一种温度场模拟装置及系统技术领域
本发明涉及模拟领域，尤其涉及一种温度场模拟装置及系统。
背景技术
航空发动机控制系统半物理试验台是在航空发动机采用数学仿真模型的
基础上，接入部分实物到回路中进行控制系统的全状态仿真实验，而作为被
控对象的燃机数学模型在仿真计算机中运行，形成一个闭合回路。
在航空发动机控制系统半物理仿真实验中，航空发动机温度信号通过电
子模拟热电阻/热电偶温度传感器进行测量，然而，使用电子模拟温度传感器
的方式，由于温度传感器的滞后性，容易导致测量的不精确，进而导致半物
理仿真实验的失败。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种温度场模拟装置及系统，以解决现有技术中
使用电子模拟温度传感器的方式，由于温度传感器的滞后性，导致测量的不
精确的问题，其具体方案如下：
一种温度场模拟装置，包括：控制器及温度场，其中：
所述控制器用于发送模拟控制指令至温度场，使所述温度场根据所述模
拟控制指令调节内部温度，并将调节温度后的温度场温度信号发送至控制器；
所述温度场包括：温度场箱体、制冷板、加热板及温度传感器，其中：
所述温度场箱体为正方体结构，所述加热板设置在所述温度场箱体的第
一侧面以及所述第一侧面的对面，所述制冷板设置在所述温度场箱体的第二
侧面以及所述第二侧面的对面，所述温度场箱体的顶点各设置一个温度传感
器。
进一步的，所述温度场还包括：散热板及轴流风机，
所述散热板及轴流风机设置于所述温度场箱体的各个侧面，且设置于所
述温度场箱体外。
进一步的，所述温度场还包括：直流风机，
所述直流风机设置于所述温度场箱体的底面，且设置于所述温度场箱体
外。
进一步的，所述控制器包括：信号采集调理板及主控板，其中：
所述主控板用于发送所述模拟控制信号，并接收所述温度场发送的调节
后的温度信号；
所述信号采集调理板用于对发送及接收的信号的放大调节及隔离调节。
进一步的，所述制冷板为半导体制冷板，所述加热板为半导体加热板。
一种温度场模拟系统，包括：被测器件及温度场模拟装置，所述温度场
模拟装置包括：控制器及温度场，
所述控制器用于发送模拟控制指令至温度场，使所述温度场根据所述模
拟控制指令调节内部温度，并将调节温度后的温度场温度信号发送至控制器，
所述被测器件用于通过所述调节温度后的温度场测量温度数据；
所述所述温度场包括：温度场箱体、制冷板、加热板及温度传感器，其
中：
所述温度场箱体为正方体结构，所述加热板设置在所述温度场箱体的第
一侧面以及所述第一侧面的对面，所述制冷板设置在所述温度场箱体的第二
侧面以及所述第二侧面的对面，所述温度场箱体的顶点各设置一个温度传感
器。
进一步的，所述温度场还包括：散热板及轴流风机，
所述散热板及轴流风机分别设置于所述温度场箱体的各个侧面，且设置
于所述温度场箱体外。
进一步的，所述温度场还包括：直流风机，
所述直流风机设置于所述温度场箱体的底面，且设置于所述温度场箱体
外。
进一步的，所述控制器包括：信号采集调理板及主控板，其中：
所述主控板用于发送所述模拟控制信号，并接收所述温度场发送的调节
后的温度信号；
所述信号采集调理板用于对发送及接收的信号的放大调节及隔离调节。
进一步的，所述制冷板为半导体制冷板，所述加热板为半导体加热板。
从上述技术方案可以看出，本申请公开的温度场模拟装置及系统，通过
控制器发送模拟控制指令至温度场，使温度场根据模拟控制指令调节内部温
度，并将调节后的温度场温度发送至控制器，其中，温度场包括温度场箱体、
制冷版、加热板及温度传感器，温度场箱体为正方体结构，加热板设置在箱
体的第一侧面以及其对面，制冷板设置在箱体的第二侧面以及其对面，以使
得温度场箱体内的温度能够均匀调节，避免出现不同区域不同温度的情况，
箱体的顶点各设置一个温度传感器，以便于箱体内各顶点温度能够及时发送
至控制器。另外，将温度传感器包含在半物理仿真回路中，克服了采用电子
温度模拟传感器的方案中温度传感器的滞后性的问题，提高了测量及调节的
精确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实
施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面
描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，
在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例公开的一种温度场模拟装置的结构示意图；
图2为本发明实施例公开的一种温度场的结构示意图；
图3为本发明实施例公开的一种温度场模拟装置的结构示意图；
图4为本发明实施例公开的一种温度场模拟装置的结构示意图；
图5为本发明实施例公开的一种温度场模拟系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行
清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而
不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做
出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种温度场模拟装置，其结构示意图如图1所示，包括：
控制器11及温度场12。
其中，控制器11用于发送模拟控制指令至温度场12，使温度场12根据
模拟控制指令调节内部温度，并将调节温度后的温度场温度信号发送至控制
器11。
其中，控制器发送的模拟控制指令可以为控制器向上位机主动采集的，
也可以为上位机向控制器发送的，由控制器进行指令的解析后发送至温度场，
进行温度的调节。
温度场的结构示意图如图2所示，包括：
温度场箱体21，制冷板22，加热板23及温度传感器24。
温度场箱体21为正方体结构，加热板23至少有2块，分别设置在温度
场箱体21的第一侧面以及第一侧面的对面，制冷板22至少有2块，分别设
置在温度场箱体21的第二侧面以及第二侧面的对面，温度场箱体21有8个
顶点，每个顶点分别设置一个温度传感器24。
温度场箱体21的尺寸具体可以为10cm*10cm*10cm，体积较小；由于铜
的导热系数高，传热快，因此，温度场箱体21的材质可以选择纯铜，厚度为
0.1cm。
加热板23的功率可以为150W，制冷板22可以选用12V*4A的制冷片，
采用4片串联的方式，以加强制冷深度。
具体的，温度场模拟装置的结构示意图如图3所示，包括：温度场箱体
31，制冷板32，加热板33，温度传感器34及控制器35。
本实施例公开的温度场模拟装置，通过控制器发送模拟控制指令至温度
场，使温度场根据模拟控制指令调节内部温度，并将调节后的温度场温度发
送至控制器，其中，温度场包括温度场箱体、制冷版、加热板及温度传感器，
温度场箱体为正方体结构，加热板设置在箱体的第一侧面以及其对面，制冷
板设置在箱体的第二侧面以及其对面，以使得温度场箱体内的温度能够均匀
调节，避免出现不同区域不同温度的情况，箱体的顶点各设置一个温度传感
器，以便于箱体内各顶点温度能够及时发送至控制器。另外，将温度传感器
包含在半物理仿真回路中，克服了采用电子温度模拟传感器的方案中温度传
感器的滞后性的问题，提高了测量及调节的精确性。
本实施例公开了一种温度场模拟装置，其结构示意图如图4所示，包括：
温度场箱体41，制冷板42，加热板43，温度传感器44，散热板45及控
制器46。
除与上一实施例相同的结构外，本实施例公开的温度场模拟装置还增加
了散热板及轴流风机45，其中，散热板及轴流风机45设置在温度场上。
散热板及轴流风机45可以为多个，分别设置于温度场箱体41的各个侧
面，且设置于温度场箱体41外侧，以保证温度场中的热量能够及时散出。
其中，制冷板42及加热板43也可以具体设置在温度场箱体41的外侧面
上，而散热板及轴流风机45则设置在制冷板42及加热板43的外侧。
其中，散热板的尺寸可以设定为60cm*60cm*15cm，轴流风机的功率可
以设置为40W，以保证热量的及时排出。
本实施例公开的温度场模拟装置中，还可以包括：直流风机，直流风机
用于设置在温度场箱体41的底面，直流风机设置在温度场箱体的外侧，以保
证温度场箱体内温度均匀。
另外，温度场箱体41的顶部设置为可以打开状态，以便于温度的测量。
进一步的，本实施例公开的温度场模拟装置中，制冷板42可以为半导体
制冷板，加热板43可以为半导体加热板。
加热板43可以选择不锈钢加热板或者加热带，只要保证功率满足需求即
可，优选的，加热板43选用半导体加热板。
制冷板42可以选用半导体制冷，压缩机制冷或干冰或液氮制冷。
其中，压缩机制冷可以比较准确的实现温控，制冷面积大，使用方便，
但其制作较困难，需要较高的价格购买；干冰或液氮制冷制冷面积大，温控
精度低，属于一次性制冷剂，使用不方便；而半导体制冷板通过改变工作电
流的大小可实现精确温度控制，装置较易于实现。
半导体制冷板不需要任何制冷剂，可以连续工作，没有污染源，并且，
半导体制冷板既能实现制冷，又能实现制热。
半导体制冷板的工作原理是：当一块N型半导体材料和一块P型半导体
材料联结称电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，
电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端；由P型元件流向
N型的接头释放热量，成为热端，吸热和放热的大小是通过电流的大小以及
半导体材料N、P的元件对数来决定的。
控制器46包括：信号采集调理板及主控板。
控制器的主要输入、输出信号有：10路模拟输入信号，其中8路为反馈
信号，1路为输出信号，1路为监测信号；8路PWM控制输出信号，其中两
路控制加热，两路控制制冷，两路控制轴流风机，一路控制直流风机，一路
备用；3路串口总线，一路RS422总线与上位机通讯，一路SPI总线与显示
器通讯，一路SPI总线与总线通讯；1路I2C总线用于数据存储。
主控板用于发送模拟控制信号，并接收温度场发送的调节后的温度信号；
信号采集调理板用于对发送及接收的信号的放大调节及隔离调节。
主控板主要用于模拟信号的采集，控制信号的输出，与上位机通信，与
总线通信以及输出PWM信号对温度场进行控制。
信号采集调理板主要用于：10路模拟信号的采集，放大及隔离功能。
进一步的，控制器46还可以对温度场的温度及工作状态进行显示及存储，
以便于查看及查询。
控制器46可以具体为STM32控制器。具体的，控制器的电路模块主要
有：STM32处理器，JTAG调试接口电路，模拟量输入电路，电源电路，复
位电路，PWM输出电路，串行通信接口电路，I2C接口电路，显示电路。
本实施例公开的温度场模拟装置，通过控制器发送模拟控制指令至温度
场，使温度场根据模拟控制指令调节内部温度，并将调节后的温度场温度发
送至控制器，其中，温度场包括温度场箱体、制冷版、加热板及温度传感器，
温度场箱体为正方体结构，加热板设置在箱体的第一侧面以及其对面，制冷
板设置在箱体的第二侧面以及其对面，以使得温度场箱体内的温度能够均匀
调节，避免出现不同区域不同温度的情况，箱体的顶点各设置一个温度传感
器，以便于箱体内各顶点温度能够及时发送至控制器。另外，将温度传感器
包含在半物理仿真回路中，克服了采用电子温度模拟传感器的方案中温度传
感器的滞后性的问题，提高了测量及调节的精确性。
本实施例公开了一种温度场模拟系统，其结构示意图如图5所示，包括：
被测器件51，控制器52及温度场53。
其中，控制器52发送模拟控制指令至温度场53，使温度场53根据模拟
控制指令调节内部温度，并将调节后的温度场温度信号发送至控制器52。
当温度场的温度信号与控制器52发送的模拟控制指令相吻合时，被测器
件51通过调节温度后的温度场53测量温度数据。
温度场的结构示意图如图2所示，包括：
温度场箱体21，制冷板22，加热板23及温度传感器24。
温度场箱体21为正方体结构，加热板23至少有2块，分别设置在温度
场箱体21的第一侧面以及第一侧面的对面，制冷板22至少有2块，分别设
置在温度场箱体21的第二侧面以及第二侧面的对面，温度场箱体21有8个
顶点，每个顶点分别设置一个温度传感器24。
温度场箱体21的尺寸具体可以为10cm*10cm*10cm，体积较小；由于铜
的导热系数高，传热快，因此，温度场箱体21的材质可以选择纯铜，厚度为
0.1cm。
加热板23的功率可以为150W，制冷板22可以选用12V*4A的制冷片，
采用4片串联的方式，以加强制冷深度。
具体的，温度场模拟装置的结构示意图如图3所示，包括：温度场箱体
31，制冷板32，加热板33，温度传感器34及控制器35。
具体的，温度场模拟装置的结构示意图还可以如图4所示，包括：温度
场箱体41，制冷板42，加热板43，温度传感器44，散热板45及控制器46。
散热板及轴流风机45设置在温度场上。
散热板及轴流风机45可以为多个，分别设置于温度场箱体41的各个侧
面，且设置于温度场箱体41外侧，以保证温度场中的热量能够及时散出。
其中，制冷板42及加热板43也可以具体设置在温度场箱体41的外侧面
上，而散热板及轴流风机45则设置在制冷板42及加热板43的外侧。
其中，散热板的尺寸可以设定为60cm*60cm*15cm，轴流风机的功率可
以设置为40W，以保证热量的及时排出。
本实施例公开的温度场模拟装置中，还可以包括：直流风机，直流风机
用于设置在温度场箱体41的底面，直流风机设置在温度场箱体的外侧，以保
证温度场箱体内温度均匀。
另外，温度场箱体41的顶部设置为可以打开状态，以便于温度的测量。
进一步的，本实施例公开的温度场模拟装置中，制冷板42可以为半导体
制冷板，加热板43可以为半导体加热板。
加热板43可以选择不锈钢加热板或者加热带，只要保证功率满足需求即
可，优选的，加热板43选用半导体加热板。
制冷板42可以选用半导体制冷，压缩机制冷或干冰或液氮制冷。
其中，压缩机制冷可以比较准确的实现温控，制冷面积大，使用方便，
但其制作较困难，需要较高的价格购买；干冰或液氮制冷制冷面积大，温控
精度低，属于一次性制冷剂，使用不方便；而半导体制冷板通过改变工作电
流的大小可实现精确温度控制，装置较易于实现。
半导体制冷板不需要任何制冷剂，可以连续工作，没有污染源，并且，
半导体制冷板既能实现制冷，又能实现制热。
半导体制冷板的工作原理是：当一块N型半导体材料和一块P型半导体
材料联结称电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，
电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端；由P型元件流向
N型的接头释放热量，成为热端，吸热和放热的大小是通过电流的大小以及
半导体材料N、P的元件对数来决定的。
控制器46包括：信号采集调理板及主控板。
控制器的主要输入、输出信号有：10路模拟输入信号，其中8路为反馈
信号，1路为输出信号，1路为监测信号；8路PWM控制输出信号，其中两
路控制加热，两路控制制冷，两路控制轴流风机，一路控制直流风机，一路
备用；3路串口总线，一路RS422总线与上位机通讯，一路SPI总线与显示
器通讯，一路SPI总线与总线通讯；1路I2C总线用于数据存储。
主控板用于发送模拟控制信号，并接收温度场发送的调节后的温度信号；
信号采集调理板用于对发送及接收的信号的放大调节及隔离调节。
主控板主要用于模拟信号的采集，控制信号的输出，与上位机通信，与
总线通信以及输出PWM信号对温度场进行控制。
信号采集调理板主要用于：10路模拟信号的采集，放大及隔离功能。
进一步的，控制器46还可以对温度场的温度及工作状态进行显示及存储，
以便于查看及查询。
控制器46可以具体为STM32控制器。具体的，控制器的电路模块主要
有：STM32处理器，JTAG调试接口电路，模拟量输入电路，电源电路，复
位电路，PWM输出电路，串行通信接口电路，I2C接口电路，显示电路。
本实施例公开的温度场模拟系统，通过控制器发送模拟控制指令至温度
场，使温度场根据模拟控制指令调节内部温度，并将调节后的温度场温度发
送至控制器，其中，温度场包括温度场箱体、制冷版、加热板及温度传感器，
温度场箱体为正方体结构，加热板设置在箱体的第一侧面以及其对面，制冷
板设置在箱体的第二侧面以及其对面，以使得温度场箱体内的温度能够均匀
调节，避免出现不同区域不同温度的情况，箱体的顶点各设置一个温度传感
器，以便于箱体内各顶点温度能够及时发送至控制器。另外，将温度传感器
包含在半物理仿真回路中，克服了采用电子温度模拟传感器的方案中温度传
感器的滞后性的问题，提高了测量及调节的精确性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都
是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述
的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示
例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，
为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性
地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，
取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定
的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本
发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、
处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存
储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可
编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的
任意其它形式的存储介质中。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用
本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易
见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，
在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，
而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。