【《热电偶时间常数测试系统设计》2600字】

热电偶时间常数测试系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u14315热电偶时间常数测试系统设计 1295751.1热电偶时间常数测试整体结构分析 1200711.2热电偶时间常数测试分块结构设计 2203861.2.1半导体激光器 296191.2.2红外聚焦椭球面反射镜 3105701.2.3红外探测模块 456851.2.4数据采集与反馈控制模块 71.1热电偶时间常数测试整体结构分析本文中所采用的测试系统主要是由主控制器、大功率半导体激光器、光学整形模块、椭球面反射镜、热电偶、红外辐射测温模块、信号调理电路、数据采集模块、模/数转换器和反馈控制模块等组成，系统整体框图如图3-1所示。图3-1热电偶时间常数测试系统图Fig.3-1Thermocoupletimeconstanttestsystemdiagram在此实验系统中，半导体激光器作为被测热电偶的阶跃激励源，其内部的激光二极管可以被高频电流所调制，改变输出功率，在很短的时间内实现热电偶测温端的温度阶跃。所使用的半导体激光器的工作模式有固定功率输出和变功率输出两种模式，在实验中采用变功率输出模式。为避免激光反射对人体造成伤害以及外界自然光对红外探测模块的测量造成影响，需要将红外探测模块、被测热电偶以及椭球面反射镜置于屏蔽箱内。激光器所发出的激光经过光学聚焦透镜后与屏蔽箱的开孔、被测热电偶必须在一条直线上，被测热电偶与红外探测模块分别置于椭球面反射镜的两个共轭焦点处，在热电偶受到激光激励后，椭球面反射镜可以将其所产生的红外辐射汇聚到红外探测模块，由于红外辐射探测器的优点在于其反应速度远远快于热电偶，因此可以将其作为热电偶表面温度的真值，再通过模/数转换器输入到控制模块，然后控制模块通过PID控制器或者Tornambe控制器反馈控制激光器的输出功率，以此在热电偶表面达到期望温度；信号调理电路和数据采集模块则是采集热电偶的在工作中的时间-电压响应曲线，最后通过分析热电偶的时间-电压响应曲线来得到热电偶在不同控制器下的时间常数。1.2热电偶时间常数测试分块结构设计1.2.1半导体激光器系统所使用的半导体激光器为德国DILAS公司生产的一体化激光系统，中心波长980nm，光谱宽度5nm，最大输出功率可达到594.2W，平均输出功率为500W，激光器实物图如图3-2所示，激光器内部的二极管在18V左右的电压范围内，其输出功率与输入电流之间呈线性关系，因此，可以通过调节高频电流来控制激光器的输出功率。高功率的半导体激光器作为热电偶的温度激励源，可以保证在很短的时间内给热电偶一个稳定的阶跃温升。图3-2半导体激光器Fig.3-2Semiconductorlaser（2）激光器出光光纤及聚焦本文使用的半导体激光器所采用的是QBH光纤，在其端口界面处为石英材料的AR涂层，这种涂层可以减少激光的散射，增加能量的利用率。在装配上，为了防止在装配的过程中出现断裂之类的问题，将软管套在螺纹下，大大增加了其弹性；光纤的接口为锥形，大大增加了安装的简便性；在光纤内部有水冷结构，在激光器工作的过程中，水流会将激光所产生的热能带走，保证光纤外套的安全性。（3）激光器水冷却系统激光器在工作的过程中，由于高频电流的调制会产生能量很高的激光，使得激光器内部二极管周围的零部件温度极速升高，另外，QBH光纤在完成激光的传输时，也会对能量有一定的吸收作用，再加上本身对激光的反射和辐射也会产生热量，因此在短时间内就会加热光纤，为了保护激光二极管和传输光纤不被损坏，增加激光器的使用寿命，就需要选择合适的水冷装置对其进行降温。如图3-3所示为当前使用的水冷却系统连接示意图。图3-3水冷接口示意图Fig.3-3Schematicdiagramofwatercoolinginterface1.2.2红外聚焦椭球面反射镜在热电偶时间常数测试实验中，热电偶测温端结点经激光激励后，表面温度迅速升高，由于热电偶的结点体积很小，在受热后向外任意方向辐射，此时，如果直接用红外探测器进行红外辐射的接收，所能接收到的辐射量会很小，并且容易受到其他光源的干扰，导致测试结果出现很大偏差，因此，必须要对被测热电偶热结点处的红外辐射进行汇聚，并将整个装置放在屏蔽箱内进行，以减少其它光源的干扰。基于此，采用无像差共轭椭球面反射镜来解决这一问题，并在其内部镀膜，光学几何理论可以证明，当被测热电偶处于椭球面反射镜的任意一个焦点时，经椭球面反射镜反射后，都可以在其对应的另外一个焦点处无像差的进行成像，如图3-4所示。图3-4椭球面反射镜共轭聚焦示意图Fig.3-4Conjugatefocusingdiagramofellipsoidalmirror1.2.3红外探测模块红外探测模块的功能主要是采集经椭球面反射镜反射后的被测热电偶热结点所发出的红外辐射，主要组成部分由红外探测器、滤光片和放大电路，如图3-5所示。图3-5红外探测模块组成示意图Fig.3-5Compositiondiagramofinfrareddetectionmodule（1）红外探测器红外探测器属于光电探测器的一种，光电探测器是一种可以将红外辐射量转变为电量信号的光电导效应器件，其物理效应可分为光子效应和光热效应，如图3-6所示，红外探测器的性能优劣直接决定着整个热电偶时间常数测试系统反馈控制速度的快慢。图3-6光电探测器分类图Fig.3-6Photodetectorclassificationchart本论文中所使用的红外探测器为波兰VIGO公司所生产的PDI-4-981型探头，探头材料主要由碲、镉、汞组成，探测器在生产时就已经嵌入到探头当中，通过表面处理技术和结构优化，基本能够完成对2-4.7波段的红外辐射的全部采集，且在大约4处具有最佳的探测性能，能够完成对被测热电偶热结点处的辐射采集和检测。PDI-4-981红外探测器的光谱响应曲线如图3-7所示。图3-7PDI-4-981光谱曲线Fig.3-7PDI-4-981spectralcurve红外探测器的具体参数指标如表3-1所示。表3-1PDI-4-981性能参数Table3-1PDI-4-981performanceparameters指标参数电压响应率响应时间电阻视场角敏感面尺寸143V/W≤15nsΩDegmm2（2）滤光片热电偶在经过激光激励升温时，对激光的吸收率不可能为1，而且屏蔽箱的开孔也不能小到只能激光透过，因此，会有部分杂散光进入到屏蔽箱，这些杂散光也会通过椭球面镜进行反射，然后被红外探测器所接收，导致红外探测器接收到许多噪声信号，因此，需要增加滤光片来，保证红外探测器所采集的信号均为热电偶热结点处的红外辐射。锗片为高通率光片，波长为980nm的激光会被全部反射，本实验中红外探测器的光谱响应范围为2-4.7，激光器的波长为980nm，因此，可以将锗片作为滤光片，滤光片的厚度为5.0mm，如图3-8所示为锗滤光片的透过率特性曲线。3-8锗滤光片的透过率特性曲线Fig.3-8Transmittancecharacteristiccurveofgermaniumfilter1.2.4数据采集与反馈控制模块数据采集模块中所使用的数据采集卡由四川拓普公司制造，型号为PCI-20612，它是一种四通道同步并行高速数据采集卡，与其配套的采集监控系统为基于虚拟仪器技术设计的Topview2000软件，该软件可以实现的功能有多通道控制、实时数据显示、数据处理、存储等功能。本论文所采用的反馈控制模块主控制器是意法半导体公司的STM32F429IGT6芯片，该芯片集成了新的DSP和FPU指令，