的变化。所以一般情况下，温度对象　单、体积小；无振动、噪声小、寿命　都是含有纯滞后环节的。对于此类的系　长、维修方便；启动快、控制灵活。　统，采用普通ＰＩＤ控制器很难达到所希望　在系统中引入Ｈ桥驱动电路对半导　的控制效果。只有采用特殊的控制算法　体电热制冷片进行控制。如图１所示，　才能达到预期的动态响应。　当控制信号ＰＴＣ１为高电平，ＰＴＣ２为低电　过程的纯滞后对控制系统品质的影　平时，左侧臂两个８５５０＿－极管Ｑ１和Ｑ２导　响不是取决于　的绝对值的大小，而是　通，由于上、下两个ＭＯＳ管分别为Ｐ沟道　与过程惯性时间常数Ｔ之比（ｒ／　）的大小　和Ｎ沟道ＭＯＳ管，所以任何时刻只能有１个　有关。通常当ｆ／７’＞０．５时，就可以当做是　导通，而此时上面的Ｐ管，即Ｑ５导通；　大纯滞后过程来加以控制了。　图１　Ｈ桥驱动电路　１０２一屯子世界／２０１２．０４／　环传递函数的分母项中不含有纯滞后环　节，如图３所示。　由图３可得引入补偿环节后的传递函　数为：　Ｇ（ｓ）＝　：　！ｌ二　Ｒ（ｓ）１＋　（　）　（　）＋　（　）Ｇｏ（　）ｅ　为使分母中没有ｅ…出现，即要求：　１＋　（　）Ｇ０（　）＝０　由此得：　１＋　（　）Ｇ口（　）＝１＋　（　）　（　）＋　（　）Ｇｏ（．Ｏｅ一”　即：　（　）＝（１一ｅ－．ｒｓ）Ｇｏ（　）ｅ…　即为Ｓｍｉｔｈ预估补偿控制，如图４所　不。　由于这一算法要求知道Ｇ０（　）的确切　参数，实际上只能得到近似参数，因此　在实际使用过程中采用了多个温度传感　器进行温度测量来进行辅助控制。　在实际研制过程中把恒温箱的控制　温度设定成根据环境温度可调节的，这　样根据环境温度适当的选择恒温箱内部　’　Ｋｉ／（１一Ｚ　Ｋａ（１－ｚ　）　图２数字ＰＩＤ算法结构　图３引入补偿环节的控制框图　控枷嚣　对荤　图４　Ｓｍｉｔｈ预估补偿控制　…………………………．鳗　廑　－（（＿－　表１环境温度与恒温箱温度对比标定（单位。ｃ）　环境温度（计测中心环　恒温箱设定　境温度试验箱）　温度　恒温箱显示温度（３０分钟以内）　２Ｏ．Ｏ３　２０．Ｏ９　ｌ９．１２　１９．９９　ｌ９．９６　１０．０９　２０　２Ｏ．０２　２０．０６　３０．Ｏ２　２０．５７　３０　３Ｏ．０２　２９．９９　２９．９３　２９．９６　３Ｏ．０６　３０．Ｏ５　３９．９６　３９．９９　４０．Ｏ０　３Ｏ．８６　４０　４Ｏ．Ｏ３　３９．９６　５９．８７　４０．０６　４０．０９　５９．９Ｏ　５９．８４　５９．８４　５９．９Ｏ　４０．７７　６０　５９．９３　５９．８７　６０．ＯＯ　５９．９９　５９．９６　６Ｏ．Ｏ３　５９．９９　５０．７１　６０　６Ｏ．０６　６Ｏ．Ｏ３　一－　控　制　倾角传感矗　器信号　…　箱　腔体　航空头Ｂ用于半导体电热制冷片的内外连　接。　３．３材料选型　恒温箱体积要求小，可以减少起始　加热功率、减小温度波动。由于受隔热　层厚度和倾角传感器体积的限制，需要　减小电路板尺寸，缩小加热部分的体积　等方面综合考虑。　在元器件的选择上，在满足性能指　标的前提下，尽量选用了体积小的电子　化元件。半导体加热制冷器件选用的是　ＴＥＣ１—１２７０９Ｔ１２７，温度传感器选用的是　ＡＤＴ７３１０，单片机选用的是ｍｅｇａ１２８。　恒温箱箱体采用导热系数为０．０２５Ｗ／　（ｍ２·Ｋ）、厚度为ｌ０ｍｍ的硬质聚氨酯泡　沫塑料。硬质聚氨酯泡沫的泡孔以闭孔　为主，具有极低的导热系数、较低的密　度、一定的强度和硬度，电学性能、隔　声抗震效果优良。　考虑到倾角传感器的工作环境，其　安装面必须是刚度很大的材料。所以经　过调研选择了刚度大且导热系数低的　１５ｍｍ厚环氧板作为恒温箱内部倾角传感　器的底板安装材料。　４．试验　．　～一　根据技术要求研制的高精度恒温箱　如图７所示，箱体体积为：２０５ｍｍ×２０５　ｍｍ×１３０ｒａｍ。　　～把恒温箱放于计量中心标准温湿度　检定箱中，得到的数据如表１所示。从　表中可以看出，恒温箱精度满足使用要　求。　图５高精度恒温箱结构图　一一‘………………‘　……………　●　参考文献　【ｌ】耿德根，宋建国，马潮等．ＡＶＲ高速嵌入式单片机原理　与应用口　．北京航空航天出版社，２００２．　［２］杭州澳凌制冷设备有限公司．ＴＥＣ１．１２７Ｏ９Ｔ１２７加热　制冷片技术文件ｉｓ］，２００７．　ｆ３］李俊涛．基于Ｈ桥驱动电路的半导体制冷片恒温控制　系统Ｕ］北华大学学报，２０１０，１１卷５期．　！　……………………　………一　图７高精度恒温箱　●　隔热屡　＝　一一一＝一一一　一　：　图６高精度恒温箱腔体　的控制温度，大大提高了恒温箱的控制　精度和可靠度。　３．２结构设计　只有性能良好、结构设计合理的恒　温箱与控制电路紧密配合，才能获得高　的温度稳定度，从而保证频率稳定度。　对恒温箱的结构主要要求是：密封性能　好；保温层导热系数小，以保证保温性　能好；根据倾角传感器的使用要求，选　择刚度大、保温性能好的材料。　１）高精度恒温箱结构设计　高精度恒温箱由腔体和控制箱两部　分组成，其结构如图５所示，腔体内包含　倾角传感器和恒温控制所需的传感器和　执行器，控制箱内包括温度探测信号放　大电路、控制器及其外围电路、电源电　路、控制信号输出放大电路、信号显示　电路等；且在控制箱内完成恒温控制算　法。倾角传感器信号和温度传感器信号　均为模拟信号，为避免干扰分别从不同　航空头进行导线的连接。　２）腔体结构设计　腔体组成及内部结构如图６所示。　恒温箱腔体主要由２个倾角传感器、　５个温度传感器、半导体电热制冷片、高　强度隔热层、航空头等几部分组成。温　度传感器均布于腔体内用于壳体内温度　检测，半导体电热制冷片用于加热或制　冷，高强度隔热壳一方面用于安装及支　撑，另一方面起隔热作用，航空头Ａ用于　倾角传感器和温度传感器的内外连接，　／２０１２　０４屯早世界一１０３一