CN106094935A - 一种长时间低漂移积分器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种长时间低漂移积分器及其控制方法，所述长时间低漂移积分器包括：温控模块、积分模块、半导体制冷器和温度检测传感器，所述温控模块与半导体制冷器相连接，所述积分模块和温度检测传感器分别设置于所述半导体制冷器的被控温度面，所述温度检测传感器与所述温控模块相连接；其中，所述温控模块用于控制和稳定所述半导体制冷器的温度，所述积分模块实现积分调零补偿。本发明能在较短时间内稳定在被控温度点，消除了半导体制冷器的浪涌电流，稳定温度波动小；所述温控模块控制积分模块中对温度敏感的器件工作在恒定温度，减小了这些器件参数的变化引起的积分漂移，能够有效减小其非线性漂移，温度控制稳定，长时间积分漂移小。

Description

一种长时间低漂移积分器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种积分器，尤其涉及一种长时间低漂移积分器，并涉及该长时间低漂移积分器的控制方法。

背景技术

感应线圈制作简单，成本低廉，持久耐用等特点，常作为磁检测传感器，在托卡马克装置中，感应线圈与积分器相结合对磁信号进行检测。在无损检测领域，将感应线圈与积分器相结合得到铁磁性材料构建的磁通进行无损检测。随着托卡马克装置中等离子体放电时间的加长，被测构建长度的增加，要求积分器能够在较长时间内保持低漂移稳定的输出。

用于积分器的运算放大器自身的非理想性，输入失调电压V_OS、输入失调电流I_OS以及输入偏置电流I_IB造成积分输出线性漂移；积分电容介质损耗和泄露电阻及运放输入电阻并非理想的无穷大给积分电容提供了放电通路，引起积分输出的非线性漂移；温度的变化造成积分器V_OS、I_OS、I_IB的改变进一步增加了积分器的非线性漂移；电路板上的漏电流极容易通过输入管脚注入运算放大器增大积分的非线性漂移；因此，对于长时间低漂移积分系统的设计来说，必须对这些漂移进行补偿和克服。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是需要提供一种能够实现温度稳定控制和补偿漂移的长时间低漂移积分器，并需要提供该长时间低漂移积分器的控制方法。

对此，本发明提供一种长时间低漂移积分器，包括：温控模块、积分模块、半导体制冷器和温度检测传感器，所述温控模块与半导体制冷器相连接，所述积分模块和温度检测传感器分别设置于所述半导体制冷器的被控温度面，所述温度检测传感器与所述温控模块相连接；其中，所述温控模块用于控制和稳定所述半导体制冷器的温度，所述积分模块实现积分调零补偿。所述积分模块优选采用ADC-PI-DAC方式进行积分调零补偿。

本发明的进一步改进在于，所述积分模块贴装在所述半导体制冷器的被控温度面上。

本发明的进一步改进在于，所述积分模块通过导热硅胶片贴装在所述半导体制冷器的被控温度面。

本发明的进一步改进在于，所述积分模块电路采用铝基板制作，所述半导体制冷器为帕尔贴半导体制冷器，所述铝基板贴装在所述帕尔贴半导体制冷器的被控温度面上。

本发明的进一步改进在于，所述积分模块设置有圆孔，所述温度检测传感器设置于所述圆孔内。

本发明的进一步改进在于，所述圆孔设置于所述积分模块的正中间。

本发明的进一步改进在于，所述温控模块包括比较放大电路、闭环自动控制电路、双极性电流驱动器、双边门极驱动电路和MOSFET管，所述比较放大电路通过闭环自动控制电路连接至双极性电流驱动器，所述双极性电流驱动器通过双边门极驱动电路连接至MOSFET管，所述MOSFET管与半导体制冷器相连接。所述闭环自动控制电路为PID控制电路。

本发明的进一步改进在于，所述比较放大电路包括电阻R1、电阻R2和比较放大器U1，所述比较放大器U1的同相输入端通过电阻R1连接至设定电压输入端，所述比较放大器U1的反相输入端通过电阻R2连接至阈值电压输入端；所述闭环自动控制电路包括电阻R3、电阻R4、电容C1、电阻R5、电容C2、电容C3和比较放大器U2，所述比较放大器U1的输出端分别与所述电阻R3的一端和电阻R4的一端相连接，所述电阻R4的另一端通过电容C1连接至所述比较放大器U2的反相输入端，所述电阻R3的另一端、电阻R5的一端和电容C3的一端分别连接至所述比较放大器U2的反相输入端，所述电阻R5的另一端通过电容C2连接至所述比较放大器U2的输出端，所述电容C3的另一端连接至所述比较放大器U2的输出端，所述比较放大器U2的输出端连接至所述双极性电流驱动器的输入端，所述比较放大器U2同相输入端接地。

本发明的进一步改进在于，所述积分模块包括积分电阻R6、清零开关SW1、积分电容C4、低漂移运放U3、ADC模块、MCU模块、DAC模块、分压电阻R8和分压电阻R7，所述积分电阻R6的一端、清零开关SW1的一端和积分电容C4的一端分别与所述低漂移运放U3的反相输入端相连接，所述积分电阻R6的另一端连接至积分模块的输入信号端，所述清零开关SW1的另一端和积分电容C4的另一端分别连接至所述低漂移运放U3的输出端，所述低漂移运放U3的输出端依次与所述ADC模块、MCU模块和DAC模块相连接，所述DAC模块通过分压电阻R8与所述分压电阻R7的一端相连接，所述分压电阻R7的一端与所述低漂移运放U3的同相输入端相连接，所述分压电阻R7的另一端接地。所述MCU模块用于实现比例积分调节；所述低漂移运放U3为低漂移运算放大器。

本发明还提供一种长时间低漂移积分器的控制方法，所述控制方法用于控制如上所述的长时间低漂移积分器，并包括以下步骤：

步骤S1，通过测量或体感预估得到所述长时间低漂移积分器所在的工作环境温度；

步骤S2：接通长时间低漂移积分器的电源，设置温控模块控制半导体制冷器的温度在当前的工作环境温度的预设范围内；

步骤S3：温控模块和积分模块同时进行调节，等待温控模块的温度调节至稳定且积分模块的比例积分调整结束；

步骤S4：在比例积分调整结束后，开始进行积分检测。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：采用半导体制冷器进行温度控制，能使其在较短时间内稳定在被控温度点；通过采用闭环自动控制半导体制冷器的电流，消除了半导体制冷器的浪涌电流，稳定温度波动小；同时，所述积分模块采用ADC-PI-DAC的补偿方式，调节时间短，补偿精确，DAC模块输出经电阻分压后补偿给积分模块的输入端，能够进一步提高了补偿精度；在此基础上，所述温控模块控制积分模块中对温度敏感的器件工作在恒定温度，减小了这些器件参数的变化引起的积分漂移，能够有效减小所述长时间低漂移积分器的非线性漂移，温度控制稳定，长时间积分漂移小。

附图说明

图1是本发明一种实施例的结构示意图；

图2是本发明一种实施例的温控模块的电路原理框图；

图3是本发明一种实施例的积分模块的电路原理框图；

图4是本发明另一种实施例的工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。

实施例1：

如图1所示，本例提供一种长时间低漂移积分器，包括：温控模块、积分模块2、半导体制冷器3和温度检测传感器4，所述温控模块与半导体制冷器3相连接；所述积分模块2和温度检测传感器4分别设置于所述半导体制冷器3的被控温度面，所述温度检测传感器4与所述温控模块相连接；其中，所述温控模块用于控制和稳定所述半导体制冷器3的温度，所述积分模块2采用ADC-PI-DAC方式进行积分调零补偿。

如图1所示，所述积分模块2贴装在所述半导体制冷器3的被控温度面上，优选的，所述积分模块2的电路板采用铝基板制作，所述半导体制冷器3为帕尔贴半导体制冷器，所述铝基板通过导热硅胶片贴装在所述帕尔贴半导体制冷器的被控温度面上；所述积分模块2优选设置有圆孔，所述温度检测传感器4设置于所述圆孔内；所述圆孔优选设置于所述积分模块2的正中间。

所述温控模块用于控制帕尔贴半导体制冷器的温度，使其稳定在一个室温环境相当的温度。积分模块2的电路板采用铝基板制作，紧贴在帕尔贴半导体制冷器的被控温度面，负温度系数的热敏电阻作为温度传感器放置在积分模块2正中间预留的圆孔中并且紧贴帕尔贴半导体制冷器的被控温度面的正中心。所述帕尔贴半导体制冷器为TEC，即Thermo-electric Cooler。

如图2所示，本例所述温控模块包括比较放大电路、闭环自动控制电路、双极性电流驱动器、双边门极驱动电路和MOSFET管，所述比较放大电路通过闭环自动控制电路连接至双极性电流驱动器，所述双极性电流驱动器通过双边门极驱动电路连接至MOSFET管，所述MOSFET管与半导体制冷器3相连接。所述闭环自动控制电路为PID控制电路。

如图2所示，本例所述比较放大电路包括电阻R1、电阻R2和比较放大器U1，所述比较放大器U1的同相输入端通过电阻R1连接至设定电压输入端，所述比较放大器U1的反相输入端通过电阻R2连接至阈值电压输入端；所述闭环自动控制电路包括电阻R3、电阻R4、电容C1、电阻R5、电容C2、电容C3和比较放大器U2，所述比较放大器U1的输出端分别与所述电阻R3的一端和电阻R4的一端相连接，所述电阻R4的另一端通过电容C1连接至所述比较放大器U2的反相输入端，所述电阻R3的另一端、电阻R5的一端和电容C3的一端分别连接至所述比较放大器U2的反相输入端，所述电阻R5的另一端通过电容C2连接至所述比较放大器U2的输出端，所述电容C3的另一端连接至所述比较放大器U2的输出端，所述比较放大器U2的输出端连接至所述双极性电流驱动器的输入端，所述比较放大器U2同相输入端接地。本例所述比较放大电路对目标控制温度电压与温度传感器反馈电压信号进行比较放大，所述PID控制电路产生半导体制冷器控制电流，所述MOSFET管采用4个组成H桥电路。

本例所述长时间低漂移积分器所在的积分系统上电后，首先根据当前长时间低漂移积分器的工作环境温度设定温控模块的目标控制温度，与负温度系数的热敏电阻转换后的温度电信号进行比较放大，经PID控制电路调整后产生TEC控制电流信号，由PWM输出驱动MOSFET管形成双极性电流全桥驱动器；通过PID调节控制PWM占空比而改变TEC的电流大小和方向，达到恒温控制的目的。

如图3所示，本例所述积分模块2包括积分电阻R6、清零开关SW1、积分电容C4、低漂移运放U3、ADC模块、MCU模块、DAC模块、分压电阻R8和分压电阻R7，所述积分电阻R6的一端、清零开关SW1的一端和积分电容C4的一端分别与所述低漂移运放U3的反相输入端相连接，所述积分电阻R6的另一端连接至积分模块2的输入信号端，所述清零开关SW1的另一端和积分电容C4的另一端分别连接至所述低漂移运放U3的输出端，所述低漂移运放U3的输出端依次与所述ADC模块、MCU模块和DAC模块相连接，所述DAC模块通过分压电阻R8与所述分压电阻R7的一端相连接，所述分压电阻R7的一端与所述低漂移运放U3的同相输入端相连接，所述分压电阻R7的另一端接地。

与此同时，积分模块2采用ADC-PI-DAC的补偿方式对积分漂移进行闭环调节补偿，如图3所示，所述ADC-PI-DAC的补偿方式即为通过ADC模块、实现比例积分调节的MCU模块和DAC模块实现补偿，所述PI为比例积分控制的意思；本例采用高分辨率的ADC模块对积分输出进行采样，利用MCU进行PI计算，即进行比例积分计算，由DAC模块输出经电阻分压后将PI计算结果补偿到所述长时间低漂移积分器，充分利用DAC模块分辨率的同时进一步提高了补偿精度。所述ADC模块实现的是模数转换，所述DAC模块实现的是数模转换。本例还可以包括指示灯，当所述长时间低漂移积分器调零结束后，DAC模块输出保持当前PI输出值，PI闭环补偿结束，可以通过“积分工作”指示灯亮，提醒积分器开始进行积分工作。本例用标准磁石经多次测试，积分常数为10ms，在1000s时间内积分漂移不超过6mV。

本例对积分模块2的温度控制可根据当前工作环境温度进行设定一个预设范围，该预设范围可以根据用户的需求进行自定义设置；温控模块采用热惯性非常小的帕尔贴半导体制冷器，制冷制热时间很快；对帕尔贴温度的调节采用PID的方式直接控制TEC电流，消除了TEC浪涌电流；对积分漂移的补偿采用ADC-PI-DAC闭环调节的方式；DAC模块输出经电阻分压后补偿到积分器，进一步提高了补偿精度；积分模块2的电路板采用铝基板，有利于温度控制；在所述长时间低漂移积分器输入管脚采用保护环削弱漏电流对积分漂移的影响。

本例采用半导体制冷器3进行温度控制，能使其在较短时间内稳定在被控温度点；通过采用闭环自动(PID)控制半导体制冷器3的电流，消除了半导体制冷器3的浪涌电流，稳定温度波动小；同时，所述积分模块2采用ADC-PI-DAC的补偿方式，调节时间短，补偿精确，DAC模块输出经电阻分压后补偿给积分模块2的输入端，能够进一步提高补偿精度；在此基础上，所述温控模块控制积分模块2中对温度敏感的器件工作在恒定温度，减小了这些器件参数的变化引起的积分漂移，能够有效减小所述长时间低漂移积分器的非线性漂移，温度控制稳定，长时间积分漂移小。

实施例2：

如图4所示，本发明还提供一种长时间低漂移积分器的控制方法，所述控制方法用于控制如实施例1所述的长时间低漂移积分器，并包括以下步骤：

步骤S1，通过测量或体感预估得到所述长时间低漂移积分器所在的工作环境温度；

步骤S2：接通长时间低漂移积分器的电源，设置温控模块控制半导体制冷器3的温度在当前的工作环境温度的预设范围内；

步骤S3：温控模块和积分模块2同时进行调节，等待温控模块的温度调节至稳定且积分模块2的比例积分调整结束；

步骤S4：在比例积分调整结束后，开始进行积分检测。

本例所述步骤S2中，设置温控模块控制半导体制冷器3的温度在当前工作环境温度附近，也就是说，所述预设范围可以设置在当前工作环境温度附近，并能够根据实际要求进行修改。

本实施例中，所述长时间低漂移积分器长时间工作时，在预估或检测到无信号输出时可通过“清零开关”对积分漂移进行清零，进而减小累积误差；也就是说，本例还优选设置了清零开关，通过清零开关可触发清零指令，进而手动消除所述长时间低漂移积分器的积分漂移，减小累积误差。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种长时间低漂移积分器，其特征在于，包括：温控模块、积分模块、半导体制冷器和温度检测传感器，所述温控模块与半导体制冷器相连接，所述积分模块和温度检测传感器分别设置于所述半导体制冷器的被控温度面，所述温度检测传感器与所述温控模块相连接；其中，所述温控模块用于控制和稳定所述半导体制冷器的温度，所述积分模块实现积分调零补偿。

2.根据权利要求1所述的长时间低漂移积分器，其特征在于，所述积分模块贴装在所述半导体制冷器的被控温度面上。

3.根据权利要求2所述的长时间低漂移积分器，其特征在于，所述积分模块通过导热硅胶片贴装在所述半导体制冷器的被控温度面。

4.根据权利要求2所述的长时间低漂移积分器，其特征在于，所述积分模块电路采用铝基板制作，所述半导体制冷器为帕尔贴半导体制冷器，所述铝基板贴装在所述帕尔贴半导体制冷器的被控温度面上。

5.根据权利要求2所述的长时间低漂移积分器，其特征在于，所述积分模块设置有圆孔，所述温度检测传感器设置于所述圆孔内。

6.根据权利要求5所述的长时间低漂移积分器，其特征在于，所述圆孔设置于所述积分模块的正中间。

7.根据权利要求1至5任意一项所述的长时间低漂移积分器，其特征在于，所述温控模块包括比较放大电路、闭环自动控制电路、双极性电流驱动器、双边门极驱动电路和MOSFET管，所述比较放大电路通过闭环自动控制电路连接至双极性电流驱动器，所述双极性电流驱动器通过双边门极驱动电路连接至MOSFET管，所述MOSFET管与半导体制冷器相连接。

8.根据权利要求7所述的长时间低漂移积分器，其特征在于，所述比较放大电路包括电阻R1、电阻R2和比较放大器U1，所述比较放大器U1的同相输入端通过电阻R1连接至设定电压输入端，所述比较放大器U1的反相输入端通过电阻R2连接至阈值电压输入端；所述闭环自动控制电路包括电阻R3、电阻R4、电容C1、电阻R5、电容C2、电容C3和比较放大器U2，所述比较放大器U1的输出端分别与所述电阻R3的一端和电阻R4的一端相连接，所述电阻R4的另一端通过电容C1连接至所述比较放大器U2的反相输入端，所述电阻R3的另一端、电阻R5的一端和电容C3的一端分别连接至所述比较放大器U2的反相输入端，所述电阻R5的另一端通过电容C2连接至所述比较放大器U2的输出端，所述电容C3的另一端连接至所述比较放大器U2的输出端，所述比较放大器U2的输出端连接至所述双极性电流驱动器的输入端，所述比较放大器U2同相输入端接地。

9.根据权利要求1至5任意一项所述的长时间低漂移积分器，其特征在于，所述积分模块包括积分电阻R6、清零开关SW1、积分电容C4、低漂移运放U3、ADC模块、MCU模块、DAC模块、分压电阻R8和分压电阻R7，所述积分电阻R6的一端、清零开关SW1的一端和积分电容C4的一端分别与所述低漂移运放U3的反相输入端相连接，所述积分电阻R6的另一端连接至积分模块的输入信号端，所述清零开关SW1的另一端和积分电容C4的另一端分别连接至所述低漂移运放U3的输出端，所述低漂移运放U3的输出端依次与所述ADC模块、MCU模块和DAC模块相连接，所述DAC模块通过分压电阻R8与所述分压电阻R7的一端相连接，所述分压电阻R7的一端与所述低漂移运放U3的同相输入端相连接，所述分压电阻R7的另一端接地。

10.一种长时间低漂移积分器的控制方法，其特征在于，所述控制方法用于控制如权利要求1至9任意一项所述的长时间低漂移积分器，并包括以下步骤：

步骤S1，通过测量或体感预估得到所述长时间低漂移积分器所在的工作环境温度；

步骤S2：接通长时间低漂移积分器的电源，设置温控模块控制半导体制冷器的温度在当前的工作环境温度的预设范围内；

步骤S3：温控模块和积分模块同时进行调节，等待温控模块的温度调节至稳定且积分模块的比例积分调整结束；

步骤S4：在比例积分调整结束后，开始进行积分检测。