CN111478157A - 用于倍频晶体的控温系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于倍频晶体的控温系统及方法，包括倍频晶体单元和控温电路装置，倍频晶体单元包含晶体座和倍频晶体，倍频晶体固定在晶体座的正上方，晶体座的正下方设有沟槽，电阻丝固定在正下方沟槽中，温度传感器贴近于倍频晶体；控温电路装置包括MCU和电流驱动模块，电源模块与MCU和电流驱动模块电性连接，MCU与远程控制端通信连接，MCU分别与电流驱动模块和模数转换器连接，控制电流驱动模块，获取模数转换器转换的温度数值，电流驱动模块与电阻丝连接，控制电阻丝的电流，模数转换器与温度传感器连接，获取温度传感器的温度值。采用电阻丝加热方式控制倍频晶体的温度，通过控制电阻丝的发热功率的大小实现倍频晶体温度精确调节。

Description

用于倍频晶体的控温系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种用于倍频晶体的控温系统及其方法。

背景技术

倍频晶体是一种非线性材料，对温度非常敏感，激光器开光和关光的瞬间倍频晶体上的热量会发生改变，从而会直接影响输出激光脉冲能量以及光束质量。因此，工作过程中保持倍频晶体的温度稳定是整个激光器中比较重要的环节。

目前控制倍频晶体的工作温度多数是通过控制TEC来实现的，工作过程中控温装置通过控制TEC中电流的流向实现对晶体加热或者制冷，实现过程比较复杂、不易控制，同时TEC的安装要求高，控温装置的成本高。

因此，根据实际需求，需要设计出一种易实现、成本低廉、性能稳定可靠的倍频温度控温系统，显得十分重要。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种用于倍频晶体的控温系统及其方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

用于倍频晶体的控温系统，特点是：包括倍频晶体单元和控温电路装置，所述倍频晶体单元包含晶体座、倍频晶体、电阻丝和温度传感器，倍频晶体固定在晶体座的正上方，晶体座的正下方设有沟槽，电阻丝固定在正下方沟槽中，温度传感器贴近于倍频晶体；

所述控温电路装置包括MCU、电源模块、电流驱动模块和模数转换器，电源模块分别与MCU和电流驱动模块电性连接，MCU与远程控制端通信连接，MCU分别与电流驱动模块和模数转换器连接，控制电流驱动模块，获取模数转换器转换的温度数值，电流驱动模块与电阻丝连接，控制电阻丝的电流，模数转换器与温度传感器连接，获取温度传感器的温度值。

进一步地，上述的用于倍频晶体的控温系统，其中，所述电流驱动模块包含运算放大器、MOS管、三极管以及电流平滑滤波器，运算放大器与MCU的一管脚连接，运算放大器的输出端连接电阻，连接MOS管的栅极和三极管的集电极，MOS管的源极连接采样电阻的一端和电流平滑滤波器的输入端，采样电阻的另一端接地，电流平滑滤波器的输出端连接三极管的基极，MOS管的漏极分别连接电感的一端和二极管的阳极，电感的另一端分别连接电容的负极和电阻丝的一端，电阻丝的另一端分别与二极管的阴极、电容的正极以及电源的正极相连。

进一步地，上述的用于倍频晶体的控温系统，其中，所述晶体座为铝块。

进一步地，上述的用于倍频晶体的控温系统，其中，所述电阻丝通过导热固化胶固定在晶体座的正下方沟槽中。

进一步地，上述的用于倍频晶体的控温系统，其中，所述MCU是型号为STM32F103ZET6的控制器。

进一步地，上述的用于倍频晶体的控温系统，其中，所述MCU通过RS232接口与远程控制端通信连接。

本发明用于倍频晶体的控温方法，包括以下步骤：

步骤1，远程控制端向MCU发送设定的倍频晶体目标温度数值，MCU保存目标温度数值；

步骤2，温度传感器采集倍频晶体的当前实际温度，模数转换器获取温度传感器的实际温度值，MCU获取模数转换器转换的实际温度数值；

步骤3，MCU将实际温度数值与目标温度数值比较得到PWM信号的占空比，输出给电流驱动模块；

步骤4，电流驱动模块根据接收到的PWM信号控制电阻丝的电流大小，控制电阻丝产生热量的大小，使倍频晶体的温度发生变化，倍频晶体的温度趋于目标温度数值；

可循环上述步骤2～4，最终倍频晶体的实际温度数值与目标温度数值近似相等，从而实现对倍频晶体温度的精确控制。

更进一步地，上述的用于倍频晶体的控温方法，其中，所述电流驱动模块包含运算放大器、MOS管、三极管以及电流平滑滤波器，运算放大器与MCU的一管脚连接，运算放大器的输出端连接电阻，连接MOS管的栅极和三极管的集电极，MOS管的源极连接采样电阻的一端和电流平滑滤波器的输入端，采样电阻的另一端接地，电流平滑滤波器的输出端连接三极管的基极，MOS管的漏极分别连接电感的一端和二极管的阳极，电感的另一端分别连接电容的负极和电阻丝的一端，电阻丝的另一端分别与二极管的阴极、电容的正极以及电源的正极相连；

MCU给电流驱动模块发送占空比可调的PWM信号，信号经过运算放大器放大，放大信号经过电阻控制MOS管的开通或关闭，运行过程中电流平滑滤波器实时采集采样电阻中的电流大小，当电流超过预设值时，输出驱动信号给三极管的基极，三极管导通导致MOS管的栅极电压为零，MOS管关闭切断电流，达到对电阻丝过电流保护的作用。

更进一步地，上述的用于倍频晶体的控温方法，其中，MCU发出的PWM信号为高电平时，MOS管导通，电流从电源流出，依次经过电阻丝、电感、MOS管，最后经过采样电阻汇入到电源地；PWM信号切换为低电平时，MOS管关闭，电流的流向依次是电感、二极管、电阻丝，流经电阻丝的电流方向不变；电容并联于电阻丝两端，避免电阻丝电压发生突变；二极管起到续流的作用，避免MOS管关闭时，电感因自感现象而产生较高的感应电动势。

本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：

本发明采用电阻丝加热的方式来控制倍频晶体的温度，控温电路装置通过控制电阻丝的发热功率的大小来实现倍频晶体的温度精确调节；运行过程中电阻丝两端的纹波较小，控温精度可控制在±0.1℃以内，稳定性好；

倍频晶体单元结构简洁，易于组装；电阻丝成本低，控温装置工作原理易实现，性能稳定可靠，整个系统的成本较低。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明具体实施方式了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1：本发明控温系统的电路框图；

图2：倍频晶体单元的结构示意图；

图3：电流驱动模块的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，方位术语和次序术语等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1、图2所示，用于倍频晶体的控温系统，包括倍频晶体单元1和控温电路装置2，倍频晶体单元1包含晶体座12、倍频晶体11、电阻丝13和温度传感器14，晶体座12为铝块，倍频晶体11固定在晶体座12的正上方，晶体座12的正下方设有沟槽，电阻丝13通过导热固化胶固定在晶体座12的正下方沟槽中，温度传感器14贴近于倍频晶体11；

控温电路装置2包括MCU21、电源模块22、电流驱动模块23和模数转换器24，MCU21采用型号为STM32F103ZET6的控制器，电源模块22分别与MCU21和电流驱动模块23电性连接，MCU21通过RS232接口25与远程控制端3通信连接，MCU21分别与电流驱动模块23和模数转换器24连接，控制电流驱动模块23，获取模数转换器24转换的温度数值，电流驱动模块23与电阻丝13连接，控制电阻丝13的电流，模数转换器24与温度传感器14连接，获取温度传感器14的温度值。

如图3所示，电流驱动模块23包含运算放大器AMP、MOS管Q1、三极管Q2以及电流平滑滤波器231，运算放大器AMP与MCU21的一管脚连接，运算放大器AMP的输出端连接电阻R1，R1连接MOS管Q1的栅极和三极管Q2的集电极，MOS管Q1的源极连接采样电阻R的一端和电流平滑滤波器231的输入端，采样电阻R的另一端接地，电流平滑滤波器231的输出端连接三极管Q2的基极，MOS管Q1的漏极分别连接电感L1的一端和二极管D1的阳极，电感L1的另一端分别连接电容C1的负极和电阻丝13的一端，电阻丝13的另一端分别与二极管D1的阴极、电容C1的正极以及电源的正极相连。

用于倍频晶体的控温方法，包括以下步骤：

步骤1，远程控制端3向MCU21发送设定的倍频晶体目标温度数值，MCU21保存目标温度数值；

步骤2，温度传感器14采集倍频晶体11的当前实际温度，模数转换器24获取温度传感器14的实际温度值，MCU21获取模数转换器24转换的实际温度数值；

步骤3，MCU21将实际温度数值与目标温度数值比较得到PWM信号的占空比，输出PWM信号给电流驱动模块23；

步骤4，电流驱动模块23将接收到的PWM信号转换为电流驱动电阻丝，根据接收到的PWM信号控制电阻丝13的电流大小，电阻丝13产生热量，使倍频晶体11的温度发生变化，倍频晶体11的温度趋于目标温度数值；

可循环上述步骤2、步骤3、步骤4，最终倍频晶体11的实际温度数值与目标温度数值近似相等，从而实现对倍频晶体温度的精确控制。

MCU21给电流驱动模块23发送占空比可调的PWM信号，信号经过运算放大器AMP放大，放大信号经过电阻R1控制MOS管Q1的开通或关闭，运行过程中电流平滑滤波器231实时采集采样电阻R中的电流大小，当电流超过预设值时，输出驱动信号给三极管Q2的基极，三极管Q2导通导致MOS管Q1的栅极电压为零，MOS管Q1关闭切断电流，达到对电阻丝13过电流保护的作用。

MCU21发出的PWM信号为高电平时，MOS管Q1导通，电流从电源4流出，依次经过电阻丝13、电感L1、MOS管Q1，最后经过采样电阻R汇入到电源地；PWM信号切换为低电平时，MOS管Q1关闭，电流的流向依次是电感L1、二极管D1、电阻丝13，流经电阻丝13的电流方向不变；电容C1并联于电阻丝13两端，避免电阻丝13电压发生突变；二极管D1起到续流的作用，避免MOS管Q1关闭时，电感L1因自感现象而产生较高的感应电动势。

综上所述，本发明采用电阻丝加热的方式来控制倍频晶体的温度，控温电路装置通过控制电阻丝的发热功率的大小来实现倍频晶体的温度精确调节；运行过程中电阻丝两端的纹波较小，控温精度可控制在±0.1℃以内，稳定性好；倍频晶体单元结构简洁，易于组装；电阻丝成本低，控温装置工作原理易实现，性能稳定可靠，整个系统的成本较低。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

上述仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (9)

1.用于倍频晶体的控温系统，其特征在于：包括倍频晶体单元(1)和控温电路装置(2)，所述倍频晶体单元(1)包含晶体座(12)、倍频晶体(11)、电阻丝(13)和温度传感器(14)，倍频晶体(11)固定在晶体座(12)的正上方，晶体座(12)的正下方设有沟槽，电阻丝(13)固定在正下方沟槽中，温度传感器(14)贴近于倍频晶体(11)；

所述控温电路装置(2)包括MCU(21)、电源模块(22)、电流驱动模块(23)和模数转换器(24)，电源模块(22)分别与MCU(21)和电流驱动模块(23)电性连接，MCU(21)与远程控制端(3)通信连接，MCU(21)分别与电流驱动模块(23)和模数转换器(24)连接，控制电流驱动模块(23)，获取模数转换器(24)转换的温度数值，电流驱动模块(23)与电阻丝(13)连接，控制电阻丝(13)的电流，模数转换器(24)与温度传感器(14)连接，获取温度传感器(14)的温度值。

2.根据权利要求1所述的用于倍频晶体的控温系统，其特征在于：所述电流驱动模块(23)包含运算放大器(AMP)、MOS管(Q1)、三极管(Q2)以及电流平滑滤波器(231)，运算放大器(AMP)与MCU(21)的一管脚连接，运算放大器(AMP)的输出端连接电阻(R1)，(R1)连接MOS管(Q1)的栅极和三极管(Q2)的集电极，MOS管(Q1)的源极连接采样电阻(R)的一端和电流平滑滤波器(231)的输入端，采样电阻(R)的另一端接地，电流平滑滤波器(231)的输出端连接三极管(Q2)的基极，MOS管(Q1)的漏极分别连接电感(L1)的一端和二极管(D1)的阳极，电感(L1)的另一端分别连接电容(C1)的负极和电阻丝(13)的一端，电阻丝(13)的另一端分别与二极管(D1)的阴极、电容(C1)的正极以及电源的正极相连。

3.根据权利要求1所述的用于倍频晶体的控温系统，其特征在于：所述晶体座(12)为铝块。

4.根据权利要求1所述的用于倍频晶体的控温系统，其特征在于：所述电阻丝(13)通过导热固化胶固定在晶体座(12)的正下方沟槽中。

5.根据权利要求1所述的用于倍频晶体的控温系统，其特征在于：所述MCU(21)是型号为STM32F103ZET6的控制器。

6.根据权利要求1所述的用于倍频晶体的控温系统，其特征在于：所述MCU(21)通过RS232接口(25)与远程控制端(3)通信连接。

7.利用权利要求1所述的系统实现用于倍频晶体的控温方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，远程控制端(3)向MCU(21)发送设定的倍频晶体目标温度数值，MCU(21)保存目标温度数值；

步骤2，温度传感器(14)采集倍频晶体(11)的当前实际温度，模数转换器(24)获取温度传感器(14)的实际温度值，MCU(21)获取模数转换器(24)转换的实际温度数值；

步骤3，MCU(21)将实际温度数值与目标温度数值比较得到PWM信号的占空比，输出给电流驱动模块(23)；

步骤4，电流驱动模块(23)根据接收到的PWM信号控制电阻丝(13)的电流大小，控制电阻丝(13)产生热量的大小，使倍频晶体(11)的温度发生变化，倍频晶体(11)的温度趋于目标温度数值；

可循环上述步骤2～4，最终倍频晶体(11)的实际温度数值与目标温度数值近似相等，从而实现对倍频晶体温度的精确控制。

8.根据权利要求7所述的用于倍频晶体的控温方法，其特征在于：所述电流驱动模块(23)包含运算放大器(AMP)、MOS管(Q1)、三极管(Q2)以及电流平滑滤波器(231)，运算放大器(AMP)与MCU(21)的一管脚连接，运算放大器(AMP)的输出端连接电阻(R1)，

(R1)连接MOS管(Q1)的栅极和三极管(Q2)的集电极，MOS管(Q1)的源极连接采样电阻(R)的一端和电流平滑滤波器(231)的输入端，采样电阻(R)的另一端接地，电流平滑滤波器(231)的输出端连接三极管(Q2)的基极，MOS管(Q1)的漏极分别连接电感(L1)的一端和二极管(D1)的阳极，电感(L1)的另一端分别连接电容(C1)的负极和电阻丝(13)的一端，电阻丝(13)的另一端分别与二极管(D1)的阴极、电容(C1)的正极以及电源的正极相连；

MCU(21)给电流驱动模块(23)发送占空比可调的PWM信号，信号经过运算放大器(AMP)放大，放大信号经过电阻(R1)控制MOS管(Q1)的开通或关闭，运行过程中电流平滑滤波器(231)实时采集采样电阻(R)中的电流大小，当电流超过预设值时，输出驱动信号给三极管(Q2)的基极，三极管(Q2)导通导致MOS管(Q1)的栅极电压为零，MOS管(Q1)关闭切断电流，达到对电阻丝(13)过电流保护的作用。

9.根据权利要求8所述的用于倍频晶体的控温方法，其特征在于：MCU(21)发出的PWM信号为高电平时，MOS管(Q1)导通，电流从电源(4)流出，依次经过电阻丝(13)、电感(L1)、MOS管(Q1)，最后经过采样电阻(R)汇入到电源地；PWM信号切换为低电平时，MOS管(Q1)关闭，电流的流向依次是电感(L1)、二极管(D1)、电阻丝(13)，流经电阻丝(13)的电流方向不变；电容(C1)并联于电阻丝(13)两端，避免电阻丝(13)电压发生突变；二极管(D1)起到续流的作用，避免MOS管(Q1)关闭时，电感(L1)因自感现象而产生高的感应电动势。

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