CN102840724A - 一种用于ccd探测器制冷装置的温度控制系统 - Google Patents

一种用于ccd探测器制冷装置的温度控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于CCD探测器制冷装置的温度控制系统，包括温度传感器，实时地检测半导体制冷片的冷面的当前温度并输出温度指示信号；信号处理模块，对温度指示信号进行放大，并将放大后的温度指示信号进行模-数转换；控制模块，将半导体制冷片的冷面的当前温度与目标温度进行分析以得到开关控制信号；执行机构，选择性地将直流电源输出的直流电输送至半导体制冷片以调节半导体制冷片的冷面的温度位于预设温度区间内。本发明实现对CCD探测器制冷装置的温度的调节，使得CCD探测器制冷装置的温度控制在可控区间内的任一设定温度，从而减小了室内温度对制冷装置的温度的影响，提高了制冷装置的稳定性。

Description

一种用于CCD探测器制冷装置的温度控制系统
技术领域
本发明涉及CCD探测器技术领域，特别涉及一种用于CCD探测器制冷装置的温度控制系统。
背景技术
CCD(Charge-coupled Device)探测器技术是国际上DR(Digital Radiography，直接数字化X射线摄影系统)产品采用的主流技术之一，性能稳定且可靠。
但是，CCD芯片在常温工作情况下暗电流噪声和读出噪声都很大，从而对最终图像成像结果造成影响。特别是在X射线环境下，本身照度很低，对于图像信噪比，噪声的影响比可见光环境的影响更加恶劣。因此，需要利用制冷装置对CCD探测器进行制冷。现今，通常采用半导体制冷片对CCD探测器进行制冷。然而，对于不同地区的使用用户，室内温度差异很大，不同的室内温度会导致半导体制冷片的冷面的温度不同，影响半导体制冷片的制冷效果，制冷效率低。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别提出一种用于CCD探测器制冷装置的温度控制系统，该温度控制系统可以将CCD探测器制冷装置的冷面的温度控制在可控区间内的任一设定温度，提高了制冷装置的稳定性。
为达到上述目的，本发明的实施例提出一种用于CCD探测器制冷装置的温度控制系统，所述CCD探测器制冷装置包括直流电源和半导体制冷片，所述直流电源向所述半导体制冷片通入直流电以利用所述半导体制冷片的冷面对CCD探测器进行冷却，所述温度控制系统用于对所述半导体制冷片的冷面的温度进行控制，所述温度控制系统包括：温度传感器，所述温度传感器与所述半导体制冷片的冷面相连，用于实时地检测所述半导体制冷片的冷面的当前温度并输出温度指示信号；信号处理模块，所述信号处理模块与所述温度传感器相连，用于对所述温度指示信号进行放大，并将放大后的温度指示信号进行模拟-数字转换以得到温度指示数字信号；控制模块，所述控制模块与所述信号处理模块相连，用于根据所述温度指示数字信号读取所述半导体制冷片的冷面的当前温度，并将所述半导体制冷片的冷面的当前温度与目标温度进行分析以得到开关控制信号；执行机构，所述执行机构位于所述直流电源和所述半导体制冷片之间，且所述执行机构与所述控制模块相连，用于在所述开关控制信号的驱动下选择性地将所述直流电源输出的直流电输送至所述半导体制冷片以调节所述半导体制冷片的冷面的温度位于预设温度区间内，其中所述预设温度区间为起始温度比所述目标温度降低第一预设温度，所述预设温度区间的结束温度比所述目标温度升高所述第一预设温度。
根据本发明实施例的用于CCD探测器制冷装置的温度控制系统，可以通过控制电源向CCD探测器制冷装置的供电，实现对CCD探测器制冷装置的温度的调节，使得CCD探测器制冷装置的温度控制在可控区间内的任一设定温度，从而减小了室内温度对制冷装置的温度的影响，提高了制冷装置的稳定性。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的用于CCD探测器制冷装置的温度控制系统的结构示意图；
图2为温度传感器和信号处理模块的电路图；
图3为继电器的电路；和
图4为半导体制冷片的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
下面参考图1至图4描述根据本发明实施例的用于CCD探测器制冷装置的温度控制系统1000。由于CCD探测器中的CCD芯片在常温工作情况下暗电流噪声和读出噪声都较大，因此需要制冷装置对其进行制冷以提高图像成像结果。CCD探测器制冷装置包括直流电源2000和半导体制冷片3000。直流电源2000向半导体制冷片3000通入直流电，半导体制冷片3000在直流电的驱动下工作，由半导体制冷片3000的冷面对CCD探测器进行冷却。半导体制冷片3000的冷面可以通过导热铜材料对CCD探测器进行冷却。其中，直流电源2000可以为电压为12V，电流为5A的恒流电源。本发明实施例提供的用于CCD探测器制冷装置的温度控制系统1000通过将半导体制冷片3000的冷面的当前温度与预设的目标温度进行比较，根据比较结果控制电源向半导体制冷片3000输电以达到控制半导体制冷片3000的冷面的温度。
如图1所示，本发明实施例提供的用于CCD探测器制冷装置的温度控制系统1000包括：温度传感器100、信号处理模块200、控制模块300和执行机构400。其中，温度传感器100与半导体制冷片3000的冷面相连，信号处理模块200与温度传感器100相连，控制模块300与信号处理模块200相连，执行机构400与控制模块300相连，且执行机构400位于直流电源2000和半导体制冷片3000之间，分别与直流电源2000和半导体制冷片3000相连。
温度传感器100时地检测半导体制冷片3000的冷面的当前温度，并输出用于表示半导体制冷片3000的冷面的当前温度的温度指示信号。在本发明的一个示例中，温度传感器100用型号为LM35的温度传感器。如图2所示，温度传感器LM35的管脚1接地(GND)，管脚2为输出端(OUT)，管脚3接+5V供电电压。
信号处理模块200包括放大单元210和模拟-数字转换单元220，其中，模拟-数字转换单元220与放大单元210相连。
放大单元210接收来自温度传感器100的温度指示信号，对该温度指示信号进行放大处理，并将放大后的温度指示信号输出值模拟-数字转换单元220。在本发明的一个示例中，放大单元210可以为型号为LM358的运算放大器。如图2所示，由温度传感器LM35的管脚2输出的温度指示信号送至运算放大器LM358的管脚3(+INA)。运算放大器LM358的管脚4(GND)接-5V电压，管脚5(+INB)和管脚(-INB)并联接地，管脚7(VCC)接+5V电压。管脚2(-INA)分别与电阻R41和R42的一端相连，电阻R41的另一端接地，电阻R42的另一端与管脚1(OUTA)并联，管脚1(OUTA)输出放大后的温度指示信号。
放大单元210输出的放大后的温度指示信号为模拟信号，模拟-数字转换单元220对放大后的温度指示信号进行模拟-数字转换，将放大后的温度指示信号转换为数字信号以得到温度指示数字信号，并将该温度指示数字信号输出至控制模块300。在本发明的一个示例中，模拟-数字转换单元220可以为型号为AD7898的模拟/数字转换器。如图2所示，由运算放大器LM358的管脚1输出的放大后的温度指示信号送至模拟/数字转换器AD7898的管脚2(VIN)，模拟/数字转换器AD7898将放大后的温度指示信号转换为数字信号。
控制模块300分析由模拟-数字转换单元220输出的温度指示数字信号，从温度指示数字信号中读取半导体制冷片3000的冷面的当前温度，然后将半导体制冷片3000的冷面的当前温度进行PID调节控制，包括将半导体制冷片3000的冷面的当前温度与目标温度进行分析以得到开关控制信号。控制模块300内设置有目标温度，目标温度位于第三预设温度和第四预设温度之间。其中，第三预设温度为CCD探测器制冷装置所在环境的室内温度，第四预设温度与所述第三预设温度相差第二预设温度值，即与室内温度相差第二预设温度值。其中，第二预设温度值可以40摄氏度。换言之，控制模块300设置目标温度位于室内温度-低于室内温度40摄氏度的温度之间。
控制模块300将半导体制冷片3000的冷面的当前温度与预设的目标温度进行比较，得到二者的温度差值。控制模块300对当前温度与目标温度的温度差值进行分析处理，生成用于控制执行机构400的开关控制信号。在本发明的一个实施例中，开关控制信号为PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)信号。换言之，控制模块300将对当前温度与目标温度的温度差值进行分析处理的结果以PWM方式发送给执行机构400。
在本发明的一个实施例中，控制模块300为单片机。例如，控制模块300可以为型号为ATMEGA32L的单片机。
执行机构400位于直流电源2000和半导体制冷片3000之间，用于在控制模块300提供的开关控制信号的驱动下选择性将直流电源2000输出的直流电输送至半导体制冷片3000。在本发明的一个实施例中，执行机构400可以为继电器。具体而言，继电器在开关控制信号的驱动下闭合或断开，从而选择地将直流电输送至半导体制冷片3000。具体而言，当开关控制信号中的电流超过继电器的电流阈值时，则驱动继电器闭合，直流电源2000输出的直流电输送至半导体制冷片3000；当开关控制信号中的电流低于继电器的电流阈值时，则驱动继电器断开，直流电源2000输出的直流电不能输送至半导体制冷片3000。如图3所示，继电器(RELAY)的管脚1接收+5V供电电源，管脚2接收来自控制模块300的开关控制信号TEMP FRAM_D，管脚3和管脚4与直流电源2000的输出端相连，管脚5和管脚6与半导体制冷片3000相连，用于在闭合时将直流电源2000提供的直流电输出至半导体制冷片3000。在本发明的一个示例中，直流电源2000提供电压为12V，电流为5A的恒流电。如图4所示，由继电器输出的+12V直流电(+12VCOOL)输送至半导体制冷片3000的输入端(图4中的+12VCOOL端)，半导体制冷片3000的一端接地(GND)。
在本发明的一个实施例中，执行机构400可以为MOS管(Metal-Oxid-Semiconductor场效应晶体管)。MOS管在开关控制信号的控制下向半导体制冷片3000输出控制电流以控制半导体制冷片3000的温度。具体而言，由控制模块300输出的开关控制信号施加到MOS管的栅极(G)和源极(S)之间，根据施加在MOS管的栅极(G)和源极(S)之间的电压Ugs输出控制电流，从而可以选择性地将直流电源2000输出的直流电输出至半导体制冷片3000上，达到控制半导体制冷片3000温度的目的。
控制模块300利用开关控制信号控制执行机构400的动作，从而选择性地将直流电源2000输出的直流电输送至半导体制冷片3000，使得半导体制冷片3000的冷面的温度趋近于目标温度。
温度传感器100实时地检测半导体制冷片3000的冷面的温度，当半导体制冷片3000的冷面的温度没有位于预设温度区间内时，信号处理模块200、控制模块300和执行机构400重复执行上述实施例中的动作，不断调节半导体制冷片3000的冷面的温度。其中，预设温度区间的起始温度比目标温度降低第一预设温度，预设温度区间的结束温度比目标温度升高第一预设温度。
当半导体制冷片3000的冷面的温度位于预设温度区间内时，即温度控制系统1000的将半导体制冷片3000的冷面的温度控制在以目标温度为中心且上下浮动第一预设温度的区间内时，信号处理模块200、控制模块300和执行机构400可以停止对半导体制冷片3000的冷面的温度的调节。但是，温度传感器100也要持续监控半导体制冷片3000的冷面的温度，当半导体制冷片3000的冷面的温度没有位于预设温度区间内时，则信号处理模块200、控制模块300和执行机构400重复执行上述实施例中的动作，调节半导体制冷片3000的冷面的温度。优选地，温度控制系统1000调节半导体制冷片3000的冷面的温度为目标温度。
根据本发明实施例的用于CCD探测器制冷装置的温度控制系统，可以通过控制电源向CCD探测器制冷装置的供电，实现对CCD探测器制冷装置的温度的调节，使得CCD探测器制冷装置的温度控制在可控区间内的任一设定温度，例如控制在室内温度至低于室内温度40摄氏度的任意温度上，并且误差不超过0.5摄氏度，从而减小了室内温度对制冷装置的温度的影响，提高了制冷装置的稳定性，并且适用范围广，有效的减少了因制冷造成的故障率，提高了产品质量。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (11)

1.一种用于CCD探测器制冷装置的温度控制系统，所述CCD探测器制冷装置包括直流电源和半导体制冷片，所述直流电源向所述半导体制冷片通入直流电以利用所述半导体制冷片的冷面对CCD探测器进行冷却，其特征在于，所述温度控制系统用于对所述半导体制冷片的冷面的温度进行控制，所述温度控制系统包括：
温度传感器，所述温度传感器与所述半导体制冷片的冷面相连，用于实时地检测所述半导体制冷片的冷面的当前温度并输出温度指示信号；
信号处理模块，所述信号处理模块与所述温度传感器相连，用于对所述温度指示信号进行放大，并将放大后的温度指示信号进行模拟-数字转换以得到温度指示数字信号；
控制模块，所述控制模块与所述信号处理模块相连，用于根据所述温度指示数字信号读取所述半导体制冷片的冷面的当前温度，并将所述半导体制冷片的冷面的当前温度与目标温度进行分析以得到开关控制信号；
执行机构，所述执行机构位于所述直流电源和所述半导体制冷片之间，且所述执行机构与所述控制模块相连，用于在所述开关控制信号的驱动下选择性地将所述直流电源输出的直流电输送至所述半导体制冷片以调节所述半导体制冷片的冷面的温度位于预设温度区间内，其中所述预设温度区间为起始温度比所述目标温度降低第一预设温度，所述预设温度区间的结束温度比所述目标温度升高所述第一预设温度。
2.如权利要求1所述的温度控制系统，其特征在于，所述第一预设温度为0.5摄氏度。
3.如权利要求1所述的温度控制系统，其特征在于，所述执行机构选择性地将所述直流电源输出的直流电输送至所述半导体制冷片以调节所述半导体制冷片的冷面的温度为所述目标温度。
4.如权利要求1所述的温度控制系统，其特征在于，所述控制模块设置所述目标温度位于第三预设温度和第四预设温度之间，其中所述第三预设温度为所述CCD探测器制冷装置所在环境的室内温度，所述第四预设温度为与所述第三预设温度相差第二预设温度值。
5.如权利要求4所述的温度控制系统，其特征在于，所述第二预设温度值为40摄氏度。
6.如权利要求1所述的温度控制系统，其特征在于，所述信号处理模块包括：
放大单元，所述放大单元用于对来自所述温度传感器的所述温度指示信号进行放大处理；和
模拟-数字转换单元，所述模拟-数字转换单元与所述放大单元相连，用于将由所述放大单元放大后的温度指示信号转换为数字信号，输出温度指示数字信号。
7.如权利要求1所述的温度控制系统，其特征在于，所述控制模块将所述半导体制冷片的冷面的当前温度与所述目标温度进行比较以得到所述当前温度与所述目标温度的差值，对所述当前温度与所述目标温度的差值进行分析处理，生成所述开关控制信号。
8.如权利要求7所述的温度控制系统，其特征在于，所述控制模块为单片机。
9.如权利要求1所述的温度控制系统，其特征在于，所述执行机构为继电器，所述继电器在所述开关控制信号的驱动下闭合或断开以选择性地将所述直流电源输出的直流电输送至所述半导体制冷片。
10.如权利要求9所述的温度控制系统，其特征在于，当所述执行机构为继电器时，所述控制模块输出的所述开关控制信号为脉冲宽度调制PWM信号。
11.如权利要求1所述的温度控制系统，其特征在于，所述执行机构为MOS管，所述MOS管在所述开关控制信号的驱动下输出控制电流以选择性地将所述直流电源输出的直流电输送至所述半导体制冷片。
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