CN108240876B - 一种基于半导体制冷器的温敏发光材料校准装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于飞行器模型风洞大面积测热试验技术领域，具体涉及一种基于半导体制冷器的温敏发光材料校准装置，本发明的目的是提供一种控温精度高、升降温速率快、体积小的校准装置，用于风洞大面积测热试验温敏发光材料光强/温度灵敏度校准中。其特征在于，它包括温度控制部件、密封部件、散热部件和支撑部件；温度控制部件用于对温敏发光材料进行加热或制冷，并采集温敏发光材料的温度值；密封部件用于对温敏发光材料和温度控制部件进行密封；散热部件用于对密封部件的内部进行散热；支撑部件用于支撑整个装置。

Description

一种基于半导体制冷器的温敏发光材料校准装置
技术领域
本发明属于飞行器模型风洞大面积测热试验技术领域，具体涉及一种基于半导体制冷器的温敏发光材料校准装置。
背景技术
飞行器的气动热环境预测对飞行器的设计至关重要，除了CFD模拟和飞行试验外，在风洞中进行飞行器缩比模型气动热的测量是国际上普遍采用的气动热环境预测方法。在风洞试验中，大面积测热试验采用基于图像采集技术的温敏发光材料进行飞行器模型温度分布测量，将温敏发光材料喷涂在测试模型表面并使用特定光源照射，然后使用适当的图像采集设备获取模型表面光强变化，根据温敏发光材料发光强度与温度变化的关系，获得模型表面的温度变化，从而进一步得到气动热环境分布情况，这些气动热环境数据将用于飞行器的设计和一些研究工作中。温敏发光材料校准装置的不确定度水平直接影响灵敏度的不确定度水平，从而影响气动热数据的不确定度水平。
发明内容
本发明的目的是提供一种控温精度高、升降温速率快、体积小的校准装置，用于风洞大面积测热试验温敏发光材料光强/温度灵敏度校准中。
本发明是这样实现的：
一种基于半导体制冷器的温敏发光材料校准装置，包括温度控制部件、密封部件、散热部件和支撑部件；温度控制部件用于对温敏发光材料进行加热或制冷，并采集温敏发光材料的温度值；密封部件用于对温敏发光材料和温度控制部件进行密封；散热部件用于对密封部件的内部进行散热；支撑部件用于支撑整个装置。
如上所述的密封部件包括排气孔、第二密封圈、隔热口、第一密封圈、玻璃、压板、上盖和机壳；机壳整体为圆环形，轴线为水平方向；机壳的左端与散热部件固定连接，用于对整个密部件提供支撑；隔热口整体为圆环形，外径小于机壳的内径且与机壳同轴；隔热口固定在机壳右端的内侧，用于安装玻璃；玻璃整体圆形片状，通过上盖和螺钉安装在隔热口的右端，用于透光；上盖整体为圆环形，用于固定玻璃；在隔热口和玻璃之间设置有第一密封圈，在隔热口与温度控制部件之间设置有第二密封圈，以达到更好的密封效果；排气孔设置在机壳的侧壁上，用于实现密封部件内部与外界的气体交换。
如上所述的温度控制部件包括控温传感器、冷芯、保温材料、制冷器、温度控制器和温度传感器；保温材料整体为圆环形，与机壳同轴，位于机壳的内侧，外径与机壳的内径相匹配，用于进行隔热；制冷器位于保温材料左端的内侧，其左端与散热部件固定连接，用于实现对温敏发光材料进行加热或制冷；冷芯整体为圆柱体形，与机壳同轴，左端与制冷器固定连接，右端开有圆形凹槽，用于安装温敏发光材料；温度控制器位于装置的外部，通过线缆与控温传感器、制冷器和温度传感器连接，用于控制上述元件的动作；控温传感器安装在冷芯的中心位置，用于测量温敏发光材料的温度；温度传感器共有四个，均布在冷芯的侧面的圆周上，用于测量温敏发光材料的温度均匀性。
如上所述的散热部件包括风机和散热器；散热器整体为圆柱体形，右端分别与机壳和制冷器固定连接，用于和制冷器进行热交换；风机固定在散热器的左端，用于增强散热器的散热效果。
如上所述的支撑部件包括调节架；调节架主体部分为四边形板状，上端与散热器固定连接；在调节架主体部分的四个角上设有螺纹孔，通过螺纹孔与螺杆连接，用于调节装置的高度。
如上所述的散热器采用2A02硬铝材料制成；控温传感器采用A级PT100温度传感器实现；温度传感器采用1/10B级PT100温度传感器实现；冷芯采用铜材料制成；第二密封圈和第一密封圈均采用橡胶材料制成；玻璃采用石英玻璃实现；压板采用聚四氟乙烯材料制成；保温材料采用酚醛树脂泡沫材料制成；制冷器采用半导体材料制成。
所述的校准装置还包括光学相机、紫外光源；光学相机和紫外光源设置在密封部件的外侧，与温度控制部件、密封部件、散热部件和支撑部件组成的一体结构呈三角形布置；光学相机负责采集不同温度下的图像光强，紫外光源负责提供样片入射光源。
所述的校准装置还包括压力控制系统；压力控制系统采用台式气压压力泵和智能数字压力校验仪组合，台式气压压力泵的输出端与排气孔连接；压力控制系统用于实现密封部件内部的升压和降压。
本发明的有益效果是：
1.使用基于半导体制冷器的校准装置进行温敏发光材料的校准，具有校准精度高、变温速率快、可以降温到环境温度以下、同一器件可以满足升温和降温的要求等优点；
2.使用本校准装置进行校准，避免了使用传统的制冷制热方式存在的体积大、精度低，需要转动部件等缺点，具有体积小、重量轻、成本低及使用维护方便等优点；
3.可靠性高，能源供给简单方便，对环境友好；
4.通过高精度半导体制冷器温度控制器，采用自整定PID控制技术保证了目标温度的稳定性和精确度；
5.通过高精度半导体制冷器温度控制器分别监视均匀安装在恒温箱金属铜板冷芯上的温度传感器，实时获取校准过程中的温度均匀度；
6.通过优化形状后的散热器提高半导体制冷器的工作效率和拓宽校准系统的使用温度范围；
7.通过压力控制器对校准系统进行抽真空和加压，提高了校准系统的精度。
附图说明
图1是本发明的一种基于半导体制冷器的温敏发光材料校准装置的结构示意图。
其中：1.风机，2.散热器，3.控温传感器，4.冷芯，5.排气孔，6.第二密封圈，7.隔热口，8.第一密封圈，9.玻璃，10.压板，11.上盖，12.螺钉，13.保温材料，14.机壳，15.制冷器，16.调节架。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步描述。
如图1所示，一种基于半导体制冷器的温敏发光材料校准装置，包括温度控制部件、密封部件、散热部件和支撑部件。温度控制部件用于对温敏发光材料进行加热或制冷，并采集温敏发光材料的温度值。密封部件用于对温敏发光材料和温度控制部件进行密封。散热部件用于对密封部件的内部进行散热。支撑部件用于支撑整个装置。
密封部件包括排气孔5、第二密封圈6、隔热口7、第一密封圈8、玻璃9、压板10、上盖11和机壳14。机壳14整体为圆环形，轴线为水平方向。机壳14的左端与散热部件固定连接，用于对整个密部件提供支撑。隔热口7整体为圆弧形，外径小于机壳14的内径且与机壳14同轴。隔热口7固定在机壳14右端的内侧，用于安装玻璃9。玻璃9整体圆形片状，通过上盖11和螺钉12安装在隔热口7的右端，用于透光。上盖11整体为圆环形，用于固定玻璃9。在隔热口7和玻璃9之间设置有第一密封圈8，在隔热口与温度控制部件之间设置有第二密封圈6，以达到更好的密封效果。排气孔5设置在机壳14的侧壁上，用于实现密封部件内部与外界的气体交换。
温度控制部件包括控温传感器3、冷芯4、保温材料13、制冷器15、温度控制器和温度传感器。保温材料13整体为圆环形，与机壳14同轴，位于机壳14的内侧，外径与机壳14的内径相匹配，用于进行隔热。制冷器15位于保温材料13左端的内侧，其左端与散热部件固定连接，用于实现对温敏发光材料进行加热或制冷。冷芯4整体为圆柱体形，与机壳14同轴，左端与制冷器15固定连接，右端开有圆形凹槽，用于安装温敏发光材料。温度控制器位于装置的外部，通过线缆与控温传感器3、制冷器15和温度传感器连接，用于控制上述元件的动作。控温传感器3安装在冷芯4的中心位置，用于测量温敏发光材料的温度。温度传感器共有四个，均布在冷芯4的侧面的圆周上，用于测量温敏发光材料的温度均匀性。
散热部件包括风机1和散热器2。散热器2整体为圆柱体形，右端分别与机壳14和制冷器15固定连接，用于和制冷器15进行热交换。风机1固定在散热器2的左端，用于增强散热器2的散热效果。
支撑部件包括调节架16。调节架16主体部分为四边形板状，上端与散热器2固定连接。在调节架16主体部分的四个角上设有螺纹孔，通过螺纹孔与螺杆连接，用于调节装置的高度。
在本实施例中，散热器2采用2A02硬铝材料制成；控温传感器3采用A级PT100温度传感器实现；温度传感器采用1/10B级PT100温度传感器实现；冷芯4采用铜材料制成；第二密封圈6和第一密封圈8均采用橡胶材料制成；玻璃9采用石英玻璃实现；压板10采用聚四氟乙烯材料制成；保温材料13采用酚醛树脂泡沫材料制成；制冷器15采用半导体材料制成。
作为本发明的另一种实施方式，本发明还包括光学相机、紫外光源。光学相机和紫外光源设置在玻璃9的外侧，与温度控制部件、密封部件、散热部件和支撑部件组成的一体结构呈三角形布置。光学相机负责采集不同温度下的图像光强，紫外光源负责提供样片入射光源。
作为本发明的另一种实施方式，本发明还包括压力控制系统。压力控制系统采用台式气压压力泵和智能数字压力校验仪组合，台式气压压力泵的输出端与排气孔连接。压力控制系统用于实现密封部件内部的升压和降压。
试验时，紫外光源首先通过光学玻璃照射到温敏发光材料上，然后温度控制器通过控温传感器的温度测量值，通过先前设定的温度对半导体制冷器进行加热或制冷，加热和制冷过程通过PID自整定功能进行设定温度逼近。当达到设定温度并保持平衡2分钟后，同步采集恒温箱铜板冷芯中心的控温传感器测量值和安装在铜板冷芯四周的温度传感器测量值，并启动光学相机采集温敏发光材料的光强，得到设定温度下的光强值；重新设计温度，进行下一次校准过程。根据每次样片设定温度及其对应样片光强，通过后期数据处理得到温敏发光材料的光强/温度灵敏度。
本发明可以在低于环境温度的情况下实现对温敏发光材料光强/温度灵敏度的校准。整体体积小、真空密封型良好，工作腔石英玻璃观察窗口紫外光波段透过性能优良，采用双密封圈结构保证系统密封型；样品台和可调支架设计灵活可靠。校准装置可以实现在-10～80℃温度范围内为恒温箱提供精确的恒温环境，控温精度可达±0.01℃，温度控制仪表控制半导体制冷器的工作电压极性和大小，实现在全量程对温度的自动控制，可以同时实现快速的升温和降温。散热器冷却方式为优化后的强制风冷结构，在满足散热性能要求的基础上尽可能减少体积。压力控制系统采用台式气压压力泵和智能数字压力校验仪组合，可以同时实现升压和降压。
上面结合实施例对本发明的实施方法作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明说明书中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (7)

1.一种基于半导体制冷器的温敏发光材料校准装置，其特征在于：它包括温度控制部件、密封部件、散热部件和支撑部件；温度控制部件用于对温敏发光材料进行加热或制冷，并采集温敏发光材料的温度值；密封部件用于对温敏发光材料和温度控制部件进行密封；散热部件用于对密封部件的内部进行散热；支撑部件用于支撑整个装置；
所述的密封部件包括排气孔(5)、第二密封圈(6)、隔热口(7)、第一密封圈(8)、玻璃(9)、压板(10)、上盖(11)和机壳(14)；机壳(14)整体为圆环形，轴线为水平方向；机壳(14)的左端与散热部件固定连接，用于对整个密封 部件提供支撑；隔热口(7)整体为圆环形，外径小于机壳(14)的内径且与机壳(14)同轴；隔热口(7)固定在机壳(14)右端的内侧，用于安装玻璃(9)；玻璃(9)整体为 圆形片状，通过上盖(11)和螺钉(12)安装在隔热口(7)的右端，用于透光；上盖(11)整体为圆环形，用于固定玻璃(9)；在隔热口(7)和玻璃(9)之间设置有第一密封圈(8)，在隔热口与温度控制部件之间设置有第二密封圈(6)，以达到更好的密封效果；排气孔(5)设置在机壳(14)的侧壁上，用于实现密封部件内部与外界的气体交换。
2.根据权利要求1所述的基于半导体制冷器的温敏发光材料校准装置，其特征在于：所述的温度控制部件包括控温传感器(3)、冷芯(4)、保温材料(13)、制冷器(15)、温度控制器和温度传感器；保温材料(13)整体为圆环形，与机壳(14)同轴，位于机壳(14)的内侧，外径与机壳(14)的内径相匹配，用于进行隔热；制冷器(15)位于保温材料(13)左端的内侧，其左端与散热部件固定连接，用于实现对温敏发光材料进行加热或制冷；冷芯(4)整体为圆柱体形，与机壳(14)同轴，左端与制冷器(15)固定连接，右端开有圆形凹槽，用于安装温敏发光材料；温度控制器位于装置的外部，通过线缆与控温传感器(3)、制冷器(15)和温度传感器连接，用于控制制冷器(15)的动作；控温传感器(3)安装在冷芯(4)的中心位置，用于测量温敏发光材料的温度；温度传感器共有四个，均布在冷芯(4)的侧面的圆周上，用于测量温敏发光材料的温度均匀性。
3.根据权利要求2所述的基于半导体制冷器的温敏发光材料校准装置，其特征在于：所述的散热部件包括风机(1)和散热器(2)；散热器(2)整体为圆柱体形，右端分别与机壳(14)和制冷器(15)固定连接，用于和制冷器(15)进行热交换；风机(1)固定在散热器(2)的左端，用于增强散热器(2)的散热效果。
4.根据权利要求3所述的基于半导体制冷器的温敏发光材料校准装置，其特征在于：所述的支撑部件包括调节架(16)；调节架(16)主体部分为四边形板状，上端与散热器(2)固定连接；在调节架(16)主体部分的四个角上设有螺纹孔，通过螺纹孔与螺杆连接，用于调节装置的高度。
5.根据权利要求4所述的基于半导体制冷器的温敏发光材料校准装置，其特征在于：所述的散热器(2)采用2A02硬铝材料制成；控温传感器(3)采用A级PT100温度传感器实现；温度传感器采用1/10B级PT100温度传感器实现；冷芯(4)采用铜材料制成；第二密封圈(6)和第一密封圈(8)均采用橡胶材料制成；玻璃(9)采用石英玻璃实现；压板(10)采用聚四氟乙烯材料制成；保温材料(13)采用酚醛树脂泡沫材料制成；制冷器(15)采用半导体材料制成。
6.根据权利要求1所述的基于半导体制冷器的温敏发光材料校准装置，其特征在于：它还包括光学相机、紫外光源；光学相机和紫外光源设置在密封部件的外侧，与温度控制部件、密封部件、散热部件和支撑部件组成的一体结构呈三角形布置；光学相机负责采集不同温度下的图像光强，紫外光源负责提供样片入射光源。
7.根据权利要求1所述的基于半导体制冷器的温敏发光材料校准装置，其特征在于：它还包括压力控制系统；压力控制系统采用台式气压压力泵和智能数字压力校验仪组合，台式气压压力泵的输出端与排气孔连接；压力控制系统用于实现密封部件内部的升压和降压。
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