（测试计量技术及仪器专业论文）高精度恒温箱测控系统的优化设计.pdf

高精度恒温箱测控系统的优化设计 摘要 为了保证高精密测量仪器工作在正常的条件下，充分发挥仪器的性能，需 要对周围的环境温度进行严格的控制。本课题在原有恒温箱的测控系统的基础 上以提高温度控制的精度，减小温度控制的过渡过程时间，降低测控系统的硬 件成本为目标，进行了优化设计。 本文重点研究了高精度的温度测量技术。文中首先对n t c 热敏电阻的热特 性和电特性进行了探讨，通过对传感器的重新标定和建模，使传感器在 1 8 * c - 2 2 的温度范围内达到了0 0 1 的测量精度：然后提出了一种基于n t c 热敏电阻的多通道测温方案。该方案采用比较测量法，消除了恒流源的不确定 性对测量精度的影响；采用高性能的模拟开关进行切换，实现了多通道测温。 最后，详细介绍了其硬件电路的设计和软件的设计。实验表明，该测温系统在 1 8 - 2 2 的范围内，温度测量精度可达士o 0 2 ，测量分辨率为0 0 0 1 。 文中采用系统辨识的方法确立了恒温箱的数学模型为二阶无滞后模型。讨 论了p i d 控制理论在温度控制系统中的应用，介绍了p i d 控制算法数字化的方 法；引入了模糊控制思想并设计了模糊控制器。通过对两种算法的仿真比较， 采用了模糊p i d 算法对恒温箱系统进行控制。最后，建立了新的温度测控系统 并进行了实验。结果表明：单点温度的波动性小于- 4 - 0 0 2 ，温度控制的过渡过 程时间小于8 0 0 0 秒，达到了预期目标。 关键词：n t c 热敏电阻；高精度温度测量；恒温箱；模糊p i d ；系统优化 o p t i m a ld e s i g no fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m f o rh i g h - - p r e c i s i o nc o n s t a n tt e m p e r a t u r ec a b i n e t a b s t r a c t i t si m p o r t a n tt oc o n t r o lt h es u r r o u n d i n g st e m p e r a t u r es e r i o u s l yt om a k es u r e t h eh i g h - p r e c i s i o nm e a s u r i n gi n s t r u m e n t sc a nw o r ku n d e rn a t u r a lc o n d i t i o n sa n d w o r ke f f e c t i v e l y i nt h i sc a s e ，t h ed e s i g no ft h eo r i g i n a lt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t a n dc o n t r o ls y s t e mi so p t i m i z e dt o i m p r o v et h ep r e c i s i o no ft h et e m p e r a t u r e c o n t r o l l i n g ，m i n i m i z et h et r a n s i t i o nt i m eo ft h et e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n g ，a n dr e d u c e t h eh a r d w a r ec o s tb a s eo nt h ec o n s t a n tt e m p e r a t u r ec a b i n e t t h i sp a p e rf o c u s e so nt h eh i g hp r e c i s i o nt e m p e r a t u r em e a s u r i n gt e c h n o l o g y t h et h e r m a la n de l e c t r i c a ln a t u r eo ft h en t ct h e r m i s t o ri si n t r o d u c e df i r s t l y b y r e c a l i b r a t i o na n dm o d e l i n g ，t h et h e r m i s t o r sh a v et h ea c c u r a c yo f0 0 1 b e t w e e n 18 。c - 2 2 c t h e nak i n do fm u l t i c h a n n e l t e m p e r a t u r em e a s u r i n gm e t h o du s i n g a n a l o gm u l t i p l e x e r sw i t hh i g hp e r f o r m a n c ei sp r o p o s e db a s e do nt h et h e r m i s t o r s t h eu n c e r t a i n t yb e c a u s eo ft h ec o n s t a n t - c u r r e n ts o u r c eo nt h ef i n a la c c u r a c yi s e l i m i n a t e db yu s i n gc o m p a r a t i v e l ym e a s u r i n g i nt h ee n dt h eh a r d w a r e & s o f t w a r e d e s i g n i sp r e s e n t e dt o t a l l y t h e e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ea c c u r a c yo ft h e t e m p e r a t u r em e a s u r i n gs y s t e mc a nb eu pt o 士0 0 2 c ，w i t ht h er e s o l u t i o nu pt o o 0 0 l i n1 8 - 2 2 t h ec a b i n e ti sm o d e l e dm a t h e m a t i c a l l yb yu s i n gt h es e c o n do r d e rs u b je c t w i t h o u td e l a y st h r o u g hs y s t e mi d e n t i f i c a t i o n i nt h i sc a s e ，i td i s c u s s e st h ep i d c o n t r o lt h e o r yi nt h et e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n gs y s t e ma n di n t r o d u c e st h ed i g i t a lp i d c o n t r o la l g o r i t h m a si nc o m p a r e ，t h et h e o r yo ff u z z yc o n t r o li si n t r o d u c e da n da f u z z yc o n t r o l l e ri sd e s i g n e d af u z z y - p i ds t r a t e g yi sa d o p t e db yc o m p a r i n gt w o c o n t r o ls c h e m e st h r o u g hs i m u l a t i o n f i n a l l y ，an e w m e a s u r i n g & c o n t r o ls y s t e mi s e s t a b l i s h e da n ds t u d i e de x p e r i m e n t a l l y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et e m p e r a t u r e f l u c t u a t i o no fas i n g l e p o i n ti s 士o 0 2 c ，t h et r a n s i e n tt i m ei sl e s st h a n8 0 0 0s e c o n d s a n dt h ed e s i r e do b je c t i v eh a sb e e nm e t k e yw o r d s ：n t ct h e r m i s t o r ；h i g h p r e c i s i o nt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ；c o n s t a n t t e m p e r a t u r ec a b i n e t ；f u z z y p i d ；s y s t e mo p t i m i z a t i o n 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 18 图3 1 9 图3 2 0 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 插图清单 美国分子测量机结构2 韩国b u p e 高精密恒温箱结构图3 球形封闭舱及其结构4 超精密车床环境温度控制原理图5 分离式恒温箱的原理示意图7 分离式恒温试验箱8 入口速度为1 m s 温度场分布图9 入口速度为1 m s 速度场矢量图9 恒温箱测量控制系统原理图1 0 n t c 热敏电阻的电阻温度特性曲线一1 3 多通道测温系统的结构示意图1 8 多通道测温系统的总体框架图：1 9 m s p 4 3 0 f 1 6 9 的结构框图2 0 恒流源电路的原理图2 0 恒流源电路2 3 模拟开关的切换2 4 放大器失调电压的调整2 5 a d 7 7 11 与单片机接口2 6 独立式键盘的结构j 2 6 液晶显示器s m g l 2 8 6 4 g 2 z k 的接口图2 6 士1 2 v ，5 v 电压的产生2 7 3 3 v 电压的产生2 7 2 5 v 基准电压的产生2 7 2 5 v 电压的产生2 8 单片机系统及其控制电路2 8 采用正向的测试电流一2 9 采用反向的测试电流2 9 测温系统主程序流程图3 0 单个通道的温度测量子程序3 1 系统阶跃响应的实验结果图3 3 p r o c e s sm o d e l s 对话框3 4 四种模型的仿真输出和实际输出的误差3 4 二阶无滞后模型的模型符合度图3 5 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图5 1 图5 2 图5 3 图5 - 4 图6 1 图6 2 图6 3 图6 - 4 图6 5 图6 6 图6 7 p i d 控制原理框图3 6 常规p i d 仿真控制模型框图3 6 k p = 1 8 时比例控制阶跃响应曲线3 7 尺_ p = 1 2 ，k i = 0 0 0 1 时比例积分控制阶跃响应曲线3 7 k p = 1 2 ，k ，= 0 0 0 1 ，k d = 1 0 0 时比例积分微分控制阶跃响应曲线3 8 数字p i d 控制原理框图3 9 p i d 控制器的计算机实现3 9 模糊控制的基本结构框图4 0 模糊控制器结构图4 1 f u z z y 控制变量隶属函数图4 2 恒温箱模糊控制的仿真图4 4 恒温箱模糊控制的仿真结果4 4 恒温箱模糊控制规则的立体图4 5 改进后的温度测控系统硬件原理图4 6 温度值读取部分程序流程图4 8 控制算法部分程序流程图4 8 测控系统g 图4 9 多通道测温系统的实验板5 0 多通道测温系统的测温效果图5 1 温度传感器位置图5 2 p i d 控制与模糊p i d 控制过渡过程图5 3 改进后的温度控制曲线- 5 3 受控点温度变化曲线5 4 恒温箱温度场变化曲线5 4 表格清单 表3 1温度不确定度1 4 表3 2 恒温槽的主要技术参数1 5 表3 3热敏电阻标定结果1 5 表3 4n t c 热敏电阻的校准系数1 6 表3 5不同金属材料触点的热电动势系数2 3 表4 1模糊控制规则表4 3 表5 1m a a 0 5 0 t - 1 2 的有关参数4 6 表5 2p s m 6 0 0 3 性能参数4 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金胆工些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 南崎 签字日期：矽7 矽年矿月刁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些去堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金照王业态堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字晚弘尹年铲月z 7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：心 签字日期：。筘 电话： 邮编： 磅； 、钐 致谢 本研究及学位论文是在我的导师张辉教授的亲切关怀和悉心指导下完成 的。在课题的研究过程中，张老师为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心 点拨、热忱鼓励。他对科学研究敏锐的洞察力，严谨的治学精神，丰富的实践 经历，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。在读研期间，张老师不 仅授我以文，而且教我做人，在思想、生活上给了我无微不至的关怀，为我的 成长倾注了大量的心血。在此谨向张老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 感谢张阳老师给予的帮助和鼓励，感谢蔡震师兄、李小萍师姐在课题研究 上的支持，感谢陈凡、杨光佐、张梦、朱琦、郑大腾博士、陈自然博士等对我 的帮助和关怀，感谢关心我，帮助我的兄弟姐妹们。 感谢我的父母和家人，是他们在我的成长和学业上给予了无私的爱与鼓励。 谨以此文献给关心、帮助过我的所有人。 作者：高峰 2 0 10 年4 月 第一章绪论 1 1 高精密温度环境控制的研究目的和意义 测量技术是制造技术的先导，对于工件尺寸精度的检测，常用的工具就是 三坐标测量机。近十年来，微电子技术的快速发展使得半导体产业、精密机械 工业、生物化工领域、光电系统、显微机构、表面工程等方面都朝微小化、精 密化的方向前进，以微米加工、纳米结构和系统为目的的微纳米技术在此背景 下应运而生【lj 。利用精密加工手段加工出的微纳米结构，使得产品的尺寸趋于 微小化；m e m s ( 微机电系统) 器件的加工技术的快速发展，出现了各种微纳米 机构，如微齿轮、微型孔、微型台阶等产品 2 - 4 】。对工具、机件的精度要求越来 越高的同时，必须不断提高设备的检测能力与检测精度。这些微型器件的几何 尺寸几乎都在微纳米量级，要对这些微器件进行精密测量，就要发展特殊的高 精度检测方法。传统的三坐标测量机已经难以胜任，需要研制具有纳米级精度 的三坐标测量机。 纳米测量的关键技术包括高精度探头设计，先进测量方法研究，高精度运 动控制以及严格的环境控制1 5 】。纳米三坐标测量机的测量精度不仅取决于机器 本身的精度，而且在很大程度上依赖于环境条件。特别是在超高精度测量中， 环境条件的影响往往成为制约因素。主要表现在温度，湿度，振动等影响。在 环境控制中，温度控制更是重中之重。因为，影响纳米三坐标测量机测量精度 的因素很多，其中，温度的影响最大。对于一个尺寸为1 0 0 e r a 的工件，如果将 温度控制在2 0 士0 0 l 水平，由于温度引起的热变形误差就可达0 12 p , m ，即使采 用误差修正技术，也很难达到纳米级精度【6 】。产生温度误差的原因既有被测工 件和测头的温度与标准温度不一致，也有被测工件和测头的线胀系数各不相同 1 7j 。比如温度的变化会使测头和标尺的几何尺寸发生变化，使测量机结构变形。 同时，时间或空间的温度梯度还会影响测量机的稳定性，使其发生漂移。由于目 前还难以建立精确的热变形误差模型，温度误差也不容易定量确定，故应将环境 温度严格控制在一定的范围内。 传统的三坐标测量机由于体积较大，且本身的测量精度有限，一般只要放 在恒温恒湿实验室里，就可以保证测量的顺利进行。这时，温度的影响并不是 很突出。恒温室一般是用压缩机组作为温控元件来控制温度，温度的控制精度 和稳定性都十分有限。当测量精度要求提高到纳米级时，温度的影响就越来越 显著。采用压缩机进行控制不仅精度有限，而且在压缩机的启动和停止时，存 在着较大的振动，这种振动会给微米、纳米测量带来更大的误差。由于纳米三 坐标的体积小，对温度要求苛刻，有必要采用小型恒温箱单独进行控制。此外， 一些干扰因素如：人体热源，仪器工作发热，照明热源等都会引起恒温箱内温 度的波动和均匀性的改变，将使其难以达到很高的精度。所以，应充分考虑外 界热源的影响，合理设计恒温系统的结构，使恒温箱内的温度均匀；采用无机 械振动的制冷元件作为温度控制的执行嚣，消除振动的干扰。因此，深入研究 微纳米测量的环境温度控制，设计一个高精度的温度测控系统是具有重要意义 的。 12 国内外研究现状 美国国家标准技术研究院n i s t ( n a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r da n d t e c h n o l o g y ) 、英国国家物理实验室n p l ( n a t i o n a lp h y s i c a ll a b o r a t o r y ) 、德国 国家物理技术研究院p t b ( p h y s i k a l i s ht e e h n i s c h eb u n d e s a n s t a l t ) 、韩国b u p e ( b i l l i o n t hu n c e r t a i n t yp r e c i s i o ne n g i n e e r i n g ) 等研究机构在实施纳米测量和控 制的计划时指出t 对环境的精密控制是实现高精度测量的基础【”。因此，这些 机构在进行纳米级测量技术研究的同时，也对高精密的环境控制技术，特别是 高精密的温度控制技术进行了深入研究，并取得了一些成果。 121 美国n i s t 的m m m 为了建立国家级线栅尺的校正标准，美国国家标准技术研究院( n i s t ) 从 1 9 8 7 年开始进行分子测量机( m o l e c u l a r m e a s u r i n g m a c h i n e ，m m m ) 的研究。 提出了测量分辨率小于l n m 且总体精度1 0 n m 的指标】。m m m 的内核测试环 境温度的控制精度己经达到2 0 0 o 0 0 5 c 9 1 。图1 - i 为其实物照片及结构图 1 0 l 。 氛蔫 一 圈1 - 1美田分子测量机的结构图 可以看出测试内核是位于多重环境保护罩之内的。在这些保护罩的作用下 可以得到隔振、隔音、恒温、恒湿、真空等功能。在结构设计上，m m m 采用 球形，具有刚性性能优越和易于控温等优点。其测量核心为一直径为3 5 c m 的 空心高导无氧铜球。 测试内核是放在多层隔离和控制壳之内的。其中，温度控制壳的主要作用 是保证核心机构能够工作在恒温区域内。它是一个直径为5 0 c m 的镀金铜球， 比内核稍大( 内核直径为3 5 c m ) 。球壳外面绕有绝缘的铜导线。导线之问的距 离为6 r a m 。通过控制温度控制壳的热阻大小来得到核心机构ol mo c l _ 0 m c 的温度稳定性。温度的上升时闻为2 4 小时。核心机械和控制壳均由空一t l , 高导无 氧铜制成，采用了电镀金的方式，以改进热辐射耦合和表面的长期抗腐蚀。为 保护整个仪器，并为样品提供洁净的测量环境，将测量机放在先进的计量实验 室。超洁净区位于地下实验室的封闭空间的水泥块防震地基上。洁净区达到1 0 0 级，温度控制在00 1 ，并且十分安静。为了避免因机械振动而引起的测量环 境干扰，仪器工作时须关闭所有的风扇。这样提供了安静的、振动极小的恒温 测量环境。 在控制系统的设计上，m m m 采用丁基于v m e 总线的以多d s p 为核心的 高精度多通道测控系统来建立高精密的纳米测量环境。整个系统采用p c 机进 行控制管理，用户界面和项层控制采用m a t l a b 编程【1 5 1 。 122 韩国b u p e 的超高精度c m m 韩国b u p e ( b i l l i o n t hu n c e r t a i n t yp r e c i s i o ne n g i n e e r i n g ) 在实施u p c m m ( u l t r ap r e c i s i o nc m m ) 研究计划时也提出了要建立小型的恒温恒湿抗振洁净 的测量环境，并提出了严格的测量环境控制要求】。设计了一种环境测试箱， 具有4 层封闭式的结构，即绝热层、隔音层、真空层和测试层，温度控制目标 为2 0 0 0 0 1 。 在温度控制上采用的方案为多层小型箱式温度控制系统。从图1 - 2 可以看 出其第一层箱体可以提供给整个仪器一个相对低波动性的温度环境。其波动为 01 。第二层是作为控制环节的中间层。通过在激光光源上固定热管来传递所 产生的热量。该层的温度变化范围为00 l 。最后一层是核心工作层，在这一 层内实现高精度的定位测量，其内部为真空环境。所有的热量都从这个层内移 走最终达到o0 0 1 的温度波动性。整个的三层温度控制是一个系统化的控 制过程，从而达到最终的控制目标。另外，每一个隔离层上都镀膜并抽成真空 状态，这样不仅可以隔热，同时也可以达到隔声和隔振的功能”。由于镓在它 7 ，7 ， 7 7 圳d _ 7 ( 7 川 f ， 二“# 【 一 _ 1m “ 7二ic ， 、+ 。_ 1 e 、ir t l i 1 i 二i m 4c ；蚍量 。一+ 备舳 7 h j ”“ ， 一 7 7 图1 2 韩国b u p e 高精密恒温箱结构图 的熔点附近具有非常好的热稳定性，他们利用这种材料进行热量的隔离和交换， 已经将温度控制到了00 0 5 m l 。 1 23 泰国的高精度球形恒温箱 为了保证扫描隧道显微镜的稳定工作，泰国p a t h u m w a n 工程研究所研究设 计了一种双层球形结构的恒温箱。其控温目标为o0 l 1 13 1 4 。如图1 - 3 所示。 图i 一3球形封闭舱及其结构 箱体采用内外两层结构，为了便于安装s t m ，各层分别设计成上下两个半 球。在两层之间填充有隔热材料。并且在内层周围布置的有螺旋铜管。外层直 径为7 0 c m ，内层直径为5 0 c m ，热量交换层的直径为6 0 c m 。通过向铜管中注入 水或冷气，使其在管内流动，通过管壁和舱内气体进行热量交换来达到温度的 精确控制。系统分为温度控制和温度稳定两种模式。在温度控制模式时，水流 会流过舱体内的螺旋铜管。采用水的流速作为热量对流器。当舱内温度达到某 个设定值时，进入温度稳定模式。将冷气由风机吹入管内，进行循环和热量交 换。由于冷气比水的密度低，可大大降低水的循环流动所造成的舱内温度波动， 温度的稳定性有很大提高。他们通过试验得出系统的模型是一个一阶系统，并 采用p i d 算法进行控制。目前，温度的控制精度达到0 0 5 。上升时间为2 5 r a i n ， 预计精度可达00 1 。 1 2 4 国内恒温箱研究及相关产品 哈尔滨工业大学精密工程研究所在研制h c m i 亚微米超精密机床时，对机 床工作的环境温度也进行了控制。图1 - 4 是超精密加工的环境温度控制系统”。 采用气喷淋的形式。其一般控制区域为一无窗的房间，以避免日光的影响。该 房间有一玻璃门与外界隔离。此区域的控制用较大功率的空调实现，其温度控 制精度在3 以内，设定温度比玻璃隔间内低4 5 。操作人员可在此区域内 活动。 精密控制区域用双层玻璃与一般控制区隔开。使用石英电热管加热，最高 功率达3 k w 。采用自适应预测模糊p i d 算法进行超精密环境温度控制，环境温 度可控制在o0 5 。在精密控制区域内，加热后的气体以层流方式吹出。超 精密控制区域由另外一层玻璃罩在精密控制区域内进行局部恒温控制。 图1 - 4超精密车床环境温度控制原理图 为了保持电阻传递标准的环境温度高度稳定，李正坤等人研制了一种高精 度控温箱【l6 1 。箱体的外形尺寸为长5 0 c m 、宽4 0 e r a 、高4 6 c m 的立方体，内腔由 厚1 0 m m 的金属铝板构成，作为均温层，尺寸为长3 5 c m 、宽2 5 c m 、高3 1 c m 。铝 壳外表均匀绕有双绞线加热丝。内腔和控温箱外壳之间填充泡沫塑料作为绝热 层。控温方式是通过在箱体各个侧面上分别安装加热器和传感器，通过传感器 分别测量出各控温点和设定温度之间的差别，进而调节相应加热器来减小温度 差，达到温度稳定、均匀的目的。把整个加热器分成上、中、下三个部分，分 别测量这三个部分的温度并对其进行控制，以达到良好的总体温度均匀性。最 终，控温箱的长期稳定性达到了2 m k 月，温度梯度也在2 m k 之内。并且能够进 行自动的调整。 在国内恒温箱的产品上，性能比较突出的如上海微电子装备有限公司的 s t c p l 0 0 0 0 0 1 0 d 高精密温度控制装置( c h i l l e r ) 1 1 7 】。它是为刻蚀、薄膜淀积 设备提供环境温度控制的专用设备，利用热交换原理，将经过精确温控的循环 液提供给用户设备的反应器，以维持工作单元稳定可靠的温控环境。c h i l l e r 采用专家p i d 智能控制算法，并结合加热和制冷的微调技术，能够控制循环介 质温度在设定值- 4 - 0 1 范围内，以满足各种半导体设备对系统环境的高精密控 制要求。 1 3 课题的来源及主要研究内容 本课题来源于国家自然科学基金、国际合作与交流项目“纳米三维测量关 键技术与系统研究 ( 项目编号：5 0 4 2 0 1 2 0 1 3 4 ) 的延续和8 6 3 项目的子课题。 本课题是在原有恒温箱的基础上，进行优化设计。以简化测控系统的结构， 降低硬件成本，提高温度控制精度，减小温度控制的过渡过程时间为目标。课 题主要进行了以下三个方面的研究： ( 1 ) 高精度温度测量技术研究 为了实现高精度的温度控制，必须要有高精度的温度测量装置。本文针对 用于微纳米测试的恒温箱的温度测量量程窄( 1 8 2 2 ) 、测量精度要求高 ( 2 0 0 0 1 ) 等特点，研究设计出一种高精度多通道温度采集系统。文中 首先对高精度温度传感器进行了研究，使用较低成本的n t c 热敏电阻温度传感 器，并对其进行重新标定和建模，以获得在一定温度范围内( 1 8 2 2 ) 的 高精度性能；进而设计出一套合适的高精度多通道测温系统，并对其硬件电路 的设计和相应的软件设计作了详细的叙述。 ( 2 ) 恒温箱数学模型的研究 文中运用系统辨识的方法对恒温箱的四种模型进行了辨识和分析，通过对 四种模型的比较，确立了一种二阶模型作为该恒温箱的控制模型。 ( 3 ) 高精度温度控制技术研究 运用m a t l a b 的s i m u l i n k 模块建立了基于p i d 算法和模糊控制算法的仿 真系统，通过算法的仿真比较，确定使用模糊p i d 的控制算法可以达到更好的 效果。 6 第二章微纳米测试用恒温控制箱概述 2 1 分离式恒温箱的结构 传统的恒温箱一般采用组合式结构。它将控制器、制冷装置( 一般采用压 缩机) 、加热装置、风机风扇和恒温工作腔有机地组合在一起，以实现温度控制。 这种类型的恒温箱由于存在局部热源的影响( 如风机工作发热) 和较大的干扰， 温度控制精度较低；且很少考虑气流的组织形式，温度控制的均匀性较差；由 于压缩机启动和停止时会带来一定的振动，因此内部也不适合放置高精密仪器。 用于放置微纳米仪器的恒温箱即对工作区内的温度稳定性要求苛刻，也对 整个空间中的温度均匀性要求很高，在恒温箱内不可以出现大的空气流动和温 度死角，同时不能有大的机械振动，以免影响到微纳米测量仪器的工作【1 8 以9 1 。 因此，对恒温箱的机械结构进行了特殊设计，采用新颖的三腔分离式结构，如 图2 1 所示。图2 2 是其实物图。 制 图2 - 1分离式恒温箱的原理示意图 恒温箱将工作腔和制冷腔分离开来，并且增加了静压腔。制冷腔内安装的 有半导体制冷片，用于产生温度控制所需要的冷量。静压腔的设置可将从制冷 腔中流入的空气再次混合，使其温度进一步均匀，同时使吹向工作腔中的空气 的气流组织更均匀，以使工作腔中的温度场达到较好的均匀度。 静压腔中利用导风口和孔板使气流组织更均匀。导风口采用一个漏斗型的 器件，这使得气流经过导风口后可以均匀分布在一定的区域内。顶部的孔板采 用一块7 0 x 7 0 c m 的树脂板，并在上面均匀地打上小洞。它可使静压腔内的气体 流过后形成活塞式气流，保证工作腔内气体流速和温度变化的均匀性。在恒温 箱的底部有一回风孔板用于回风。将电机布置在腔体以外，尽量杜绝任何可能 的热源。箱体均采用8 0 m m 超细保温棉作为填充层，有效地隔离了箱体内外的 热传导；同时，送风管道和箱体间是严格密封的，从而抑制了箱体内外的热对 流，减小了箱体的泄露。 7 冷空气的产生采用无机械振动的半导体制冷片来实现。半导体制冷主要是 利用帕尔贴效应( p e l t i e r e f f e c t ) 来实现能量搬移的，即当直流电通过两种不同导 电材料构成的回路时，其接触面上会产生吸热和放热的现象 2 0 】。半导体致冷片 的致冷功率由输入电流控制。 圉2 - 2 分离式恒温试验箱 恒温箱内气体流动过程为：空气通过回风电机从工作腔中流入半导体制冷 片的制冷端，经过冷却后，在制冷腔中经过一次混合使空气的温度比较均匀 这些空气再从制冷腔中由送风电机吹入静压腔。在静压腔中冷气与空气再次混 合并通过孔板流入工作腔中。通过气体的流动，使制冷片上产生的冷量传递到 工作腔内，保证工作腔内空气温度的稳定并使空间内的温度场均匀。 整个恒温箱是放在密闭的恒温实验室里的。恒温箱工作时，将箱外的环境 温度设为略高于箱内需要控制的温度。这样，当箱体内的冷量过多，温度下降 时，可以减小半导体制冷片的功率。由于外界温度高于箱内温度，便可使箱内 温度慢慢回升至受控温度点以上，然后再加大制冷片的功率。如此进行不断地 调节，最终达到一个稳定的平衡状态。 2 2 恒温箱的温度场分布情况仿真 由于恒温箱的温度控制是采用风冷的方式实现的，为了使全局温度恒定且 均匀，风速平稳又不出现死区，合理地设计气流的组织形式是十分重要的。系 统采用上送下回的孔板送风方式。 假设箱体完全密封，恒温箱外环境温度高于箱内温度，箱体存在一定热泄 漏，箱体入口温度为2 9 3 k ，入口速度为l m s 时，整个静压腔与工作腔内温度场 与速度场矢量分布的仿真情况分别如图2 3 和2 4 所示。图2 3 中不同颜色代表不 同的温度值，图2 - 4 中不同颜色代表不同的速度值。 可以看出，恒温箱内无热源时，当入口速度达到一个合适的值时，工作腔 温度分布很均匀，速度分布也比较一致。 图2 - 3 口速度为i m s 温度场分布图 图2 - 4 入口速度为1 m s 速度场矢量图 2 3 恒温箱温度测控系统介绍 原有恒温箱测控系统的硬件主要包括以下几个部分： 一路高精度温度采集单元。采用h a r t l5 0 4 高精度温度测量仪，外接 一等热敏电阻传感器，以采集工作腔内的温度值，作为控制系统的反馈 值； 一套多路温度采集系统，采用a g i l e n t 3 4 9 7 0 a 多路温度采集系统来采集 工作腔内空间的温度，以便监控温度场的变化： 一台p c 用于数据的接收和控制算法的实现，确定加在半导体制冷片上 控制电流的大小，并负责向程控电源发出指令： 一台程控电源，接收p c 发出的控制指令，调节制冷功率： 一台变频器和两台风机。采用变频器控制两台风机，通过风机的转动使 空气在不同的腔体内流动，进行冷热交换。 恒温箱和半导体制冷片。 整个测控系统的硬件原理如图2 5 所示。 可以看出，系统利用h a r t l5 0 4 高精度温度测量仪将采集到的温度值通过 r s 2 3 2 串口总线传人p c ，p c 通过相应的软件计算出控制指令，这些指令再通 过r s 2 3 2 率口传入程控电源，由程控电源调节输出相应的直流电流以驱动半导 体制冷片工作。制冷片使制冷腔的空气温度降低，通过风机的转动，将冷气传 输到工作腔，通过冷热空气的置换，以达到工作腔体内温度的稳定。 软件上，温度的测量由h a r t l5 0 4 高精度温度测量仪和a g i l e a t 3 4 9 7 0 a 多 路温度采集系统完成，p c 机只需通过串口实时读取仪表的温度值即可；控制上 采用m a t l a b 脚本程序完成。将恒温箱的数学模型视为一阶滞后系统，采用 p i d 算法进行控制，温度控制精度可达o0 5 。 i j 图2 - 5恒温箱测量控制系统原理图 由于该温度测控系统的造价昂贵、过渡过程时间长、温度控制精度难以真 正地满足微纳米测量的需要，所以，需要对原有测控系统进行优化设计，以提 高温度控制的精度，减少温度控制的时间，降低整个测控系统的成本。因此， 文中主要从以下三个方面进行了优化设计。 ( 1 ) 进行测控线路的优化 目前，h a r t l 5 0 4 高精度测温仪表和a g i l e n t 3 4 9 7 0 a 的价格昂贵，大大增 加了整个测控系统的成本。且同时采用两台仪表，也使得测控系统的结构复杂 化。因此，针对课题研究的对象，可考虑采用较低成本的温度传感器，并对其 进行重新标定以获得在一定温度区域内的高精度性能；研制高精度多通道的温 度采集系统，以一台仪表来代替原有系统中的两台仪表，简化系统的结构。 ( 2 ) 从建模的角度对恒温箱进行优化 原系统采用一阶滞后系统对恒温箱的模型进行描述，但恒温箱系统的模型 会随着环境的改变而发生变化。此外，文献 4 2 ，4 5 表明，恒温箱的模型也可以 用二阶模型来描述。因此，可考虑采用多种模型对恒温箱进行描述，通过比较 模型的优劣，选择最佳的模型。 ( 3 ) 控制算法的优化 原系统采用p i d 算法进行控制，存在温度控制时间过长，精度较低等缺点。 因此，需要研究更为先进的温度控制算法。通过仿真比较，初步确立恒温箱的 控制算法，再通过实验进行进一步调节。 l o 第三章高精度多通道温度采集系统的设计 3 1 高精度温度测量的有关方法和理论 高精度温度测量的实现需要合理地选择传感器，要有先进的测量方法的保 证，同时还要对影响测量精度的因素进行充分的考虑。 3 1 1 高精度温度传感器的选择 温度的检测方法是基于温度变化而引起某些物理参数变化的原理。这些物 理参数包括：膨胀、电阻、电容、热电动势、磁特性、光特性、频率及热噪声 等等【2 卜2 2 1 。随着国内外工业的日益发展，特别是和测温技术相关的加工技术和 信号处理技术的发展，温度检测技术也在不断地进步，开始朝着超高温和超低 温方向发展，温度测量精度不断提高且测温速度也在不断加快。目前，在高精 度测温领域，主要有以下几种测温元件： ( 1 ) 热电阻温度传感器【2 3 1 。这种传感器利用导体的电阻随温度变化的特 性，对温度和温度有关的参数进行检测。热电阻式一般用金属材料制成，如铂、 铜、镍等。其中，性能最好的是铂电阻，优点是测量精度高，测量范围大( 2 0 0 6 5 0 c ) ，稳定性好。标准铂电阻温度传感器的测量精度可达0 0 0 1 ，年漂移 率也不超过0 0 0 1 。这种传感器的响应速度快，常用于复现温度点。但是，耐 震能力差，价格也相当昂贵。 ( 2 ) 负温度系数热敏电阻传感器。热敏电阻是以半导体材料制成的陶瓷器 件，如锰、镍、钻等金属的氧化物与其它化合物按不同配比烧结而成。有正温 度系数和负温度系数两种。其中，用于测温的主要是负温度系数热敏电阻。优 点是电阻温度系数大，灵敏度高，比一般金属电阻大1 0 一1 0 0 倍；结构简单，体 积小，可以测量点温度；电阻率高，热惯性小，适宜动态测量。缺点是阻值和 温度变化呈非线性关系，稳定性和互换性差，测量范围一般不超过2 0 0 。虽然 热敏电阻的电阻温度特性是非线性的，但可以用特定的方程进行精确的描述。 美国u s 传感器公司利用热敏电阻制造出测量精度为0 0 1 的二等热敏电阻传 感器。美国工业界的哈特公司更是生产出测量精度达到o 0 0 1 ，年稳定性优 于0 0 0 1 的标准热敏电阻传感器( 15 6 4 ，15 2 1 ) ，且价格只是标准铂电阻温度 传感器的三分之一。 ( 3 ) p n 结型及集成电路式温度传感器【2 4 1 。利用硅晶体管基极发射极间电 压与温度关系进行温度检测，并把测温、激励、信号处理电路和放大电路集成 一体，封装在小型管壳内，就构成了集成电路温度检测元件。它具有体积小、 重量轻、精度高等特点，测温范围在5 0 1 5 0 之间。文献报导的一种电流输 出型温度传感器在0 。c 2 0 的范围内，灵敏度可达1 0 6 肛a 。c ，线性误差不超过 o 2 ，稳定性为0 0 2 4 h 。 ( 4 ) 石英晶体温度检测器。它利用l c 或y 型切割的石英晶片的共振频率 随温度变化的特性而制成。采用妒技术，自动补偿石英晶片的非线性，所以测 量精度较高，一般可检测到o 0 0 1 ，可作标准检测之用【25 1 。具有抗干扰能力 强，分辨率高等特点。清华大学以石英晶体传感器作为测温元件，将温度变化 的模拟量转化为石英晶体振荡频率的数字量，通过测量频率可以计算出温度值， 它可以测出0 0 0 1 的温度变化量。但由于要准确计数，响应时间较慢，目前 各厂家的相关产品不仅价格昂贵，而且体积过大，不适合测量小区域的温度点 的变化。 ( 5 ) 核磁共振温度检测器【2 5 1 。所谓核磁共振现象是指具有核自旋的物质 置于静磁场中时，当在与静磁场垂直的方向加以电磁波，会发生对某频率电磁 波的吸收现象。利用共振吸收频率随温度上升而减少的原理研制成的温度检测 器，称为核磁共振温度检测