輻射計恒溫控制系統(tǒng)研究.pdf

1、輻射計是對溫度很敏感的測量系統(tǒng)，其工作溫度的穩(wěn)定度直接影響著它工作的穩(wěn)定度和測量的準(zhǔn)確度。為了有效改善輻射計的溫漂問題，保證輻射計工作溫度的穩(wěn)定性，需要小型化高穩(wěn)定度的恒溫控制系統(tǒng)。因此，本文對輻射計恒溫控制系統(tǒng)進行深入研究，已實現(xiàn)高穩(wěn)定度的溫度控制系統(tǒng)。研究內(nèi)容主要包括測溫電路、反饋控制環(huán)路、半導(dǎo)體制冷片(thermoelectric cooler，TEC)驅(qū)動電路以及箱體結(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。本文的主要研究工作包括以下幾個方面：
　　測溫電路是輻射計恒溫控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，精度高、線性度好的測溫電路對保持系統(tǒng)的恒溫控制來說至關(guān)重要。測溫電路的關(guān)鍵之處就在于溫度傳感器和測溫方式的選擇?；跍y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，采用恒流源式四線制的方式進行溫度測量。最終，利用MATLAB進行測試數(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。測溫電

3、路的輸出作為反饋信號，通過控制電路與給定的參考電壓作對比，最后將該差值作為半導(dǎo)體制冷片驅(qū)動電路的控制量，實現(xiàn)對半導(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)動電路，通過H橋來改變半導(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)計了脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)波發(fā)生電路來控制H橋。設(shè)計的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，能很好地滿足H橋驅(qū)動芯片的需求。最終在PWM波占空比小于50%時，半導(dǎo)體制冷片加熱；占空比大于50%時，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，本文采用空氣強迫對流的方式散熱。實際測試結(jié)果：放大倍數(shù)設(shè)置為15的時候，升溫過程的溫控精度為0.4℃，溫度穩(wěn)定度為0.2℃；降溫過程的溫控精度為0.6℃，溫度穩(wěn)定度為0.3℃。將輻射計和恒溫控制系統(tǒng)進行聯(lián)合測試，

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