中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所 余麗霞 馬 社 崔 云俊

1.概述

高精度恒溫箱用于高精度傾角傳感器的環(huán)境溫度控制，由于傾角傳感器要求精度高，要求恒溫箱的控制精度達到±0.1℃。因此，需要對高精度恒溫箱進行精確設(shè)計才能達到設(shè)計要求。

2.技術(shù)要求

工作環(huán)境溫度-20℃～+60℃；

控制精度±0.1℃；

從開始工作到溫度穩(wěn)定所需時間小于0.5小時。

3.技術(shù)實現(xiàn)

3.1 溫度控制電路設(shè)計

1)控制電路設(shè)計

本系統(tǒng)采用直流的半導(dǎo)體電熱制冷片作為核心加熱制冷元件。半導(dǎo)體電熱制冷片是利用物理現(xiàn)象中的帕爾貼效應(yīng)，靠電子-空穴在運動中直接傳遞能量來實現(xiàn)的。當(dāng)直流電通過兩種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶時，在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量，所以將半導(dǎo)體制冷片的一面貼合在要加熱或制冷的液體一側(cè)，通過控制半導(dǎo)體制冷片的電壓方向就可以達到加熱或制冷的目的。半導(dǎo)體制冷技術(shù)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、體積??；無振動、噪聲小、壽命長、維修方便；啟動快、控制靈活。

在系統(tǒng)中引入H橋驅(qū)動電路對半導(dǎo)體電熱制冷片進行控制。如圖1所示，當(dāng)控制信號PTC1為高電平，PTC2為低電平時，左側(cè)臂兩個8550三極管Q1和Q2導(dǎo)通，由于上、下兩個MOS管分別為P溝道和N溝道MOS管，所以任何時刻只能有1個導(dǎo)通，而此時上面的P管，即Q5導(dǎo)通；而另外一臂上，兩個三極管Q3和Q4都沒有導(dǎo)通，此時下面的N溝道MOS管Q8導(dǎo)通，于是在半導(dǎo)體制冷片兩端形成12V電壓差，制冷片開始加熱（或制冷）。同理，當(dāng)PTC1為低電平，PTC2為高電平時，此時半導(dǎo)體制冷片電壓翻轉(zhuǎn)，原來加熱（或制冷）的一面開始制冷（或加熱）。

2)溫控算法

高精度恒溫箱的溫控過程是典型的含滯后的慣性控制對象，可以采用傳遞函數(shù)其中T為慣性時間常數(shù)，τ為滯后時間常數(shù)）來描述。慣性為恒溫箱存儲能量的能力的體現(xiàn)，滯后是指恒溫箱的外溫度擾動和溫控裝置的溫度變化需要經(jīng)過一段時間的延遲才會對傾角傳感器產(chǎn)生影響。

由于介質(zhì)溫度的變化實質(zhì)上是能量傳遞的結(jié)果，其溫度參數(shù)不可能發(fā)生很快的變化。所以一般情況下，溫度對象都是含有純滯后環(huán)節(jié)的。對于此類的系統(tǒng)，采用普通PID控制器很難達到所希望的控制效果。只有采用特殊的控制算法才能達到預(yù)期的動態(tài)響應(yīng)。

過程的純滯后對控制系統(tǒng)品質(zhì)的影響不是取決于τ的絕對值的大小，而是與過程慣性時間常數(shù)T之比(/Tτ)的大小有關(guān)。通常當(dāng)/Tτ＞0.5時，就可以當(dāng)做是大純滯后過程來加以控制了。

圖1 H橋驅(qū)動電路

施密斯（Smtih)預(yù)估補償控制的思路就是引入合適的反饋補償環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的分母項中不含有純滯后環(huán)節(jié)，如圖3所示。

由圖3可得引入補償環(huán)節(jié)后的傳遞函數(shù)為：

即為Smith預(yù)估補償控制，如圖4所示。

由于這一算法要求知道0()G s的確切參數(shù)，實際上只能得到近似參數(shù)，因此在實際使用過程中采用了多個溫度傳感器進行溫度測量來進行輔助控制。

圖2 數(shù)字PID算法結(jié)構(gòu)

圖3 引入補償環(huán)節(jié)的控制框圖

圖4 Smith預(yù)估補償控制

在實際研制過程中把恒溫箱的控制溫度設(shè)定成根據(jù)環(huán)境溫度可調(diào)節(jié)的，這樣根據(jù)環(huán)境溫度適當(dāng)?shù)倪x擇恒溫箱內(nèi)部的控制溫度，大大提高了恒溫箱的控制精度和可靠度。

表1 環(huán)境溫度與恒溫箱溫度對比標定（單位°C）

圖5 高精度恒溫箱結(jié)構(gòu)圖

圖6 高精度恒溫箱腔體

圖7 高精度恒溫箱

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

只有性能良好、結(jié)構(gòu)設(shè)計合理的恒溫箱與控制電路緊密配合，才能獲得高的溫度穩(wěn)定度，從而保證頻率穩(wěn)定度。對恒溫箱的結(jié)構(gòu)主要要求是：密封性能好；保溫層導(dǎo)熱系數(shù)小，以保證保溫性能好；根據(jù)傾角傳感器的使用要求，選擇剛度大、保溫性能好的材料。

1）高精度恒溫箱結(jié)構(gòu)設(shè)計

高精度恒溫箱由腔體和控制箱兩部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，腔體內(nèi)包含傾角傳感器和恒溫控制所需的傳感器和執(zhí)行器，控制箱內(nèi)包括溫度探測信號放大電路、控制器及其外圍電路、電源電路、控制信號輸出放大電路、信號顯示電路等；且在控制箱內(nèi)完成恒溫控制算法。傾角傳感器信號和溫度傳感器信號均為模擬信號，為避免干擾分別從不同航空頭進行導(dǎo)線的連接。

2）腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計

腔體組成及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。

恒溫箱腔體主要由2個傾角傳感器、5個溫度傳感器、半導(dǎo)體電熱制冷片、高強度隔熱層、航空頭等幾部分組成。溫度傳感器均布于腔體內(nèi)用于殼體內(nèi)溫度檢測，半導(dǎo)體電熱制冷片用于加熱或制冷，高強度隔熱殼一方面用于安裝及支撐，另一方面起隔熱作用，航空頭A用于傾角傳感器和溫度傳感器的內(nèi)外連接，航空頭B用于半導(dǎo)體電熱制冷片的內(nèi)外連接。

3.3 材料選型

恒溫箱體積要求小，可以減少起始加熱功率、減小溫度波動。由于受隔熱層厚度和傾角傳感器體積的限制，需要減小電路板尺寸，縮小加熱部分的體積等方面綜合考慮。

在元器件的選擇上，在滿足性能指標的前提下，盡量選用了體積小的電子化元件。半導(dǎo)體加熱制冷器件選用的是TEC1-12709T127，溫度傳感器選用的是ADT7310，單片機選用的是mega128。

恒溫箱箱體采用導(dǎo)熱系數(shù)為0.025W/(m2?K)、厚度為10mm的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料。硬質(zhì)聚氨酯泡沫的泡孔以閉孔為主，具有極低的導(dǎo)熱系數(shù)、較低的密度、一定的強度和硬度，電學(xué)性能、隔聲抗震效果優(yōu)良。

考慮到傾角傳感器的工作環(huán)境，其安裝面必須是剛度很大的材料。所以經(jīng)過調(diào)研選擇了剛度大且導(dǎo)熱系數(shù)低的15mm厚環(huán)氧板作為恒溫箱內(nèi)部傾角傳感器的底板安裝材料。

4.試驗

根據(jù)技術(shù)要求研制的高精度恒溫箱如圖7所示，箱體體積為：205mm×205 mm×130mm。

把恒溫箱放于計量中心標準溫濕度檢定箱中，得到的數(shù)據(jù)如表1所示。從表中可以看出，恒溫箱精度滿足使用要求。

[1]耿德根,宋建國,馬潮等.AVR高速嵌入式單片機原理與應(yīng)用[M].北京航空航天出版社,2002.

[2]杭州澳凌制冷設(shè)備有限公司.TEC1-12709T127加熱制冷片技術(shù)文件[S],2007.

[3]李俊濤.基于H橋驅(qū)動電路的半導(dǎo)體制冷片恒溫控制系統(tǒng)[J].北華大學(xué)學(xué)報,2010,11卷5期.