CN109883568A - 一种基于分布式光纤测温系统的恒温盒装置 - Google Patents

Abstract

一种基于分布式光纤测温系统的恒温盒装置，包括标定光纤（5）、WDM波分复用器（7）、APD模块（8）和光源（10），其特征在于：该装置还包括制冷片散热器（2）、制冷片（3）、保温层（4）、恒温盒纯铜加厚内壁（6）、恒温盒内壁温度传感器（9）和散热器温度传感器（11）；本发明具有以下具体的有益效果及优点：1.本发明体积小安装设计灵活；2.本发明使用半导体制冷片为核心进行设计减少开发成本；3.本发明可高标准满足分布式光纤测温系统的使用需求；4.本发明为一体式盒式设计可方便维护；5.本发明恒定温度可根据需求自行调整，温度范围‑10至85℃；6.本发明恒定温度偏差为±0.1℃；7.本发明升降温速率高升温速率为3℃/分钟，降温速率为2℃/分钟。

Description

一种基于分布式光纤测温系统的恒温盒装置

技术领域

本发明涉及一种基于分布式光纤测温系统的恒温盒装置及设计方法，尤其是基于温度参考的设备保证其内部温度恒定，使器件或设备在恒定温度的环境下工作。本系统多应用于分布式光纤测温系统的内部，用于稳定分布式光纤测温主机的内部恒温参考光纤的温度及补偿APD、WDM、光源的温度偏移及光路损耗偏差。

背景技术

随着光纤传感技术领域的不断扩大，分布式光纤测温系统得到了快速发展。分布式光纤测温系统是基于一种长距离，高实时性、高分布性的光纤型传感器。与传统的电温度传感器相比，分布式光纤测温系统具有高灵敏度、高实时性、高分布性、抗电磁干扰等优点。然而分布式光纤测温系统的稳定性会受到激光器、APD、WDM波分复用器、内部参考光纤模块的影响，最终影响分布式光纤测温系统的稳定性和测温精度。而分布式光纤测温系统为了能准确的测量光纤各个点的温度，在设备内部还使用了一段处于恒定温度状态的标定光纤约为200米，此光纤温度作为分布式光纤测温系统的测量于计算的参考标准，而稳定这约200米的标定光纤的温度的稳定性和精度，直接影响着整个系统的测温精度。同时环境温度的变化也影响着激光器的输出功率稳定性，APD模块中的光电二极管内部含有极高的增益，APD模块增益对环境温度的变化极为敏感，增益变化必然改变斯托克斯与反斯托克斯的信号强度，从而对测温精度产生影响。因此，为保证恒定温度状态的光纤、光源、ADP、WDM波分复用器的稳定工作，需要一种可靠性高，温度恒定的恒温装置。

发明内容

发明目的：

本发明提供一种基于分布式光纤测温系统的恒温盒装置及设计方法，其目的是解决以往所存在的不足，其内部空间可放置光源、APD、WDM波分复用器、恒温标定光纤等，进一步提高模块的工作稳定性，进而提升了分布式光纤测温系统的稳定性及精度。

技术方案：

一种基于分布式光纤测温系统的恒温盒装置，标定光纤(5)、WDM波分复用器(7)、APD模块(8)和光源(10)，其特征在于：该装置还包括制冷片散热器(2)、制冷片(3)、保温层(4)、恒温盒纯铜加厚内壁(6)、恒温盒内壁温度传感器(9)和散热器温度传感器(11)；

恒温盒内壁(6)设置在保温层(4)内部，标定光纤(5)、WDM波分复用器(7)、APD模块(8)和光源(10)设置在内壁(6)内，APD模块(8)和光源(10)设置在内壁(6)内的底部，标定光纤(5)和WDM波分复用器(7)设置在内壁(6)内的顶部；

在保温层(4)的侧壁内设置有制冷片(3)，制冷片(3)外设置有制冷片散热器(2)；

恒温盒内壁温度传感器(9)设置在内壁(6)，制冷片散热器温度传感器(11)设置在制冷片散热器(2)内。

在散热器(2)外设置有风扇(1)。

制冷片(3)的冷端面紧密贴合在内壁(6)的外壁，制冷片(3)的热端紧密贴合在散热器(2)。

风扇(1)设置在靠近散热器(2)两端的位置。

内壁(6)为紫铜加厚内壁。内壁(6)的外壁与制冷片(3)对应的位置设置有长宽尺寸与制冷片(3)的长宽尺寸相适应的凸起，在散热器(2)与制冷片(3)对应的位置也设置有长宽尺寸与制冷片(3)的长宽尺寸相适应的凸起，即制冷片(3)的冷端面紧密贴合在内壁(6)的外壁的凸起，制冷片(3)的热端紧密贴合在散热器(2)的凸起，两个凸起的高均为1cm，且在凸起的四周缠绕有保温棉。

制冷片(3)通过隔离驱动电桥连接至MCU，风扇(1)通过隔离驱动电路连接至MCU，恒温盒内壁温度传感器(9)和散热器温度传感器(11)均连接至MCU。

MCU还连接通信电路。

隔离驱动电桥包括两个半桥式驱动芯片和由两个半桥驱动电路构成的H桥电路；两个半桥式驱动芯片分别为第一半桥式驱动芯片(U20)和第二半桥式驱动芯片(U21)；

制冷片连接于插座(J22)，第二三极管(Q2)和第三三极管(Q3)的第2脚漏极连接至12V电源的正极，第二三极管(Q2)和第三三极管(Q3)的第3脚源极连接至插座(J22)，第二三极管(Q2)和第三三极管(Q3)的第3脚源极还分别连接至第四三极管(Q4)和第五三极管(Q5)的第2脚漏级，第四三极管(Q4)和第五三极管(Q5)的第3脚源极直接连接至12V电源的负极，第二三极管(Q2)、第三三极管(Q3)、第四三极管(Q4)和第五三极管(Q5)组成H桥电路，用以驱动制冷片的正向加电与反向加电；

其中第二三极管(Q2)与第五三极管(Q5)通过制冷片接口插座(J22)来组成半桥驱动电路，第一半桥式驱动芯片(U20)的高端(IR2110S)输入引脚第12脚与低端输入引脚第14脚连接在一起同时输入一组PWM信号，控制第二三极管(Q2)与第五三极管(Q5)同时导通与关断，而无需互补的PWM信号，来控制两个管子和两组芯片的组合导通，进一步降低控制程序的设计难度。这样驱动方式不同于传统的IR2110S的典型驱动电路，这样驱动必须保证制冷片为正常状态才能使整个电路正常工作，否则Q2MOS管则无法打开，进一步保护整个电路，另一个好处为避免驱动时序错误使之烧毁MOS管。Q2、Q5的栅极G即1脚端分别连接至桥驱动芯片U20IR2110S的输出端，第二三极管(Q2)的第1脚通过第一电阻(R144)连接至第一半桥式驱动芯片(U20)的第8脚，第五三极管(Q5)的第1脚通过第三电阻(R146)连接至第一半桥式驱动芯片(U20)的第1脚，用以控制制冷片正向加电，此处为本发明的半组跨桥式连接方式即半桥驱动电路，该半桥驱动电路的交叉测使用同一个U20IR2110S驱动芯片进行控制。

第三三极管(Q3)和第四三极管(Q4)的栅极G第1脚端分别连接至桥驱动芯片U21IR2110S的输出端，第三三极管(Q3)的第1脚通过第二电阻(R145)电阻连接至第二半桥式驱动芯片(U21)的第8脚，第四三极管(Q4)的第1脚通过第四电阻(R147)连接至第二半桥式驱动芯片(U21)的第1脚，用以控制制冷片反向加电。此处为本发明的另一半组跨桥式连接方式，即驱动电桥的交叉测使用同一个U21IR2110S驱动芯片进行控。

U20、U21为两片半桥式驱动芯片，两片同时使用则组成了全桥式驱动。U20、U21两片半桥驱动芯片的控制输入管脚，第一半桥式驱动芯片(U20)的第14脚与第二半桥式驱动芯片(U21)的第14脚分别连接至图5的MCU的作为PWM输出管脚的第29脚和第26脚；第一半桥式驱动芯片(U20)的使能控制管脚第13脚与第二半桥式驱动芯片(U21)的使能控制管脚第13脚分别连接至图5的MCU的作为输出管脚的第16脚和第17脚；同时第一半桥式驱动芯片(U20)的输入管脚第14脚与第12脚相连，使第二三极管(Q2)和第五三极管(Q5)同时联动，第二半桥式驱动芯片(U21)的输入管脚第14脚与第12脚相连，使第三三极管(Q3)、第四三极管(Q4)同时联动，从而实现桥驱动的正常联动。

制冷片的加热过程为图5的MCU U7通过读取图5的J18的恒温盒内壁温度传感器(9)得知恒温盒内的实时温度如果低于设定值40℃则使能图3的第一半桥式驱动芯片(U20)IR2110S输出占空比为95％的PWM波形，使第二三极管(Q2)与第五三极管(Q5)依次按照PWM波形导通，使制冷片进入加热状态，当读取图5的J18的恒温盒内壁温度传感器(9)得知恒温盒内的温度接近于设定值40℃时，图5的MCU U7输出的PWM波形占空比降低，当恒温盒内温度达到设定值时，图5的MCU U7控制图3的第一半桥式驱动芯片(U20)IR2110S使之关段输出，当温度跌落至低于设定值40℃时图5的MCU U7重新控制图3的第一半桥式驱动芯片(U20)IR2110S使第二三极管(Q2)与第五三极管(Q5)导通处于加热状态；如果温度高于设定值则图5的MCU U7控制图3的第二半桥式驱动芯片(U21)IR2110S使第三三极管(Q3)和第四三极管(Q4)导通，使制冷片反向加电，制冷片反向加电后产生低温，使温度进一步降低接近温度设定值，制冷过程中，上述过程反复调整循环使温度恒定至温度设定值。调节MOS管的关段输出控制占空比与温差有关，温差越大占空比越高，温差越小占空比越小，制冷制热则是控制U20或U21两个芯片的使能，制热为U20使能，制冷为U21使能，注意U20与U21不能同时打开，如同时使能打开输入PWM信号则会导致电源短路烧毁MOS器件或电路板。

与风扇连接的隔离驱动电路中2个风扇控制直接由MOS管(Q6)所控制，MOS管(Q6)的栅极端通过并联的风扇电路第六电阻(R156)和风扇电路第五电阻(R155)连接至风扇电路第一光耦(U22)一端的隔离后的第3脚，同时，风扇电路第七电阻(R157)、第四电容(C84)和第七二极管(D7)并联，该并联电路的一端与风扇电路第六电阻(R156)和风扇电路第五电阻(R155)形成的并联电路连接，风扇电路第七电阻(R157)和第四电容(C84)的另一端同时连接至MOS管(Q6)的第5至第7脚，也就是12V的GND，这里C84与R157、R155、R156组成RC重放电电路，此电路可调整PWM信号的稳定性，用于稳定Q6的4脚栅极电压从而稳定风扇的旋转速度；第七二极管(D7)为MOS管(Q6)的栅极保护二极管，防止电压过高时损坏MOS管(Q6)；风扇电路第一光耦(U22)的另一端的第1脚连接至MCU侧的3.3V；风扇电路第一光耦(U22)的第2脚连接至图5的MCU的PWM输出控制引脚即MCU芯片(U17)的第19脚以实现PWM的风扇转速控制；

风扇电路第二电阻(R152)与风扇电路第四电阻(R154)及第二电容(C82)组成RC充放电电路，用于调整MCU输出的PWM信号的稳定性和平滑性；U22光耦的作用为使MCU的电源于风扇电源相互隔离。第二光耦(U23)与第四光耦(U24)为风扇输出引脚的检测隔离电路，当风扇停转或堵转时风扇输出引脚输出高电平，风扇电路第一电阻(R151)一端连接风扇电路另一电阻(R149)，另一端与风扇电路第三电阻(R153)并联后接至第二光耦(U23)，通过风扇电路另一电阻(R149)与风扇电路第一电阻(R151)、风扇电路第三电阻(R153)的限流与分压将电信号转换为线性的电压来控制第二光耦(U23)的第1脚使之发光，第二光耦(U23)另一端则通过风扇电路电阻(R148)、风扇电路再一电阻(R150)、第三电容(C83)组成的RC电路来平滑输出电压，并将电压反馈至MCU的AD引脚，即图5MCU U17的10脚和11脚，通过读取电压值进行判断，3V电压时为风扇全速运转，0V电压时风扇停转或卡转，判断卡转的同时要判断此时是否输出PWM信号驱动风扇，如驱动风扇则判定为卡转，如未驱动风扇则不进行判定，从而实现风扇运行状态的监测。

优点效果：

此分布式光纤测温系统的恒温盒装置可升温也可降温，升温速率为3℃/分钟，降温速率为2℃/分钟。光源、APD、WDM波分复用器模块等技术指标温度范围最窄的是-10至50℃，考虑到内部标定光纤温度不能过高，过高后会导致光纤前段反射过大导致APD模块饱和，故恒温盒内部温度设定为+40℃，在经过长期测试中其温度稳定度为±0.1℃。可满足高精度的分布式光纤测温系统使用。本发明也可用于其他需要在恒温环境下工作的电子设备，只需更改其结构大小就可直接生产使用。

该恒温盒装置包括盒体结构硬件电路，其包括制冷片散热风扇、制冷片散热器、制冷片、保温层、恒温盒内部顶部标定光纤、恒温盒纯铜加厚内壁、恒温盒内部顶部WDM波分复用器、恒温盒内部底部APD模块、恒温盒内壁温度传感器、恒温盒内部底部光源、制冷片散热器温度传感器。

本发明按照图1的内部剖面图结构形式组建一个壳体，其中6为整个恒温盒的恒温内仓，使用的材质为紫铜，由于铜的导热系数较高，可进一步保证仓体的温度均匀性。此内腔可根据具体需求进行更改，温度稳定性要求在±0.5℃以下时可使用铝材质内腔。在恒温内仓内部固定了要在恒温条件下工作的模块，底层为光源模块10、APD模块8，顶层为标定光纤5、WDM波分复用器7。恒温内仓6外部为保温层4，保温材料使用2CM厚的加箔型保温材料，可有效隔离温度。制冷片3使用半导体性制冷片本发明使用的是进口型制冷片，其国产制冷片也可使用但制冷效率较低，国产制冷片型号为TEC1-12系列。半导体制冷片3的冷端面使用导热硅脂紧密贴合在恒温盒的恒温内仓6的外壁，当半导体制冷片3施加正向电压时冷端面产生低温，当半导体制冷片3施加反向电压时冷端面产生高温，经过温控电路的控制使之达到温度恒定的目的。制冷片的热端使用导热硅脂紧密贴合在散热器2上，此散热器2的作用是将半导体制冷片3工作时产生的高温或低温无用的温度功率散掉。散热器2的另一侧两端分别安装了风扇1，风扇的作用是进一步降低散热器的温度，从而提高半导体制冷片的工作效率。温度控制电路使用MOS管组成H桥电路进行半导体制冷片3的控制，由于H桥的工作稳定性较高，电路成本较低，H桥驱动电路为半桥驱动芯片IR2110S，使用2片IR2110S进行全H桥驱动，IR2110S使用PWM形式进行开关控制。恒温盒内壁温度传感器9与MCU相连与制冷片控制电路形成闭环控制，当恒温盒处于常温时MCU驱动H桥驱动制冷了进行全速加热，当温度高于设定值时MCU驱动H桥驱动制冷片进行全速降温，当温度处于恒定值时以PWM形式稳定温度，恒温算法使用PID算法进行处理。温度传感器使用较为普遍的RW1820A，此温度传感器的测温精度为±0.1℃，可有效调高恒温精度。散热风扇1使用3线型风扇，可检测风扇异常或堵转现象，同时电路可控制风扇转速，进一步降低风扇的噪音，延长风扇使用寿命。散热器温度传感器11使用普通型温度传感器DS18B20，MCU控制电路读取散热器温度传感器温度，进行闭环控制散热风扇，当散热器温度较高时提高风扇转速，当散热器温度较低时降低风扇转速或定转处理。以降低风扇噪音及延长风扇使用寿命。

本发明具有以下具体的有益效果及优点：

1.本发明体积小安装设计灵活；

2.本发明使用半导体制冷片为核心进行设计减少开发成本；

3.本发明可高标准满足分布式光纤测温系统的使用需求；

4.本发明为一体式盒式设计可方便维护；

5.本发明恒定温度可根据需求自行调整，温度范围-10至85℃；

6.本发明恒定温度偏差为±0.1℃；

7.本发明升降温速率高升温速率为3℃/分钟，降温速率为2℃/分钟。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明的恒温盒整体结构示意图；

图2为本发明的恒温盒控制原理框图；

图3为本发明的制冷片控制电路原理图；

图4为本发明的风扇控制电路原理图；

图5为本发明的MCU及传感器接口电路原理图；

其中：1制冷片散热风扇、2制冷片散热器、3制冷片、4保温层、5恒温盒内部顶部标定光纤、6恒温盒纯铜加厚内壁、7恒温盒内部顶部WDM波分复用器、8恒温盒内部底部APD模块、9恒温盒内壁温度传感器、10恒温盒内部底部光源、11制冷片散热器温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示为本发明的恒温盒整体结构示意图，主要分为11部分。其中包括：制冷片散热风扇1、制冷片散热器2、制冷片3、保温层4、恒温盒内部顶部标定光纤5、恒温盒纯铜加厚内壁6、恒温盒内部顶部WDM波分复用器7、恒温盒内部底部APD模块8、恒温盒内壁温度传感器9、恒温盒内部底部光源10、制冷片散热器温度传感器11。6为整个恒温盒的恒温内仓，在恒温内仓内部固定了要在恒温条件下工作的模块，其中底层为光源模块10、APD模块8，顶层为标定光纤5、WDM波分复用器7。恒温内仓6外部为保温层4，保温材料使用2CM厚的加，箔型保温材料，可有效隔离内外温度。制冷片3使用半导体性制冷片本发明使用的是进口型制冷片，半导体制冷片3的冷端面使用导热硅脂紧密贴合在恒温盒的恒温内仓6的外壁，此恒温内仓的外壁6与制冷片对应的位置设置为40*40CM的凸起，凸起高度为1CM。本发明中的恒温内仓外壁凸起作用为降低制冷片的冷端与热端的温差，起到防护制冷片的作用。当半导体制冷片3施加正向电压时冷端面产生低温，当半导体制冷片施加反向电压时冷端面产生高温，经过温控电路的控制使之达到温度恒定的目的。制冷片的热端使用导热硅脂紧密贴合在散热器2上，此散热器2的作用是将半导体制冷片3工作时产生的高温或低温无用的温度功率散掉。散热器2与的制冷片对应的位置也设计成40*40CM的凸起，凸起高度为1CM，本发明中的散热器凸起作用为降低制冷片的冷端与热端的温差，起到防护制冷片的作用。散热器2的另一侧两端分别安装了风扇1，风扇的作用是进一步降低散热器的温度，从而提高半导体制冷片的工作效率。

如图2所示为本发明的恒温盒控制原理框图，其中由232通信电路、散热温度传感器、恒温盒内部温度传感器、MCU最小系统、隔离驱动电桥、TEC制冷片、隔离驱动电路、风扇、电源等9部分组成。其中制冷片由隔离驱动电桥进行隔离驱动，风扇由隔离驱动电路进行隔离控制。

如图3所示为本发明的制冷片控制电路原理图，制冷片连接于J22插座，Q2、Q3的漏极D即2脚连接至电源的12V正极，Q2、Q3的源极S即3脚连接至J22插座，同时连接至Q4、Q5的漏级D即2脚，Q4、Q5的源极S即3脚直接连接至12V电源的负极，这样Q2、Q3、Q4、Q5就组成了H桥电路，用以驱动制冷片的正向加电与反向加电。本发明的不同之处在用于Q2与Q5通过制冷片接口J22插座来组成的半桥驱动电路，同时U20的IR2110S的高端输入引脚12脚与低端输入引脚14脚连接在一起同时输入一组PWM信号，使之控制Q2、Q5同时导通与关断，而无需互补的PWM信号，来控制两个管子和两组芯片的组合导通，进一步降低控制程序的设计难度。这样驱动方式不同于传统的IR2110S的典型驱动电路，这样驱动必须保证制冷片为正常状态才能使整个电路正常工作，否则Q2MOS管则无法打开，进一步保护整个电路，另一个好处为避免驱动时序错误使之烧毁MOS管。Q2、Q5的栅极G即1脚端分别连接至桥驱动芯片U20IR2110S的输出端，即Q2的1脚通过R144电阻连接至U20的8脚，Q5的1脚通过R146电阻连接至U20的1脚，用以控制制冷片正向加电，此处为本发明的半组跨桥式连接方式，即驱动电桥的交叉测使用同一个U20IR2110S驱动芯片进行控。Q3、Q4的栅极G即1脚端分别连接至桥驱动芯片U21IR2110S的输出端，即为Q3的1脚通过R145电阻连接至U21的8脚，Q4的1脚通过R147电阻连接至U21的1脚，用以控制制冷片反向加电。此处为本发明的另一半组跨桥式连接方式，即驱动电桥的交叉测使用同一个U21IR2110S驱动芯片进行控。U20、U21为两片半桥式驱动芯片，两片同时使用则组成了全桥式驱动。U20、U21两片半桥驱动芯片的控制输入管脚，即U20的14脚与U21的14脚分别连接至图5的MCU的PWM输出管脚即MCU的29脚和26脚。U20、U21的使能控制管脚即U20的13脚与U21的13脚分别连接至图5的MCU的输出管脚即MCU的16脚和17脚。同时U20半桥驱动芯片的输入管脚14脚与12脚相连，使Q2、Q5同时联动，U21半桥驱动芯片的输入管脚14脚与12脚相连，使Q3、Q4同时联动，从而实现桥驱动的正常联动。加热过程为图5的MCU U7通过读取图5的J18的温度传感器得知恒温盒内的实时温度如果低于设定值40℃则使能图3的U20IR2110S输出占空比为95％的PWM波形，使Q2与Q5依次按照PWM波形导通，使制冷片进入加热状态，当读取图5的J18的温度传感器得知恒温盒内的温度接近于设定值40℃时，图5的MCU U7输出的PWM波形占空比降低，当恒温盒内温度达到设定值时，图5的MCU U7控制图3的U20IR2110S使之关段输出，当温度跌落至低于设定值40℃时图5的MCU U7重新控制图3的U20IR2110S使之Q2、Q5导通处于加热状态。如果温度高于设定值则图5的MCU U7控制图3的U21IR2110S使之Q3、Q4导通使制冷片反向加电，制冷片反向加电后产生低温，使温度进一步降低接近温度设定值，制冷过程为上述过程反复调整循环时温度恒定至温度设定值。调节MOS管的关段输出控制占空比与温差有关，温差越大占空比越高，温差越小占空比越小，制冷制热则是控制U20或U21两个芯片的使能，制热为U20使能，制冷为U21使能，注意U20与U21不能同时打开，如同时使能打开输入PWM信号则会导致电源短路烧毁MOS器件或电路板。

如图4所示为本发明的风扇控制电路原理图，由于市面在售的调速风扇很少无调速功能的风扇很多，无调速功能的风扇在使用过程中为全速运转，全速运转工作的同时将会导致风扇的使用寿命缩短，同时风扇的全速运转也将导致噪音变大，为了提高风扇的使用寿命降低风扇的噪音，本发明使用了风扇的调速电路。同时风扇的卡转会导致制冷片散热的失效最终导致恒温系统的制冷片的损坏，本发明使用了风扇转速检测电路。2个风扇控制直接由Q6MOS管所控制，Q6的栅极端通过R156与R155连接至光耦U22隔离后的3脚，同时R155与R156的另一端连接至R157与C84、D7，R157与C84的另一端同时连接至Q6的5至7脚也就是12V的GND，这里C84与R157、R155、R156组成RC重放电电路，此电路可调整PWM信号的稳定性，用于稳定Q6的4脚栅极电压从而稳定风扇的旋转速度。D7为Q6的栅极保护二极管，防止电压过高时损坏Q6。U22的另一端1脚连接至MCU侧的3.3V，2脚练连接至图5的MCU的PWM输出控制引脚即U17的19脚以实现PWM的风扇转速控制。R152与R154、C82组成RC充放电电路，用于调整MCU输出的PWM信号的稳定性和平滑性。U22光耦的作用为使MCU的电源于风扇电源相互隔离。U23与U24为风扇输出引脚的检测隔离电路，当风扇停转或堵转时风扇输出引脚输出高电平，通过R149于R151、R153的限流于分压将电信号转换为线性的电压来控制U23光耦的1脚使之发光，U23另一端则通过R148、R150、C83组成的RC电路来平滑输出电压，并将电压反馈至MCU的AD引脚，即图5MCU U17的10脚和11脚，通过读取电压值进行判断，3V电压时为风扇全速运转，0V电压时风扇停转或卡转，判断卡转的同时要判断此时是否输出PWM信号驱动风扇，如驱动风扇则判定为卡转，如未驱动风扇则不进行判定，从而实现风扇运行状态的监测。

如图5所示为本发明的MCU及传感器接口电路原理图，U7为整个温控的MCU处理器，它分别与J18、J20温度传感器相连接以读取2个传感器的温度值。J18为高精度的RW1820A温度传感器，此传感器为恒温盒内部传感器，J20为DS18B20普通型温度传感器，此传感器为散热器温度传感器。MCU通过读取J18温度传感器的温度信息来控制制冷片的加热与制冷来稳定恒温盒的温度值。MCU通过读取J20温度传感器的温度信息来控制风扇的转速，温度越高转速越高温度低时低速运转或停转。U19为MCU的外部看门狗用以防止MCU程序跑飞。J21为本温控板的232通信接口，用于与其他控制板或上位机进行通信。

Claims (10)

1.一种基于分布式光纤测温系统的恒温盒装置，标定光纤(5)、WDM波分复用器(7)、APD模块(8)和光源(10)，其特征在于：该装置还包括制冷片散热器(2)、制冷片(3)、保温层(4)、恒温盒纯铜加厚内壁(6)、恒温盒内壁温度传感器(9)和散热器温度传感器(11)；

恒温盒内壁(6)设置在保温层(4)内部，标定光纤(5)、WDM波分复用器(7)、APD模块(8)和光源(10)设置在内壁(6)内，APD模块(8)和光源(10)设置在内壁(6)内的底部，标定光纤(5)和WDM波分复用器(7)设置在内壁(6)内的顶部；

在保温层(4)的侧壁内设置有制冷片(3)，制冷片(3)外设置有制冷片散热器(2)；

恒温盒内壁温度传感器(9)设置在内壁(6)，制冷片散热器温度传感器(11)设置在制冷片散热器(2)内。

2.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤测温系统的恒温盒装置，其特征在于：在散热器(2)外设置有风扇(1)。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于分布式光纤测温系统的恒温盒装置，其特征在于：制冷片(3)的冷端面紧密贴合在内壁(6)的外壁，制冷片(3)的热端紧密贴合在散热器(2)。

4.根据权利要求2所述的一种基于分布式光纤测温系统的恒温盒装置，其特征在于：风扇(1)设置在靠近散热器(2)两端的位置。

5.根据权利要求3所述的一种基于分布式光纤测温系统的恒温盒装置，其特征在于：内壁(6)的外壁与制冷片(3)对应的位置设置有长宽尺寸与制冷片(3)的长宽尺寸相适应的凸起，在散热器(2)与制冷片(3)对应的位置也设置有长宽尺寸与制冷片(3)的长宽尺寸相适应的凸起。

6.根据权利要求3所述的一种基于分布式光纤测温系统的恒温盒装置，其特征在于：制冷片(3)通过隔离驱动电桥连接至MCU，风扇(1)通过隔离驱动电路连接至MCU，恒温盒内壁温度传感器(9)和散热器温度传感器(11)均连接至MCU。

7.根据权利要求6所述的一种基于分布式光纤测温系统的恒温盒装置，其特征在于：MCU还连接通信电路。

8.根据权利要求6或7所述的一种基于分布式光纤测温系统的恒温盒装置，其特征在于：隔离驱动电桥包括两个半桥式驱动芯片和由两个半桥驱动电路构成的H桥电路；两个半桥式驱动芯片分别为第一半桥式驱动芯片(U20)和第二半桥式驱动芯片(U21)；

制冷片连接于插座(J22)，第二三极管(Q2)和第三三极管(Q3)的第2脚漏极连接至12V电源的正极，第二三极管(Q2)和第三三极管(Q3)的第3脚源极连接至插座(J22)，第二三极管(Q2)和第三三极管(Q3)的第3脚源极还分别连接至第四三极管(Q4)和第五三极管(Q5)的第2脚漏级，第四三极管(Q4)和第五三极管(Q5)的第3脚源极直接连接至12V电源的负极，第二三极管(Q2)、第三三极管(Q3)、第四三极管(Q4)和第五三极管(Q5)组成H桥电路，用以驱动制冷片的正向加电与反向加电；

其中第二三极管(Q2)与第五三极管(Q5)通过制冷片接口插座(J22)来组成半桥驱动电路，第一半桥式驱动芯片(U20)的高端(IR2110S)输入引脚第12脚与低端输入引脚第14脚连接在一起同时输入一组PWM信号，控制第二三极管(Q2)与第五三极管(Q5)同时导通与关断，第二三极管(Q2)的第1脚通过第一电阻(R144)连接至第一半桥式驱动芯片(U20)的第8脚，第五三极管(Q5)的第1脚通过第三电阻(R146)连接至第一半桥式驱动芯片(U20)的第1脚，用以控制制冷片正向加电，

第三三极管(Q3)的第1脚通过第二电阻(R145)电阻连接至第二半桥式驱动芯片(U21)的第8脚，第四三极管(Q4)的第1脚通过第四电阻(R147)连接至第二半桥式驱动芯片(U21)的第1脚，用以控制制冷片反向加电；

第一半桥式驱动芯片(U20)的第14脚与第二半桥式驱动芯片(U21)的第14脚分别连接至图5的MCU的作为PWM输出管脚的第29脚和第26脚；第一半桥式驱动芯片(U20)的使能控制管脚第13脚与第二半桥式驱动芯片(U21)的使能控制管脚第13脚分别连接至MCU的作为输出管脚的第16脚和第17脚；同时第一半桥式驱动芯片(U20)的输入管脚第14脚与第12脚相连，使第二三极管(Q2)和第五三极管(Q5)同时联动，第二半桥式驱动芯片(U21)的输入管脚第14脚与第12脚相连，使第三三极管(Q3)、第四三极管(Q4)同时联动，从而实现桥驱动的正常联动。

9.根据权利要求8所述的一种基于分布式光纤测温系统的恒温盒装置，其特征在于：制冷片的加热过程为MCU通过读取恒温盒内壁温度传感器(9)得知恒温盒内的实时温度如果低于设定值40℃则使能第一半桥式驱动芯片(U20)输出占空比为95％的PWM波形，使第二三极管(Q2)与第五三极管(Q5)依次按照PWM波形导通，使制冷片进入加热状态，当读取恒温盒内壁温度传感器(9)得知恒温盒内的温度接近于设定值40℃时，MCU输出的PWM波形占空比降低，当恒温盒内温度达到设定值时，MCU控制第一半桥式驱动芯片(U20)使之关段输出，当温度跌落至低于设定值40℃时MCU重新控制第一半桥式驱动芯片(U20)使第二三极管(Q2)与第五三极管(Q5)导通处于加热状态；如果温度高于设定值则MCU控制第二半桥式驱动芯片(U21)使第三三极管(Q3)和第四三极管(Q4)导通，使制冷片反向加电，制冷片反向加电后产生低温，使温度进一步降低接近温度设定值。

10.根据权利要求8所述的一种基于分布式光纤测温系统的恒温盒装置，其特征在于：与风扇连接的隔离驱动电路中2个风扇控制直接由MOS管(Q6)所控制，MOS管(Q6)的栅极端通过并联的风扇电路第六电阻(R156)和风扇电路第五电阻(R155)连接至风扇电路第一光耦(U22)一端的隔离后的第3脚，同时，风扇电路第七电阻(R157)、第四电容(C84)和第七二极管(D7)并联，该并联电路的一端与风扇电路第六电阻(R156)和风扇电路第五电阻(R155)形成的并联电路连接，风扇电路第七电阻(R157)和第四电容(C84)的另一端同时连接至MOS管(Q6)的第5至第7脚，也就是12V的GND；第七二极管(D7)为MOS管(Q6)的栅极保护二极管，防止电压过高时损坏MOS管(Q6)；风扇电路第一光耦(U22)的另一端的第1脚连接至MCU侧的3.3V；风扇电路第一光耦(U22)的第2脚连接至MCU的PWM输出控制引脚即MCU芯片(U17)的第19脚；

风扇电路第二电阻(R152)与风扇电路第四电阻(R154)及第二电容(C82)组成RC充放电电路，用于调整MCU输出的PWM信号的稳定性和平滑性；第二光耦(U23)与第四光耦(U24)为风扇输出引脚的检测隔离电路，当风扇停转或堵转时风扇输出引脚输出高电平，风扇电路第一电阻(R151)一端连接风扇电路另一电阻(R149)，另一端与风扇电路第三电阻(R153)并联后接至第二光耦(U23)，通过风扇电路另一电阻(R149)与风扇电路第一电阻(R151)、风扇电路第三电阻(R153)的限流与分压将电信号转换为线性的电压来控制第二光耦(U23)的第1脚使之发光，第二光耦(U23)另一端则通过风扇电路电阻(R148)、风扇电路再一电阻(R150)、第三电容(C83)组成的RC电路来平滑输出电压，并将电压反馈至MCU的AD引脚，通过读取电压值进行判断，3V电压时为风扇全速运转，0V电压时风扇停转或卡转，判断卡转的同时要判断此时是否输出PWM信号驱动风扇，如驱动风扇则判定为卡转，如未驱动风扇则不进行判定，从而实现风扇运行状态的监测。