CN104048981B - 一种用于x射线荧光光谱仪的恒温控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于X射线荧光光谱仪的恒温控制系统及控制方法，由测温和控温两部分组成。测温部分包括：恒流源驱动电路、电桥测温电路、滤波限幅电路；控制算法采用PID线性控制器和Fuzzy控制器混合控制；加热器驱动电路采用光电耦合器结合双向可控硅进行交流电源控制。本发明系统性能稳定，抗干扰能力强，可实现温度分辨率0.1℃，温度设置及控制精度36±0.2℃。本发明系统不仅可以为X射线荧光光谱仪的样品室和分光室提供恒温环境，也可以应用于需要恒温调节的小环境场合的计量与测试。

Description

一种用于X射线荧光光谱仪的恒温控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于X射线荧光光谱仪的恒温控制系统及控制方法，属于光谱仪恒温控制技术领域。

背景技术

X射线荧光光谱分析技术，具有制样简单、分析精度高、准确度好、成本低、低污染、能同时对多元素快速分析等优点，应用领域广泛，已成为现代分析实验室必有的三大仪器之一。据不完全统计，全国各个分析领域拥有各种类型的大功率波长色散X射线荧光光谱仪超过2000台，并且以每年200-300台的速度在增加或更新。由于目前国内尚无大功率波长色散X射线荧光光谱仪的生产基地，长期依赖进口，因此，研究、设计、开发拥有自主知识产权的X射线荧光光谱仪是十分必要的。

X射线荧光光谱定性分析的基本原理可以表述为：样品受X射线照射后，其中各元素原子的內壳层(K、L或者M壳层)电子被激发逐出原子而引起壳层电子跃迁，并发射出该元素的特征X射线(荧光)。每一种元素都有其特定波长(或能量)的特征X射线。通过测定样品中特征X射线的波长(或能量)，便可确定样品中存在何种元素。

X射线荧光光谱定量分析的基本原理可以表述为：元素特征X射线的强度与该元素在样品中的原子数量(即含量)成比例，因此通过测量样品中某元素特征X射线的强度，采用适当的方法进行校准与校正，便可求出该元素在样品中的含量。

无论是定性分析还是定量分析，一般都采用晶体分光的方法测量X射线的波长或强度，分光晶体作为X射线衍射的光栅。由于晶体都存在一定的热膨胀系数，所以温度的变化会引起晶体的面间距变化，从而引起探测角度的变化，给测量带来误差。因此，尽量保持分光晶体所在环境的温度稳定，是提高测量准确度的一个重要方面。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种用于X射线荧光光谱仪的恒温控制系统及控制方法，实现温度分辨率0.1℃，温度设置及控制精度36±0.2℃。

一种用于X射线荧光光谱仪的恒温控制系统，包括测温和控温两个部分；

测温部分包括恒流源驱动电路、电桥测温电路、滤波放大限幅电路；

控温部分包括控制芯片、加热器驱动电路；

应用于一种用于X射线荧光光谱仪的恒温控制系统的控制方法，包括以下几个步骤：

步骤一：高精度电压基准芯片AD588BQ输出精准的+5V的基准电压，分别输出至OP07AZ1的正相输入端管脚3和OP07AZ2的反相输入端管脚2；OP07AZ1构成加法器，OP07AZ2构成跟随器，通过调整电位器R3，控制OP07AZ1的输出端管脚6输出0.5mA的恒定电流至电桥测温电路驱动温度传感器Pt1000；

步骤二：温度传感器Pt1000采用三线制接法，将温度信号转换为电压信号；步骤一中输出的0.5mA恒定电流经过参考电阻R9和温度传感器Pt1000；OP07AZ3对电阻R9的端电压进行单位放大后输入至OP07AZ5的反相输入端管脚2；OP07AZ4对Pt1000的端电压进行2倍放大后，输入至OP07AZ5的正相输入端管脚3；OP07AZ5的输出管脚6的输出信号即为经过放大的由Pt1000电阻变化引起的电压变化；

步骤三：步骤二中输出的电压信号经过滤波放大后，输入到限幅电路，将输出信号稳定在3.3V以下，然后将该信号输入到控制芯片中；

步骤四：根据步骤三的结果确定控制算法；控制算法采用PID线性控制器和Fuzzy控制器混合控制，在偏离设定温度点大于±0.5℃时采用Fuzzy控制，在工作点附近±0.5℃以内采用PID控制；根据控制算法计算得到的控制量，利用控制芯片中的事件管理器EV模块产生PWM波形，并将此波形输出到加热器的驱动电路；当PWM信号为高电平时，满足触发条件，故光耦产生电流信号从而驱动双向可控硅导通，加热器电源接通；当PWM信号为低电平时，光耦内部光电二极管不工作，双向可控硅关断，加热器电源断开。

本发明的优点在于：

(1)恒温控制系统抗干扰能力强，性能稳定工作可靠；

(2)采用了限幅保护，防止了瞬时高电压所引起的击穿破坏，有效保护了系统的稳定工作；

(3)本恒温控制系统不仅可以为X射线荧光光谱仪的样品室和分光室提供恒温环境，也可以应用于需要恒温调节的小环境场合的计量与测试；

(4)本恒温控制系统控温部分采用Fuzzy-PID混合控制，可以通过改变输出PWM波的占空比控制加热器的功率，达到精确控温的目的。

附图说明

图1是恒流源驱动电路的电路设计图；

图2是电桥测温电路的电路设计图；

图3是滤波放大限幅电路的电路设计图；

图4是系统实际测量的阶跃响应曲线图；

图5是加热器驱动电路的电路设计图；

图6是恒温控制系统的短期温控曲线；

图7是恒温控制系统的长期温控曲线；

图8是本发明测温模块的完整电路图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种用于X射线荧光光谱仪的恒温控制系统，如图8所示，包括测温和控温两个部分。

测温部分包括恒流源驱动电路、电桥测温电路、滤波放大限幅电路。

恒流源驱动电路包括高精度电压基准芯片AD588BQ以及具有低噪声、低失调、高开环增益的双极性运算放大器OP07AZ1和OP07AZ2构成，如图1所示。

高精度电压基准芯片AD588BQ采用双电源供电，供电电源置于图1中的P3位置，P3是接线端子，外接的正电源通过P3的管脚3与AD588BQ的管脚2相连，外接的负电源通过P3的管脚1与AD588BQ的管脚16相连，P3的管脚2接地。在AD588BQ的管脚2连接极性电容C1的正极，管脚16连接极性电容C2的负极，电容C1的负极和电容C2的正极接地。管脚1和管脚3相连后，经电容C6接地。管脚6和管脚8之间接电位器R1和R2，R1的抽头与管脚12相连，R2的抽头与管脚5相连。管脚4和管脚6相连，经过电阻R8与P3的管脚3连接。管脚7接极性电容C3的正极，C3的负极接地。管脚9直接接地。管脚10和管脚11直接相连。管脚13和管脚8相连。管脚14和管脚15相连，经过电容C7后接地。AD588BQ的管脚1和管脚3相连，输出精准的+5V的基准电压，经过电阻R4后分成两路，一路输入至OP07AZ1的正相输入端管脚3，另一路经过电阻R5后输入至OP07AZ2的反相输入端管脚2。

OP07AZ2构成电压跟随器，输出端管脚6与反相输入端管脚2直接相连。管脚3与OP07AZ1的输出端管脚6经过电阻R3相连，再经过极性电容C4接地。

OP07AZ1构成加法器，其管脚2经过电阻R6后接地，管脚6与管脚2之间接电阻R7。管脚6接电位器R3，R3的抽头与管脚6相连。通过调整R3，控制OP07AZ1的输出端管脚6输出0.5mA的恒定电流至电桥测温电路。

电桥测温电路主要由温度传感器Pt1000和运算放大器OP07AZ3和OP07AZ4构成，如图2所示。

恒流源驱动电路输出的0.5mA恒定电流经过由电阻R22和极性电容C4、C5组成的滤波电路后分成两路，一路接OP07AZ3的正相输入端管脚3，另一路驱动参考电阻R9和温度传感器Pt1000。R22的两端分别与极性电容C4和C5的正极相连，这两个电容的负极接地。温度传感器Pt1000将温度信号转换为电压信号，采用三线制接法，作为电桥的一个桥臂电阻，通过接线端子P1接入测温电路，P1的管脚1直接接地，管脚2接OP07AZ4的正相输入端管脚3，P1的管脚3与参考电阻R9相连。

OP07AZ3构成电压跟随器，管脚6和管脚2直接相连，对电阻R9的端电压进行单位放大，经过电阻R14后输入至OP07AZ5的反相输入端管脚2；

OP07AZ4与电阻R10和R11构成电压串联负反馈电路，管脚6经电阻R11与管脚2相连，再经过电阻R10接地，构成反馈。OP07AZ4对Pt1000的端电压进行2倍放大后，其输出端管脚6经电阻R12输入至OP07AZ5的正相输入端管脚3。

OP07AZ5起差分放大作用，反馈电阻R15置于OP07AZ5的反相输入端管脚2和输出端管脚6之间，电阻R13的一端接OP07AZ5的正相输入端3，另一端接地。OP07AZ5的输出端管脚6输出的信号即为经过放大的由Pt1000电阻变化引起的电压变化，即把温度的变化转化成为电信号的变化。

滤波放大稳压电路主要由运算放大器OP07AZ6和OP07AZ7，以及一系列电阻和电容组成，将OP07AZ5输出的电压信号进行滤波放大，如图3所示。

OP07AZ5的输出经电阻R16和R18后，输入至OP07AZ6的正相输入端管脚3，电容C8一端接在R16和R18之间，另一端与OP07AZ6的输出端管脚6相连，起滤波作用。电容C9一端接OP07AZ6的正相输入端管脚3，另一端直接接地。反馈电阻R19接在OP07AZ6的反相输入端管脚2和输出端管脚6之间，反相输入端管脚2经电阻R17后直接接地。

OP07AZ6的输出端管脚6与OP07AZ7的正相输入端管脚3相连，反馈电阻R21接在OP07AZ7的反相输入端管脚2和输出端管脚6之间，反相输入端管脚2经电阻R20后直接接地。OP07AZ7的输出管脚6输出的信号即为经过低通滤波放大的模拟温度信号，经过电阻R23后连接稳压二极管ZPD3.3V的阴极，利用稳压二极管ZPD3.3V将输出电压限制在0～3.3V之内后，通过接线端子P2输出至控制芯片的AD转换模块。

接线端子P2用以实现测温电路与控制芯片的连接，管脚1接测温电路的输出，管脚2接地。

所有附图中的运算放大器OP07AZ，管脚7接电源电压+5V，管脚4接电源电压-5V，管脚1，管脚5和管脚8悬空。

测温电路中各元件参数为：电阻R1＝100K，R2＝100K，R3＝15K，R4＝10K，R5＝10K，R6＝10K，R7＝10K，R8＝5K，R9＝1.05K，R10＝10K，R11＝10K，R12＝10K，R13＝20K，R14＝10K，R15＝20K，R16＝200K，R17＝10K，R18＝200K，R19＝10K，R20＝1K，R21＝13K，R22＝8.1K，R23＝1K，电容C1＝1μF，C2＝1μF，C3＝1μF，C4＝1μF，C5＝100μF，C6＝0.01μF，C7＝0.01μF，C8＝1μF，C9＝1μF，运算放大器的型号为OP07AZ，电压基准芯片的型号为AD588BQ，稳压二极管的型号为ZPD3.3V，控制芯片采用TMS320F28335。

控温部分包括控制芯片、加热器驱动电路；

本系统的控制算法是在控制芯片TMS320F28335中完成，采用Fuzzy-PID复合控制，根据测温电路输出的温度变化的电信号，采用相应的控制算法。当温度偏差偏离设定点大于±0.5℃时采用Fuzzy控制，响应速度快，动态性能好；当偏差在设定点附近±0.5℃以内采用PID控制，使其静态性能好，满足系统控制精度。参数的确定方法如下：

1、Fuzzy控制方法

Fuzzy控制以温差e和温差变化率ec作为输入，经量化后建立相应的隶属函数。输入变量e的模糊语言描述为{负大，负中，负小，负零，正零，正小，正中，正大}，用字母表示为{NB,NM,NS,-0,+0,PS,PM,PB}，温差e的论域为X，将其量化为14个等级，X＝{-6,-5,-4,-3,-2,-1,-0,+0,1,2,3,4,5,6}，输入变量ec的模糊语言描述为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，用字母表示为{NB,NM,NS,0,PS,PM,PB}，ec的论域为Y，将其量化为13个等级，Y＝{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}；输出变量u的模糊语言描述为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，用字母表示为{NB,NM,NS,0,PS,PM,PB}，u的论域为Z，将其量化为15个等级，Z＝{-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7}。温差e的隶属度表如表1所示。

表1温差e的隶属度表

	-6	-5	-4	-3	-2	-1	-0	+0	1	2	3	4	5	6
															PB	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0.1	0.4	0.8	1.0
PM	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0.2	0.7	1.0	0.7	0.2
															PS	0	0	0	0	0	0	0	0.3	0.8	1.0	0.5	0.1	0	0
-0	0	0	0	0	0	0	0	1.0	0.6	0.1	0	0	0	0
															+0	0	0	0	0.1	0.6	1.0	0	0	0	0	0	0	0	0
NS	0	0	0.1	0.5	1.0	0.8	0.3	0	0	0	0	0	0	0
															NM	0.2	0.7	1.0	0.7	0.2	0	0	0	0	0	0	0	0	0
NB	1.0	0.8	0.4	0.1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0

温差变化率ec隶属度表如表2所示。

表2温差变化率ec的隶属度表

	-6	-5	-4	-3	-2	-1	0	1	2	3	4	5	6
														PB	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0.1	0.4	0.8	1.0
PM	0	0	0	0	0	0	0	0	0.2	0.7	1.0	0.7	0.2
														PS	0	0	0	0	0	0	0	0.9	1.0	0.7	0.2	0	0
0	0	0	0	0	0	0.5	1.0	0.5	0	0	0	0	0
														NS	0	0	0.2	0.7	1.0	0.9	0	0	0	0	0	0	0
NM	0.2	0.7	1.0	0.7	0.2	0	0	0	0	0	0	0	0
														NB	1.0	0.8	0.4	0.1	0	0	0	0	0	0	0	0	0

输出量u隶属度表如表3所示。

表3输出量u的隶属度表

	-7	-6	-5	-4	-3	-2	-1	0	1	2	3	4	5	6	7
																PB	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0.1	0.4	0.8	1
PM	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0.2	0.7	1.0	0.7	0.2	0
																PS	0	0	0	0	0	0	0	0.4	1.0	0.8	0.4	0.1	0	0	0
0	0	0	0	0	0	0	0.5	1.0	0.5	0	0	0	0	0	0
																NS	0	0	0	0.1	0.4	0.8	1.0	0.4	0	0	0	0	0	0	0
NM	0	0.2	0.7	1.0	0.7	0.2	0	0	0	0	0	0	0	0	0
																NB	1.0	0.8	0.4	0.1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0

建立模糊控制规则的基本思想:当误差大或较大时，选择控制量以尽快消除误差为主，而当误差较小时，选择控制量要注意防止超调，以系统的稳定性为主要出发点。以误差e为负大时，误差变化ec为负大为例，这时误差有增大的趋势，为尽快消除已有的负大误差并抑制误差变大，所以控制量取负大，即使发热电阻丝功率达到最小。建立编程实现的控制规则表如表4所示。

表4规则控制表

根据建立的隶属度表和控制规则表可得到控制器的输出值。如当温差e和温差变化率ec都为负大时，得到输出值C＝{1,0.7,0.1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0}，采用加权平均法得到精确控制量为

$U=\frac{-7*1+(-6)*0.7+(-5)*0.1}{1+0.7+0.1}=-6.5---\left(1\right)$

2、PID控制方法

PID控制器的微分方程为：

$u\left(t\right)=K_p\[e\left(t\right)+\frac{1}{T_I}{\∫}_0^{t}e\left(t\right)dt+T_D\frac{de\left(t\right)}{dt}\]---\left(2\right)$

式中，u(t)为PID控制量；e(t)为输入偏差信号，为设定值与实际输出值的差；K_p为比例增益，T_I为积分时间常数，T_D为微分时间常数，K_d为微分增益。写成传递函数的形式为:

$D\left(S\right)=\frac{U\left(S\right)}{E\left(S\right)}=K_p\[1+\frac{1}{T_{I}S}+T_{D}S\]---\left(3\right)$

本控制系统的PID算法在传统的增量型控制方式上进行改进，实现了不完全微分，梯形积分和消除积分不灵敏区。比例部分的增量为：

ΔU_p(n)＝K_p[e(n)-e(n-1)] (4)

式中，e(n)为第n次采样时的偏差。

改进后的积分部分的增量为：

${\mathrm{\ΔU}}_I\left(n\right)=\frac{K_{p}T}{2T_I}\[e\left(n\right)+e(n-1)\]---\left(5\right)$

不完全微分改进后其增量为：

$U_d\left(n\right)=\frac{T_D}{K_{d}T+T_D}\{U_d(n-1)+K_p{K}_d\[e\left(n\right)-e(n-1)\]\}---\left(6\right)$

ΔU_d(n)＝U_d(n)-U_d(n-1) (7)

最终得到比例积分微分算法(PID控制算法)的精确控制量：

U(n)＝U(n-1)+ΔU_p(n)+ΔU_I(n)+ΔU_d(n) (8)

PID控制系统根据恒温箱体实际情况进行参数选定，最终把各系数确定为K_p＝50，T_I＝8，T_d＝5，K_d＝10，使PID控制系统得到了很好的控制。

图4为系统实际测量的阶跃响应曲线图，它的横轴表示时间，纵轴表示系统的输出量。由图4中可以看出当系统单独采用PID控制时，存在很大的超调量，且调节时间过长，如果测量环境存在干扰将会影响系统的稳定性。当单独采用Fuzzy模糊控制时，虽然超调量减小，但是系统稳态误差过大，无法达到较高的控制精度要求。当系统采用Fuzzy模糊控制与PID控制相结合时，在超调量和静态误差方面都能够达到系统的控制要求。

根据控制算法计算得到的控制量，利用控制芯片中的事件管理器(EV)模块产生PWM波形，并将此波形输出到加热器的驱动电路。

加热器驱动电路采用光电耦合器moc3041结合双向可控硅VT1进行交流电源控制，如图5所示。控制芯片输出的PWM信号经过电阻R1与moc3041内部光电二极管的阳极管脚1相连，阴极管脚2接地。moc3041的管脚6经电阻R2接双向可控硅的管脚1，双向可控硅的管脚2经电阻R3与moc3041的管脚4相连，双向可控硅的管脚3与moc3041的管脚4直接相连。电阻R4’和极性电容C1’的正极串联后与双向可控硅VT1并联。交流电220V输入与双向可控硅的管脚1相连，双向可控硅的管脚2为加热器的驱动输出。当PWM信号为高电平时，满足触发条件，故光耦产生电流信号从而驱动双向可控硅VT1导通，加热器电源接通。当PWM信号为低电平时，光耦内部光电二极管不工作，双向可控硅VT1关断，加热器电源断开。

加热器驱动电路各元件参数为：电阻R1＝100Ω，R2＝360Ω，R3＝330Ω，R4＝39Ω，电容C1＝0.01μF，光电耦合器的型号为moc3041，双向可控硅VT1的型号为BTA12-600B。

本发明是一种用于X射线荧光光谱仪的恒温控制系统的控制方法，包括以下几个步骤：

步骤一：高精度电压基准芯片AD588输出精准的+5V的基准电压，分别输出至OP07AZ1的正相输入端管脚3和OP07AZ2的反相输入端管脚2。OP07AZ1构成加法器，OP07AZ2构成跟随器，通过调整电位器R3，控制OP07AZ1的输出端管脚6输出0.5mA的恒定电流至电桥测温电路驱动温度传感器Pt1000。

步骤二：温度传感器Pt1000采用三线制接法，将温度信号转换为电压信号。步骤一中输出的0.5mA恒定电流经过参考电阻R9和温度传感器Pt1000。OP07AZ3对电阻R9的端电压进行单位放大后输入至OP07AZ5的反相输入端管脚2；OP07AZ4对Pt1000的端电压进行2倍放大后，输入至OP07AZ5的正相输入端管脚3。OP07AZ5的输出端管脚6输出的信号即为经过放大的由Pt1000电阻变化引起的电压变化。

步骤三：步骤二中输出的电压信号经过滤波放大后，输入到限幅电路，将输出信号稳定在3.3V以下，然后将该信号输入到控制芯片中。

步骤四：根据步骤三的结果确定控制算法。本系统的控制算法采用PID线性控制器和Fuzzy控制器混合控制，在偏离设定温度点大于±0.5℃时采用Fuzzy控制，在工作点附近±0.5℃以内采用PID控制。根据控制算法计算得到的控制量，利用控制芯片中的事件管理器(EV)模块产生PWM波形，并将此波形输出到加热器的驱动电路。当PWM信号为高电平时，满足触发条件，故光耦产生电流信号从而驱动双向可控硅导通，加热器电源接通。当PWM信号为低电平时，光耦内部光电二极管不工作，双向可控硅关断，加热器电源断开。

实施例：

结合附图说明本发明的实验效果；

以木质实验箱为例，箱体尺寸为：60cm×40cm×80cm；

控制芯片采样后，利用线性拟合标定得到相应的温度值。当系统达到稳定时，进行短期温控精度测量。以1分钟为基准，测量1小时，共获得60个测量数据。最大温度值为36.05882℃，最小温度值为35.96973℃，平均值为36.01049℃，均方误差为6.31×10^-4℃。很好的把温度控制在0.1℃以内，达到预期控制精度要求。恒温控制系统的短期温控曲线如图6所示。

为测量系统得长期稳定性，以10分钟为基准，测量10小时，共获得60个测量数据。最大温度值为36.05956℃，最小温度值为35.96469℃，平均值为36.01287℃,均方误差为6.43×10^-4℃。在长时间内，系统保持了良好的稳定性，达到指标要求。恒温控制系统的长期温控曲线如图7所示。

为测量系统的抗干扰性，在系统稳定时打开箱体外壳，使箱体内部温度下降至室温，然后封闭箱体让系统继续运行。升温时间约1分钟，调节时间5分钟，超调量4.17％。经多次测量证实了系统的抗干扰性良好。

Claims (6)

1.一种用于X射线荧光光谱仪的恒温控制系统，包括测温和控温两个部分；

测温部分包括恒流源驱动电路、电桥测温电路、滤波放大限幅电路；

恒流源驱动电路包括电压基准芯片AD588BQ、运算放大器OP07AZ1、运算放大器OP07AZ2；

P3为供电电源接线端子，外接的正电源通过P3的管脚3与AD588BQ的管脚2相连，外接的负电源通过P3的管脚1与AD588BQ的管脚16相连，P3的管脚2接地；

AD588BQ的管脚2和管脚16的输入端分别连接极性电容C1的正极和极性电容C2的负极，电容C1的负极和电容C2的正极接地；管脚1和管脚3相连后，经电容C6接地；管脚6和管脚8之间接电位器R1和电位器R2，电位器R1的抽头与管脚12相连，电位器R2的抽头与管脚5相连；管脚4和管脚6相连，经过电阻R8与P3的管脚3连接；管脚7接极性电容C3的正极，C3的负极接地；管脚9直接接地；管脚10和管脚11直接相连；管脚13和管脚8相连；管脚14和管脚15相连，经过电容C7后接地；AD588BQ的管脚1和管脚3相连，输出精准的+5V的基准电压，经过电阻R4后分成两路，一路输入至OP07AZ1的正相输入端管脚3，另一路经过电阻R5后输入至OP07AZ2的反相输入端管脚2；

OP07AZ2构成电压跟随器，输出端管脚6与反相输入端管脚2直接相连；管脚3与OP07AZ1的管脚6经过电阻R3相连，再经过极性电容C4接地；

OP07AZ1构成加法器，管脚2经过电阻R6后接地，管脚6与管脚2之间接电阻R7；管脚6接电位器R3，R3的抽头与管脚6相连；通过调整R3，控制OP07AZ1的管脚6输出0.5mA的恒定电流至电桥测温电路；

电桥测温电路包括温度传感器Pt1000、运算放大器OP07AZ3、运算放大器OP07AZ4；

恒流源驱动电路输出的0.5mA恒定电流经过由电阻R22和极性电容C4、极性电容C5组成的滤波电路后分成两路，一路接OP07AZ3的管脚3，另一路驱动参考电阻R9和温度传感器Pt1000；电阻R22的两端分别与电容C4和电容C5的正极相连，电容C4和电容C5的负极接地；温度传感器Pt1000将温度信号转换为电压信号，采用三线制接法，作为电桥的一个桥臂电阻，通过接线端子P1接入测温电路，P1的管脚1直接接地，管脚2接OP07AZ4的管脚3，P1的管脚3与参考电阻R9相连；

OP07AZ3构成电压跟随器，管脚6和管脚2直接相连，对电阻R9的端电压进行单位放大，经过电阻R14后输入至OP07AZ5管脚2；

OP07AZ4与电阻R10和电阻R11构成电压串联负反馈电路，管脚6经电阻R11与管脚2相连，再经过电阻R10接地，构成反馈；OP07AZ4对温度传感器Pt1000的端电压进行2倍放大后，管脚6经电阻R12输入至OP07AZ5的管脚3；

OP07AZ5起差分放大作用，反馈电阻R15置于OP07AZ5的管脚2和管脚6之间，电阻R13的一端接OP07AZ5的管脚3，另一端接地；OP07AZ5的管脚6的输出即为经过放大的由温度传感器Pt1000电阻变化引起的电压变化，即把温度的变化转化成为电信号的变化；

滤波放大限幅电路包括运算放大器OP07AZ6、运算放大器OP07AZ7；

OP07AZ5的输出经电阻R16和电阻R18后，输入至OP07AZ6的管脚3，电容C8一端接在电阻R16和电阻R18之间，另一端与OP07AZ6的管脚6相连；电容C9一端接OP07AZ6的管脚3，另一端直接接地；反馈电阻R19接在OP07AZ6的管脚2和管脚6之间，管脚2经电阻R17后直接接地；

OP07AZ6的管脚6与OP07AZ7的管脚3相连，反馈电阻R21接在OP07AZ7的管脚2和管脚6之间，管脚2经电阻R20后直接接地；OP07AZ7的管脚6输出的信号即为经过低通滤波放大的模拟温度信号，经过电阻R23后连接稳压二极管ZPD3.3V的阴极，利用稳压二极管ZPD3.3V将输出电压限制在0～3.3V之内后，通过接线端子P2输出至控制芯片的AD转换模块；

接线端子P2用以实现测温电路与控制芯片的连接，管脚1接测温电路的输出，管脚2接地；

所有的运算放大器OP07AZ中管脚7接电源电压+5V，管脚4接电源电压-5V，管脚1，管脚5和管脚8悬空；

控温部分包括控制芯片、加热器驱动电路；

控制芯片内采用Fuzzy-PID复合控制，根据测温电路输出的温度变化的电信号，当温度偏差偏离设定点大于±0.5℃时，采用Fuzzy控制方法，当偏差在设定点附近±0.5℃以内，采用PID控制方法，根据控制方法计算得到的控制量，利用控制芯片中的事件管理器模块产生PWM波形，并将此波形输出到加热器的驱动电路；

加热器驱动电路包括光电耦合器、双向可控硅VT1，控制芯片输出的PWM信号经过电阻R1’与光电耦合器内部光电二极管的阳极管脚1相连，阴极管脚2接地；光电耦合器的管脚6经电阻R2’接双向可控硅的管脚1，双向可控硅的管脚2经电阻R3’与光电耦合器的管脚4相连，双向可控硅的管脚3与光电耦合器的管脚4直接相连；电阻R4’和极性电容C1’的正极串联后与双向可控硅VT1并联；交流电220V输入与双向可控硅的管脚1相连，双向可控硅的管脚2为加热器的驱动输出；当PWM信号为高电平时，满足触发条件，故光耦产生电流信号从而驱动双向可控硅VT1导通，加热器电源接通；当PWM信号为低电平时，光耦内部光电二极管不工作，双向可控硅VT1关断，加热器电源断开。

2.根据权利要求1所述的一种用于X射线荧光光谱仪的恒温控制系统，所述的测温部分中，电路中各元件参数为：电阻R1＝100K，R2＝100K，R3＝15K，R4＝10K，R5＝10K，R6＝10K，R7＝10K，R8＝5K，R9＝1.05K，R10＝10K，R11＝10K，R12＝10K，R13＝20K，R14＝10K，R15＝20K，R16＝200K，R17＝10K，R18＝200K，R19＝10K，R20＝1K，R21＝13K，R22＝8.1K，R23＝1K，单位为欧姆；电容C1＝1μF，C2＝1μF，C3＝1μF，C4＝1μF，C5＝100μF，C6＝0.01μF，C7＝0.01μF，C8＝1μF，C9＝1μF。

3.根据权利要求1所述的一种用于X射线荧光光谱仪的恒温控制系统，所述的Fuzzy控制方法为：

Fuzzy控制以温差e和温差变化率ec作为输入，经量化后建立相应的隶属函数；输入变量e的模糊语言描述为{负大，负中，负小，负零，正零，正小，正中，正大}，用字母表示为{NB，NM，NS，-0，+0，PS，PM，PB}，温差e的论域为X，将其量化为14个等级，X＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，-0，+0，1，2，3，4，5，6}，输入变量ec的模糊语言描述为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，用字母表示为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，ec的论域为Y，将其量化为13个等级，Y＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}；输出变量u的模糊语言描述为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，用字母表示为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，u的论域为Z，将其量化为15个等级，Z＝{-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7}；温差e的隶属度表如表1所示；

表1 温差e的隶属度表

温差变化率ec隶属度表如表2所示；

表2 温差变化率ec的隶属度表

输出量u隶属度表如表3所示；

表3 输出量u的隶属度表

建立编程实现的控制规则表如表4所示；

表4 规则控制表

根据建立的隶属度表和控制规则表可得到控制器的输出值；如当温差e和温差变化率ec都为负大时，得到输出值C＝{1，0.7，0.1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0}，采用加权平均法得到精确控制量为

$U=\frac{-7*1+(-6)*0.7+(-5)*0.1}{1+0.7+0.1}=-6.5---\left(1\right).$

4.根据权利要求1所述的一种用于X射线荧光光谱仪的恒温控制系统，所述的PID控制方法为：

式中，u(t)为PID控制量；e(t)为输入偏差信号，为设定值与实际输出值的差；K_p为比例增益，T_I为积分时间常数，T_D为微分时间常数，K_d为微分增益；PID控制器的微分方程为：

$u\left(t\right)=K_p\[e\left(t\right)+\frac{1}{T_I}{\∫}_0^{t}e\left(t\right)dt+T_D\frac{de\left(t\right)}{dt}\]---\left(2\right)$

写成传递函数的形式为：

$D\left(S\right)=\frac{U\left(S\right)}{E\left(S\right)}=K_p\[1+\frac{1}{T_{I}S}+T_{D}S\]---\left(3\right)$

式中，D(S)为PID控制器的传递函数，U(S)和E(S)分别为u(t)和e(t)的拉普拉斯变换，S表示复频率；

控制量比例部分的增量ΔU_P(n)为：

ΔU_P(n)＝K_p[e(n)-e(n-1)] (4)

式中，e(n)为第n次采样时的偏差；

为了提高控制精度，采用改进型PID控制算法，改进后的控制量积分部分的增量ΔU_I(n)为：

${\mathrm{\ΔU}}_I\left(n\right)=\frac{K_{p}T}{2T_I}\[e\left(n\right)+e(n-1)\]---\left(5\right)$

式中，T为采样周期；

第n次采样时，微分部分的控制量U_D(n)为：

$U_D\left(n\right)=\frac{T_D}{K_{d}T+T_D}\{U_D(n-1)+K_P{K}_d\[e\left(n\right)-e(n-1)\]\}---\left(6\right)$

改进后的控制量不完全微分部分的增量ΔU_D(n)为：

ΔU_D(n)＝U_D(n)-U_D(n-1) (7)

最终得到PID算法的精确控制量U(n)：

U(n)＝U(n-1)+ΔU_P(n)+ΔU_I(n)+ΔU_D(n) (8)

PID控制系统根据恒温箱体实际情况进行参数选定。

5.根据权利要求1所述的一种用于X射线荧光光谱仪的恒温控制系统，所述的加热器驱动电路各元件参数为：电阻R1’＝100Ω，R2’＝360Ω，R3’＝330Ω，R4’＝39Ω，电容C1’＝0.01μF。

6.应用于权利要求1所述的一种用于X射线荧光光谱仪的恒温控制系统的控制方法，包括以下几个步骤：

步骤一：高精度电压基准芯片AD588BQ输出精准的+5V的基准电压，分别输出至OP07AZ1的正相输入端管脚3和OP07AZ2的反相输入端管脚2；OP07AZ1构成加法器，OP07AZ2构成跟随器，通过调整电位器R3，控制OP07AZ1的输出端管脚6输出0.5mA的恒定电流至电桥测温电路驱动温度传感器Pt1000；

步骤二：温度传感器Pt1000采用三线制接法，将温度信号转换为电压信号；步骤一中输出的0.5mA恒定电流经过参考电阻R9和温度传感器Pt1000；OP07AZ3对电阻R9的端电压进行单位放大后输入至OP07AZ5的反相输入端管脚2；OP07AZ4对Pt1000的端电压进行2倍放大后，输入至OP07AZ5的正相输入端管脚3；OP07AZ5的输出管脚6的输出信号即为经过放大的由Pt1000电阻变化引起的电压变化；

步骤三：步骤二中输出的电压信号经过滤波放大后，输入到限幅电路，将输出信号稳定在3.3V以下，然后将该信号输入到控制芯片中；

步骤四：根据步骤三的结果确定控制算法；控制算法采用PID线性控制器和Fuzzy控制器混合控制，在偏离设定温度点大于±0.5℃时采用Fuzzy控制，在工作点附近±0.5℃以内采用PID控制；根据控制算法计算得到的控制量，利用控制芯片中的事件管理器EV模块产生PWM波形，并将此波形输出到加热器的驱动电路；当PWM信号为高电平时，满足触发条件，故光耦产生电流信号从而驱动双向可控硅导通，加热器电源接通；当PWM信号为低电平时，光耦内部光电二极管不工作，双向可控硅关断，加热器电源断开。