一种表面温度信号快速发生装置.pdf

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摘要
申请专利号:

CN201010298099.X

申请日:

2010.09.30

公开号:

CN101968664A

公开日:

2011.02.09

当前法律状态:

终止

有效性:

无权

法律详情:

未缴年费专利权终止IPC(主分类):G05D 23/20申请日:20100930授权公告日:20120627终止日期:20140930|||授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G05D 23/20申请日:20100930|||公开

IPC分类号:

G05D23/20

主分类号:

G05D23/20

申请人:

东南大学

发明人:

吴剑锋; 蔡凤; 李建清; 吴剑进; 陈从颜

地址:

210096 江苏省南京市四牌楼2号

优先权:

专利代理机构:

南京天翼专利代理有限责任公司 32112

代理人:

汤志武

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内容摘要

一种表面温度信号快速发生装置,设有半导体制冷器、水/气换热装置、红外传感器、液晶、上位机和控制电路。半导体制冷器作为温度信号发生元件,由多组P-N结构成,具有冷、热两个端面;水/气换热装置包括水、气两路交换系统,设有电磁阀,水泵和气泵,电磁阀,水泵和气泵与控制电路输出的控制信号相连接;红外传感器装配在半导体制冷器上方采集半导体制冷器的表面温度并输出至控制电路;液晶实时显示半导体制冷器的表面温度,同时由控制芯片串口向上位机实时发送温度数据以便上位机根据温度的变化发送相关指令到控制电路中的控制芯片进行控制。

权利要求书

1: 一种表面温度信号快速发生装置, 其特征在于 : 设有包括半导体制冷器、 换热器、 红 外传感器、 液晶、 上位机和控制电路, 半导体制冷器作为温度信号发生元件, 系由通有可改 变电流方向的直流电的 P-N 结构成, 具有冷、 热两个端面 ; 换热器作为半导体制冷器的散热 器件, 包括水、 气两路交换系统, 水、 气两路交换系统中分别设有电磁阀和泵, 电磁阀和泵与 控制电路输出的控制信号相连接 ; 红外温度传感器设置在半导体制冷器上方, 采集半导体 制冷器的表面温度, 液晶实时显示半导体制冷器的表面温度 ; 控制电路中含有电源电路、 调 理电路、 桥路及调压电路和控制芯片, 红外传感器将采集的半导体制冷器表面温度输入至 设有包括模数转换、 放大、 滤波的调理电路, 调理电路将数字信号输出至控制芯片, 控制芯 片设有串口与上位机连接, 向上位机实时发送温度数据, 上位机根据温度的变化发送指令 到控制芯片, 控制芯片根据上位机的指令发送控制信号控制换热器水、 气两路交换系统中 相应的电磁阀和泵的开启或关闭, 以调节半导体制冷器与换热器的整体热容量 ; 控制芯片 还根据上位机的指令发送控制信号给调压电路, 调压电路输出连接在半导体制冷器电源极 性两端, 用于调节半导体制冷器两端电压, 以调节半导体制冷器的升、 降温速率 ; 控制芯片 输出还还根据上位机的指令发送控制信号给桥路, 桥路输出对半导体制冷器进行制热、 制 冷和关闭三种工作模式的切换, 通过 PID 算法, 产生包括正弦波、 方波、 三角波、 锯齿波在内 的函数波形表面温度信号。
2: 根据权利要求 1 所述表面温度信号快速发生装置, 其特征在于 : 桥路设有 9 个场效 应管、 4 个二极管、 4 个电阻和 1 个电解电容, 第一场效应管的栅极作为半导体电压极性改 变的输入端与控制芯片的一个输入输出口相连, 第一场效应管的漏极与第一电阻的一端相 连, 第一电阻另一端与 +5V 电压相连, 第一场效应管的源极接地 ; 第二场效应管的栅极与第 一场效应管的漏极相连, 第二场效应管的漏极与第三电阻的一端相连, 第三电阻另一端与 电解电容的正极以及 +16V 电压相连, 电解电容负极接地, 第二场效应管的源极接地 ; 第三 场效应管的栅极作为半导体电压关闭的输入端与控制芯片的另一个输入输出口相连, 第三 场效应管的源极接地 ; 第四场效应管的栅极与第二电阻的一端相连, 第二电阻的另一端与 +5V 电压相连, 第四场效应管的漏极与半导体制冷器 TEC 的负端相连, 第四场效应管的源极 与第三场效应管的漏极相连 ; 第五场效应管的栅极与第四电阻的一端相连, 第四电阻另一 端与 +16V 电压以及电解电容的正极相连, 第五场效应管的源极与半导体制冷器 TEC 的负端 相连 ; 第六场效应管的栅极与第二场效应管的漏极相连, 第六场效应管的漏极与第五场效 应管的漏极相连, 第六场效应管的源极与半导体制冷器 TEC 的正端相连 ; 第七场效应管的 栅极与第一场效应管的漏极相连, 第七场效应管的漏极与半导体制冷器 TEC 的正端相连, 第七场效应管的源极与第三场效应管的漏极相连 ; 第八场效应管的栅极与第四场效应管的 栅极相连, 第八场效应管的漏极与第五场效应管的栅极相连, 第八场效应管的源极接地 ; 第 九场效应管的栅极与第一场效应管的漏极相连, 第九场效应管的漏极与第八场效应管的栅 极相连, 第九场效应管的源极接地 ; 4 个二极管中, 第一、 第二两个二极管串联, 第一 2 极管 负端与第五及第六场效应管的漏极连接, 第二 2 极管正端与第四及第七场效应管的源极连 接, 第一、 第二两个二极管之间与半导体制冷器 TEC 的正端相连 ; 第三、 第四两个二极管串 联, 第三 2 极管负端与第五及第六场效应管的漏极连接, 第四 2 极管正端与第四及第七场效 应管的源极连接, 第三、 第四两个二极管之间与半导体制冷器 TEC 的负端相连 ; 调压电路设有两级运放、 五个电阻、 两个电容及一个三极管, 由单片机产生不同占空比 2 的 PWM INPUT 信号与第七电阻的一端相连, 第七电阻的另一端与第八电阻的一端以及第一 电容的一端相连, 第一电容另一端接地, 第八电阻的另一端与第一级运放的正输入端相连, 第一级运放的输出信号送至第二级运放的正输入端, 第一级运放的输出信号还与第六电阻 一端相连, 第六电阻另一端连接第五电阻一端, 第五电阻另一端接地, 第六电阻与第五电阻 之间连接在第一级运放的负输入端, 第一级运放的正电源端连接 +12V 电压且连接第二电 容后接地 ; 第一级运放的负电源端接地 ; 第二级运放的输出端连接第九电阻的一端, 第九 电阻的另一端连接三极管基极, 三极管集电极接 +12V 电压, 三极管发射极与第一级运放的 负输入端以及桥路中第一、 第三两个二极管的负端连接。

说明书


一种表面温度信号快速发生装置

    技术领域 本发明涉及一种表面温度信号快速发生装置, 该装置可以任意波形方式快速再现 物体的表面温度信号, 属于测试技术领域。
     背景技术 温度是表征物体冷热程度的物理量, 是化工、 科研以及生产等领域中所采用的重 要参数。温度的测量和控制是保证控制领域正常运行的重要手段。随着科技的飞速发展, 测控温度信号显得更加重要, 此外越来越多的场合需要产生温度信号。产生表面温度信号 有多种方法, 可以采用水射流、 电阻热丝、 半导体制冷器等。水射流方法通过混合不同温度 的水实现目标物体的表面温度变化, 系统复杂, 精确温控响应速度差。 电阻热丝法很难控制 降温速率。
     半导体制冷又叫热电制冷或者温差电制冷。 半导体材料具有非常好的热电能量转 换持性, 在通过直流电时有制冷功能, 因此叫做热电制冷。热电制冷是热电效应, 主要是珀 尔帖效应。 珀尔帖效应就是电流流过两种不同导体的界面时, 将从外界吸收热量, 或向外界
     放出热量。把一块 P 型半导体和一块 N 型半导体叠放在一起, 通电后, 会在 P 型半导体和 N 型半导体的接头上产生温差和热量的交换, 形成热端和冷端。 当改变电源极性时, 冷热端可 以快速互换。通过大电流的时候, 并且在热端散热很好的情况下, 冷端可以快速地进行降 温。多组 PN 结串联在一起可以达到快速制冷、 制热的效果。
     国外表面信号发生装置主要集中于产生温度梯度信号, 主要用于温度触觉场合。 麻省理工学院的 H.Ho 等研制了一套基于半导体制冷器的触觉再现装置, 根据温度梯度的 变化可以区分热属性差别显著的材质, 但该装置采用热敏电阻作为温度传感装置, 难以反 映半导体制冷器的实时温度变化。
     国内温度信号发生装置主要是在一个闭腔内产生恒定温度, 适用于恒温场合。董 慧等使用电热阻丝实现了一个腔体恒温发生装置, 在 0-200℃范围内, 该装置的测量精度可 以达到 ±0.1℃, 控制精度可达 ±0.4℃, 但恒温时间较长。目前国内关于波形发生器的专 利不多, 还没有表面温度信号发生装置的相关专利。本发明提供的表面温度信号快速发生 装置已用于温度触觉场合, 还可用于仪器的动态特性测量、 产品的寿命检验等。
     产生温度波形可以用于温度触觉场合, 在虚拟现实技术和机器人技术中, 温度触 觉在触觉系统起到一个辅助作用。远端机器手以人手温度接触到一个物体时, 远端物体表 面与机器手发生热交换, 温度发生变化, 本发明装置可以在近端产生这个温度变化过程, 可 以让近端人手感觉到远端物体表面温度发生的变化, 提高虚拟现实技术的真实感和沉浸 感。 发明内容
     针对现有技术, 本发明提出了一种可产生表面温度信号的快速发生装置。该装置 可快速再现物体表面的温度变化, 根据该装置可达到的最大升降温速率以及一定的温度控制算法, 如开关控制算法或 PID 算法, 可产生正弦波、 方波、 三角波、 锯齿波等函数波形以及 任意波形的表面温度信号。 波形的周期和幅度均可调, 具有波形存储功能, 并能够实时地显 示输出波形的种类、 周期和幅度。
     本发明采用如下技术方案 : 一种表面温度信号快速发生装置, 其特征在于 : 设有 包括半导体制冷器、 换热器、 红外传感器、 液晶、 上位机和控制电路, 半导体制冷器作为温度 信号发生元件, 系由通有直流电的 P-N 结构成, 具有冷、 热两个端面 ; 换热器作为半导体制 冷器的散热器件, 包括水、 气两路交换系统, 水、 气两路交换系统中分别设有电磁阀和泵, 电 磁阀和泵与控制电路输出的控制信号相连接 ; 红外温度传感器设置在半导体制冷器上方, 采集半导体制冷器的表面温度, 液晶实时显示半导体制冷器的表面温度 ; 控制电路中含有 电源电路、 调理电路、 桥路及调压电路和控制芯片, 红外传感器将采集的半导体制冷器表面 温度输入至设有包括模数转换、 放大、 滤波的调理电路, 调理电路将数字信号输出至控制芯 片, 控制芯片设有串口与上位机连接, 向上位机实时发送温度数据, 上位机根据温度的变化 发送指令到控制芯片, 控制芯片根据上位机的指令发送控制信号控制换热器水、 气两路交 换系统中相应的电磁阀和泵的开启或关闭, 以调节半导体制冷器与换热器的整体热容量 ; 控制芯片还根据上位机的指令发送控制信号给调压电路, 调压电路输出连接在半导体制冷 器电源极性两端, 用于调节半导体制冷器两端电压, 以调节半导体制冷器的升、 降温速率 ; 控制芯片输出还还根据上位机的指令发送控制信号给桥路, 桥路输出对半导体制冷器进行 制热、 制冷和关闭三种工作模式的切换, 通过 PID 算法, 产生包括正弦波、 方波、 三角波、 锯 齿波在内的函数波形表面温度信号。
     所述桥路设有 9 个场效应管、 4 个二极管、 4 个电阻和 1 个电解电容, 第一场效应 管的栅极作为半导体电压极性改变的输入端与控制芯片的一个输入输出口相连, 第一场效 应管的漏极与第一电阻的一端相连, 第一电阻另一端与 +5V 电压相连, 第一场效应管的源 极接地 ; 第二场效应管的栅极与第一场效应管的漏极相连, 第二场效应管的漏极与第三电 阻的一端相连, 第三电阻另一端与电解电容的正极以及 +16V 电压相连, 电解电容负极接 地, 第二场效应管的源极接地 ; 第三场效应管的栅极作为半导体电压关闭的输入端与控制 芯片的另一个输入输出口相连, 第三场效应管的源极接地 ; 第四场效应管的栅极与第二电 阻的一端相连, 第二电阻的另一端与 +5V 电压相连, 第四场效应管的漏极与半导体制冷器 TEC 的负端相连, 第四场效应管的源极与第三场效应管的漏极相连 ; 第五场效应管的栅极 与第四电阻的一端相连, 第四电阻另一端与 +16V 电压以及电解电容的正极相连, 第五场效 应管的源极与半导体制冷器 TEC 的负端相连 ; 第六场效应管的栅极与第二场效应管的漏极 相连, 第六场效应管的漏极与第五场效应管的漏极相连, 第六场效应管的源极与半导体制 冷器 TEC 的正端相连 ; 第七场效应管的栅极与第一场效应管的漏极相连, 第七场效应管的 漏极与半导体制冷器 TEC 的正端相连, 第七场效应管的源极与第三场效应管的漏极相连 ; 第八场效应管的栅极与第四场效应管的栅极相连, 第八场效应管的漏极与第五场效应管的 栅极相连, 第八场效应管的源极接地 ; 第九场效应管的栅极与第一场效应管的漏极相连, 第 九场效应管的漏极与第八场效应管的栅极相连, 第九场效应管的源极接地 ; 4 个二极管中, 第一、 第二两个二极管串联, 第一 2 极管负端与第五及第六场效应管的漏极连接, 第二 2 极 管正端与第四及第七场效应管的源极连接, 第一、 第二两个二极管之间与半导体制冷器 TEC 的正端相连 ; 第三、 第四两个二极管串联, 第三 2 极管负端与第五及第六场效应管的漏极连接, 第四 2 极管正端与第四及第七场效应管的源极连接, 第三、 第四两个二极管之间与半导 体制冷器 TEC 的负端相连 ;
     所述调压电路设有两级运放、 五个电阻、 两个电容及一个三极管, 由单片机产生不 同占空比的 PWM INPUT 信号与第七电阻的一端相连, 第七电阻的另一端与第八电阻的一端 以及第一电容的一端相连, 第一电容另一端接地, 第八电阻的另一端与第一级运放的正输 入端相连, 第一级运放的输出信号送至第二级运放的正输入端, 第一级运放的输出信号还 与第六电阻一端相连, 第六电阻另一端连接第五电阻一端, 第五电阻另一端接地, 第六电阻 与第五电阻之间连接在第一级运放的负输入端, 第一级运放的正电源端连接 +12V 电压且 连接第二电容后接地 ; 第一级运放的负电源端接地 ; 第二级运放的输出端连接第九电阻的 一端, 第九电阻的另一端连接三极管基极, 三极管集电极接 +12V 电压, 三极管发射极与第 一级运放的负输入端以及桥路中第一、 第三两个二极管的负端连接。
     与现有技术相比, 本发明的优点及有益效果在于 :
     1、 快速的表面温度变化速率 ;
     2、 可以产生任意波形的表面温度信号
     3、 使用水 / 气换热装置提高了表面温度信号的升降温速率 ; 4、 红外传感器可实现高速、 高精度非接触式温度测量 ;
     5、 本装置可用于物体表面温度信号的快速测控, 可以快速产生正弦波、 方波、 三角 波、 锯齿波等函数波形以及任意波形的表面温度信号, 更利于观察物体的温度动态特性。
     附图说明
     图 1 是本发明装置的局部结构图 ;
     图 2、 3 是本发明装置系统框图 ;
     图 4 是本发明装置桥路和调压电路的原理图 ;
     图 5 是本发明装置水 / 气换热装置的原理图。 具体实施方式
     参看图 1, 一种可产生表面温度信号的快速发生装置, 设有管道 1, 半导体制冷器 2、 3、 4、 5, 红外传感器 6, 进水口 7, 散热金属 8 组成。表面温度信号产生在半导体制冷器 4 的上端面, 由红外传感器测控半导体制冷器的温度。 管道内通液体或者气体, 以期改变装置 的热容量来提高半导体制冷器的制热与制冷速率。
     参看图 2, 采用半导体制冷器作为温度信号发生器件, 液晶实时显示半导体制冷器 的表面温度, 红外传感器采集半导体制冷器的表面温度并输入至控制电路, 同时由串口向 上位机实时发送温度数据以便上位机根据温度的变化发送相关指令到控制电路, 控制电路 根据上位机的指令发送相关控制信号到水 / 气换热装置中进行控制, 水 / 气换热装置根据 该控制信号以调节半导体制冷器与热交换管的整体热容量。 控制电路对半导体制冷器进行 三种工作模式的切换 : 制热、 制冷和关闭。
     参看图 3, 控制电路包括了控制芯片、 电源电路、 调理电路、 调压电路、 桥路等。 电源 电路为控制芯片和调压电路提供电源, 调理电路把传感器输出的信号进行放大、 滤波等处 理并提供给控制芯片, 调压电路用于调节半导体制冷器两端电压, 桥路用于切换半导体制冷器两端电压的极性和通断性。
     参看图 4, 桥路共有 9 个场效应管, 其中 :
     场效应管 1 的栅极 G 即为 DIRECTION 端, 场效应管 1 的漏极 D 与电阻 R1 的一端相 连, 电阻 R1 另一端与 +5V 电压相连, 场效应管 1 的源极 S 接地 ;
     场效应管 2 的栅极 G 与场效应管 1 的漏极 D 相连, 场效应管 2 的漏极 D 与电阻 R3 的一端相连, 电阻 R3 另一端与电解电容 C3 的正极相连, 同时该端电阻 R3 与 +16V 电压相连, 电容 C3 负极接地, 场效应管 2 的源极 S 接地 ;
     场效应管 3 的栅极 G 即为 ENABLE 端, 场效应管 3 的漏极 D 与场效应管 4 的源极 S 相连, 场效应管 3 的源极 S 接地 ;
     场效应管 4 的栅极 G 与电阻 R2 的一端相连, 电阻 R2 的另一端与 +5V 电压相连, 场 效应管 4 的漏极 D 与半导体制冷器 TEC 的负端相连, 场效应管 4 的源极 S 与场效应管 3 的 漏极 D 相连 ;
     场效应管 5 的栅极 G 与电阻 R4 的一端相连, 电阻 R4 另一端与 +16V 电压相连, 同 时电阻 R4 该端与电解电容 C3 的正极相连, 电容 C3 负极接地, 场效应管 5 的漏极 D 与 OPIB 的反相端相连, 场效应管 5 的源极 S 与半导体制冷器 TEC 的负端相连 ; 场效应管 6 的栅极 G 与场效应管 2 的漏极 D 相连, 场效应管 6 的漏极 D 与 OPIB 的 反相端相连, 场效应管 6 的源极 S 与半导体制冷器 TEC 的正端相连 ;
     场效应管 7 的栅极 G 与场效应管 1 的漏极 D 相连, 场效应管 7 的漏极 D 与半导体 制冷器 TEC 的正端相连, 场效应管 7 的源极 S 与场效应管 3 的漏极 D 相连, D1 和 D2 的连接 点接半导体制冷器的一端, D3 和 D4 的连接点接半导体制冷器的另一端。 ;
     场效应管 8 的栅极 G 与场效应管 4 的栅极 G 相连, 场效应管 8 的漏极 D 与场效应 管 5 的栅极 G 相连, 场效应管 8 的源极 S 接地 ;
     场效应管 9 的栅极 G 与场效应管 1 的漏极 D 相连, 场效应管 9 的漏极 D 与场效应 管 4 的栅极 G 相连, 场效应管 9 的源极 S 接地 ;
     4 个二极管中, D1、 D2 两个二极管串联, D1 负端与场效应管 5、 6 的漏极连接, D2 正 端与场效应管 4、 7 的源极连接, D1、 D2 两个二极管之间与半导体制冷器 TEC 的正端相连 ; D3、 D4 两个二极管串联, D3 负端与场效应管 5、 6 的漏极连接, D4 正端与场效应管 4、 7 的源 极连接, D3、 D4 两个二极管之间与半导体制冷器 TEC 的负端相连 ;
     所述调压电路设有两级运放、 五个电阻、 两个电容及一个三极管, 由单片机产生不 同占空比的 PWM INPUT 信号与电阻 R7 的一端相连, 电阻 R7 的另一端与电阻 R8 的一端以及 电容 C1 的一端相连, 电容 C1 另一端接地, 电阻 R8 的另一端与第一级运放 OPIA 的正输入端 相连, 第一级运放 OPIA 的输出信号送至第二级运放 OPIB 的正输入端, 第一级运放的输出信 号还与电阻 R6 一端相连, 电阻 R6 另一端连接电阻 R5 一端, 电阻 R5 另一端接地, 电阻 R6 与 电阻 R5 之间连接在第一级运放的负输入端, 第一级运放的正电源端连接 +12V 电压且连接 电容 C2 后接地 ; 第一级运放的负电源端接地 ; 第二级运放 OPIB 的输出端连接电阻 R9 的一 端, 电阻 R9 的另一端连接三极管基极, 把该放大信号反馈到第二级运放的负端以实现稳压 控制。 , 三极管集电极接 +12V 电压, 三极管发射极与第一级运放的负输入端以及桥路中 D1、 D3 两个二极管的负端连接。
     参看图 5, 本发明装置中提供的控制水 / 气换热装置。实验前, 控制水 / 气换热装
     置使空气进入热交换管空腔, 热交换管由进口、 出口组成, 控制半导体制冷器两端的电极方 向使其制冷或制热。当半导体制冷器需要制冷时, 由控制器发出控制信号 1 使电磁阀 1 开 启, 控制信号 2 使电磁阀 2 关闭, 控制信号 3 使水泵 10 开动, 水进入热交换管空腔, 提高了 热交换管空腔内部的热容量。当对半导体制冷器制热时, 由控制器发出控制信号 1 使电磁 阀 1 关闭, 控制信号 2 使电磁阀 2 开启, 控制信号 4 使气泵 12 开动, 空气进入热交换管空腔, 降低了热交换管空腔内部的热容量。( 热容量 : 系统在某一过程中, 温度升高或降低 1℃所 吸收或放出的热量叫做这个系统在该过程中的热容量, 比热容是单位质量物质的热容量, -1 室温时空气的比热容为 1030J(Kg℃ ) , 水的比热容为 4200J(Kg℃ )-1)。
     温度波形控制算法的控制途径实施例 :
     一、 改变半导体制冷器的工作状态
     根据半导体制冷器的制冷与制冷原理, 半导体制冷器可在三个工作状态, 即制热、 制冷和关闭之间实现切换, 因此必须经常切换半导体制冷器两端的电压极性、 电压通断。 如 图 4 中桥路电路所示, 当 DIRECTION( 与控制芯片的一个输入输出口相连 ) 端为高电平时, 场效应管导通, TEC 的正端 V+ 为高电平, TEC 的负端 V- 为低电平。 当 DIRECTION 端为低电平 时, 场效应管导通, TEC 的正端 V+ 为低电平, TEC 的负端 V- 为高电平。当 ENABLE( 与控制芯 片的一个输入输出口相连 ) 端为低电平时, 半导体制冷器关闭。制热和制冷的区别在于半 导体制冷器两端的电极极性正好相反, 同时为提高半导体制冷器的制冷 / 制热速率, 在制 冷时, 如图 5 所示仅开启电磁阀 1 运行水泵使水进入热交换管空腔, 增加了半导体制冷器与 热交换管的总热容量, 可以对半导体制冷器的热端面更好地散热以提高半导体制冷器降温 速率 ; 制热时, 仅开启电磁阀 2 运行气泵使空气进入热交换管空腔, 降低了半导体制冷器与 热交换管的总热容量, 可以提高半导体制冷器的升温速率 ; 关闭, 即半导体制冷器两端不施 加电压, 在关闭半导体制冷器时, 便于和制冷或制热时半导体制冷器的工作状态形成对比, 易于观察半导体制冷器快速的升降温速率, 同时可以给温度控制算法提供另一种控制的手 段, 当半导体制冷器温度高于室温并关闭时, 半导体制冷器温度快速回落到室温, 当半导体 制冷器温度低于室温并关闭时, 半导体制冷器温度快速回升到室温。
     二、 改变加在半导体制冷器两端的工作电压
     本发明采用调节 PWM 波的占空比来进行调压, PWM_INPUT( 与控制芯片的一个输入 输出口相连 ) 输入不同占空比的 PWM 信号以及设计的桥路实现半导体制冷器上的电压 Vtec 在 0 ~ 12V 内连续可调。由单片机产生不同占空比的 PWM 波, 经低通滤波得到 0 ~ 5V 的直 流电压, 送入第一级运放放大后输出到第二级运放的同相端, 再利用三极管进行电流放大, 并把 Vtec 反馈到第二级运放的反相端以实现稳压控制。由于三极管的最大导通电流可达 25A, 因此该桥路可以承受所选半导体制冷器的最大工作电流。
     本装置的工作原理 :
     半导体制冷器的上表面产生表面温度信号, 红外传感器实现闭环控制。闭环控制 目的在于 : 1、 提高恒温控制精度 2、 提高温度波形输出的准确性。闭环控制实现过程如下 : 红外传感器采集半导体制冷器的表面温度并输入至控制电路, 控制电路根据该温度值并依 据所要求的温度波形输出通过一定的温度控制算法调节半导体制冷器的工作状态。
     该装置的温度波形输出基于以下过程, 先让整套装置可以产生表面恒温信号, 在 这个基础上进行温度波形的输出。恒温温度波形输出是其他温度波形输出的基础。下文解释恒温模式和其他温度波形输出的过程该装置可工作在两种模式下 :
     1、 恒温模式 :
     在上位机输入需要控制的恒温数值, 并确认发送命令到控制芯片。控制芯片根据 这个温度值控制半导体制冷器的温度, 装置开始进行恒温设定。初始状态半导体制冷器处 于室温, 此时控制芯片输出 ENABLE 端为高电平, 开关打开, 红外传感器实时监测半导体制 冷器温度并发送到上位机, 假如设定的温度值和室温的差值为 ΔT, 根据该差值以及 PID 算 法, 可以算出调压电路应该加在半导体制冷器两端的电压值和极性 :
     Vout = P*ΔT+I*(Tn+Tn-1+...+T0)+D*(Tn-Tn-1)
     Vout : 输出电压
     P: 比例系数
     I: 积分系数
     D: 微分系数
     Tn、 Tn-1....T0 : 第 n, n-1,… ..0 点温度采集
     极性由 ΔT 的与 0 相比的结果决定, 大于 0 时极性为正, 小于 0 时极性为负。
     每次控制芯片接收到一个温度传感值后都进行 PID 运算来调节输出电压和极性。
     具体调节过程如下 :
     假如极性为正, 则控制芯片控制 DIRECTION 端为高电平, 此时通过桥路 V+ 输出高 电平, V- 输出低电平。同时根据 PID 算法, ΔT 越大, 则加在半导体制冷器两端的电压越大, 上位机根据算法算出应该加在半导体制冷器两端的电压后发送指令到控制芯片, 控制芯片 根据该命令, 改变 PWM INPUT 脚的占空比, 以使调压电路的输出达到设定的电压。如此往复 使半导体制冷器达到设定的恒定温度值。
     2、 任意波形温度控制
     刚开始控制时, 在上位机选择好输出的波形后, 设置好波形的参数, 输出控制指令 到控制芯片。 装置开始进行波形温度控制, 上位机先控制半导体制冷器到波形的初始温度, 参照恒温控制过程, 由于输出的是温度波形, 因此在不同的时刻上位机会输出不同的温度 设定值指令, 在不同时刻输出的不同的温度值由选择好的温度输出波形和该波形参数以及 该装置的最大升温与降温速率确定。这样就能在半导体制冷器表面产生温度波形。
     下面以产生 20 ~ 40 度方波温度波形 :
     设该方波的周期为 10s, 40 度和 20 度的时间都是 5s, 初始时上位机把方波的初始 温度 20 度以温度设定指令的方式发送到控制芯片, 控制芯片根据恒温控制过程控制半导 体制冷器到达 20 度。到达 5s 后, 40 度以指令的方式发送到控制芯片, 同样, 控制芯片以恒 温控制的过程让半导体制冷器迅速达到 40 度并维持 5s 时间, 如此往复。
     产生 20 ~ 40 度三角波温度波形 :
     设该三角波的周期为 10s, 上升时间和下降时间都是 5s, 开始温度设定的时间为 0s, 则每隔 100ms 由上位机向下位机发送温度控制命令和温度控制数值, 数值根据根据线 性关系算出, 如 100ms 的时候发送 20.4 度的温度设定命令, 在 5s 的时候发送 40 度的温度 设定命令, 在 5 ~ 10 的时间内, 根据不同的时间每隔 100ms 发送温度设定命令, 同样根据线 性关系计算出温度设定值比如在 5.1s 的时候上位机发出 39.6 度的温度设定命令, 以此类 推既可得到温度三角波形。波形温度输出总结 : 在最大升温速率和最大降温速率的前提下, 不同的波形的区 别只在于不同的时刻上位机给控制芯片发出的温度设定值不同。

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1、10申请公布号CN101968664A43申请公布日20110209CN101968664ACN101968664A21申请号201010298099X22申请日20100930G05D23/2020060171申请人东南大学地址210096江苏省南京市四牌楼2号72发明人吴剑锋蔡凤李建清吴剑进陈从颜74专利代理机构南京天翼专利代理有限责任公司32112代理人汤志武54发明名称一种表面温度信号快速发生装置57摘要一种表面温度信号快速发生装置,设有半导体制冷器、水/气换热装置、红外传感器、液晶、上位机和控制电路。半导体制冷器作为温度信号发生元件,由多组PN结构成,具有冷、热两个端面;水/气换热装。

2、置包括水、气两路交换系统,设有电磁阀,水泵和气泵,电磁阀,水泵和气泵与控制电路输出的控制信号相连接;红外传感器装配在半导体制冷器上方采集半导体制冷器的表面温度并输出至控制电路;液晶实时显示半导体制冷器的表面温度,同时由控制芯片串口向上位机实时发送温度数据以便上位机根据温度的变化发送相关指令到控制电路中的控制芯片进行控制。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书7页附图4页CN101968664A1/2页21一种表面温度信号快速发生装置,其特征在于设有包括半导体制冷器、换热器、红外传感器、液晶、上位机和控制电路,半导体制冷器作为温度信号发生元件,系由通有。

3、可改变电流方向的直流电的PN结构成,具有冷、热两个端面;换热器作为半导体制冷器的散热器件,包括水、气两路交换系统,水、气两路交换系统中分别设有电磁阀和泵,电磁阀和泵与控制电路输出的控制信号相连接;红外温度传感器设置在半导体制冷器上方,采集半导体制冷器的表面温度,液晶实时显示半导体制冷器的表面温度;控制电路中含有电源电路、调理电路、桥路及调压电路和控制芯片,红外传感器将采集的半导体制冷器表面温度输入至设有包括模数转换、放大、滤波的调理电路,调理电路将数字信号输出至控制芯片,控制芯片设有串口与上位机连接,向上位机实时发送温度数据,上位机根据温度的变化发送指令到控制芯片,控制芯片根据上位机的指令发送。

4、控制信号控制换热器水、气两路交换系统中相应的电磁阀和泵的开启或关闭,以调节半导体制冷器与换热器的整体热容量;控制芯片还根据上位机的指令发送控制信号给调压电路,调压电路输出连接在半导体制冷器电源极性两端,用于调节半导体制冷器两端电压,以调节半导体制冷器的升、降温速率;控制芯片输出还还根据上位机的指令发送控制信号给桥路,桥路输出对半导体制冷器进行制热、制冷和关闭三种工作模式的切换,通过PID算法,产生包括正弦波、方波、三角波、锯齿波在内的函数波形表面温度信号。2根据权利要求1所述表面温度信号快速发生装置,其特征在于桥路设有9个场效应管、4个二极管、4个电阻和1个电解电容,第一场效应管的栅极作为半导。

5、体电压极性改变的输入端与控制芯片的一个输入输出口相连,第一场效应管的漏极与第一电阻的一端相连,第一电阻另一端与5V电压相连,第一场效应管的源极接地;第二场效应管的栅极与第一场效应管的漏极相连,第二场效应管的漏极与第三电阻的一端相连,第三电阻另一端与电解电容的正极以及16V电压相连,电解电容负极接地,第二场效应管的源极接地;第三场效应管的栅极作为半导体电压关闭的输入端与控制芯片的另一个输入输出口相连,第三场效应管的源极接地;第四场效应管的栅极与第二电阻的一端相连,第二电阻的另一端与5V电压相连,第四场效应管的漏极与半导体制冷器TEC的负端相连,第四场效应管的源极与第三场效应管的漏极相连;第五场效。

6、应管的栅极与第四电阻的一端相连,第四电阻另一端与16V电压以及电解电容的正极相连,第五场效应管的源极与半导体制冷器TEC的负端相连;第六场效应管的栅极与第二场效应管的漏极相连,第六场效应管的漏极与第五场效应管的漏极相连,第六场效应管的源极与半导体制冷器TEC的正端相连;第七场效应管的栅极与第一场效应管的漏极相连,第七场效应管的漏极与半导体制冷器TEC的正端相连,第七场效应管的源极与第三场效应管的漏极相连;第八场效应管的栅极与第四场效应管的栅极相连,第八场效应管的漏极与第五场效应管的栅极相连,第八场效应管的源极接地;第九场效应管的栅极与第一场效应管的漏极相连,第九场效应管的漏极与第八场效应管的栅。

7、极相连,第九场效应管的源极接地;4个二极管中,第一、第二两个二极管串联,第一2极管负端与第五及第六场效应管的漏极连接,第二2极管正端与第四及第七场效应管的源极连接,第一、第二两个二极管之间与半导体制冷器TEC的正端相连;第三、第四两个二极管串联,第三2极管负端与第五及第六场效应管的漏极连接,第四2极管正端与第四及第七场效应管的源极连接,第三、第四两个二极管之间与半导体制冷器TEC的负端相连;调压电路设有两级运放、五个电阻、两个电容及一个三极管,由单片机产生不同占空比权利要求书CN101968664A2/2页3的PWMINPUT信号与第七电阻的一端相连,第七电阻的另一端与第八电阻的一端以及第一电。

8、容的一端相连,第一电容另一端接地,第八电阻的另一端与第一级运放的正输入端相连,第一级运放的输出信号送至第二级运放的正输入端,第一级运放的输出信号还与第六电阻一端相连,第六电阻另一端连接第五电阻一端,第五电阻另一端接地,第六电阻与第五电阻之间连接在第一级运放的负输入端,第一级运放的正电源端连接12V电压且连接第二电容后接地;第一级运放的负电源端接地;第二级运放的输出端连接第九电阻的一端,第九电阻的另一端连接三极管基极,三极管集电极接12V电压,三极管发射极与第一级运放的负输入端以及桥路中第一、第三两个二极管的负端连接。权利要求书CN101968664A1/7页4一种表面温度信号快速发生装置技术领。

9、域0001本发明涉及一种表面温度信号快速发生装置,该装置可以任意波形方式快速再现物体的表面温度信号,属于测试技术领域。背景技术0002温度是表征物体冷热程度的物理量,是化工、科研以及生产等领域中所采用的重要参数。温度的测量和控制是保证控制领域正常运行的重要手段。随着科技的飞速发展,测控温度信号显得更加重要,此外越来越多的场合需要产生温度信号。产生表面温度信号有多种方法,可以采用水射流、电阻热丝、半导体制冷器等。水射流方法通过混合不同温度的水实现目标物体的表面温度变化,系统复杂,精确温控响应速度差。电阻热丝法很难控制降温速率。0003半导体制冷又叫热电制冷或者温差电制冷。半导体材料具有非常好的热。

10、电能量转换持性,在通过直流电时有制冷功能,因此叫做热电制冷。热电制冷是热电效应,主要是珀尔帖效应。珀尔帖效应就是电流流过两种不同导体的界面时,将从外界吸收热量,或向外界放出热量。把一块P型半导体和一块N型半导体叠放在一起,通电后,会在P型半导体和N型半导体的接头上产生温差和热量的交换,形成热端和冷端。当改变电源极性时,冷热端可以快速互换。通过大电流的时候,并且在热端散热很好的情况下,冷端可以快速地进行降温。多组PN结串联在一起可以达到快速制冷、制热的效果。0004国外表面信号发生装置主要集中于产生温度梯度信号,主要用于温度触觉场合。麻省理工学院的HHO等研制了一套基于半导体制冷器的触觉再现装置。

11、,根据温度梯度的变化可以区分热属性差别显著的材质,但该装置采用热敏电阻作为温度传感装置,难以反映半导体制冷器的实时温度变化。0005国内温度信号发生装置主要是在一个闭腔内产生恒定温度,适用于恒温场合。董慧等使用电热阻丝实现了一个腔体恒温发生装置,在0200范围内,该装置的测量精度可以达到01,控制精度可达04,但恒温时间较长。目前国内关于波形发生器的专利不多,还没有表面温度信号发生装置的相关专利。本发明提供的表面温度信号快速发生装置已用于温度触觉场合,还可用于仪器的动态特性测量、产品的寿命检验等。0006产生温度波形可以用于温度触觉场合,在虚拟现实技术和机器人技术中,温度触觉在触觉系统起到一个。

12、辅助作用。远端机器手以人手温度接触到一个物体时,远端物体表面与机器手发生热交换,温度发生变化,本发明装置可以在近端产生这个温度变化过程,可以让近端人手感觉到远端物体表面温度发生的变化,提高虚拟现实技术的真实感和沉浸感。发明内容0007针对现有技术,本发明提出了一种可产生表面温度信号的快速发生装置。该装置可快速再现物体表面的温度变化,根据该装置可达到的最大升降温速率以及一定的温度控说明书CN101968664A2/7页5制算法,如开关控制算法或PID算法,可产生正弦波、方波、三角波、锯齿波等函数波形以及任意波形的表面温度信号。波形的周期和幅度均可调,具有波形存储功能,并能够实时地显示输出波形的种。

13、类、周期和幅度。0008本发明采用如下技术方案一种表面温度信号快速发生装置,其特征在于设有包括半导体制冷器、换热器、红外传感器、液晶、上位机和控制电路,半导体制冷器作为温度信号发生元件,系由通有直流电的PN结构成,具有冷、热两个端面;换热器作为半导体制冷器的散热器件,包括水、气两路交换系统,水、气两路交换系统中分别设有电磁阀和泵,电磁阀和泵与控制电路输出的控制信号相连接;红外温度传感器设置在半导体制冷器上方,采集半导体制冷器的表面温度,液晶实时显示半导体制冷器的表面温度;控制电路中含有电源电路、调理电路、桥路及调压电路和控制芯片,红外传感器将采集的半导体制冷器表面温度输入至设有包括模数转换、放。

14、大、滤波的调理电路,调理电路将数字信号输出至控制芯片,控制芯片设有串口与上位机连接,向上位机实时发送温度数据,上位机根据温度的变化发送指令到控制芯片,控制芯片根据上位机的指令发送控制信号控制换热器水、气两路交换系统中相应的电磁阀和泵的开启或关闭,以调节半导体制冷器与换热器的整体热容量;控制芯片还根据上位机的指令发送控制信号给调压电路,调压电路输出连接在半导体制冷器电源极性两端,用于调节半导体制冷器两端电压,以调节半导体制冷器的升、降温速率;控制芯片输出还还根据上位机的指令发送控制信号给桥路,桥路输出对半导体制冷器进行制热、制冷和关闭三种工作模式的切换,通过PID算法,产生包括正弦波、方波、三角。

15、波、锯齿波在内的函数波形表面温度信号。0009所述桥路设有9个场效应管、4个二极管、4个电阻和1个电解电容,第一场效应管的栅极作为半导体电压极性改变的输入端与控制芯片的一个输入输出口相连,第一场效应管的漏极与第一电阻的一端相连,第一电阻另一端与5V电压相连,第一场效应管的源极接地;第二场效应管的栅极与第一场效应管的漏极相连,第二场效应管的漏极与第三电阻的一端相连,第三电阻另一端与电解电容的正极以及16V电压相连,电解电容负极接地,第二场效应管的源极接地;第三场效应管的栅极作为半导体电压关闭的输入端与控制芯片的另一个输入输出口相连,第三场效应管的源极接地;第四场效应管的栅极与第二电阻的一端相连,。

16、第二电阻的另一端与5V电压相连,第四场效应管的漏极与半导体制冷器TEC的负端相连,第四场效应管的源极与第三场效应管的漏极相连;第五场效应管的栅极与第四电阻的一端相连,第四电阻另一端与16V电压以及电解电容的正极相连,第五场效应管的源极与半导体制冷器TEC的负端相连;第六场效应管的栅极与第二场效应管的漏极相连,第六场效应管的漏极与第五场效应管的漏极相连,第六场效应管的源极与半导体制冷器TEC的正端相连;第七场效应管的栅极与第一场效应管的漏极相连,第七场效应管的漏极与半导体制冷器TEC的正端相连,第七场效应管的源极与第三场效应管的漏极相连;第八场效应管的栅极与第四场效应管的栅极相连,第八场效应管的。

17、漏极与第五场效应管的栅极相连,第八场效应管的源极接地;第九场效应管的栅极与第一场效应管的漏极相连,第九场效应管的漏极与第八场效应管的栅极相连,第九场效应管的源极接地;4个二极管中,第一、第二两个二极管串联,第一2极管负端与第五及第六场效应管的漏极连接,第二2极管正端与第四及第七场效应管的源极连接,第一、第二两个二极管之间与半导体制冷器TEC的正端相连;第三、第四两个二极管串联,第三2极管负端与第五及第六场效应管的漏极连说明书CN101968664A3/7页6接,第四2极管正端与第四及第七场效应管的源极连接,第三、第四两个二极管之间与半导体制冷器TEC的负端相连;0010所述调压电路设有两级运放。

18、、五个电阻、两个电容及一个三极管,由单片机产生不同占空比的PWMINPUT信号与第七电阻的一端相连,第七电阻的另一端与第八电阻的一端以及第一电容的一端相连,第一电容另一端接地,第八电阻的另一端与第一级运放的正输入端相连,第一级运放的输出信号送至第二级运放的正输入端,第一级运放的输出信号还与第六电阻一端相连,第六电阻另一端连接第五电阻一端,第五电阻另一端接地,第六电阻与第五电阻之间连接在第一级运放的负输入端,第一级运放的正电源端连接12V电压且连接第二电容后接地;第一级运放的负电源端接地;第二级运放的输出端连接第九电阻的一端,第九电阻的另一端连接三极管基极,三极管集电极接12V电压,三极管发射极。

19、与第一级运放的负输入端以及桥路中第一、第三两个二极管的负端连接。0011与现有技术相比,本发明的优点及有益效果在于00121、快速的表面温度变化速率;00132、可以产生任意波形的表面温度信号00143、使用水/气换热装置提高了表面温度信号的升降温速率;00154、红外传感器可实现高速、高精度非接触式温度测量;00165、本装置可用于物体表面温度信号的快速测控,可以快速产生正弦波、方波、三角波、锯齿波等函数波形以及任意波形的表面温度信号,更利于观察物体的温度动态特性。附图说明0017图1是本发明装置的局部结构图;0018图2、3是本发明装置系统框图;0019图4是本发明装置桥路和调压电路的原理。

20、图;0020图5是本发明装置水/气换热装置的原理图。具体实施方式0021参看图1,一种可产生表面温度信号的快速发生装置,设有管道1,半导体制冷器2、3、4、5,红外传感器6,进水口7,散热金属8组成。表面温度信号产生在半导体制冷器4的上端面,由红外传感器测控半导体制冷器的温度。管道内通液体或者气体,以期改变装置的热容量来提高半导体制冷器的制热与制冷速率。0022参看图2,采用半导体制冷器作为温度信号发生器件,液晶实时显示半导体制冷器的表面温度,红外传感器采集半导体制冷器的表面温度并输入至控制电路,同时由串口向上位机实时发送温度数据以便上位机根据温度的变化发送相关指令到控制电路,控制电路根据上位。

21、机的指令发送相关控制信号到水/气换热装置中进行控制,水/气换热装置根据该控制信号以调节半导体制冷器与热交换管的整体热容量。控制电路对半导体制冷器进行三种工作模式的切换制热、制冷和关闭。0023参看图3,控制电路包括了控制芯片、电源电路、调理电路、调压电路、桥路等。电源电路为控制芯片和调压电路提供电源,调理电路把传感器输出的信号进行放大、滤波等处理并提供给控制芯片,调压电路用于调节半导体制冷器两端电压,桥路用于切换半导体制说明书CN101968664A4/7页7冷器两端电压的极性和通断性。0024参看图4,桥路共有9个场效应管,其中0025场效应管1的栅极G即为DIRECTION端,场效应管1的。

22、漏极D与电阻R1的一端相连,电阻R1另一端与5V电压相连,场效应管1的源极S接地;0026场效应管2的栅极G与场效应管1的漏极D相连,场效应管2的漏极D与电阻R3的一端相连,电阻R3另一端与电解电容C3的正极相连,同时该端电阻R3与16V电压相连,电容C3负极接地,场效应管2的源极S接地;0027场效应管3的栅极G即为ENABLE端,场效应管3的漏极D与场效应管4的源极S相连,场效应管3的源极S接地;0028场效应管4的栅极G与电阻R2的一端相连,电阻R2的另一端与5V电压相连,场效应管4的漏极D与半导体制冷器TEC的负端相连,场效应管4的源极S与场效应管3的漏极D相连;0029场效应管5的栅。

23、极G与电阻R4的一端相连,电阻R4另一端与16V电压相连,同时电阻R4该端与电解电容C3的正极相连,电容C3负极接地,场效应管5的漏极D与OPIB的反相端相连,场效应管5的源极S与半导体制冷器TEC的负端相连;0030场效应管6的栅极G与场效应管2的漏极D相连,场效应管6的漏极D与OPIB的反相端相连,场效应管6的源极S与半导体制冷器TEC的正端相连;0031场效应管7的栅极G与场效应管1的漏极D相连,场效应管7的漏极D与半导体制冷器TEC的正端相连,场效应管7的源极S与场效应管3的漏极D相连,D1和D2的连接点接半导体制冷器的一端,D3和D4的连接点接半导体制冷器的另一端。;0032场效应管。

24、8的栅极G与场效应管4的栅极G相连,场效应管8的漏极D与场效应管5的栅极G相连,场效应管8的源极S接地;0033场效应管9的栅极G与场效应管1的漏极D相连,场效应管9的漏极D与场效应管4的栅极G相连,场效应管9的源极S接地;00344个二极管中,D1、D2两个二极管串联,D1负端与场效应管5、6的漏极连接,D2正端与场效应管4、7的源极连接,D1、D2两个二极管之间与半导体制冷器TEC的正端相连;D3、D4两个二极管串联,D3负端与场效应管5、6的漏极连接,D4正端与场效应管4、7的源极连接,D3、D4两个二极管之间与半导体制冷器TEC的负端相连;0035所述调压电路设有两级运放、五个电阻、两。

25、个电容及一个三极管,由单片机产生不同占空比的PWMINPUT信号与电阻R7的一端相连,电阻R7的另一端与电阻R8的一端以及电容C1的一端相连,电容C1另一端接地,电阻R8的另一端与第一级运放OPIA的正输入端相连,第一级运放OPIA的输出信号送至第二级运放OPIB的正输入端,第一级运放的输出信号还与电阻R6一端相连,电阻R6另一端连接电阻R5一端,电阻R5另一端接地,电阻R6与电阻R5之间连接在第一级运放的负输入端,第一级运放的正电源端连接12V电压且连接电容C2后接地;第一级运放的负电源端接地;第二级运放OPIB的输出端连接电阻R9的一端,电阻R9的另一端连接三极管基极,把该放大信号反馈到第。

26、二级运放的负端以实现稳压控制。,三极管集电极接12V电压,三极管发射极与第一级运放的负输入端以及桥路中D1、D3两个二极管的负端连接。0036参看图5,本发明装置中提供的控制水/气换热装置。实验前,控制水/气换热装说明书CN101968664A5/7页8置使空气进入热交换管空腔,热交换管由进口、出口组成,控制半导体制冷器两端的电极方向使其制冷或制热。当半导体制冷器需要制冷时,由控制器发出控制信号1使电磁阀1开启,控制信号2使电磁阀2关闭,控制信号3使水泵10开动,水进入热交换管空腔,提高了热交换管空腔内部的热容量。当对半导体制冷器制热时,由控制器发出控制信号1使电磁阀1关闭,控制信号2使电磁阀。

27、2开启,控制信号4使气泵12开动,空气进入热交换管空腔,降低了热交换管空腔内部的热容量。热容量系统在某一过程中,温度升高或降低1所吸收或放出的热量叫做这个系统在该过程中的热容量,比热容是单位质量物质的热容量,室温时空气的比热容为1030JKG1,水的比热容为4200JKG1。0037温度波形控制算法的控制途径实施例0038一、改变半导体制冷器的工作状态0039根据半导体制冷器的制冷与制冷原理,半导体制冷器可在三个工作状态,即制热、制冷和关闭之间实现切换,因此必须经常切换半导体制冷器两端的电压极性、电压通断。如图4中桥路电路所示,当DIRECTION与控制芯片的一个输入输出口相连端为高电平时,场。

28、效应管导通,TEC的正端V为高电平,TEC的负端V为低电平。当DIRECTION端为低电平时,场效应管导通,TEC的正端V为低电平,TEC的负端V为高电平。当ENABLE与控制芯片的一个输入输出口相连端为低电平时,半导体制冷器关闭。制热和制冷的区别在于半导体制冷器两端的电极极性正好相反,同时为提高半导体制冷器的制冷/制热速率,在制冷时,如图5所示仅开启电磁阀1运行水泵使水进入热交换管空腔,增加了半导体制冷器与热交换管的总热容量,可以对半导体制冷器的热端面更好地散热以提高半导体制冷器降温速率;制热时,仅开启电磁阀2运行气泵使空气进入热交换管空腔,降低了半导体制冷器与热交换管的总热容量,可以提高半。

29、导体制冷器的升温速率;关闭,即半导体制冷器两端不施加电压,在关闭半导体制冷器时,便于和制冷或制热时半导体制冷器的工作状态形成对比,易于观察半导体制冷器快速的升降温速率,同时可以给温度控制算法提供另一种控制的手段,当半导体制冷器温度高于室温并关闭时,半导体制冷器温度快速回落到室温,当半导体制冷器温度低于室温并关闭时,半导体制冷器温度快速回升到室温。0040二、改变加在半导体制冷器两端的工作电压0041本发明采用调节PWM波的占空比来进行调压,PWM_INPUT与控制芯片的一个输入输出口相连输入不同占空比的PWM信号以及设计的桥路实现半导体制冷器上的电压VTEC在012V内连续可调。由单片机产生不。

30、同占空比的PWM波,经低通滤波得到05V的直流电压,送入第一级运放放大后输出到第二级运放的同相端,再利用三极管进行电流放大,并把VTEC反馈到第二级运放的反相端以实现稳压控制。由于三极管的最大导通电流可达25A,因此该桥路可以承受所选半导体制冷器的最大工作电流。0042本装置的工作原理0043半导体制冷器的上表面产生表面温度信号,红外传感器实现闭环控制。闭环控制目的在于1、提高恒温控制精度2、提高温度波形输出的准确性。闭环控制实现过程如下红外传感器采集半导体制冷器的表面温度并输入至控制电路,控制电路根据该温度值并依据所要求的温度波形输出通过一定的温度控制算法调节半导体制冷器的工作状态。0044。

31、该装置的温度波形输出基于以下过程,先让整套装置可以产生表面恒温信号,在这个基础上进行温度波形的输出。恒温温度波形输出是其他温度波形输出的基础。说明书CN101968664A6/7页90045下文解释恒温模式和其他温度波形输出的过程该装置可工作在两种模式下00461、恒温模式0047在上位机输入需要控制的恒温数值,并确认发送命令到控制芯片。控制芯片根据这个温度值控制半导体制冷器的温度,装置开始进行恒温设定。初始状态半导体制冷器处于室温,此时控制芯片输出ENABLE端为高电平,开关打开,红外传感器实时监测半导体制冷器温度并发送到上位机,假如设定的温度值和室温的差值为T,根据该差值以及PID算法,可。

32、以算出调压电路应该加在半导体制冷器两端的电压值和极性0048VOUTPTITNTN1T0DTNTN10049VOUT输出电压0050P比例系数0051I积分系数0052D微分系数0053TN、TN1T0第N,N1,0点温度采集0054极性由T的与0相比的结果决定,大于0时极性为正,小于0时极性为负。0055每次控制芯片接收到一个温度传感值后都进行PID运算来调节输出电压和极性。0056具体调节过程如下0057假如极性为正,则控制芯片控制DIRECTION端为高电平,此时通过桥路V输出高电平,V输出低电平。同时根据PID算法,T越大,则加在半导体制冷器两端的电压越大,上位机根据算法算出应该加在半。

33、导体制冷器两端的电压后发送指令到控制芯片,控制芯片根据该命令,改变PWMINPUT脚的占空比,以使调压电路的输出达到设定的电压。如此往复使半导体制冷器达到设定的恒定温度值。00582、任意波形温度控制0059刚开始控制时,在上位机选择好输出的波形后,设置好波形的参数,输出控制指令到控制芯片。装置开始进行波形温度控制,上位机先控制半导体制冷器到波形的初始温度,参照恒温控制过程,由于输出的是温度波形,因此在不同的时刻上位机会输出不同的温度设定值指令,在不同时刻输出的不同的温度值由选择好的温度输出波形和该波形参数以及该装置的最大升温与降温速率确定。这样就能在半导体制冷器表面产生温度波形。0060下面。

34、以产生2040度方波温度波形0061设该方波的周期为10S,40度和20度的时间都是5S,初始时上位机把方波的初始温度20度以温度设定指令的方式发送到控制芯片,控制芯片根据恒温控制过程控制半导体制冷器到达20度。到达5S后,40度以指令的方式发送到控制芯片,同样,控制芯片以恒温控制的过程让半导体制冷器迅速达到40度并维持5S时间,如此往复。0062产生2040度三角波温度波形0063设该三角波的周期为10S,上升时间和下降时间都是5S,开始温度设定的时间为0S,则每隔100MS由上位机向下位机发送温度控制命令和温度控制数值,数值根据根据线性关系算出,如100MS的时候发送204度的温度设定命令。

35、,在5S的时候发送40度的温度设定命令,在510的时间内,根据不同的时间每隔100MS发送温度设定命令,同样根据线性关系计算出温度设定值比如在51S的时候上位机发出396度的温度设定命令,以此类推既可得到温度三角波形。说明书CN101968664A7/7页100064波形温度输出总结在最大升温速率和最大降温速率的前提下,不同的波形的区别只在于不同的时刻上位机给控制芯片发出的温度设定值不同。说明书CN101968664A1/4页11图1图2说明书附图CN101968664A2/4页12图3说明书附图CN101968664A3/4页13图4说明书附图CN101968664A4/4页14图5说明书附图。

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