CN104460776A - 一种多物理场耦合环境模拟装置 - Google Patents

Abstract

一种多物理场耦合环境模拟装置，它包括辐照发生装置、环境模拟温箱、高压电场控制模块、温度场控制模块、电磁场控制模块和中央控制单元；该辐照发生装置用来产生辐照场，该环境模拟温箱放置在辐照场中，其他部分放置在非辐照区，该环境模拟温箱通过电缆与高压电场控制模块和电磁场控制模块相连接，通过气体管路与温度场控制模块相连接，该高压电场控制模块与温度场控制模块和电磁场控制模块通过RS485总线与中央控制单元连接形成通讯。本发明不同于传统的环境模拟装置，不仅能够实现产品的辐照试验，而且可以同时实现动态的高压电场环境模拟、温度场环境模拟和电磁场环境模拟。

Description

一种多物理场耦合环境模拟装置

技术领域

本发明涉及一种多物理场耦合环境模拟装置，尤其涉及一种可以同时实现辐照场、高压电场、温度场和电磁场等多物理场耦合的环境模拟装置。属于环境适应性及可靠性试验技术领域。

背景技术

任何产品(整机、系统、部件和元器件)都工作在一定的环境条件下。在特定的工作环境下，必须保证产品可靠工作和满足性能要求。随着社会的发展和科学技术的进步，对各类产品的需求量和质量要求不断提高,因而对产品的环境可靠性提出了更高的要求。为此，需要进行各种类型的环境适应性及可靠性试验。在环境模拟装置中再现各种环境条件，进行产品的环境可靠性试验，从而可更快地发现问题并找出原因，这对于新产品的开发和成品的质量检验具有重要的意义。

现有技术中，环境模拟装置多是对单一环境进行模拟(比如低温环境模拟、高温环境模拟、高真空环境、微重力环境、空间辐照环境、弱磁场环境模拟等)，很少同时对多个物理场耦合环境同时进行模拟。本发明设计了一种多物理场耦合的环境模拟装置，可同时进行辐照场、高压电场、温度场和电磁场的测试。

发明内容

1、目的：本发明的目的是提供一种多物理场耦合环境模拟装置，它是一种可以同时实现辐照场、高压电场、温度场和电磁场等多物理场耦合的环境模拟装置。它不同于传统的环境模拟装置，不仅能够实现产品的辐照试验，而且可以同时实现动态的高压电场环境模拟、温度场环境模拟和电磁场环境模拟。

2、技术方案：本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明所述的多物理场是指辐照场、高压电场、温度场和电磁场等。本发明一种多物理场耦合环境模拟装置包括：辐照发生装置、环境模拟温箱、高压电场控制模块、温度场控制模块、电磁场控制模块，以及中央控制单元。它们之间的位置连接关系是：该辐照发生装置用来产生辐照场，该环境模拟温箱放置在辐照场中，其他部分放置在非辐照区，该环境模拟温箱通过电缆与高压电场控制模块和电磁场控制模块相连接，通过气体管路与温度场控制模块相连接，该高压电场控制模块与温度场控制模块和电磁场控制模块通过RS485总线与中央控制单元连接形成通讯。

所述的辐照发生装置由专门的具有资质的辐照场所提供。

所述的环境模拟温箱为500mm×500mm×500mm的铝合金箱体，箱体内部放有用来产生高压电场的铜极板以及用于产生电磁场的正方形Helmholtz线圈，并连接有能够与温度场控制模块进行气体交换的气体循环管路，将其放置在辐照场中，可以模拟辐照环境、高压电场环境、温度场环境和磁场环境。该铜极板为高压电场控制模块的两块铜极板，二者平行放置于环境模拟温箱内的上下表面。该正方形Helmholtz线圈为电磁场控制模块的正方形Helmholtz线圈，正放于环境模拟温箱内。该气体循环管路为温度场控制模块的气体循环管路，二者外接于环境模拟温箱的前表面。

所述的高压电场控制模块包括单片机控制电路A、高压升压逆变电路、高压整流滤波电路和高压电场铜极板等。它们之间的位置连接关系是：单片机控制电路A通过RS485总线与中央控制单元连接形成通讯，并且通过导线与高压升压逆变电路相连接，高压升压逆变电路通过并联的方式与高压整流滤波电路相连接，高压整流滤波电路输出的两根导线分别接在两块高压电场铜极板上。该单片机控制电路A包括MC9S12XEP100MAL单片机A、D/A转换电路A和A/D转换电路A。该高压升压逆变电路包括220V/50Hz工频交流电输入、整流滤波电路A、IGBT全桥逆变电路和升压变压器。其间关系是：220V/50Hz工频交流电输入至整流滤波电路A，整流滤波电路A的输出端与IGBT全桥逆变电路并联，IGBT全桥逆变电路与升压变压器原边并联，升压变压器副边与高压整流滤波电路内的高压整流电路并联。该高压整流滤波电路包括高压整流电路和高压滤波电路。其间关系是：高压整流电路的输入端与升压变压器副边并联，高压整流电路的输出端与高压滤波电路并联，高压滤波电路的输出端直接连接在两块高压电场铜极板上。该高压电场铜极板为两块尺寸为400mm×400mm×2mm的铜板。

所述的温度场控制模块由制冷/加热温箱、防冻液循环管路、气液两相换热温箱、气体循环管路、以及温度传感器A等组成。它们之间的位置连接关系是：制冷/加热温箱通过防冻液循环管路与气液两相换热温箱相连，气液两相换热温箱通过气体循环管路与环境模拟温箱相连，温度传感器A置于环境模拟温箱之中，温度传感器A输出线通过RS485总线与中央控制单元连接。该制冷/加热温箱包括防冻液，制冷机组和制冷控制电路，加热棒和逆变调功加热电路，温度传感器B，以及单片机控制电路B。其间关系是：单片机控制电路B通过RS485总线与中央控制单元连接，并通过导线与制冷控制电路、逆变调功加热电路和温度传感器B相连接，温度传感器B与防冻液相接触。制冷控制电路通过导线与制冷机组相连，控制制冷机组的开关，实现对防冻液制冷；逆变调功加热电路通过导线与加热棒相连，控制加热棒对防冻液加热。该制冷机组为四组丹佛斯SC10CL冷柜压缩机。该制冷控制电路为继电器-接触器控制电路。该加热棒为9根功率为200W的封装在不锈钢钢管内电阻丝。该逆变调功加热电路由空气断路器、整流滤波电路B和Buck电路所组成，其间关系是：AC220V/50Hz工频交流电连接至空气断路器，空气断路器输出端与整流滤波电路B并联，整流滤波电路B的输出端与Buck电路并联，经Buck电路后再连接至加热棒，形成加热回路。该单片机控制电路B以MC9S12XEP100MAL单片机B为核心。该防冻液循环管路包括两根内径为8mm，外径为12mm，长度为10m的塑料管，以及防冻液循环泵。其中，一根塑料管路的一端连接至制冷/加热温箱的回水口，另一端连接至气液两相换热温箱内部的换热器一端；另一根塑料管路一端连接至制冷/加热温箱的进水口，一端与防冻液循环泵的一端相连，防冻液循环泵的另一端连接至气液两相换热温箱内部的气液两相换热器的另一端。该气液两相换热温箱包括气液两相换热器和换热风机。气液两相换热器一端与制冷/加热温箱的回水口管路相连接，另一端与防冻液循环泵相连接；换热风机放置于气液两相换热温箱的出风口。该气体循环管路为两根内径为44mm，外径为54mm，长度为2.5m的硅胶管。其中，一根硅胶管路一端与气液两相换热温箱的出气口连接，另一端与环境模拟温箱进气口连接；另一根硅胶管路一端与气液两相换热温箱回气口连接，另一端与环境模拟温箱出气口连接。该温度传感器A采用PT1000温度传感器。

所述的电磁场控制模块包括单片机控制电路C、恒流源电路、电磁场极性切换电路和正方形Helmholtz线圈等。它们之间的位置连接关系是：单片机控制电路C通过导线与恒流源电路以及电磁场极性切换电路相连接，实现信号的传递，并通过RS485总线与中央控制单元连接，形成通讯。恒流源电路并联接在电磁场极性切换电路输入端，电磁场极性切换电路的两根输出线与正方形Helmholtz线圈相连，形成回路。该单片机控制电路C包括MC9S08DZ60CLC单片机C、D/A转换电路B、A/D转换电路B和A/D转换电路C。该恒流源电路采用HY-750A恒流源，可输出0～20A恒定电流。该电磁场极性切换电路为由继电器组成的全桥电路，通过控制继电器的开通和关断来改变电流方向。该正方形Helmholtz线圈为一对匝数、边长、高度和厚度相同的共轴平行放置的正方形线圈。

所述的中央控制单元包括工控机、工业显示器、RS-485通讯卡等。它们之间的位置连接关系是：RS485通讯卡插在工控机的PCI插槽中，通讯接口通过通讯线分别与高压电场控制模块、温度场控制模块和电磁场控制模块相连，工控机通过VGA视频线与工业显示器相连。该工控机为研华Advantech IPC-610H工控机；该工业显示器为奇彩创晶嵌入式工业液晶显示器QC-170IPE10T；该RS-485通讯卡为研华8端口RS-422/485通用PCI通讯卡。

其中，该环境模拟温箱额外形尺寸为500mm×500mm×500mm。

其中，该高压电场铜极板为两块尺寸为400mm×400mm×2mm的铜板。

3、优点及功效：由本发明提供的上述技术方案可以看出，本发明所述的多物理场耦合的环境模拟装置由辐照发生装置、环境模拟温箱、高压电场控制模块、温度场控制模块、电磁场控制模块，以及中央控制单元等组成，能够实现高剂量的空间高能粒子辐照试验；温度范围-20℃～+60℃，温变速率3℃/h～15℃/h，温度误差±1℃；电磁场±50Gs，稳定度为1％；高压电场的电压调节范围为0～20kV，电极距离100mm～500mm可调。

附图说明

图1为本发明的多物理场耦合环境模拟装置的系统构成示意图；

图2为本发明中高压电场控制模块的工作原理图；

图3为本发明中高压电场控制模块内高压升压逆变电路和高压整流滤波电路示意图；

图4为本发明中温度场控制模块的工作原理图；

图5为本发明中温度场控制模块内制冷/加热温箱的工作原理图；

图6为本发明中温度场控制模块内制冷/加热温箱中逆变调功加热电路示意图；

图7为本发明中电磁场控制模块的工作原理图；

图8为本发明中电磁场控制模块内电磁场极性切换电路示意图。

图中序号代号符号说明如下：

101为辐照发生装置；

102为环境模拟温箱；

103为高压电场控制模块；

104为温度场控制模块；

105为电磁场控制模块；

106为中央控制单元；

201为单片机控制电路A；

2011为单片机A；

2012为D/A转换电路A；

2013为A/D转换电路A；

202为高压升压逆变电路；

203为高压整流滤波电路；

204为高压电场铜极板；

301为整流滤波电路A；

302为IGBT全桥逆变电路；

303为升压变压器；

304为高压整流电路；

305为高压滤波电路；

401为制冷/加热温箱；

402为防冻液循环管路；

403为气液两相换热温箱；

404为气体循环管路；

405为温度传感器A；

501为防冻液；

502为制冷机组；

503为制冷控制电路；

504为加热棒；

505为逆变调功加热电路；

506为温度传感器B；

507为单片机控制电路B；

601为空气断路器；

602为整流滤波电路B；

603为Buck电路；

701为单片机控制电路C；

7011为单片机C；

7012为D/A转换电路B；

7013为A/D转换电路B；

7014为A/D转换电路C；

702为恒流源电路；

703为电磁场极性切换电路；

704为正方形Helmholtz线圈。

具体实施方式

本发明一种多物理场耦合的环境模拟装置，其具体实施方式是：

所述的一种多物理场耦合的环境模拟装置包括：

参见图1所示，辐照发生装置101、环境模拟温箱102、高压电场控制模块103、温度场控制模块104、电磁场控制模块105，以及中央控制单元106；所述辐照发生装置101产生辐照场，所述环境模拟温箱102放置在辐照场中，其他部分放置在非辐照区，所述环境模拟温箱102通过电缆与所述高压电场控制模块103和电磁场控制模块105相连接，通过气体管路与所述温度场控制模块104相连接，高压电场控制模块103与温度场控制模块104和电磁场控制模块105通过RS485总线与所述中央控制单元106连接形成通讯。

参见图2所示，所述高压电场控制模块103由单片机控制电路A201、高压升压逆变电路202、高压整流滤波电路203和高压电场铜极板204连接而成。单片机控制电路A201包括单片机A2011、D/A转换电路A2012和A/D转换电路A2013。

参见图3所示，所述高压升压逆变电路202由整流滤波电路A301、IGBT全桥逆变电路302和升压变压器303连接而成。所述高压整流滤波电路203由高压整流电路304和高压滤波电路305连接而成。

参见图4所示，所述温度场控制模块104由制冷/加热温箱401、防冻液循环管路402、气液两相换热温箱403、气体循环管路404、以及温度传感器A405等组成。

参见图5所示，所述制冷/加热温箱401又包括防冻液501、制冷机组502、制冷控制电路503、加热棒504、逆变调功加热电路505，温度传感器B506，以及单片机控制电路B507。

参见图6所示，所述逆变调功加热电路505由空气断路器601、整流滤波电路B602和Buck电路603所组成。

参见图7所示，所述电磁场控制模块105由单片机控制电路C701、恒流源电路702、电磁场极性切换电路703和正方形Helmholtz线圈704连接而成。单片机控制电路C701包括单片机C7011、D/A转换电路B7012、A/D转换电路B7013和A/D转换电路C7014组成。

参见图8所示，所述电磁场极性切换电路703为四个继电器K1、K2、K3和K4所构成的全桥电路。

所述的多物理场耦合的环境模拟装置可同时进行辐照场、高压电场、温度场和电磁场的测试。

所述的多物理场耦合的环境模拟装置能够实现高剂量的空间高能粒子辐照试验；

所述的多物理场耦合的环境模拟装置能够提供电压调节范围为0～20kV，电极距离100mm～500mm可调的高压电场；

所述的多物理场耦合的环境模拟装置能够提供温度范围为-20℃～+60℃，温变速率为3℃/h～15℃/h的温度场；

所述的多物理场耦合的环境模拟装置能够提供磁场强度为±50Gs，稳定度为1％的电磁场。

本发明针对产品环境可靠性试验的需要，提供了一种多物理场耦合的环境模拟装置，不仅能够实现高剂量的空间高能粒子辐照，而且能够提供电压调节范围为0～20kV，电极距离100mm～500mm可调的高压电场，还可以提供温度范围为-20℃～+60℃，温变速率为3℃/h～15℃/h的温度场，同时能够提供磁场强度为±50Gs，稳定度为1％的电磁场，可对产品同时进行辐照场、高压电场、温度场和电磁场的测试。

就本发明而言，包括辐照发生装置101、环境模拟温箱102、高压电场控制模块103、温度场控制模块104、电磁场控制模块105，以及中央控制单元106等。辐照发生装置101产生辐照场，环境模拟温箱102放置在辐照场中，其他部分放置在非辐照区，环境模拟温箱102通过电缆与高压电场控制模块103和电磁场控制模块105相连接，通过气体管路与温度场控制模块104相连接，高压电场控制模块103、温度场控制模块104和电磁场控制模块105通过RS485总线与中央控制单元106形成通讯。

辐照发生装置101由专门的具有资质的辐照场所提供。由于辐射场的中子和质子辐照通过形成原子位移效应，在半导体内产生永久性损伤而使其失效。因此，在进行高压电场模块、温度场控制模块104和电磁场控制模块105设计时，在结构上进行了防辐照设计，以避免半导体器件失效。

环境模拟温箱102放置在辐照场中，可以模拟辐照环境、高压电场环境、温度场环境和磁场环境。其中，辐照环境由辐照场所提供，高压电场环境通过安置在环境模拟温箱102内的高压电场铜极板204上加载高电压来产生，温度环境通过向环境模拟温箱102内输送由温度场控制模块104产生的温度可控的气体来模拟，磁场环境通过安置在环境模拟温箱102内的正方形Helmholtz线圈704来产生。

高压电场控制模块103包括单片机控制电路A201、高压升压逆变电路202、高压整流滤波电路203和高压电场铜极板204等。

在中央控制单元106的人机交互界面上可以设置高压电场强度，设置好的电场强度换算成对应的高压电源输出电压后，通过RS-485总线传输至高压电场的单片机控制电路A201，然后再通过D/A转换电路A2012变换成模拟量控制高压逆变电源输出电压的大小。因此，调节高压电源输出电压的大小就可以改变高压电场铜极板204上的电压大小，从而改变铜电极极板间的电场强度。

温度场控制模块104由制冷/加热温箱401、防冻液循环管路402、气液两相换热温箱403、气体循环管路404、以及温度传感器A405等组成。制冷/加热温箱401又包括制冷机组502、制冷控制电路503、加热棒504、逆变调功加热电路505，以及单片机控制电路B507。

为了防止辐照试验损坏半导体器件，温度场控制模块104远离辐照，结合防冻液和气体循环实现温度场的远程控制。其中，环境模拟温箱102放在辐照场内正对辐照源，中央控制单元106放在辐照场外面，制冷/加热温箱401放在辐照场内距离辐照源较远的迷宫(指的是具有多个直角拐弯的通道，辐照剂量每经过一个直角拐角衰减99％)出口，气液两相换热温箱403放在环境模拟温箱102附近.制冷/加热温箱401与气液两相换热温箱403之间采用防冻液循环泵和10米长的管路进行防冻液501的循环，气液两相换热温箱403和环境模拟温箱之间102采用循环风机和2.5米长的管路进行冷热气体的循环。

在制冷/加热温箱401中，安装有制冷机组502和加热棒504，分别对温箱中的防冻液

501进行制冷和加热。其中，制冷机组502的冷凝器安装在温箱的上半部分，加热棒504布置在温箱的底部，二者都浸泡在防冻液501中。

系统采用环境模拟温箱102进气口的温度反馈信号Tf来闭环调节制冷/加热温箱401中防冻液501的温度。首先，温度采样电路通过传感器PT1000采集环境模拟温箱102进气口的温度信号Tf并经RS-485总线反馈至中央控制单元106的工控机进行环境模拟温箱102的温度显示；同时环境模拟温箱102温度反馈信号与设定的温度信号一起再通过RS-485总线发送给制冷/加热温箱401的单片机控制电路B507，进行加热棒504输出功率的调节和制冷机组502的启/停控制，实现防冻液501温度的控制。温度受控的防冻液501再经防冻液循环管路402传输至气液两相换热温箱403，通过换热器转换成温度可控的冷热气体，该气体再通过气体循环管路404传输至环境模拟温箱102，从而实现了环境模拟温箱102温度的远距离精确控制。

电磁场控制模块105包括单片机控制电路C701、恒流源电路702、电磁场极性切换电路703和正方形Helmholtz线圈704等。单片机控制电路C701包括单片机C7011、D/A转换电路B7012、A/D转换电路B7013和A/D转换电路C7014组成。

在中央控制单元106的人机交互界面上可以设置电磁场的强度，设置好的电磁场工作参数通过RS-485总线传输至电磁场控制模块105的单片机控制电路C701，然后再通过D/A转换电路B7012变换成模拟量控制恒流源输出电流的大小。因此，调节恒流源702输出电流的大小就可以改变流过正方形Helmholtz线圈704电流的大小，从而改变线圈内部电磁场的大小。通过单片机控制电路C701还可以控制电磁场极性切换电路703，改变流过正方形Helmholtz线圈704电流的方向，从而改变电磁场的方向。

中央控制单元106包括工控机、工业显示器、RS-485通讯卡等。中央控制单元106主要完成人机交互功能，通过RS-485总线实现温度场、电磁场和高压电场控制，同时实现温度、电磁场和高压电场数据的采集和存储。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是多物理场耦合环境模拟装置的系统构成示意图，主要包括：辐照发生装置101、环境模拟温箱102、高压电场控制模块103、温度场控制模块104、电磁场控制模块105，以及中央控制单元106。其中，辐照发生装置101产生辐照场，环境模拟温箱102放置在辐照场中，其他部分放置在非辐照区，环境模拟温箱102通过电缆与高压电场控制模块103和电磁场控制模块105相连接，通过气体管路与温度场控制模块104相连接，高压电场控制模块103与温度场控制模块104和电磁场控制模块105通过RS485总线与中央控制单元106连接形成通讯。

参考图1，辐照发生装置101能够产生高剂量的空间高能粒子辐照；高压电场控制模块103能够实现环境模拟温箱内部电极距离100mm～500mm可调，电压0～20kV可调；温度场控制模块104能够提供温度范围为-20℃～+60℃，温变速率为3℃/h～15℃/h，温度误差为±1℃的温度环境，通过气体管路实现环境模拟温箱的温度交换；电磁场控制模块105能够控制环境模拟温箱内部的磁场强度，可为环境模拟温箱提供磁场强度为±50Gs，稳定度为1％的电磁场；高压电场控制模块103、温度场控制模块104和电磁场控制模块105均通过RS485与中央控制单元106连接，并实现通讯；将环境模拟温箱102放置在由辐照发生装置101产生的辐照场中，其他模块置于非辐照区，即可在环境模拟温箱内部实现辐照场、高压电场、温度场和电磁场的耦合。

图2是高压电场控制模块103的工作原理图。高压电场控制模块103由单片机控制电路A201、高压升压逆变电路202、高压整流滤波电路203和高压电场铜极板204连接而成。单片机控制电路A201包括单片机A2011、D/A转换电路A2012和A/D转换电路A2013。

参考图2，经由高压升压逆变电路202整流滤波逆变升压、高压整流滤波电路203整流滤波后的电压输出至环境模拟温箱102内部的高压电场铜极板204会在高压电场铜极板204间产生高压电场。在中央控制单元106上设置好的高压电场强度信号换算成对应的高压电源输出电压后，通过RS-485总线传输至高压电场控制模块103的单片机控制电路A201，然后再通过D/A转换电路A2012变换成模拟量控制高压升压逆变电路202输出电压的大小。因此，调节高压升压逆变电路202输出电压的大小就可以改变高压电场铜极板204上的电压大小，从而改变铜电极极板间的电场强度。采集到的高压升压逆变电路202的信号经由A/D转换电路A2013变换成数字量，再通过单片机A2011和RS485总线与中央控制单元106进行通讯，即可对高压电场控制模块103进行实时监控。

图3是高压升压逆变电路202和高压整流滤波电路203的示意图。高压升压逆变电路202由整流滤波电路A301、IGBT全桥逆变电路302和升压变压器303连接而成。高压整流滤波电路203由高压整流电路304和高压滤波电路305连接而成。

参考图3，AC220V/50Hz工频交流电输入至整流滤波电路A301进行整流滤波，得到约为310V的平稳直流电压，该直流电压输入至IGBT全桥逆变电路302得到占空比可调的脉冲方波交流电压，该脉冲方波交流电压经过升压变压器303得到电压值更高的脉冲方波交流电压，再经过高压整流电路304整流、高压滤波电路305滤波，即可得到电压值稳定的直流电压，该电压再输出至环境模拟温箱102内部的铜极板，从而产生高压电场。

图4是温度场控制模块104的工作原理图。温度场控制模块104由制冷/加热温箱401、防冻液循环管路402、气液两相换热温箱403、气体循环管路404、以及温度传感器A405等连接而成。

参考图4，制冷/加热温箱401内一定温度的防冻液501经防冻液循环管路402循环至气液两相换热温箱403，气液两相换热温箱403内与防冻液温度近似一致的气体再经由气体循环管路404循环至环境模拟温箱102，则会在环境模拟温箱102内形成一定温度的温度场。在中央控制单元106上设置好的温度信号换算成对应的电压信号后，通过RS-485总线传输至制冷/加热温箱401内部进行制冷/加热的控制，间接改变环境模拟温箱102内部温度。采集到的环境模拟温箱102内部的温度经由温度传感器A405输入至中央控制单元106，同时中央控制单元106与制冷/加热温箱401通过RS485总线进行通讯，即可对温度场控制模块104进行实时监控。

图5是制冷/加热温箱301的工作原理图。制冷/加热温箱301由防冻液501、制冷机组502、制冷控制电路503、加热棒504、逆变调功加热电路505，温度传感器B506，以及单片机控制电路B507连接而成。

参考图5，在单片机控制电路B507的控制下，制冷控制电路503和逆变调功加热电路505分别控制制冷机组502和加热棒504对防冻液进行制冷或加热。防冻液温度再经由温度传感器B506输入至单片机控制电路B507进行调节控制。

图6是逆变调功加热电路505的示意图。逆变调功加热电路505由空气断路器601、整流滤波电路B602和Buck电路603所组成。

参考图6，AC220V/50Hz工频交流电经空气断路器601输入至整流滤波电路B602进行整流滤波，得到约为310V的平稳直流电压，该直流电压输入至Buck电路603得到电压可调的直流电压，Buck电路603的输出端连接至加热棒504形成回路，对加热棒504进行加热。

图7是电磁场控制模块105的工作原理图。电磁场控制模块105由单片机控制电路C701、恒流源电路702、电磁场极性切换电路703和正方形Helmholtz线圈704连接而成。单片机控制电路C701包括单片机C7011、D/A转换电路B7012、A/D转换电路B7013和A/D转换电路C7014组成。

参考图7，恒流源电路702产生的电流值大小恒定的电流经由电磁场极性切换电路703，决定电流的方向，输入至环境模拟温箱102内部的正方形Helmholtz线圈704，根据电磁效应即可产生恒定磁场。在中央控制单元106设置好的电磁场的强度参数通过RS-485总线传输至电磁场控制模块105的单片机控制电路C701内部的单片机C7011，再通过D/A转换电路B7012变换成模拟量控制恒流源电路702输出电流的大小，从而控制电磁场强度。因此，调节恒流源电路702输出电流的大小就可以改变流过正方形Helmholtz线圈704电流的大小，从而改变线圈内部电磁场的大小。采集到的恒流源电路702的电流值和电压值经由A/D转换电路B7013和A/D转换电路C7014变换成数字量再通过单片机C7011和RS485总线与中央控制单元106进行通讯，经由内部换算即可对电磁场控制模块105的电磁场强度进行实时监控。通过单片机控制电路C701还可以控制电磁场极性切换电路703，改变流过正方形Helmholtz线圈704电流的方向，从而改变电磁场的方向。

图8是电磁场极性切换电路703的示意图。电磁场极性切换电路703为四个继电器K1、K2、K3和K4所构成的全桥电路。

参考图8，恒流源电路702产生的电流值大小恒定的电流流入电磁场极性切换电路703，控制继电器K1、K2、K3和K4，使得K1和K4同时导通和关断或者K2和K3同时导通和关断就可以改变流过正方形Helmholtz线圈704的电流方向，从而改变正方形Helmholtz线圈704所产生的磁场方向。

本发明所述的多物理场耦合的环境模拟装置由辐照发生装置101、环境模拟温箱102、高压电场控制模块103、温度场控制模块104、电磁场控制模块105，以及中央控制单元106等组成，能够实现高剂量的空间高能粒子辐照试验；高压电场的电压调节范围为0～20kV，电极距离100mm～500mm可调；温度范围-20℃～+60℃，温变速率3℃/h～15℃/h，温度误差±1℃；电磁场±50Gs，稳定度为1％。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种多物理场耦合环境模拟装置，其特征在于：它包括辐照发生装置、环境模拟温箱、高压电场控制模块、温度场控制模块、电磁场控制模块和中央控制单元；该辐照发生装置用来产生辐照场，该环境模拟温箱放置在辐照场中，其他部分放置在非辐照区，该环境模拟温箱通过电缆与高压电场控制模块和电磁场控制模块相连接，通过气体管路与温度场控制模块相连接，该高压电场控制模块与温度场控制模块和电磁场控制模块通过RS485总线与中央控制单元连接形成通讯；

所述的辐照发生装置由专门的具有资质的辐照场所提供；

所述的环境模拟温箱为铝合金箱体，箱体内部放有用来产生高压电场的铜极板以及用于产生电磁场的正方形Helmholtz线圈，并连接有能够与温度场控制模块进行气体交换的气体循环管路，将其放置在辐照场中，能模拟辐照环境、高压电场环境、温度场环境和磁场环境；该铜极板为高压电场控制模块的两块铜极板，二者平行放置于环境模拟温箱内的上、下表面；该正方形Helmholtz线圈为电磁场控制模块的正方形Helmholtz线圈，正放于环境模拟温箱内；该气体循环管路为温度场控制模块的气体循环管路，二者外接于环境模拟温箱的前表面；

所述的高压电场控制模块包括单片机控制电路A、高压升压逆变电路、高压整流滤波电路和高压电场铜极板；单片机控制电路A通过RS485总线与中央控制单元连接形成通讯，并且通过导线与高压升压逆变电路相连接，高压升压逆变电路通过并联的方式与高压整流滤波电路相连接，高压整流滤波电路输出的两根导线分别接在两块高压电场铜极板上；该单片机控制电路A包括MC9S12XEP100MAL单片机A、D/A转换电路A和A/D转换电路A；该高压升压逆变电路包括220V/50Hz工频交流电输入、整流滤波电路A、IGBT全桥逆变电路和升压变压器；220V/50Hz工频交流电输入至整流滤波电路A，整流滤波电路A的输出端与IGBT全桥逆变电路并联，IGBT全桥逆变电路与升压变压器原边并联，升压变压器副边与高压整流滤波电路内的高压整流电路并联；该高压整流滤波电路包括高压整流电路和高压滤波电路，高压整流电路的输入端与升压变压器副边并联，高压整流电路的输出端与高压滤波电路并联，高压滤波电路的输出端直接连接在两块高压电场铜极板上；

所述的温度场控制模块由制冷/加热温箱、防冻液循环管路、气液两相换热温箱、气体循环管路和温度传感器A组成，制冷/加热温箱通过防冻液循环管路与气液两相换热温箱相连，气液两相换热温箱通过气体循环管路与环境模拟温箱相连，温度传感器A置于环境模拟温箱之中，温度传感器A输出线通过RS485总线与中央控制单元连接；该制冷/加热温箱包括防冻液、制冷机组和制冷控制电路、加热棒和逆变调功加热电路、温度传感器B和单片机控制电路B，单片机控制电路B通过RS485总线与中央控制单元连接，并通过导线与制冷控制电路、逆变调功加热电路和温度传感器B相连接，温度传感器B与防冻液相接触，制冷控制电路通过导线与制冷机组相连，控制制冷机组的开关，实现对防冻液制冷；逆变调功加热电路通过导线与加热棒相连，控制加热棒对防冻液加热；该制冷机组为四组丹佛斯冷柜压缩机，该制冷控制电路为继电器-接触器控制电路，该加热棒为9根功率为200W的封装在不锈钢钢管内电阻丝；该逆变调功加热电路由空气断路器、整流滤波电路B和Buck电路所组成，AC220V/50Hz工频交流电连接至空气断路器，空气断路器输出端与整流滤波电路B并联，整流滤波电路B的输出端与Buck电路并联，经Buck电路后再连接至加热棒，形成加热回路；该单片机控制电路B以MC9S12XEP100MAL单片机B为核心，该防冻液循环管路包括两根内径为8mm，外径为12mm，长度为10m的塑料管，以及防冻液循环泵；其中，一根塑料管路的一端连接至制冷/加热温箱的回水口，另一端连接至气液两相换热温箱内部的换热器一端；另一根塑料管路一端连接至制冷/加热温箱的进水口，一端与防冻液循环泵的一端相连，防冻液循环泵的另一端连接至气液两相换热温箱内部的气液两相换热器的另一端；该气液两相换热温箱包括气液两相换热器和换热风机；气液两相换热器一端与制冷/加热温箱的回水口管路相连接，另一端与防冻液循环泵相连接；换热风机放置于气液两相换热温箱的出风口；该气体循环管路为两根内径为44mm，外径为54mm，长度为2.5m的硅胶管；其中，一根硅胶管路一端与气液两相换热温箱的出气口连接，另一端与环境模拟温箱进气口连接；另一根硅胶管路一端与气液两相换热温箱回气口连接，另一端与环境模拟温箱出气口连接；

所述的电磁场控制模块包括单片机控制电路C、恒流源电路、电磁场极性切换电路和正方形Helmholtz线圈，单片机控制电路C通过导线与恒流源电路以及电磁场极性切换电路相连接，实现信号的传递，并通过RS485总线与中央控制单元连接，形成通讯；恒流源电路并联接在电磁场极性切换电路输入端，电磁场极性切换电路的两根输出线与正方形Helmholtz线圈相连，形成回路；该单片机控制电路C包括MC9S08DZ60CLC单片机C、D/A转换电路B、A/D转换电路B和A/D转换电路C；该恒流源电路采用HY-750A恒流源，输出0～20A恒定电流；该电磁场极性切换电路为由继电器组成的全桥电路，通过控制继电器的开通和关断来改变电流方向；该正方形Helmholtz线圈为一对匝数、边长、高度和厚度相同的共轴平行放置的正方形线圈；

所述的中央控制单元包括工控机、工业显示器、RS-485通讯卡，RS485通讯卡插在工控机的PCI插槽中，通讯接口通过通讯线分别与高压电场控制模块、温度场控制模块和电磁场控制模块相连，工控机通过VGA视频线与工业显示器相连；该工控机为研华工控机；该工业显示器为奇彩创晶嵌入式工业液晶显示器，该RS-485通讯卡为研华8端口通用PCI通讯卡。

2.根据权利要求1所述的一种多物理场耦合环境模拟装置，其特征在于：该环境模拟温箱额外形尺寸为500mm×500mm×500mm。

3.根据权利要求1所述的一种多物理场耦合环境模拟装置，其特征在于：该高压电场铜极板为两块尺寸为400mm×400mm×2mm的铜板。