CN101201635A - 精密恒温控制实验箱 - Google Patents

Abstract

本发明的精密恒温控制实验箱属于电子设备技术领域。由恒温箱(10)及恒温控制器两部分构成。恒温箱(10)包括保温部分构件和热传递部分构件。恒温控制器由温度设置电路(1)、温度测量电路(2)、减法器电路(3)、PI控制电路(4)、限幅保护电路(5)、TEC驱动电路(VCCS)(6)和显示电路(7)七部分构成。本发明性能稳定工作可靠，温度控制精度为0.1℃，短期稳定度为±2.6×10^－3℃，长期稳定度为±0.024℃，常温下的控温范围为10℃～40℃。不仅可以用于为主动锁模光纤激光器实验提供恒温环境，而且在小环境场合的计量与测试中、缓变微弱信号的检测中得到应用。

Description

精密恒温控制实验箱

技术领域

本发明属于电子设备技术领域，特别涉及一种用于小范围的高稳定恒温环境的恒温控制箱。

背景技术

随着人们对信息需求的不断增加，通信系统传输容量也需要得到相应的提高。光孤子通信能提供非常高的传输速率，它具有保形传输的特点，能够传输极长的距离而不发生形变，其传输容量比当今最好的通信系统高出1～2个数量级，中继距离可达上百公里，因此光孤子通信很快成为研究热点。超高速主动锁模光纤激光器由于可以产生超高速光孤子脉冲，被认为是未来远程无中继光纤通信系统的理想光源。但是，关于超高速主动锁模光纤激光器的稳定性技术难题始终没有得到完全解决。主动锁模光纤激光器稳定工作的前提条件之一是调制信号频率应为腔内纵模间隔的整数倍。在失谐不严重时，输出脉冲中产生相位噪声，失谐严重时，则会引起锁模失效，表现为输出光脉冲崩溃。由于主动锁模光纤激光器腔内有较长的光纤，而光纤的长度极易因外界环境的影响而发生漂移，因而调制频率和腔长很难保持匹配，所以不能保证长时间稳定工作。设计此恒温控制实验箱就是要尽可能的保持光纤所在环境的稳定，在此基础上再利用其它控制方法，如用PZT调节光纤长度，最终使得调制频率与腔长得到匹配，从而保证超高速主动锁模光纤激光器的稳定工作。

另外恒温控制实验箱在现代科技的其他领域中应用也十分广泛。例如，用在计量与测试中，可以有效地克服温度波动对计量标准和测试仪器的影响，提高计量等级；用在缓变微弱信号的检测中，可以使被测信号从环境温度变化引起的漂移信号中暴露出来。恒温控制实验箱在生物制药、动植物物种保护、重要人体组织或器官的保存、仪表与电子器件试验、工程材料的低温性能测试等领域也有广泛的应用前景。

目前常见的恒温箱都采用压缩机制冷、电加热的方式保持恒温，其优点是功率大因此比较适合在较大容积的恒温箱上使用。如广州东之旭试验设备有限公司生产的WGD系列恒温箱：

制冷机：全封闭压缩机；

制冷剂：R22；

加热器：镍铬合金电热丝式加热器；

内、外壳材料：SUS304光亮不锈钢板；

绝热材料：超细玻璃棉或聚胺脂泡沫；

控温方式：PID控制；

工作室尺寸：400×500×500(WGD-20)；

温度范围：-20℃～+130℃(150℃)；

温度均匀度：±1.5℃；

温度波动度：±0.5℃；

升温时间：-20℃～+130℃70分钟以内；

降温时间：+20℃～-20℃40分钟以内。

半导体制冷器(TEC)是一种固体制冷方式，与通常压缩机制冷系统相比，其优点是没有机械转动部分，无需制冷剂，无噪声、无污染、体积小，可小型、微型化，可靠性高，寿命长，可电流反向加热，易于恒温。目前国内外已有类似产品：

比如，美国ADVANCED THERMOELECTRIC公司(http://www.tecooling.com)的ElectraCOOL^TM LA系列产品，其特点为：

可编程数字PID系统控制。

控温稳定度±0.1℃。

采用静音高性能风扇。

配有RS232/RS485通信接口(可选)。

比如，天津市精易工贸有限公司的DWB系列半导体恒温试验箱，主要用于石油、化工、医药、电子及科研等部门的实验室使用。

但是，上述的产品也只有产品性能的介绍，而没有见到具体结构的公开。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，制作体积小的恒温箱，采用易于控制的加热、制冷器件(半导体制冷器)，达到提供一个小范围的高稳定恒温环境的目的。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种精密恒温控制实验箱，有恒温箱和恒温控制器两个部分。

所说的恒温箱，箱体是外壳与铝材料的内胆之间填充保温绝热层，内胆的尺寸为160～180×160～180×100～120mm³；负温度系数热敏电阻(NTC)放置在箱体内，并与恒温控制器的温度测量电路连接；外散热器和内散热器相对的装在外壳外面和内胆的里面，在外散热器和内散热器之间顺次相互贴紧的装有半导体致冷器和导热铝块，导热铝块相互接触的装在内胆的外侧；半导体致冷器连接恒温控制器的TEC驱动电路的输出端；

所说的恒温控制器由温度设置电路、温度测量电路、减法器电路、PI控制电路、限幅保护电路、TEC驱动电路(VCCS)和显示电路构成；

其中温度设置电路包括：直流供电电源(Vcc)接电阻R33再接一个电压基准模块D接地；电压基准模块D并接电位器R34，电位器R34抽头与运放U7B同相输入端相连；运放U7B反相输入端接电阻R35接地，电阻R36接在运放U7B反相输入端和输出端；在运放U7B输出端连接一个由运放U2B组成的电压跟随器，运放U2B同相输入端接运放U7B输出，运放U2B反相输入端与运放U2B输出端相连；

其中温度测量电路包括：直流供电电源(Vcc)接2.5V稳压管D1；稳压管D1阳极与运放U1A的同相输入端和电阻R5相连；电阻R5另一端接地；运放U1A的输出端与电阻R39和电容C18相连；电容C18与运放U1A的反相输入端相连，并通过单刀四掷开关S1与四个电阻R1、R2、R3、R4相连，并与三极管Q1的射极相连；电阻R1、R2、R3、R4与外部直流电源(Vcc)相连；电阻R39与三极管Q1的基极相连；三极管Q1的射极与恒温箱内的负温度系数热敏电阻(NTC)相连，负温度系数热敏电阻的另一端接地；在三极管Q1的射极输出端连接一个由运放U1B组成的电压跟随器，运放U1B同相输入端接三极管Q1的射极，运放U1B反相输入端与运放U1B输出端相连；三极管Q1的集电极为恒流源输出；

其中减法器电路包括：由运放U1B组成的电压跟随器的输出和由运放U2B组成的电压跟随器的输出分别通过电阻R6、R8与构成减法器的运放U2A的同相输入端和反相输入端相连；运放U2A的同相输入端又与电阻R7相连再接外部直流参考电压

运放U2A的反相输入端又与电阻R9相连再接运放U2A的输出；

其中PI控制电路包括：减法器电路的输出通过电位器R20与外部直流参考电压

相连；电位器R20的抽头通过由运放U3A组成的电压跟随器与比例放大电路相连；所述比例放大电路包括：一个与由运放U3A组成的电压跟随器输出端和运放U3B反相输入端相连的电阻R12，一个与运放U3B反相输入端和输出端相连的电阻R13；减法器电路的输出与积分电路相连；所述的积分电路包括：减法器电路的输出通过电阻R11与运放U4B的反相输入端相连；一个电容C4和一个电阻R14串联后连接在运放U4B的反相输入端和输出端之间；运放U4B的同相输入端接外部直流参考电压

电阻R13与R12的比值等于45～55，电阻R11和电容C4之积取5～8；

其中限幅保护电路包括：PI控制电路的比例放大电路输出通过电阻R16与PI控制电路(4)的积分电路输出通过电阻R15相连，并连接运放U4A的反相输入端；运放U4A的同相输入端接外部直流参考电压

由两个相反方向串连的5.1V稳压管D2、D3并联电阻R17构成负反馈，连接运放U4A的反相输入端和输出端；运放U4A的输出端通过电阻R38与电位器R18相连再接外部直流参考电压电位器R18的抽头电压即为限幅保护电路的输出；

其中TEC驱动电路(VCCS)包括：限幅保护电路的输出与运放U5A同相输入端相连；运放U5A的输出端通过电阻R21与运放U6A的反相输入端相连；运放U6A的同相输入端接外部直流参考电压

运放U6A的反相输入端通过电阻R22与输出端相连；运放U6A的输出端与用参数互补的达林顿管组成桥式电路相连；所述的桥式电路的构成包括：运放U6A的输出与NPN型达林顿管Q2及PNP型达林顿管Q3的基极相连；达林顿管Q2的集电极接直流供电电源(Vcc)；达林顿管Q3的集电极接地；达林顿管Q2的发射极与达林顿管Q3的发射极相连后再通过取样电阻R25串接半导体致冷器(TEC)与NPN型达林顿管Q4及PNP型达林顿管Q5的射极相连；达林顿管Q4的集电极接直流供电电源(Vcc)；达林顿管Q5的集电极接地；运放U6A的输出经由运放U6B组成的反相器与达林顿管Q4及达林顿管Q5的基极相连；所述反相器包括：运放U6A的输出经电阻R24接运放U6B的反相输入端；运放U6B的同相输入端接直流参考电压

运放U6B的反相输入端通过电阻R23与输出端相连；取样电阻R25的电压通过同相放大器，把信号反馈回TEC驱动电路的运放U5A的反相输入端；所述的同相放大器包括：与取样电阻R25一端和运放U5B反相输入端相连的电阻R26；一个与运放U5B反相输入端和输出端相连的电阻R28；一个与取样电阻另一端和运放U5B同相输入端相连的电阻R27；一个与运放U5B同相输入端和直流参考电压相连的电阻R29；一个与运放U5B输出端和比较器U5A相连的电阻R30；

其中显示电路包括：温度设置电路的输出和温度测量电路的输出通过单刀双掷选择开关S2输入到运放U7A的同相输入端；运放U7A的反相输入端接输出端；运放U7A的输出端通过串联的电阻R40和电位器R41接地；电位器R41的抽头与显示器J2相连。

前述的保温箱箱体内的保温绝热层可以是聚氯乙烯泡沫；在外散热器、半导体致冷器、导热铝块、内散热器和内胆之间的接触面应当涂有导热硅脂；负温度系数热敏电阻(NTC)可以选有0.1k、1k、10k或100k四种阻值。

本发明有以下有益效果：

1.本精密恒温控制实验箱的保温部分具有良好的保温效果，当保温箱体内外温差为20℃时损失热功率仅为6.88瓦。

2.本精密恒温控制实验箱的热传递部分具有很强的热传递能力，可在比较大的箱体内外温差范围内补充保温部分的热量损失。

3.本精密恒温控制实验箱的恒温控制器使用一个液晶显示器可以切换显示设置温度值和实际温度值，减少了设备，节省了成本。

4.本精密恒温控制实验箱的恒温控制器抗干扰能力强，性能稳定工作可靠，正常使用不会出现误动作。

5.采用限幅过流保护，降低了瞬时高电压和瞬时强电流所引起的击穿破坏，有效保护了仪器的稳定工作。

6.本精密恒温控制实验箱不仅可以用于为主动锁模光纤激光器实验提供恒温环境，而且还适用于其它需要恒定温度的小环境场合。

7.此恒温控制实验箱的温度稳定性较高，且可以长期稳定工作。

附图说明：

图1是本发明的恒温控制实验箱的总体结构概图。

图2是本发明的保温及热传递部分结构图。

图3是本发明的恒温控制器温度设置电路原理图。

图4是本发明的恒温控制器温度测量电路原理图。

图5是本发明的恒温控制器减法器电路原理图。

图6是本发明的恒温控制器PI控制电路原理图。

图7是本发明的恒温控制器限幅保护电路原理图。

图8是本发明的恒温控制器TEC驱动电路(VCCS)原理图。

图9是本发明的恒温控制器显示电路原理图。

图10是本发明的半导体致冷器加热时实际测量的阶跃响应曲线。

图11是本发明的半导体致冷器制冷时实际测量的阶跃响应曲线。

具体实施方式：

实施例1  结合附图说明本发明的总体结构

本发明的精密恒温控制箱可以分为恒温箱(10)及恒温控制器两部分。

所说的恒温箱(10)包括保温部分构件和热传递部分构件。

保温部分的作用是使由热传递部分传递进来的热量尽可能少地返回外部环境中去。如图2所示，恒温箱(10)的保温部分构件为：箱体的外壳(11)采用了不锈钢材料设计，保证了整个箱体的强度。为使箱内各处空气温度尽可能保持一致使用了导热性能较好的铝作为内胆(12)的材料。保温绝热层(13)采用聚氯乙烯泡沫，较佳的厚度为15mm。负温度系数热敏电阻(14)可以放置在保温部分底部内壁中，并与恒温控制器的温度测量电路(2)连接。

热传递部分的作用是尽可能快地给恒温控制实验箱内部提供热量使其内部环境温度与设定温度保持一致。如图2所示，恒温箱(10)的热传递部分构件包括：恒温箱(10)箱体装外散热器(15)一块，它与半导体致冷器(17)其中一面贴在一起，TEC的另外一面紧贴一导热铝块(18)，用导热铝块(18)接触恒温箱(10)箱体的内胆(12)，内胆(12)另一侧也贴一块内散热器(16)。在外散热器(15)、半导体致冷器(17)、导热铝块(18)、内散热器(16)和内胆(12)之间的接触面应当涂有导热硅脂，加强热传递的效果。半导体致冷器(17)连接恒温控制器的TEC驱动电路(6)的输出端。最好将外散热器(15)、内散热器(16)放置在箱体的顶部，可以使箱体内部构件各部分温度基本相同。

散热器采用自然对流换热的方式进行散热，可以减小或避免其它因素对光相干实验的干扰。当然，也可以用加装风扇的办法提高散热器的散热效果，以适应其它需要大控温范围的实验需要。

恒温控制器是本发明的控制部分。如图1所示，恒温控制器包括：温度设置电路(1)、温度测量电路(2)、减法器电路(3)、PI控制电路(4)、限幅保护电路(5)、TEC驱动电路(VCCS)(6)和显示电路(7)七部分。其中温度设置电路(1)和温度测量电路(2)分别与显示电路(7)相连，另外温度设置电路(1)和温度测量电路(2)还与减法电路(3)相连，减法电路(3)与PI控制电路(4)相连，PI控制电路(4)与限幅保护电路(5)相连，限幅保护电路(5)与TEC驱动电路(6)相连。

工作时，放置在恒温箱(10)内部的负温度系数热敏电阻(14)连接到恒温控制器的温度测量电路(2)的NTC输入端，热传递部分的半导体致冷器TEC(17)连接恒温控制器的TEC驱动电路(6)的输出端，根据NTC的温度反馈情况控制半导体致冷器(17)加热或制冷，形成一个闭合的控制回路，从而达到控制恒温箱内温度的目的。

实施例2  结合附图说明恒温控制器的电路结构

如图3所示，恒温控制器的温度设置电路(1)包括：外部直流供电电源(Vcc)接一9.1k电阻再接一精密的电压基准模块(LM336)接地LM336并接一10k电位器，其抽头与运放U7B同相输入端相连；运放U7B反相输入端接一10k电阻接地，又接一22k电阻接U7B输出。另外为提高驱动能力在U7B输出端又加了一由U2B组成的电压跟随器，U2B同相输入端接U7B输出，U2B反相输入端与其输出端相连。

如图4所示，恒温控制器的温度测量电路(2)包括：外部直流供电电源(Vcc)接2.5V稳压管D1；稳压管D1阳极与运放U1A的同相输入端和9.1k电阻R5相连；电阻R5另一端接地；运放U1A的输出端与1k电阻R39和470pF电容C18相连；电容C18与运放U1A的反相输入端相连，并通过单刀四掷开关与四个电阻(R1，R2，R3，R4)相连，并与三极管Q1的射极相连；上述四个电阻(R1，R2，R3，R4)与外部直流电源(Vcc)相连；电阻R39与三极管Q1的基极相连；三极管Q1的射极与恒温箱体内的负温度系数热敏电阻(NTC)相连，NTC的另一端接地。另外为提高驱动能力在三极管Q1的射极输出端又加了一由U1B组成的电压跟随器，U1B同相输入端接三极管Q1的射极，U1B反相输入端与其输出端相连。其中：R1＝250k、R2＝25k、R3＝2.5k、R4＝0.25k；Q1的型号为9012。

如图5所示，恒温控制器的减法器电路(3)包括：上述由U1B组成的电压跟随器的输出和由U2B组成的电压跟随器的输出分别通过100k电阻R6、R8与运放U2A的同相输入端和反相输入端相连；所述的减法器U2A的输出为设定电压和测量电压的差值；运放U2A的同相输入端又与一100k电阻R7相连再接外部直流参考电压

运放U2A的反相输入端又与一100k电阻R9相连再接运放U2A的输出。

如图6所示，恒温控制器的PI控制电路(4)包括：上述减法器电路(3)的输出通过10k电位器R20与外部直流参考电压相连；电位器R20的抽头通过由U1B组成的电压跟随器与比例放大电路相连；所述比例放大电路包括：一个与由U1B组成的电压跟随器输出端和运放U3B反相输入端相连的电阻R12，一个与运放U3B反相输入端和输出端相连的电阻R13；上述的减法器电路(3)的输出与积分电路相连；所述的积分电路包括：减法器U2A的输出通过电阻R11与运放U4B的反相输入端相连；一个电容C4和一个0.22欧姆电阻R14串联后连接运放U4B的反相输入端和输出端；运放U4B的同相输入端接外部直流参考电压

其中电阻R12、电阻R13、电阻R11及电容C4的值决定了此恒温控制器的PI控制参数：电阻R13与R12的比值等于45～55，电阻R11和电容C4之积取5～8。

如图7所示，恒温控制器的限幅保护电路(5)包括：上述PI控制电路(4)的比例放大电路输出通过10k电阻R16与PI控制电路(4)的积分电路输出通过10k电阻R15相连，并连接运放U4A的反相输入端；运放U4A的同相输入端接外部直流参考电压

由两个相反方向串连的5.1V稳压管D2、D3并联10k电阻R17构成负反馈，连接运放U4A的反相输入端和输出端；运放U4A的输出端通过3.6k电阻R38与10k电位器R18相连再接外部直流参考电压

电位器R18的抽头电压即为限幅保护电路(5)的输出。

如图8所示，恒温控制器的TEC驱动电路(VCCS)(6)包括：限幅保护电路(5)的输出与运放U5A同相输入端相连；运放U5A的输出端通过100k电阻R21与运放U6A的反相输入端相连；运放U6A的同相输入端接外部直流参考电压

运放U6A的反相输入端通过100k电阻R22与输出端相连；运放U6A的输出端与用参数互补的达林顿管组成桥式电路相连；所述的桥式电路的构成包括：运放U6A的输出与NPN型大功率达林顿管Q2及PNP型大功率达林顿管Q3的基极相连；NPN型大功率达林顿管Q2的集电极接外部直流供电电源(Vcc)；PNP型大功率达林顿管Q3的集电极接地；NPN型大功率达林顿管Q2的发射极与PNP型大功率达林顿管Q3的发射极相连后再通过1欧姆取样电阻R25串接热电致冷器(TEC)与NPN型大功率达林顿管Q4及PNP型大功率达林顿管Q5的射极相连；NPN型大功率达林顿管Q4的集电极接外部直流供电电源(Vcc)；PNP型大功率达林顿管Q5的集电极接地；运放U6A的输出经一由U6B组成的反相器与NPN型大功率达林顿管Q4及PNP型大功率达林顿管Q5的基极相连；所述反相器包括：运放U6A的输出经100k电阻R24接运放U6B的反相输入端；运放U6B的同相输入端接外部直流参考电压

运放U6B的反相输入端通过100k电阻R23与输出端相连；0.1欧姆取样电阻R25的电压通过同相放大器，把信号反馈回TEC驱动电路(6)的运放U5A的反相输入端；所述的同相放大器包括：与取样电阻一端和运放U5B反相输入端相连的20k电阻R26；一个与运放U5B反相输入端和输出端相连的200k电阻R28；一个与取样电阻另一端和运放U5B同相输入端相连的20k电阻R27；一个与运放U5B同相输入端和外部直流参考电压

相连的200k电阻R29；一个与运放U5B输出端和比较器U5A相连的10k电阻R30。

如图9所示，恒温控制器的显示电路(7)包括：上述温度设置电路(1)的输出和上述温度测量电路(2)的输出通过单刀双掷选择开关S2输入到运放U7A的同相输入端；运放U7A的反相输入端接输出端；运放U7A的输出端通过串联的1k电阻R40和10k电位器R41接地；电位器R41的抽头与显示器J2相连。

实施例3  本发明PID控制系统的设计

恒温控制实验箱的恒温控制器部分通过改变PID控制参数改造后得到的。该参数的确定方法如下：

由于整个系统涉及的环节较多，不便在时域直接分析，所以需在S域建立系统的模型。该系统的开环传递函数由PID控制系统传递函数和受控系统传递函数两部分组成，即G(s)＝G₁(s)·G₂(s)，又因为C(s)＝G(s)·[R(s)-C(s)]，所以系统闭环传递函数：

$\frac{C\left(s\right)}{R\left(s\right)}=\frac{G\left(s\right)}{1+G\left(s\right)}=\frac{G_1\left(s\right)\·G_2\left(s\right)}{1+G_1\left(s\right)\·G_2\left(s\right)}$

其中G₁(s)为PID控制的传递函数 $G_1\left(s\right)=K+\frac{1}{\mathrm{\τ}\·s},$ K为PID控制的比例因子，τ为积分时间常数。G₂(s)为受控系统的传递函数。要分析这个系统首先就要对受控系统的传递函数进行实验确定。

在本设计中，系统只对极低频率有响应且已知受控系统是惯性系统，因此采用通过实验测得系统的阶跃响应，然后在时域用非线性拟合的方法确定系统的传递函数。热敏电阻、TEC、空气等都具有热惯性，此受控系统是一个二阶惯性系统，则G₂(s)应具有的一般形式为：

$G_2\left(s\right)=\frac{K_1}{({\mathrm{\τ}}_{1}s+1)({\mathrm{\τ}}_{2}s+1)}$

对受控系统的阶跃响应 $C\left(s\right)=\frac{K_1}{s({\mathrm{\τ}}_{1}s+1)({\mathrm{\τ}}_{2}s+1)}$ 进行拉普拉斯反变换得：

$c\left(t\right)=\frac{K_1}{({\mathrm{\τ}}_1-{\mathrm{\τ}}_2)}[{\mathrm{\τ}}_1(1-e^{-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_1}t})-{\mathrm{\τ}}_2(1-e^{-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_2}t})]$

对受控系统的阶跃响应曲线进行非线性拟合，得到受控系统传递函数的参数，升温时K₁＝0.14446；τ₁＝854.1217；τ₂＝312.51887，降温时K₁＝0.2234；τ₁＝1731.10134；τ₂＝110.19373。

因为本系统是一个三阶系统，其阶跃响应不易直接通过计算求得，所以采用MATLAB分析整个系统的阶跃响应。根据MATLAB计算得到的系统的阶跃响应曲线判断PID控制参数的具体数值。在本发明中，根据保温、热传递部分的具体情况，最终确定的PID控制参数为比例因子K取50、积分时间常数τ取5s～8s，就可以使恒温实验箱内的温度得到很好的控制。

图10和11为系统实际测量的阶跃响应曲线，它的横轴表示时间，它反映了这个系统能否达到稳定和达到稳定所需时间的长短。图10显示的是该系统加热时的阶跃响应曲线，图11显示的是该系统制冷时的阶跃响应曲线。由图10可以看出当τ小于5s时系统达到稳定需要的时间非常长，即系统很难达到稳定，尤其是当τ小于1s时系统将失去控制永远不能达到稳定状态。由图11可以看出当τ大于8s时系统处于过阻尼状态，达到稳定需要的时间非常之长。因此将τ取在5s～8s之间是必须的。PID控制参数中的比例因子K由PI控制电路(4)中的电阻R13与R12的比值决定；积分时间常数τ由PI控制电路(4)中的电阻R11和电容C4之积决定。

由于本发明是要对恒温箱内的空气温度进行控制，而温度的热惯性非常大不易控制，因此本发明设计的恒温实验箱采用了全新的系统传递函数确定方法，能够更加精确地描述本发明的数学模型，从而使得到的PID控制参数更加符合本发明的实际情况，达到超越现有产品的温度稳定度。现有的采用压缩机制冷、电加热方式的恒温系统的温度稳定度在±0.5℃左右，采用半导体制冷器(TEC)控温方式的恒温系统的温度稳定度在±0.1℃左右，而本发明的精密恒温控制实验箱可以达到±0.02℃的空气稳定度，这也是本发明最突出的特点。

实施例4  本发明的工作原理

用负温度系数热敏电阻(NTC)测量恒温实验箱内温度，此电阻连接恒温控制器的温度测量电路(2)。恒温控制器的温度测量电路(2)在实际温度测量时需要给定一个恒流源，这个恒流源的精度和稳定度直接影响了整个仪器的精度和稳定度，所以制作是难度很高，但是本发明利用运放的“虚短”和三极管的特性设计出了简单实用的恒流源发生电路。而且通过改变反馈电阻的大小还可以改变恒流源的值。用此电流通过负温度系数热敏电阻(NTC)得到表征实际温度的电压值。

设定温度是由温度设置电路(1)以电压的形式给出的，并用跟随器隔离，减少了漏电流所产生的误差。该温度控制器还配有4位半的数码显示器，且显示的数值可以在设置温度和实际温度之间切换。本发明可以用一个开关实现两种温度值的切换，减少了电路结构。用此电路可设定用来表征温度的电压值，本发明最终控制的目的就是使温度测量电路(2)的输出电压与此电压值保持一致。即让恒温控制实验箱内温度与设定温度保持一致。

由于本发明所设计的恒温控制器能够使温度上升或者下降从而最后稳定在设定的温度值，要实现此功能可以利用半导体致冷器TEC(17)，当TEC中电流正方向流动时TEC制冷，而当TEC中电流反方向流动时TEC加热。因此只要利用驱动电流控制TEC中电流流动的方向和大小就可以有效控制TEC的温度，从而实现恒温实验箱内温度的恒定。负温度系数热敏电阻NTC(14)从恒温实验箱内部感应到温度的变化，然后转化为电压信号作为负反馈再与设置温度电压信号在减法器电路(3)中做减法运算，将产生的差值送到PI控制电路(4)中进行处理，所得到得控制信号输入到控制TEC中电流流动方向和大小的由四个达林顿三极管构成的桥式电路，桥式电路中取样电阻所产生的反馈信号使得驱动TEC的电流更加快速和平稳。这样控制TEC加热或制冷从而达到控制恒温箱内空气温度的目的。

温度设置电压值和实际温度测量电压值的差是TEC驱动的标准，利用温差可以有很多TEC驱动电流的控制方法，本发明选择PI控制方法，适当选择控制参数，可以达到超调量小，震荡时间短的目的。PI控制方法的缺点是在初始控制时刻驱动电压幅度可能很大，很容易击穿后面的运放或桥式电路，因此本发明引入一对反向击穿电压为5.1V的稳压管，并与运放的反馈电阻并联，从而有效控制了驱动信号的幅度，保护了后续电路的安全稳定工作。通过恰当地选取PI控制的参数可以很好的实现此恒温箱体内空气温度的恒定。

本发明的恒温控制实验箱不仅可以用于为主动锁模光纤激光器实验提供恒温环境，而且还适用于其它需要恒定温度的小环境场合，因此具有非常广泛的应用领域。该恒温控制实验箱的温度控制精度为±0.1℃，短期稳定度为±2.6×10^-3℃，长期稳定度为±0.024℃，常温(20℃)下的控温范围为10℃～40℃。

实施例5  给出一组最佳参数

箱体内胆(12)的尺寸最好是180×180×120mm³。

按照实施例2，各元件的较好的参数为：电阻R33＝9.2k、R34＝10k、R35＝10K、R36＝22k、R5＝9.1k、R39＝1k、R1＝250k、R2＝25k、R3＝2.5k、R4＝0.25k、R6＝R7＝R8＝R9＝100k、R20＝10k、R14＝0.22欧姆、R16＝10k、R15＝10k、R17＝10k、R38＝3.6k、R18＝10k、R21＝R22＝100k、R25＝0.1欧姆、R24＝100k、R23＝100k、R26＝20k、R28＝200k、R27＝20k、R29＝200k、R30＝10k、R40＝1k、R41＝10k；电容C18＝470pF；Q1的型号为9012；电压基准模块D为LM336。

电阻R13与R12的比值等于50，电阻R11和电容C4之积取5～8。

Claims (3)

1.一种精密恒温控制实验箱，有恒温箱(10)和恒温控制器两个部分，其特征在于，

所说的恒温箱(10)，箱体是外壳(11)与铝材料的内胆(12)之间填充保温绝热层(13)，内胆(12)的尺寸为160～180×160～180×100～120mm³；负温度系数热敏电阻(14)放置在箱体内，并与恒温控制器的温度测量电路(2)连接；外散热器(15)和内散热器(16)相对的装在外壳(11)外面和内胆(12)的里面，在外散热器(15)和内散热器(16)之间顺次相互贴紧的装有半导体致冷器(17)和导热铝块(18)，导热铝块(18)相互接触的装在内胆(12)的外侧；半导体致冷器(17)连接恒温控制器的TEC驱动电路(6)的输出端；

所说的恒温控制器由温度设置电路(1)、温度测量电路(2)、减法器电路(3)、PI控制电路(4)、限幅保护电路(5)、TEC驱动电路(6)和显示电路(7)构成；

其中温度设置电路(1)包括：直流供电电源(Vcc)接电阻R33再接一个电压基准模块D接地；电压基准模块D并接电位器R34，电位器R34抽头与运放U7B同相输入端相连；运放U7B反相输入端接电阻R35接地，电阻R36接在运放U7B反相输入端和输出端；在运放U7B输出端连接一个由运放U2B组成的电压跟随器，运放U2B同相输入端接运放U7B输出，运放U2B反相输入端与运放U2B输出端相连；

其中温度测量电路(2)包括：直流供电电源(Vcc)接稳压管D1；稳压管D1阳极与运放U1A的同相输入端和电阻R5相连；电阻R5另一端接地；运放U1A的输出端与电阻R39和电容C18相连；电容C18与运放U1A的反相输入端相连，并通过单刀四掷开关S1与四个电阻R1、R2、R3、R4相连，并与三极管Q1的射极相连；电阻R1、R2、R3、R4与外部直流电源(Vcc)相连；电阻R39与三极管Q1的基极相连；三极管Q1的射极与恒温箱(10)内的负温度系数热敏电阻(14)相连，负温度系数热敏电阻(14)的另一端接地；在三极管Q1的射极输出端连接一个由运放U1B组成的电压跟随器，运放U1B同相输入端接三极管Q1的射极，运放U1B反相输入端与运放U1B输出端相连；三极管Q1的集电极为恒流源输出；

其中减法器电路(3)包括：由运放U1B组成的电压跟随器的输出和由运放U2B组成的电压跟随器的输出分别通过电阻R6、R8与构成减法器的运放U2A的同相输入端和反相输入端相连；运放U2A的同相输入端又与电阻R7相连再接外部直流参考电压

运放U2A的反相输入端又与电阻R9相连再接运放U2A的输出；

其中PI控制电路(4)包括：减法器电路(3)的输出通过电位器R20与外部直流参考电压相连；电位器R20的抽头通过由运放U3A组成的电压跟随器与比例放大电路相连；所述比例放大电路包括：一个与由运放U3A组成的电压跟随器输出端和运放U3B反相输入端相连的电阻R12，一个与运放U3B反相输入端和输出端相连的电阻R13；减法器电路(3)的输出与积分电路相连；所述的积分电路包括：减法器电路(3)的输出通过电阻R11与运放U4B的反相输入端相连；一个电容C4和一个电阻R14串联后连接在运放U4B的反相输入端和输出端之间；运放U4B的同相输入端接外部直流参考电压

电阻R13与R12的比值等于45～55，电阻R11和电容C4之积取5～8；

其中限幅保护电路(5)包括：PI控制电路(4)的比例放大电路输出通过电阻R16与PI控制电路(4)的积分电路输出通过电阻R15相连，并连接运放U4A的反相输入端；运放U4A的同相输入端接外部直流参考电压

由两个相反方向串连的5.1V稳压管D2、D3并联电阻R17构成负反馈，连接运放U4A的反相输入端和输出端；运放U4A的输出端通过电阻R38与电位器R18相连再接外部直流参考电压

电位器R18的抽头电压即为限幅保护电路(5)的输出；

其中TEC驱动电路(6)包括：限幅保护电路(5)的输出与运放U5A同相输入端相连；运放U5A的输出端通过电阻R21与运放U6A的反相输入端相连；运放U6A的同相输入端接外部直流参考电压

运放U6A的反相输入端通过电阻R22与输出端相连；运放U6A的输出端与用参数互补的达林顿管组成桥式电路相连；所述的桥式电路的构成包括：运放U6A的输出与NPN型达林顿管Q2及PNP型达林顿管Q3的基极相连；达林顿管Q2的集电极接直流供电电源(Vcc)；达林顿管Q3的集电极接地；达林顿管Q2的发射极与达林顿管Q3的发射极相连后再通过取样电阻R25串接半导体致冷器(17)与NPN型达林顿管Q4及PNP型达林顿管Q5的射极相连；达林顿管Q4的集电极接直流供电电源(Vcc)；达林顿管Q5的集电极接地；运放U6A的输出经由运放U6B组成的反相器与达林顿管Q4及达林顿管Q5的基极相连；所述反相器包括：运放U6A的输出经电阻R24接运放U6B的反相输入端；运放U6B的同相输入端接直流参考电压

运放U6B的反相输入端通过电阻R23与输出端相连；取样电阻R25的电压通过同相放大器，把信号反馈回TEC驱动电路(6)的运放U5A的反相输入端；所述的同相放大器包括：与取样电阻R25一端和运放U5B反相输入端相连的电阻R26；一个与运放U5B反相输入端和输出端相连的电阻R28；一个与取样电阻另一端和运放U5B同相输入端相连的电阻R27；一个与运放U5B同相输入端和直流参考电压

相连的电阻R29；一个与运放U5B输出端和比较器U5A相连的电阻R30；

其中显示电路(7)包括：温度设置电路(1)的输出和温度测量电路(2)的输出通过单刀双掷选择开关S2输入到运放U7A的同相输入端；运放U7A的反相输入端接输出端；运放U7A的输出端通过串联的电阻R40和电位器R41接地；电位器R41的抽头与显示器J2相连。

2.按照权利要求1所述的精密恒温控制实验箱，其特征在于，所说的保温绝热层(13)是聚氯乙烯泡沫；在外散热器(15)、半导体致冷器(17)、导热铝块(18)、内散热器(16)和内胆(12)之间的接触面涂有导热硅脂；负温度系数热敏电阻(14)选有0.1k、1k、10k或100k四种阻值。

3.按照权利要求1或2所述的精密恒温控制实验箱，其特征在于，所说的箱体内胆(12)的尺寸是180×180×120mm³；各元件的参数为：电阻R33＝9.2k、R34＝10k、R35＝10K、R36＝22k、R5＝9.1k、R39＝1k、R1＝250k、R2＝25k、R3＝2.5k、R4＝0.25k、R6＝R7＝R8＝R9＝100k、R20＝10k、R14＝0.22欧姆、R16＝10k、R15＝10k、R17＝10k、R38＝3.6k、R18＝10k、R21＝R22＝100k、R25＝0.1欧姆、R24＝100k、R23＝100k、R26＝20k、R28＝200k、R27＝20k、R29＝200k、R30＝10k、R40＝1k、R41＝10k；电容C18＝470pF；Q1的型号为9012；电压基准模块D为LM336；电阻R13与R12的比值等于50。

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