輻射計(jì)恒溫控制系統(tǒng)研究.pdf

1、輻射計(jì)是對(duì)溫度很敏感的測(cè)量系統(tǒng)，其工作溫度的穩(wěn)定度直接影響著它工作的穩(wěn)定度和測(cè)量的準(zhǔn)確度。為了有效改善輻射計(jì)的溫漂問(wèn)題，保證輻射計(jì)工作溫度的穩(wěn)定性，需要小型化高穩(wěn)定度的恒溫控制系統(tǒng)。因此，本文對(duì)輻射計(jì)恒溫控制系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，已實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定度的溫度控制系統(tǒng)。研究?jī)?nèi)容主要包括測(cè)溫電路、反饋控制環(huán)路、半導(dǎo)體制冷片(thermoelectric cooler，TEC)驅(qū)動(dòng)電路以及箱體結(jié)構(gòu)等。與傳統(tǒng)的恒溫控制系統(tǒng)相比，本文研制的恒溫控制系統(tǒng)具有體

2、積更小、成本更低的優(yōu)勢(shì)。本文的主要研究工作包括以下幾個(gè)方面：
　　測(cè)溫電路是輻射計(jì)恒溫控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，精度高、線(xiàn)性度好的測(cè)溫電路對(duì)保持系統(tǒng)的恒溫控制來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。測(cè)溫電路的關(guān)鍵之處就在于溫度傳感器和測(cè)溫方式的選擇?；跍y(cè)溫精度方面的考慮，本文選用鉑電阻作為溫度傳感器。為了減小誤差，采用恒流源式四線(xiàn)制的方式進(jìn)行溫度測(cè)量。最終，利用MATLAB進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)擬合，得到恒流源的精度為1.5％。
　　控制電路采用閉環(huán)控制的方式。測(cè)溫電

3、路的輸出作為反饋信號(hào)，通過(guò)控制電路與給定的參考電壓作對(duì)比，最后將該差值作為半導(dǎo)體制冷片驅(qū)動(dòng)電路的控制量，實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體制冷片的定量控制。本文采用H橋作為半導(dǎo)體制冷片的驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)H橋來(lái)改變半導(dǎo)體制冷片的電流方向以及大小，從而相應(yīng)地改變加熱/制冷模式以及加熱/制冷量。此外，本文還設(shè)計(jì)了脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)波發(fā)生電路來(lái)控制H橋。設(shè)計(jì)的PWM波發(fā)生電路可以產(chǎn)生頻率可調(diào)、占空比從0-100%可調(diào)的PW

4、M波，能很好地滿(mǎn)足H橋驅(qū)動(dòng)芯片的需求。最終在PWM波占空比小于50%時(shí)，半導(dǎo)體制冷片加熱；占空比大于50%時(shí)，半導(dǎo)體制冷片制冷。
　　本文選用絕熱性能良好的聚氨酯泡沫作為箱體材料。此外，為了保證半導(dǎo)體制冷片熱端的散熱效果，本文采用空氣強(qiáng)迫對(duì)流的方式散熱。實(shí)際測(cè)試結(jié)果：放大倍數(shù)設(shè)置為15的時(shí)候，升溫過(guò)程的溫控精度為0.4℃，溫度穩(wěn)定度為0.2℃；降溫過(guò)程的溫控精度為0.6℃，溫度穩(wěn)定度為0.3℃。將輻射計(jì)和恒溫控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合測(cè)試，

5、最后結(jié)果表明：本文設(shè)計(jì)的恒溫控制系統(tǒng)將輻射計(jì)開(kāi)機(jī)的亮溫變化56.9K減小到了12.9K；當(dāng)輻射計(jì)工作穩(wěn)定時(shí)，其輸出電壓的波動(dòng)范圍僅為10mV，換算成等效亮溫變化為1.7K。大大改善了輻射計(jì)的溫漂問(wèn)題，提高了輻射計(jì)工作的穩(wěn)定性。
　　最后，為了驗(yàn)證以及改進(jìn)模擬控制電路，本文基于半導(dǎo)體制冷片的驅(qū)動(dòng)電路，還設(shè)計(jì)了數(shù)字式的PID控制器。最終，升溫過(guò)程的溫度穩(wěn)定度為0.25℃，溫度穩(wěn)定的精度為0.2℃；降溫過(guò)程的溫度穩(wěn)定度為0.24℃，溫度