CN105020932B - 一种多级且可调的拉曼光谱仪ccd制冷装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种拉曼光谱仪CCD制冷装置，具体涉及一种多级且可调的拉曼光谱仪CCD制冷装置。该装置可根据制冷量需求配置为单级或多级，其中每个制冷级次为一个独立制冷单元。每个独立制冷单元电路包括温度传感器、温度检测电路、温度设置电路、差分放大电路、PID比例积分控制电路、时钟控制电路、PWM脉冲调制电路、开关电路、TEC制冷控制器、CCD器件以及散热器几个部分。该装置可以单独存在并实现CCD制冷功能，也可以连接其他控制器，接收控制器发送的温度设置参数，对CCD进行快速制冷后将实时温度反馈回控制器进行显示。

Description

一种多级且可调的拉曼光谱仪CCD制冷装置

技术领域

本发明涉及一种拉曼光谱仪CCD制冷装置，具体涉及一种多级且可调的拉曼光谱仪CCD制冷装置。

背景技术

拉曼光谱仪是采用拉曼散射原理，采集样品分子振动引起拉曼频移光谱的分子指纹识别仪器。该光谱仪可进行物质的定性分析，被广泛应用于食品安全、医药、文物考古、宝石鉴定和法庭科学等方面。

由于拉曼散射光谱的相对强度较小，其仪器设计要求具有更高的检测灵敏度和更低的检出限，这对拉曼光谱仪光机设计、检测电路设计以及软件设计提出了更高的要求。从检测电路的角度出发，通常采用的方法有提高CCD检测器件的检出限，降低CCD器件产生的暗电流以及提高CCD驱动电路和检测电路的各项性能等方法。

现有的CCD制冷装置中存在温度检测电路简单、没有匹配控制器、不能根据制冷量需求进行灵活配置等的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多级且可调的拉曼光谱仪CCD制冷装置，可灵活配置温度参数的拉曼光谱仪CCD制冷装置，着力解决CCD器件的制冷问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多级且可调的拉曼光谱仪CCD制冷装置，该制冷装置含有独立制冷单元电路；所述独立制冷单元电路包括温度设置模块，温度检测模块，差分放大电路，PID控制器，时钟控制电路，PWM脉冲调制电路，开关电路，TEC制冷控制器，散热器；

通过温度传感器采集TEC制冷控制器冷端的实时温度值，温度传感器与温度检测模块连接；所述温度设置模块的输出端与温度检测模块连接，温度设置模块与上位机主控制器或者可调电位器连接；所述温度检测模块的输出端与差分放大电路的输入端连接，差分放大电路的输出端与PID控制器的输入端连接；所述时钟控制电路与PID控制器的输入端连接，所述PID控制器的输出端与PWM脉冲调制电路的输入端连接，所述PID控制器用于计算控制TEC制冷控制器所需的PWM波控制参数；所述PWM脉冲调制电路的输出端与开关电路连接，所述开关电路与TEC制冷控制器相连，所述TEC制冷控制器的冷端与CCD器件贴合；TEC制冷控制器的热端与散热器连接。

进一步，所述制冷装置含有N个独立制冷单元电路；其中，第一级独立制冷单元电路的连接关系如下：

温度传感器采集第N级独立制冷单元电路的TEC制冷控制器冷端的实时温度值；温度传感器将数据传输至第一级独立制冷单元电路的温度检测模块，第一级独立制冷单元电路的温度设置模块与上位机主控制器或者可调电位器连接，第一级独立制冷单元电路的温度设置模块与温度检测模块连接，温度检测模块与差分放大电路连接，差分放大电路与PID控制器连接，所述时钟控制电路与PID控制器连接，PID控制器与PWM脉冲调制电路连接，PWM脉冲调制电路与开关电路连接，开关电路与TEC制冷控制器相连，所述第一级独立制冷单元电路的TEC制冷控制器的冷端与第二级独立制冷单元电路的TEC制冷控制器的热端贴合；第一级独立制冷单元电路的TEC制冷控制器的热端与散热器连接；

第一级独立制冷单元电路的时钟控制电路与第二级独立制冷单元电路的时钟控制电路连接，第二级独立制冷单元电路的时钟控制电路与第N级独立制冷单元电路的时钟控制电路依次连接；

第N级独立制冷单元电路的TEC制冷控制器的冷端与CCD器件贴合；第N级独立制冷单元电路的TEC制冷控制器的热端与第N-1级独立制冷单元电路的TEC制冷控制器的冷端贴合；第N-1级独立制冷单元电路的TEC制冷控制器的热端与第N-2级独立制冷单元电路的TEC制冷控制器的冷端贴合。

进一步，所述温度检测模块、温度传感器和温度设置模块构成全桥式测量电路；全桥式测量电路的电桥输入端连接基准电压芯片，为电桥提供输入电压，电桥的输出端连接到差分放大电路的差分输入端。

进一步，所述温度设置模块含有高精度的可调电阻。

进一步，所述PID控制器包括放大器、高精度电阻和电容；所述PID控制器根据差分放大电路的输出值、时钟控制电路输出的控制相位及时钟频率，输出PWM脉冲调制电路所需要的频率和占空比。

进一步，所述开关电路包括大电流MOSFET电路和LC整流滤波电路；大电流MOSFET电路连接TEC制冷恒定直流源，大电流MOSFET电路输出连接LC整流滤波电路；经LC整流滤波后的电源与TEC制冷控制器的正负极相连接。

进一步，所述大电流MOSFET电路为4个MOS功率管组成的H桥电路，每个MOS功率管上接PWM脉冲调制电路输出的PWM波，大电流MOSFET电路根据PID控制器输出的频率和占空比，输出TEC制冷电流。

进一步，所述散热器为带风冷、水冷或者液氮制冷的铝制或者铜制散热器。

进一步，所述温度传感器为负温度系数热敏电阻。

本发明的有益效果在于：本发明提供的一种多级且可调的拉曼光谱仪CCD制冷装置可根据制冷量需求配置为单级或多级，其中每个制冷级次为一个独立制冷单元。该装置可以单独存在并实现CCD制冷功能，也可以连接其他控制器，接收控制器发送的温度设置参数，对CCD进行快速制冷后将实时温度反馈回控制器进行显示。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明所述单级可调拉曼光谱仪CCD制冷装置结构示意图；

图2为三级可调拉曼光谱仪CCD制冷装置的安装图；

图3为三级可调拉曼光谱仪CCD制冷装置的电气控制图；

其中，图2和图3中的1为CCD器件，2为第三级TEC制冷控制器，3为第二级TEC制冷控制器，4为第一级TEC制冷控制器，5为散热器，6为镀膜石英窗，7为氮气/真空密封舱，8为密封外壳。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明提供的一种多级且可调的拉曼光谱仪CCD制冷装置，该制冷装置可根据CCD制冷量的需求配置为单级或多级，每个制冷级次为一个独立制冷单元。该装置可以单独存在并实现CCD制冷功能，也可以连接其他控制器，接收控制器发送的温度设置参数，对CCD进行快速制冷后将实时温度反馈回控制器进行显示。

单级制冷方式

如图1所示，该制冷装置含有独立制冷单元电路；所述独立制冷单元电路包括温度设置模块，温度检测模块，差分放大电路，PID控制器，时钟控制电路，PWM脉冲调制电路，开关电路，TEC制冷控制器，散热器；

通过温度传感器采集TEC制冷控制器冷端的实时温度值，温度传感器与温度检测模块连接；所述温度设置模块的输出端与温度检测模块连接，温度设置模块与上位机主控制器或者可调电位器连接；所述温度检测模块的输出端与差分放大电路的输入端连接，差分放大电路的输出端与PID控制器的输入端连接；所述时钟控制电路与PID控制器的输入端连接，所述PID控制器的输出端与PWM脉冲调制电路的输入端连接，所述PID控制器用于计算控制TEC制冷控制器所需的PWM波控制参数；所述PWM脉冲调制电路的输出端与开关电路连接，所述开关电路与TEC制冷控制器相连，所述TEC制冷控制器的冷端与CCD器件贴合；TEC制冷控制器的热端与散热器连接。

温度检测模块、温度传感器和温度设置模块构成全桥式测量电路；全桥式测量电路的电桥输入端连接基准电压芯片，为电桥提供输入电压，电桥的输出端连接到差分放大电路的差分输入端。

温度设置模块含有高精度的可调电阻。该模块有两个部分：第一部分为与外接控制器连接的通信总线，用于配制温度参数；第二部分为具有数模转换功能的高精度电阻输出模块，该模块与温度检测模块的电桥相互连接。

将差分放大电路放大的电桥输出信号与PID控制器连接，为PID控制器提供输入信号，PID控制器包括放大器、高精度电阻和电容；PID控制器综合时钟输入电路、PID设置参数以及差分放大电路所给的输入量，计算出控制TEC制冷所需的PWM波控制参数，包括PWM输出频率、占空比。

开关电路包括大电流MOSFET电路和LC整流滤波电路；大电流MOSFET电路连接TEC制冷恒定直流源，大电流MOSFET电路输出连接LC整流滤波电路；经LC整流滤波后的电源与TEC制冷控制器的正负极相连接。

大电流MOSFET电路为4个MOS功率管组成的H桥电路，每个MOS功率管上接PWM脉冲调制电路输出的PWM波，大电流MOSFET电路根据PID控制器输出的频率和占空比，输出TEC制冷电流。

散热器可以为带风冷、水冷或者液氮制冷的铝制或者铜制散热器，散热器贴合面以及散热面积根据CCD散热需求进行设计。

温度传感器为负温度系数热敏电阻，可以为PT10和PT100材料设计的热敏电阻，两种材料设计的热敏电阻均需要根据CCD制冷温度范围进行选取。

所述的高精度可调电阻为支持SPI等通信总线的高精度器件，并且电阻可设置范围需要到200K以上，方便将CCD温度控制到较低温度。

所述的差分放大电路、PID控制电路以及PWM波输出电路可以选择同时具有这四项功能的PID控制器件实现。

所述的MOSFET可控场效应管以及LC整流滤波电路可采用MOSFET集成的具有互锁功能的功率管对搭建，LC整流滤波电路根据TEC控制电流以及产生的纹波电流进行电感值和电容值的调整。

所述的TEC制冷控制器可以由带TEC的CCD器件自身提供，也可以是由TEC制冷片厂家提供的一定功率的TEC制冷片；

单级制冷控制系统为一个以CCD温度为控制量，以TEC制冷控制器的冷端温度为系统输入量，以TEC制冷电流为输出量的闭环控制系统，整个系统的控制速度和控制精度可以在实际使用中调试PID控制参数达到最佳效果。

多级制冷方式

制冷装置含有N个独立制冷单元电路；其中，第一级独立制冷单元电路的连接关系如下：

温度传感器采集第N级独立制冷单元电路的TEC制冷控制器冷端的实时温度值；温度传感器将数据传输至第一级独立制冷单元电路的温度检测模块，第一级独立制冷单元电路的温度设置模块与上位机主控制器或者可调电位器连接，第一级独立制冷单元电路的温度设置模块与温度检测模块连接，温度检测模块与差分放大电路连接，差分放大电路与PID控制器连接，所述时钟控制电路与PID控制器连接，PID控制器与PWM脉冲调制电路连接，PWM脉冲调制电路与开关电路连接，开关电路与TEC制冷控制器相连，所述第一级独立制冷单元电路的TEC制冷控制器的冷端与第二级独立制冷单元电路的TEC制冷控制器的热端贴合；第一级独立制冷单元电路的TEC制冷控制器的热端与散热器连接；

第一级独立制冷单元电路的时钟控制电路与第二级独立制冷单元电路的时钟控制电路连接，第二级独立制冷单元电路的时钟控制电路与第N级独立制冷单元电路的时钟控制电路依次连接；

第N级独立制冷单元电路的TEC制冷控制器的冷端与CCD器件贴合；第N级独立制冷单元电路的TEC制冷控制器的热端与第N-1级独立制冷单元电路的TEC制冷控制器的冷端贴合；第N-1级独立制冷单元电路的TEC制冷控制器的热端与第N-2级独立制冷单元电路的TEC制冷控制器的冷端贴合。

如图2、3中三级可调拉曼光谱仪CCD制冷装置的安装图和电气控制图所示，多级TEC制冷方式对系统的安装要求比较高。首先，需要对整个CCD制冷环境进行密闭隔热封装，并且需要对入射光窗口材料和表面进行特殊处理。然后将CCD、每一级TEC制冷控制器和散热器进行依次安装；

图中1-5的安装顺序依次为CCD器件1的热端接触第三级TEC制冷控制器2的冷端，第三级TEC制冷控制器2的热端接触第二级TEC制冷控制器3的冷端，第二级TEC制冷控制器3的热端接触第一级TEC制冷控制器4的冷端，第一级TEC制冷控制器4的热端接触散热器5的散热面，其中镀膜石英窗6为根据光谱仪入射光进行特殊处理的窗面。

将热敏电阻输出与第一级TEC制冷控制器连接，实时检测CCD温度，提供TEC制冷系统的输入量；

将第一级TEC制冷控制器温度设置单元与上位机控制器或者可调电位器连接，输出指定电阻值给第一级TEC制冷控制器温度检测电路电桥；

将第一级TEC制冷控制器的差分放大器、PID控制器、PWM脉冲调制电路、开关电路和LC整流滤波电路按单级制冷的方式依次连接；

将第一级TEC制冷控制器的时钟控制单元与第二级TEC控制器的时钟控制单元，第二级TEC控制器的时钟控制单元与第三级TEC控制器的时钟控制单元依次连接；

控制每一级TEC制冷控制器时钟控制单元依次以0度，90度，180度相位运行，实现第一级TEC制冷领先第二级TEC制冷1/4个时钟周期，第二级TEC制冷领先第三级TEC制冷1/4个时钟周期，达到TEC制冷依次进行的目的。

整个多级制冷控制系统为一个以CCD温度为控制量，以CCD冷端温度为系统输入量，以多级TEC制冷电流为输出量的闭环控制系统，TEC制冷流程从热端依次向冷端进行，可以实现电路启动电流平缓的目的，整个系统的控制速度和控制精度可以在实际使用中调试PID控制参数达到最佳效果。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种多级且可调的拉曼光谱仪CCD制冷装置，其特征在于：该制冷装置含有独立制冷单元电路；所述独立制冷单元电路包括温度设置模块，温度检测模块，差分放大电路，PID控制器，时钟控制电路，PWM脉冲调制电路，开关电路，TEC制冷控制器，散热器；通过温度传感器采集TEC制冷控制器冷端的实时温度值，温度传感器与温度检测模块连接；所述温度设置模块的输出端与温度检测模块连接，温度设置模块与上位机主控制器或者可调电位器连接；所述温度检测模块的输出端与差分放大电路的输入端连接，差分放大电路的输出端与PID控制器的输入端连接；所述时钟控制电路与PID控制器的输入端连接，所述PID控制器的输出端与PWM脉冲调制电路的输入端连接，所述PID控制器用于计算控制TEC制冷控制器所需的PWM波控制参数；所述PWM脉冲调制电路的输出端与开关电路连接，所述开关电路与TEC制冷控制器相连，所述TEC制冷控制器的冷端与CCD器件贴合；TEC制冷控制器的热端与散热器连接；

所述温度检测模块、温度传感器和温度设置模块构成全桥式测量电路；全桥式测量电路的电桥输入端连接基准电压芯片，为电桥提供输入电压，电桥的输出端连接到差分放大电路的差分输入端。

2.根据权利要求1所述的一种多级且可调的拉曼光谱仪CCD制冷装置，其特征在于：所述制冷装置含有N个独立制冷单元电路；其中，第一级独立制冷单元电路的连接关系如下：温度传感器采集第N级独立制冷单元电路的TEC制冷控制器冷端的实时温度值；温度传感器将数据传输至第一级独立制冷单元电路的温度检测模块，第一级独立制冷单元电路的温度设置模块与上位机主控制器或者可调电位器连接，第一级独立制冷单元电路的温度设置模块与温度检测模块连接，温度检测模块与差分放大电路连接，差分放大电路与PID控制器连接，所述时钟控制电路与PID控制器连接，PID控制器与PWM脉冲调制电路连接，PWM脉冲调制电路与开关电路连接，开关电路与TEC制冷控制器相连，所述第一级独立制冷单元电路的TEC制冷控制器的冷端与第二级独立制冷单元电路的TEC制冷控制器的热端贴合；第一级独立制冷单元电路的TEC制冷控制器的热端与散热器连接；第一级独立制冷单元电路的时钟控制电路与第二级独立制冷单元电路的时钟控制电路连接，第二级独立制冷单元电路的时钟控制电路与第N级独立制冷单元电路的时钟控制电路依次连接；

第N级独立制冷单元电路的TEC制冷控制器的冷端与CCD器件贴合；第N级独立制冷单元电路的TEC制冷控制器的热端与第N-1级独立制冷单元电路的TEC制冷控制器的冷端贴合；第N-1级独立制冷单元电路的TEC制冷控制器的热端与第N-2级独立制冷单元电路的TEC制冷控制器的冷端贴合。

3.根据权利要求1所述的一种多级且可调的拉曼光谱仪CCD制冷装置，其特征在于：所述温度设置模块含有高精度的可调电阻。

4.根据权利要求1所述的一种多级且可调的拉曼光谱仪CCD制冷装置，其特征在于：所述PID控制器包括放大器、高精度电阻和电容；所述PID控制器根据差分放大电路的输出值、时钟控制电路输出的控制相位及时钟频率，输出PWM脉冲调制电路所需要的频率和占空比。

5.根据权利要求1所述的一种多级且可调的拉曼光谱仪CCD制冷装置，其特征在于：所述开关电路包括大电流MOSFET电路和LC整流滤波电路；大电流MOSFET电路连接TEC制冷恒定直流源，大电流MOSFET电路输出连接LC整流滤波电路；经LC整流滤波后的电源与TEC制冷控制器的正负极相连接。

6.根据权利要求5所述的一种多级且可调的拉曼光谱仪CCD制冷装置，其特征在于：所述大电流MOSFET电路为4个MOS功率管组成的H 桥电路，每个MOS功率管上接PWM脉冲调制电路输出的PWM波，大电流MOSFET电路根据PID控制器输出的频率和占空比，输出TEC制冷电流。

7.根据权利要求1所述的一种多级且可调的拉曼光谱仪CCD制冷装置，其特征在于：所述散热器为带风冷、水冷或者液氮制冷的铝制或者铜制散热器。

8.根据权利要求1所述的一种多级且可调的拉曼光谱仪CCD制冷装置，其特征在于：所述温度传感器为负温度系数热敏电阻。