CN103677012A

CN103677012A - 一种提高真空面源黑体均匀性的精细划分控制系统

Info

Publication number: CN103677012A
Application number: CN201310629300.1A
Authority: CN
Inventors: 杨旺林; 魏建强; 刘亚平; 张玉国; 张虎
Original assignee: Beijing Zhenxing Metrology and Test Institute
Current assignee: Beijing Zhenxing Metrology and Test Institute
Priority date: 2013-11-28
Filing date: 2013-11-28
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2033-11-28
Also published as: CN103677012B

Abstract

本发明公开了一种提高真空面源黑体均匀性的精细划分控制系统，本系统包括温度控制仪表、温度传感器、信号调理电路、面源黑体辐射源；所述面源黑体辐射源设有N个区域，每一区域设置一加热片，所述信号调理电路为一分N信号调理电路；所述信号调理电路的电压信号输入端与所述温度控制仪表的电压信号输出端连接，其每一电压信号输出端口分别经一程控电源与一所述加热片连接；所述温度传感器设于所述面源黑体辐射源上，并通过数据线与所述温度控制仪表的信号输入端连接。本系统具有均匀性好、稳定速度快，而且结构简单、成本低。

Description

一种提高真空面源黑体均匀性的精细划分控制系统

技术领域

本发明涉及一种提高真空面源黑体均匀性的精细划分控制系统，属于红外成像器件标定设备技术领域。

背景技术

空间飞行器上携带的红外遥感探测器发回来的遥感数据，是经遥感器光电转换之后形成的电信号，为了将电信号反演成物体的辐射量，就需要在卫星发射之前进行红外通道的标定。标定精度的高低，直接影响到反演的精度，所以红外探测器在研制过程中都必须进行红外辐射定标试验。用于红外定标的红外辐射定标设备由真空容器、热沉、真空面源黑体、深冷黑体、数据采集系统等组成。其中红外辐射定标的关键部件是定标黑体。标准面源黑体需放置在真空舱内。由于面源黑体处于真空环境下，缺少大气热交换与热传导，导致系统阻尼系数较小，系统波动较大、难于控制、温度均匀性差。

目前，为了提高真空面源黑体的温度均匀性的方法，一般采用多个温度控制仪表，构成多个控制循环，将辐射面切分成不同的控制区域，对不同的区域单独控制，在这种方式下，需要多个温度传感器与多个控制仪表，控制系统成本高，而且每一个控制循环之间相互干扰比较大，系统稳定困难，抗干扰能力差。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高真空面源黑体均匀性的精细划分控制系统，该系统设计方法不但可以有效的提高真空面源黑体的均匀性，而且可以提高系统的稳定性，缩短稳定时间。较其他方法精度高，结构简单。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种提高真空面源黑体均匀性的精细划分控制系统，其特征在于包括温度控制仪表、温度传感器、信号调理电路、面源黑体辐射源；所述面源黑体辐射源设有N个区域，每一区域设置一加热片，所述信号调理电路为一分N信号调理电路；所述信号调理电路的电压信号输入端与所述温度控制仪表的电压信号输出端连接，其每一电压信号输出端口分别经一程控电源与一所述加热片连接；所述温度传感器设于所述面源黑体辐射源上，并通过数据线与所述温度控制仪表的信号输入端连接；其中，N为大于1的自然数。

进一步的，所述信号调理电路包括电源模块、信号跟随电路与增益可调的信号分路电路；所述电源模块的输入端与电源端口连接，其输出端与所述信号跟随电路的电源端、所述信号分路电路的电源端连接；所述信号跟随电路的电压信号输出端经所述信号分路电路与所述程控电源连接。

进一步的，所述信号调理电路还包括两去耦电路，分别与所述电源模块的输出端连接。

进一步的，所述信号跟随电路为一运算放大器；所述运算放大器连接为电压跟随器形式。

进一步的，所述信号分路电路包括N个支路，每一支路为一同相放大器；所述同相放大器的信号输入负端与信号输出端之间连接一可变电阻。

进一步的，每一所述支路分别经一金属膜电阻与所述运算放大器的电压信号输出端连接。

进一步的，所述去耦电路包括并联的M个相同电容值的电容，每一电容的一端与所述电源模块的一输出端连接，另一端与地线连接。

进一步的，所述电源模块的输出端与公共端之间分别并接一组滤波电容。

进一步的，所述温度传感器设置于所述面源黑体辐射源的中间部位。

进一步的，所述加热片为阻性加热片。

本系统主要包括温度控制仪表、温度传感器（如PT100传感器）、一分六信号调理电路、六组程控电源、六组阻性加热片以及面源黑体辐射源等单元。

所述一分六信号调理电路包含电源模块部分、去耦电路部分、信号跟随电路部分与信号分路电路部分。

所述电源模块部分电路的主要功能是将输入的220V交流电压转换为±15V的双路共地直流电源，为整个电路板上的运算放大器及其它器件提供电源。

所述去耦电路部分主要功能是对各运算放大器的正负电源端的电源电压进行滤波，保证运算放大器电源电压的稳定，从而使运算放大器工作可靠。去耦电路主要器件为耐压50V、容值为0.1uF的陶瓷电容。

所述信号跟随电路部分的主要功能是将输入的温度控制仪表控制信号转变为具有一定驱动能力的信号，为信号分路部分提供输入信号。运算放大器40采用AD公司的OP279。

所述信号分路电路部分的主要功能是将一路输入信号分为多路独立可调的输出信号，为程控电源提供输入控制信号，以单独控制每一路程控电源的输出功率，实现精细化控制。信号分路部分的输出信号为0V-10V的模拟信号，运算放大器采用AD公司生产的OP07。

所述PT100温度传感器测温温度范围为160K～500K,测量精度为0.05K。

所述温度控制仪表具有两路输出，第一路控制输出信号为0V～10V，第二路输出信号为4mA～20mA。第二路控制低温液氮电磁阀4的开度，液氮的流量根据低温电磁阀的开度线性输出，液氮进入面源黑体以后，将面源黑体表面的热量带走。通过不断地控制运算，温度控制仪表的两路输出不断地变化，当面源黑体的加热总功率等于面源黑体的单位时间内能变化、系统的散热以及热辐射的总和时，系统达到热平衡，最总系统稳定。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本发明采用一个独立的温度控制仪表，将温度控制仪表的控制输出接到一个一分六信号处理电路中，该电路将控制仪表的一路输出信号变成六路幅值大小可以独立调节的信号。该六路控制信号分别控制六组程控电源的功率输出，进而控制均等分布在辐射源后的六组阻性加热片。根据实验结果，可以独立的调节一分六信号调理电路的每一路输出，可以在控制系统稳定、可靠的前提下，有效的提高真空面源黑体的均匀性。较其他方法均匀性好、稳定速度快，而且结构简单、成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通的技术人员来讲，在不付出创造性的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例所提供的一种提高真空面源黑体均匀性的精细划分控制系统图；亦为本发明的最佳实施例。

图2为本发明实施例所提供的一分六信号调理电路中电源供电部分电路图；

图3为本发明实施例所提供的一分六信号调理电路中去耦电路部分电路图；

图4为本发明实施例所提供的一分六信号调理电路中信号跟随部分电路图；

图5为本发明实施例所提供的一分六信号调理电路中信号分路部分电路图。

其中，1.温度控制仪表，2.一分六信号调理电路，3.PT100传感器，4.低温液氮电磁阀，5～10.六组程控电源，11.加压液氮，12～17.六组阻性加热片，18.面源黑体辐射源；21.电源输入端，22.电源模块，23～26.电容，31～37.电容，40.运算放大器，41信号输入端，42～49.电阻。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例所提供的系统设计图，图1中包括1.温度控制仪表，2.一分六信号调理电路，3.PT100传感器，4.低温液氮电磁阀，5～10.六组程控电源，11.加压液氮，12～17.六组阻性加热片，18.面源黑体辐射源。

真空面源黑体辐射源18均等的划分为六个区域，PT100传感器3安装在真空面源黑体辐射源18的中间部位，PT100传感器3实时采集面源黑体的内部温度变送给温度控制仪表1，与设定值进行比较，通过多段PID控制运算，输出分别控制面源黑体的加热与制冷，在加热过程中，温度控制仪表输出0V～5V电压加到一分六信号调理电路2的输入端，经过电路放大处理，变成六路相互独立可调的0V～10V控制信号，六路信号分别控制对应粘贴在面源黑体六个区域内的阻性加热片5～10的加热功率。

图2中，AC220V电压通过输入端口21加载到电源模块22的输入端，通过电源模块22，转换为±15V电源，按照要求，为了保证输出电压的稳定，在±15V与公共端之间分别并接四个滤波电容23～26，其容值为0.1uF和220uF，耐压为50V。

图3主要功能是对各运算放大器的正负电源端的电源电压进行滤波，保证运算放大器电源电压的稳定，从而使运算放大器工作可靠。去耦电路主要器件为耐压50V、容值为0.1uF的陶瓷电容31～37。

图4中，温控表的电压控制信号经输入端口41进入运算放大器OP279的输入端，OP279连接成为电压跟随器的形式，保证输入信号与输出信号极性、幅值相同，为后续信号分路电路提供具有足够驱动能力的信号，图中相应电阻42～44均选用阻值为10k、功率为0.25W、精度为5%的金属膜电阻，其中引脚1为反馈端、引脚2为输入负端、引脚3为输入正端。

信号跟随电路的输出信号为分路信号各路的输入信号61，信号分路电路由六个相同且独立的同相放大器组成，每路同相放大器的增益可以通过可变电阻63独立可调，如图5所示，可以控制相应的程控电源输出不同的功率，以改善黑体控制的均匀性。

Claims

1.一种提高真空面源黑体均匀性的精细划分控制系统，其特征在于包括温度控制仪表、温度传感器、信号调理电路、面源黑体辐射源；所述面源黑体辐射源设有N个区域，每一区域设置一加热片，所述信号调理电路为一分N信号调理电路；所述信号调理电路的电压信号输入端与所述温度控制仪表的电压信号输出端连接，其每一电压信号输出端口分别经一程控电源与一所述加热片连接；所述温度传感器设于所述面源黑体辐射源上，并通过数据线与所述温度控制仪表的信号输入端连接；其中，N为大于1的自然数。

2.如权利要求1所述的精细划分控制系统，其特征在于所述信号调理电路包括电源模块、信号跟随电路与增益可调的信号分路电路；所述电源模块的输入端与电源端口连接，其输出端与所述信号跟随电路的电源端、所述信号分路电路的电源端连接；所述信号跟随电路的电压信号输出端经所述信号分路电路与所述程控电源连接。

3.如权利要求2所述的精细划分控制系统，其特征在于所述信号调理电路还包括两去耦电路，分别与所述电源模块的输出端连接。

4.如权利要求2或3所述的精细划分控制系统，其特征在于所述信号跟随电路为一运算放大器；所述运算放大器连接为电压跟随器形式。

5.如权利要求2或3所述的精细划分控制系统，其特征在于所述信号分路电路包括N个支路，每一支路为一同相放大器；所述同相放大器的信号输入负端与信号输出端之间连接一可变电阻。

6.如权利要求5所述的精细划分控制系统，其特征在于每一所述支路分别经一金属膜电阻与所述运算放大器的电压信号输出端连接。

7.如权利要求3所述的精细划分控制系统，其特征在于所述去耦电路包括并联的M个相同电容值的电容，每一电容的一端与所述电源模块的一输出端连接，另一端与地线连接。

8.如权利要求2或7所述的精细划分控制系统，其特征在于所述电源模块的输出端与公共端之间分别并接一组滤波电容。

9.如权利要求1所述的精细划分控制系统，其特征在于所述温度传感器设置于所述面源黑体辐射源的中间部位。

10.如权利要求1所述的精细划分控制系统，其特征在于所述加热片为阻性加热片。