（机械制造及其自动化专业论文）基于半导体致冷器的半主动热阻控制器的研究.pdf

浙江大学硕上毕业论文 摘要 本文在传统的主动控制和被动控制的基础上，提出基于半导体致冷技术与半 主动控制技术相结合的热阻控制方式，开展了对影响半主动热阻控制器的关键参 数的研究，分析了在各种边界条件下选择系统最佳参数的方法，并提出了基于热 电相似性原理和网络节点分析理论，将热问题转化为电问题进行数学建模，获得 了被控对象各节点的温度变化数学模型。 全文的内容安排如下： 第一章，阐述了半主动控制技术的发展现状和应用前景，结合国内外半导体 致冷技术以及热阻控制技术的现状和发展趋势，提出了本论文的研究内容和各章 节的安排。 第二章，基于半主动热阻控制器的理论基础，结合半导体致冷技术和n t c 热敏电阻的工作原理，提出了基于半导体致冷器的半导体热阻控制器整体方案。 并分析了各部分的特性以及具体计算方法。 第三章，结合半主动控制技术与热控制，具体分析了半主动控制的实现过程， 并通过仿真研究，分析了被控对象的温度变化特性，并研究了各种边界条件下控 制电流算法的改进，确定了各种边界条件下控制电流与放大电路输入电压关系系 数的最佳值。 第四章，基于热阻的性质以及热电相似性原理，分析了传热过程的等效热路， 将热问题转化为电问题进行分析，运用节点网络拓扑理论，提出了求解受热变形 体温度场的数学建模新方法，详细介绍了运用该方法进行建模的步骤，根据不同 的划分方法解出了各节点温度变化的数学模型。最后将通过新方法所得的温度曲 线与求解偏微分方程所得的温度曲线进行了对比，验证了新方法的正确性和可行 性，将各种参数对节点温度传递函数的影响进行了仿真分析，得到了各参数对传 递函数的影响规律。 第五章，对半主动热阻控制器的应用模型进行仿真研究，对两种应用模型进 行了仿真分析，研究了各种边界条件下半主动控制过程中被控物体各点的温度变 化规律、各点之间温差变化关系以及控制前后温度曲线的变化，同时本章针对模 型一对半主动控制、主动控制以及被动控制下控制效果进行了仿真分析，对这三 种控制下的控制效果进行了对比。 第六章，对全文进行全面、系统的总结，展望下一步的研究工作，并提出一 些设想。 关键词：半主动控制广义热阻控制半导体致冷器数学建模 浙江大学硕上毕业论文 a b s t r a c t as e m i - a c t i v et h e r m a lr e s i s t a n c ec o n t r o lm o d ei sp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n b a s e do nt h e r m a le n e r g yc o n v e r t e ra n ds e m i - a c t i v ec o n t r o lt e c h n o l o g yc o n t r a s t sw i t h a c t i v ec o n t r o la n dp a s s i v ec o n t r o l ，t h ed e t a i l e dr e s e a r c ho nt h ee s s e n t i a lp a r a m e t e r s w h i c ha f f e c t st h ec o n t r o l l e ri sd o n e t h ei d e ao fs e l e c t i n gb e s tv a l u eo ft h em o s t i m p o r t a n tp a r a m e t e ru n d e re a c hk i n do fb o u n d a r yc o n d i t i o ni sa n a l y z e d ，a n dt h en e w m e t h o dt os o l u t em a t h e m a t i c a lm o d a lo ft e m p e r a t u r ef i e l di sf i r s tp r e s e n t e db a s e do n t h e r m o e l e c t r i c i t ys i m i l a rp r i n c i p l ea n dn o d ea n a l y s i st h e o r y , a n dm a t h e m a t i c a lm o d a l o f e a c h n o d ei so b t a i n e d t h ec o n t e n to f t h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e s ： c h a p t e rl ，t h ep r e s e n td e v e l o p m e n t a ls i t u a t i o na n da p p l i e dp r o s p e c ta r e e l a b o r a t e d ，a n da c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o na n dt r e n do fs e m i c o n d u c t o rr e f r i g e r a t i o n t e c h n o l o g ya sw e l la st h et h e r m a lr e s i s t a n c ec o n t r o lt e c h n o l o g ya l lo v e rt h ew o r l d ，t h e r e s e a r c hc o n t e n ta n da r r a n g e m e n to f e a c hc h a p t e ra r ep r e s e n t e d c h a p t e r2 ，a c c o r d i n g t ot h ea c a d e m i cf o u n d a t i o no fs e m i - a c t i v et h e r m a l r e s i s t a n c ec o n t r o l l e r , u n i f i e st h es e m i c o n d u c t o rr e f r i g e r a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ew o r k p r i n c i p l eo f n t cs e n s o r , t h eh o l i s t i cs c h e m ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i ca n dc o m p u t a t i o n a l m e t h o do f e a c hp a r ta r ed i s c u s s e d c h a p t e r3 ，a c c o r d i n gt ot h es e m i a c t i v ec o n t r o lt e c h n o l o g ya n dt h eh e a tc o n t r o l ， t h er e a l i z a t i o np r o c e s so fs e m i a c t i v ec o n t r o li ss p e c i f i c a l l ya n a l y z e d ，t h et e m p e r a t u r e c h a n g ec h a r a c t e r i s t i co fa c c u s a t i o no b j e c ti sa n a l y z e db ys i m u l a t i o n ，t h er e s e a r c ho f i m p r o v e da r i t h m e t i co fc o n t r o lc u r r e n ti sd o n e ，a n dt h eb e s tv a l u eu n d e rd i f f e r e n t b o u n d a r yc o n d i t i o ni sf o u n d c h a p t e r4 ，t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to f h e a tt r a n s f e ri sa n a l y z e db a s e do nt h ep r o p e r t y o ft h e r m a lr e s i s t a n c ea sw e l la st h et h e r m o e l e c t r i c i t ys i m i l a rp r i n c i p l e ，t h et h e r m a l p r o b l e mi st r a n s f o r m e dt oe l e c t r i c a lp r o b l e m , t h e n ，t h en e wm e t h o da n di t sd e t a i l e d a p p r o a c ht os o l u t et e m p e r a t a r ef i e l do f h e a tt r a n s f e rb o d yi sp r o p o s e da c c o r d i n gt ot h e n e t w o r ka n a l y s i st h e o r y , a n dt h et e m p e r a t u r em a t h e m a t i c a lm o d e lo fe a c hn o d ei s o b t a i n e du n d e rd i f f e r e n td i v i s i o nm e t h o d f u r t h e r m o r e ，t h et e m p e r a t u r ec u r v et h r o u g h t h i sn e wm e t h o di sc o n t r a s t e dt ot h a tt h r o u g ht h ep a r t i a ld i f f e r e n t i a le q u a t i o n ，w h i c h c o n f i r m st h ea c c u r a c ya n df e a s i b i l i t yo f t h en e w m e t h o d f i n a l l y , t h ei n f l u e n c er u l eo f e a c hp a r a m e t e rt ot h et r a n s f e rf u n c t i o ni so b t a i n e dt h r o u g hs i m u l a t i o na n a l y s i s c h a p t e r5 ，t h es i m u l a t i o nr e s e a r c ho na p p l i e de x a m p l eo fs e m i - a c t i v et h e r m a l h 浙江大学硕士毕业论文 r e s i s t a n c ec o n t r o l l e ri sd o n ei nt h i sc h a p t e r s i m u l a t i o no ft w ok i n do fa p p l i e d e x a m p l ei sc a r r i e do u t ，t h et e m p e r a t u r er u l eo fe a c hn o d ea n dt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e b e t w e e nn o d e si ss t u d i e du n d e rd i f f e r e n tb o u n d a r yc o n d i t i o n ，a n di na l l u s i o nt o e x a m p l e1 ，t h ed i f f e r e n c ea m o n ga c t i v ec o n t r o l ，p a s s i v ec o n t r o la n ds e m i a c t i v e c o n t r o li sa n a l y z e dt h r o u g hs i m u l a t i o n c h a p t e r6 ，t h ef u l lp a p e ri sg e n e r a l i z e dr o u n d l ya n dt h en e x tr e s e a r c hw o r ki s p r o s p e c t e d k e yw o r d s ：s e m i - a c t i v ec o n t r o l g e n e r a l i z e dt h e r m a lr e s i s t a n c ec o n t r o l t h e r m a le n e r g yc o n v e r t e rm a t h e m a t i c sm o d e l n l 学号塑篁旦墨11 至 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，也不包含为获得逝望盘堂或其他教育机 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。 一躲亏彳锍抄飙声易月，阳 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝垄盘堂有关保留、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。本人授权逝鎏盘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) 学位论文作者躲许彩雹、 签字日期：加加7 年 加调 导师签名： 也可沁成 签字日期抛7 年6 月l 日 工作单位：；纫l 钾伍嗽吩f 纱贫刃电话：彬，谚圹胗夕d 通讯地址：；蜊每每匦劫乡鼋回僻彩增5 编： 岁7 学o 驴 浙江大学硕士毕业论文 第一章绪论 1 1 半主动控制技术的研究现状及发展 半主动控制的应用可以追溯到2 0 世纪2 0 年代，主要是用于机械装置及汽车中 的减振i l j 。h r o r a t 在1 9 8 3 年提出了应用变阻尼控制器对土木工程结构进行半主动 控制的思想，在此之后国内外大量的学者对半主动控制进行了理论、装置开发， 试验和工程应用的研究，常用的半主动控制装置有变刚度、变阻尼两大类1 2 】1 3 1 。 主动变刚度是指一种“主动变刚度系统”( a v s ) ，它可根据结构的反应，由 计算机控制的快速反应锁定装置来改变系统的刚度。k o b o r i 提出的主动变刚度系 统p j 由一个带有控制阀的双出杆粘滞油缸组成，并用斜撑与结构相连。根据结构 的反应和控制算法，由计算机来控制控制阀的开启和闭合，控制缸体与斜撑的连 接与断开以改变结构的刚度，使结构的自振周期尽可能地避开地震动的周期，并 达到降低结构的反应。该装置在日本东京进行了3 层钢结构振动台控制试验，试 验结果证明了采用半主动变刚度控制技术对减小结构的地震反应是可行的。n a s u 等人对一个装有主动变刚度装置的高层建筑结构进行了试验研究，结果表明，主 动变刚度控制系统能够显著地减少结构的响应，这为将其应用于高层建筑上提供 了重要的科学依据。 主动变阻尼是指系统阻尼可以根据环境变化发生改变，国内外学者在变阻尼 系统的研制及试验研究方面也取得了可喜的成果，目前已经丌发了各种各样工作 原理的变阻尼控制装置：可变流体阻尼器、可变液压阻尼器、可变孔隙阻尼器、 可变摩擦阻尼器、半主动调谐质量阻尼器和半主动词谐液体阻尼器等。n i w a 等 研制的半主动液压阻尼器( s h d ) 是一种性能优秀的半主动控制系统，该阻尼器的 最大阻尼力达至l j l 0 0 0 k n ，由液压缸、液压回路、控制阀和控制电路等几部分组 成，利用控制阀打开的大小来控制阻尼力的大小。对其安装在日本的一座5 层办 公楼的力激振试验和对该s h d 进行的动载荷试验和仿真分析表明，在大震作用下 无控结构己进入了非线性范围。s a c k 和p a t t e n 将一可变孔隙阻尼器安装在实尺寸 的桥梁结构中进行了研究，证明了半主动控制系统在桥梁结构中应用的可行性。 在日本以k a w a s h i m a 为代表的学者开展了关于桥梁结构的半主动控制方面的理 论和实验研究，结果表明半主动流体阻尼器可以有效地控制桥梁结构的动力反 应。s y m a n s 和c o n s t a n t i n o u 等提出了两种半主动流体阻尼器。这两种半主动阻尼 器的区别在于一种阻尼器的阻尼系数为两个定值，而另一个可以连续变化，f e n g 等和f u j i i 提出了一种半主动可变摩擦阻尼器，各种研究结果均表明：半主动控制 具有良好的控制效果和经济性。 浙江大学硕十毕业论文 我国学者借鉴国外理论和经验，先后对半主动控制进行了一定的实验和理论 研究。哈尔滨建筑大学的刘季等对变刚度半主动控制结构进行了理论分析，根据 结构位移和速度的方向自动调节可变刚度的开闭状态，吸收和释放振动能量，并 对一个五层的钢框架建筑结构模型进行了变刚度半主动控制的振动台实验，进一 步验证了变刚度半主动控制的可行性和高效性。瞿伟廉等进行了t l c d 的理论分 析和实验研究，通过实验分析优化了隔板的开孔率，并针对高层建筑结构和高耸 结构进行了分析。阎石和李宏男等提出了可调频式t l c d ，通过外加的弹簧系统 改变t l c d 的自振频率，拓宽了t l c d 的应用范围。此外，周福霖等将变刚度结 构与变阻尼结构结合起来，提出了主动变刚度，变阻尼的半主控制系统，综合了 两种半主动控制系统的优点1 4 】。 半主动控制技术与传热方面的结合主要在致冷研究领域，在致冷方法上，也 有主动式致冷、半主动致冷和被动致冷之分【5 1 。半主动控制与热控制的结合一般 通过半导体致冷器实现，近年来随着半导体致冷技术的发展，基于半导体致冷器 的半主动热控制也得以发展。 1 1 1半主动控制的定义及其特征 半主动控制属于结构控制的一种。结构控制是积极主动的结构对策，结构控 制系统按照是否需要外部输入能量，可分为四类：被动控制、主动控制、半主动 控制、混合控制。被动控制是通过隔震、耗能、吸振三种减振技术来减小结构动 力反应的，优点是造价低廉、安装方便，但对某些高、长、大结构需要获得较好 的制震效果，却显得无能为力。主动控制是通过控制器输入能量，对结构直接施 加控制力来控制结构动力反应的，控制效果明显，控制范围广，但造价较高。 所谓半主动控制就是不需要外部能源输入直接提供控制力，控制过程依赖了 结构反应信息或外干扰信息的控制方法 6 1 。半主动控制是在主动控制的基础上发 展起来的，控制中对控制装置状态的调节需要利用受控结构状态的反馈信号，这 与主动控制有相同之处，同时控制装置是预先设计的，不可在运行中进行人为调 节1 7 j ，这又与被动控制相同，因而，半主动控制同时具有被动控制和主动控制的 优点。半主动控制装置一般并不直接输出控制力，而是通过控制装置改变受控结 构的刚度、阻尼等系统参数，它通过结构的振动反应信息或外界荷载的变化情况， 及时调整控制装胃的参数，从而达到减小结构的动力反应，实现对结构的可调控 制，能够应用少量外部能量或不需要外部能量达到较好的控制效果，它既有被动 控制系统可靠性的特点又有主动控制系统强适应性的特点。 半主动控制与其它控制方法相比有如下特点：( 1 ) 应用范围广。对结构形式、 结构高度和高宽比、场地类型都没有太多要求，而且既可以进行建筑结构地震反 2 浙江大学硕七毕业论文 应控制，也可以进行风振反应控制；( 2 ) 控制效果好。理论研究、试验分析和工 程实例都表明，半主动控制技术具有理想的控制效果，可以有效减小结构物在地 震和飓风下的动力反应；( 3 ) 控制系统可靠性好。在不同地震烈度情况下，系统 都能正常运行；( 4 ) 对外部能源基本没有要求。只需要很少的能源就可以保证地 震发生时控制系统正常运行；( 5 ) 半主动控制装置调整和修复更为方便简单。半 主动控制装置调整、拆换较为方便，与无控结构和被动控制结构相比，半主动控 制中震后的修复工作将变得简便易行，修复时间缩短，修复费用降低；( 6 ) 经济 效益更好。 1 1 2半主动控制技术的发展 半主动控制的研究与应用有着广泛的背景，它的应用目前主要集中在结构振 动领域，它的研究与发展给结构振动控制带来了一场崭新的革命1 9 】。近年来，由 于材料技术、计算机技术等科学技术的发展，半主动控制技术也有了新的发展： 形状记忆合金等功能材料的出现为控制力学系统的刚度提供了新途径。形状 记忆合金的弹性模量和回复力对温度变化非常敏感，可用电阻丝加温或强制冷却 来改变形状记忆台金元件的力学特性，进而调节其刚度。 随着功能材料的迅速发展，掀起了采用压电陶瓷等研制可控阻尼器的热潮。 大量研究集中在用于粱、板、壳结构的人工阻尼上，即将压电陶瓷片、压电薄膜 等粘贴在结构表面，利用逆压电效应和速度负反馈形成可控阻尼。也有一些研究 采用压电陶瓷元件的正压电效应，来调节油液阻尼器中的节流孔大小或摩擦阻尼 器中摩擦面间的正压力。 电磁流变液的应用在半主动智能驱动技术领域得到空前的发展。电流变液 ( e l e t r o r h e o l c l g i c a lf l u i t ，简称e r ) 和磁流变液( m a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i t ，简称 m r ) 是用不导电( 磁) 的母液( 常为硅油或煤油等) 和均匀散布其中的固体电 解质颗粒或磁性颗粒，加适量的稳定剂制成的非胶体性质的悬浮液，在电场( 或 磁场) 的作用下两相电流变液( 或磁流变液) 中的固体颗粒会形成纤维状的链， 横架于电场的正负电极板( 或磁场的两极板) 之间，这样两相电( 磁) 流变液在 电( 磁) 场的作用下就能从流动性良好的具有一定粘滞度的牛顿流体转化为有一 定屈服剪切力的粘塑性体，成为可控流体。 半主动控制技术走进工程领域，出现了一些热门的应用研究领域。如车辆悬 架振动控制、高层建筑物振动控制、转子系统振动控制、风激励下拉索的振动控 制等。为了使车辆在各种路况下具有理想的乘坐舒适性和安全性，通过可控阻尼 器对车辆悬架振动进行半主动控制引起了人们广泛关注，从而车辆悬架的半主动 控制得以发展。k i t c h i n g ，s u b ，c h o i ，s o h n 等人在该领域进行了深入研究，取得 浙江大学硕士毕业论文 了较好的成绩l ”。随着高耸建筑、大型桥粱的普及，建筑结构在地震、台风等激 励下的振动响应及安全性日益引起人们关注，从而建筑结构的半主动控制得到广 泛发展。a l d e m i r ，s t a m m e r s ，y o s h i d a ，s p e n c e r 等i7 j 对建筑结构做了各种振动控 制实验，取得较好的成果。 然而，半主动技术方面也还有一些问题仍待解决：建立更符合实际的数学模 型，这是解决工程问题的前提；对关键参数的识别；控制器的分布位置；时滞的 考虑；非线性效应等。总之，半主动控制在我国具有广阔的前景。 1 2 半导体致冷技术的应用 半导体制冷器是利用珀耳贴效应的一种制冷装置，因为其具有小型化、无噪 声等特点而被广泛应用。半导体致冷不需要任何致冷剂，也不需要复杂的机械部 件，既能致冷，又能加热，而且热惯性非常小，通过输入电流的控制，可是实现 高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，很容易实现遥控、程控、计算 机控制i 便于组成自动控制系统【1 0 1 o l1 1 2 l 。 半导体致冷又称温差电致冷、热电致冷、电子致冷，因为其是用特种半导体 材料做成的致冷器件，不需要致冷剂【1 3 】。1 1 4 】，通电后直接致冷而得名。它可以应 用在一些空间受到限制，可靠性要求较高，无致冷剂污染的场合。在空问实验技 术、医疗技术、航空航天、军事、电子仪器、医疗卫生以及生物工程技术等温度 控制领域得到了广泛的应用i in 。例如，在实验室装置方面：冷箱、电子低温测试 装置、各种恒温、高低温实验仪器：在同常生活方面：冷热饮水机、p c 机芯片 致冷等1 8 1 。 在航空航天遥感领域，热红外通道通常采用黑体辐射源来进行定标，半导体 致冷器在红外器件以及红外系统中得到普遍应用。机载成像光谱仪的热辐射定标 源主要采用半导体致冷器来稳定温度。 同时，半导体致冷器在太阳能致冷方面也得到广泛应用。太阳能致冷具有很 好的季节匹配性，即天气越热，太阳辐射越好，系统致冷量越大。这一特点使太 阳能致冷技术受到重视和发展。实现太阳能致冷有“光一热一冷”、“光一电一冷”、 “光一热一电一冷”等途径。太阳能半导体致冷是利用太阳能电池产生的电能来 驱动半导体致冷器装置，实现热能传递的特殊致冷方式，其工作原理主要是光伏 效应和帕耳贴效应。太阳能驱动的半导体致冷系统结构紧凑，携带方便，可以根 据用户的需要做成小型化的专用致冷装置，它具有使用维护简单，安全性能好， 可分散供电，储能比较方便，无环境污染等特点【1 9 j 。 随着全球禁止使用对大气层有破坏性的氟利昂致冷物质，半导体致冷技术及 4 浙江大学颂：t 毕业论文 应用将会进一步得到发展1 2 0 l 。将半导体致冷技术与半主动控制技术相结合，使系 统兼具半导体致冷技术的特点以及半主动控制技术耗能低等特点，非常具有现实 意义f 2 1 】。 1 3 热阻控制器的研究意义 统计表明：在超精密加工领域，由热变形引起的误差占总加工误差的4 0 7 0 ，热成为制约超精密加工发展的主要因素之一，特别是随着超精密加工中的 功能部件超模块化、标准化方向发展，对各功能部件之间传热状况的研究已经体 现出重要性和迫切性田】，通过热阻探索各功能部件之间传热的新理论、新技术逐 渐成为超精密加工领域内一个关键的热点研究课题。该课题包涵了对接触热阻的 研究、热电相似性研究以及广义热阻研究等。 近年来，对接触热阻的研究受到广泛的重视1 2 3 1 2 5 1 。在当前众多的高技术应 用中，经常涉及到小冷量电子器件的冷却与加热、高能热流密度的冷却、高效绝 热结构的安置等应用场合，而这些场合的冷却或绝热效果主要取决于固体界面间 的接触热阻。例如航天器在其飞行过程中要经历极为恶劣的热环境，环境温度可 从零下两百多摄氏度到数千摄氏度以上，为了保证航天器的正常工作，需要对航 天器内外各组件、仪器设备之间的传热过程进行控制，而影响实际传热过程的一 个重要因素就是固体构件之问的接触热阻1 2 6 1 1 2 7 1 。特别是随着空间技术的发展， 卫星内大功率组件的热功耗越来越大，为使卫星内部的温度处于适宜的范围之 内，就需要对接触热阻问题进行深入的理论研究，以便对卫星内部传热过程进行 有效的控制。 研究表明，即使两固体界面接触压力达1 0m p a ，实际接触面积仅占名义面 积的l 2 ，当热流通过界面时，这种接触的不完全性导致了热流的收缩， 从而产生了接触热叫2 8 】【3 2 l 。然而，接触热阻的影响因素很型3 3 1 ，如载荷情况、 温度条件、材料特性、界面接触情况、表面粗糙度、表面波度、接触表面斜度、 接触粗糙体的形状、尺寸大小以及数量的多少0 4 h 3 6 】等等，这些因素多为非线性 因素1 3 7 1 ，工况及使用条件多样化，热变形、接触状况等相互交替影响，产生耦合 作用，使问题变得非常复杂p m 。 在很多领域，通过研究系统或者部件之间的广义热阻的技术得到了关注【3 9 1 。 对广义热阻的研究直接考虑传热过程中的阻力状况，类似电路中的电阻，根据热 电相似性原理，使热问题的研究得以简化。其中使被控对象的广义热阻为零的方 法的研究由于具有实际意义 4 0 l ，广义热阻为零意味着可以将被控对象的温度严格 控制在环境温度，这是一种理想状况，在实际研究过程中，研究使广义热阻趋近 于零具有重要的学术价值和现实意义。 浙江大学硕t ：毕业论文 1 4 论文的研究内容及安排 综上所述，为了更准确的控制被控对象的热传递过程，在传统的主动控制和 被动控制的基础上，本文提出基于半导体致冷技术与半主动控制技术帽结合的热 阻控制方式。本文在完成半导体热阻控制器整体方案的基础上，开展了对影响半 主动热阻控制器的关键参数的研究，研究了在各种边界条件下选择系统最佳参数 的方法。并提出了基于热电相似性原理和网络节点分析理论，将热问题转化为电 问题进行数学建模，获得了被控对象各节点的温度变化数学模型。同时对半主动 热阻控制器的两种实用模型进行了仿真，并比较了主动控制、被动控制以及半主 动控制的控制效果。具体包括： 第一章，阐述了半主动控制技术的发展现状和应用前景，结合国内外半导体 致冷技术以及热阻控制技术的现状和发展趋势，提出了本论文的研究内容和各章 节的安排。 第二章，基于半主动热阻控制器理论基础，结合半导体致冷技术和n t c 热 敏电阻的工作原理，提出了基于半导体致冷器的半导体热阻控制器整体方案。并 分析了各部分的特性以及具体计算方法。 第三章，结合半主动控制技术与热控制，具体分析了半主动控制的实现过程， 并通过仿真研究，分析了被控对象的温度变化特性，并研究了各种边界条件下控 制电流算法的改进，确定了各种边界条件下控制电流与放大电路输入电压关系系 数的最佳值。 第四章，基于热阻的性质以及热电相似性原理，分析了传热过程的等效热路， 将热问题转化为电问题进行分析，运用节点网络拓扑理论，提出了求解受热变形 体温度场的数学建模新方法，详细介绍了运用该方法进行建模的步骤，根据不同 的划分方法解出了各节点温度变化的数学模型。最后将通过新方法所得的温度曲 线与求解偏微分方程所得的温度曲线进行了对比，验证了新方法的正确性和可行 性，将各种参数对节点温度传递函数的影响进行了仿真分析，得到了各参数对传 递函数的影响规律。 第五章，对半主动热阻控制器的应用模型进行仿真研究，对两种应用模型进 行了仿真分析，研究了各种边界条件下半主动控制过程中被控物体各点的温度变 化规律、各点之间温差变化关系以及控制前后温度曲线的变化，同时本章针对模 型一对半主动控制、主动控制以及被动控制下控制效果进行了仿真分析，对这三 种控制下的控制效果进行了对比。 第六章，对全文进行全面、系统的总结，展望下一步的研究工作，并提出一 些设想。 6 浙江人学硕士毕业论文 第二章半主动热阻控制器的整体方案 【本章摘要】本章基于半主动热阻控制器理论基础，结合半导体致冷技术和n t c 热敏电阻 的工作原理，提出了基于半导体致冷器的半导体热阻控制器整体方案。并分析了各部分的特 性以及具体计算方法。 在温度控制领域，热阻技术的研究是一个广泛关注的课题，正如通过改变电 阻可以改变其两端的电压降一样，改变两个传热物体的热阻可以控制两物体的温 差，因而对温度的控制可以转化成对广义热阻的控制。下文基于半导体致冷器提 出了半主动热阻控制器的实现方案，并进行了相应的分析和计算。 2 1 半主动热阻控制器的理论基础 一般来说，对热阻进行控制有两种方案：第一种是对两接触物体的接触热阻 进行研究，分析接触热阻的形成机理以及影响因素，通过改变物体传热时的接触 状况来改变传热过程中的热阻，这种方案需要对物体的表面形貌、界面接触状况 以及载荷分布情况进行准确的检测及分析；第二种方案是运用温差电效应的基本 原理，基于半主动致冷器控制传热过程中的广义热阻，这种方案需要采用合适的 闭环控制，要求控制精度较高。本文采用第二种方案，该方案在理论上基于温差 电效应。当物体受热时，其中的原予以及载流子( 电子、空穴) 的运动就活跃起 来，这种运动向周围传播而发生所谓的热传导现象，载流子的移动，同时伴随有 电荷移动而形成电流，这种现象称为温差电效应。在换能器件中涉及到的温差电 效应主要有塞贝克效应和帕耳帖效应1 4 。 两种不同的导体a 和b 两端相接触，构成一个闭合回路，如果两个接头处 具有不同的温度，则回路中就出现电流，这就是塞贝克效应。产生的电流称为温 差电流，产生电流的电动势成为温差电动势，如果材料选定，温差电动势的数值 只与两个接头所处的温度有关，表示为： e = 口( 互一t o ) ( 2 1 ) d 是材料爿和b 之间的相对塞贝克系数，在数值上等于当温差为l 时所产生 的电位差，单位为u v c 。试验表明，任何一对遵守欧姆定律的均匀导体，其塞 贝克电动势的大小，只取决于这两种不同的均匀导体的性质和两个接点的温度， 浙江大学硕上毕业论文 而与导体的温度分布无关。 当两种不同的导体4 和b 组成电路且通有直流电时，在一个接头处除焦耳热 以外还会释放出某种其他的热量，而在另一个接头处则吸收热量，如图2 1 所示。 这种现象即帕耳帖效应。 a b 图2 1 帕耳帖效应 由帕耳帖效应所引起的这种现象是可逆的，改变电流方向时，放热和吸热的接头 也随之改变。试验发现，吸收或放出的热量，与电流强度成正比，且与两种导体 的性质及接头的温度有关。在图2 1 中，如果电流由导体a 流向导体b ，则单位 时间内接头l 处吸收的热量为g 6 ， q 0 = ，刀0( 2 2 ) ，为电流强度，称为导体a 和导体b 之间的帕耳帖系数，单位为v 。为正 值时表示吸热，反之为负值时表示放热。帕耳帖系数的大小，取决于构成闭合回 路的材料的性质和接点温度，其数值可以由塞贝克系数口。w k 。】和接头处的绝 对温度t 【k 】得出： 氕n=n0(2-3) 帕耳帖系数具有加和性，即： 线= 线+ 级= ( + ) ，( 2 - 4 ) 根据帕耳帖效应，可以通过改变控制电路中的电流来控制两传热物体间的温 差，将两物体间的广义热阻值控制在一个目标数值。 3 浙江大学硕士毕业论文 2 2 半主动热阻控制器的实现方案 图2 2 所示为半主动热阻控制器的结构图，紧靠发热物体的下表面为测温层， 其中放置n t c 热敏电阻测量发热物体的温度，测温层下面安装半导体致冷器， 半导体致冷器另一端连接散热片进行散热。 体 冷器 图2 2 半主动热阻控制器的结构图 其实现过程如下：n t c 热敏电阻检测到发热物体的温度后，自身的阻值发生 类线性变化，将其接入电路中，则引起电路电流的变化，经过放大电路放大该电 流信号，在放大电路的输出端接入半导体致冷器，由于电流强度可以控制半导体 致冷器的吸放热量，根据目标热阻值选择相应的参考电阻，即可将广义热阻控制 在目标值。实现框图如图2 3 所示。 温度变化 图2 3 半主动热阻控制器实现框图 9 浙江大学硕士毕业论文 2 3 半主动热阻控制器的分析计算 2 3 1 半导体致冷器的原理与计算 任何温差电电路，都是由一个个的单一温差电单元采取串、并联或者级联的 方式构成的。温差电单元通常是由金属导体把n 型和p 型半导体臂串联起来，而 使电流流过，如图2 4 所示。图中所示l ，2 ，3 为金属导体，由于帕耳帖效应， 电流把热量从温度为乃的热源转移到温度为死的热源中去。 图2 4 温差电单元示意图 在致冷的情况下，t o t t ，即乃为致冷器的工作端，而为散热端。在电流 的作用下，在冷端乃产生帕耳帖热q ，从周围环境吸收热量q ，由于温差( t o 一乃) 的存在，沿两个电极从乃到乃的传导热为q ，电路中的焦耳热为q ，其 一半转移到乃，汤姆逊效应很小，可以忽略不计。在稳定的情况下，根据能量 守恒定律，在冷端乃处的热平衡条件是： q = 绯一g q ( 2 5 ) 如果电流为厶，则式中各项 q = 而：l = q ：l 五 ( 2 - 6 ) g r = 1 0 2 ( m ) - 班( 鲁+ 争 ( 2 _ 7 ) q = k c t o 一五) = 一( 毛+ 屯) ( 五一t o ) = 一( i q s , + 屯是) a t( 2 - 8 ) 将式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 、( 2 8 ) 代入式( 2 5 ) ，则得致冷器产冷量的一般表达式： q = q 2 l 互- l i 。2 i t , 一七( 瓦一互) ( 2 9 ) 1 0 浙江大学硕士毕业论文 或者 q 咆伢譬( 鲁+ 分( 毛s + 盯 ( 2 - l o ) 这里的产冷量指的是致冷功率。当妒o 时，可获得最大温度降，即 ( 瓦一正) 最大2 三i 乏j ； ( 2 _ 1 1 ) 任何半导体致冷器件都由一个或几个温差电电路通过串联或者并联的形式 组成，此时通过各种连接方式进行计算，总的控制电流为i ，总致冷量为q ，总 电阻为r 。 任何半导体致冷器都可以在两 种状态下工作：最大致冷效率状态 和最大产冷量状态。在前者的情形 下，致冷器能够最有效地将电能转 换为“冷”，在后者的情形下，从用 电的角度来看不够经济，但却能够 获得最大的温度降低，换言之，最 大致冷效率状态意味着致冷器最经 济的工作，而最大产冷量状态保证 具有最大的产冷量。如果致冷器用 在温差不大的情况下，就应当按最 大致冷效率的公式进行计算；如果 图2 5 半导体致冷器致冷效率与器件温差的关系 是力求做到最大产冷量和最低工作温度，则致冷器按照最大产冷量公式进行计 算。两种状态下，致冷效率与器件温差( t o 一死) 的关系图如图2 5 所示。 由图可知，在温差达到最大值附近，两种状态的效率十分接近，在温差超过 4 0 。c 时，应采用最大产冷量的计算公式进行计算。本文对温差在3 5 c 之内进行 研究，故运用最大致冷效率状态的公式进行计算，该状态下致冷效率 m 一尘 ：一 ( 2 1 2 ) 瓦一r 肘+ 1 式中m = , 1 + o 5 z ( g + 五) 是一个无量纲数，z 为半导体材料的优值系数。单 一致冷器件在最大致冷效率状态下工作时所消耗的电功率为 2 厶= 特 ( 2 - 1 3 ) 浙江大学硕一 毕业论文 在实现方案中采用t e c o 1 2 4 0 7 致冷器，其最大工作电压是1 5 v ，最大工作电 流是6 a ，吸热量为6 5 w 。 2 3 2n t c 热敏电阻的阻值计算 热敏电阻在系统结构中起关键作用，通过热敏电阻进行温度测试以及系统温 度的参数控制，热敏电阻的阻值即为半主动控制中的关键参数。 n t c 热敏电阻大多数是由一些过渡金属氧化物( 主要是用m n 、c o 、n i 、f e 等氧化物) 的粉料，按一定的比例混合后，用焙烧陶瓷工艺制成热敏电阻体，再 烧银电极、焊上引线、涂上保护漆而成【4 2 】。对于一般的半导体材料，其电阻率随 温度的变化主要是依赖于载流子的数目随温度的变化，温度升高，载流子数增加， 导电能力增强，从而电阻率下降。对于过渡金属氧化物半导体，由于它的受主电 离能很小，在室温下基本已全部电离，即载流子浓度基本上与温度无关，此时， 应主要考虑迁移率与温度之关系，由半导体物理知，迁移率由下式表达： l l = e d 2 ( u o ，k t ) e 一与“1( 2 1 4 ) 式中：存一氧八面体间隙距离；o o 晶格振动频率；酊一激活能，表示电 子从一个原子位置跳到相邻原子位置所需要的能量。 各种热敏电阻的电阻都会随温度的变化而改变，这种现象称为热敏电阻的热 电特性【4 3 】，图2 6 所示为三种热敏电阻的热电特性曲线，本文应用的是n t c 热 敏电阻。 04 08 01 2 01 6 02 0 0 温度 图2 6 各种热敏电阻的热电特性 n t c 热敏电阻与温度的关系可以用下式表示： 1 2 魄 i 。i 。 i m a 图2 7n t c 热敏电阻的伏安特性 a 耍廿舻 旷 酽 俨 浙江大学硕士毕业论文 占( 三一三) 碍= 玳p ( 2 - 1 5 ) 式中晰表示温度t ( 绝对温度) 时的电阻值：瓜表示参考温度( 绝对温度) 时 的电阻值；b 表示热敏电阻的材料常数，可用实验获得，通常b = 2 0 0 0 6 0 0 0 k 。 上式仅是一经验公式，在温度小于4 5 0 范围内使用。 表示热敏电阻的电阻温度关系还可以用电阻温度系数诉表示 昕= 寺誓一参 函，dc k = o = 一_ l z l o 。 r 个d t t 2 、。 热敏电阻的测温灵敏度比金属电阻温度计高很多，如热敏电阻的b 值为4 0 0 0 k ， 当t - 之9 3 1 5 k ( 2 0 ) 时，诉= 4 7 ，约为铂电阻的1 2 倍。 n t c 热敏电阻的伏安特性如图2 7 所示。在一定温度的静止环境中，在开始 阶段o a ，仍服从欧姆定律，随着电流增加，热敏电阻自身温度上升超过环境温 度，则热敏电阻阻值下降，电压相应上升缓慢，出现非线性的正阻区口6 段，当 电流继续增加，电压达到最大值时，若电流继续增加，热敏电阻发热剧烈，电阻 值减少的速度超过电流增加的速度，此时热敏电阻的电压降随电流增加而降低， 形成耐段负阻区，当电流超过某一允许值，热敏电阻将被烧坏。 热敏电阻的主要参数有： 标称电阻值r指环境温度变化在2 0 c 士0 2 。c 时的电阻值。 材料常数口它是描述热敏电阻材料物理特性的一个常数。一般b 值越大， 灵敏度越高。 b ：2 3 0 3 掣( 2 - 1 7 ) 正巧 时间常数t表示热敏电阻对冷或热的响应速度。当环境温度突然变化 时，热敏电阻的变化量从起始到最终变量的6 3 时所需要的时间。它的大小 与材料的特性及几何尺寸有关。 f = c 日 ( 2 1 8 ) 式中c 为热容量，日为耗散系数。 耗散系数h ( m v c )表示热敏电阻与周围环境温度相差1 时，热敏电阻所 耗散的功率。 使用温度范围热敏电阻允许的工作温度范围。 几