CN112531454A - 量子光制备用ppktp晶体的定位与温控装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了量子光制备用PPKTP晶体的定位与温控装置及方法。通过PID算法或人工调控帕尔帖电流开关来控制PPKTP晶体温度，有较大滞后性和误差。本发明的磁悬浮系统对PPKTP晶体进行定位，避免PPKTP晶体扰动对量子光场制备的影响；温度传感器检测PPKTP晶体温度，PWM电流开关驱动器和SPWM电流开关驱动器通过控制内部开关元件来控制输给帕尔帖的电流方向，从而控制帕尔帖的散热面和制冷面朝向；PWM电流开关驱动器经SPWM电流开关驱动器输出PWM波给帕尔贴，增大帕尔贴输入功率；SPWM电流开关驱动器输出SPWM波给帕尔贴，缩短帕尔贴单次加热或散热时间。本发明对PPKTP晶体温度控制精度高。

Description

量子光制备用PPKTP晶体的定位与温控装置及方法
技术领域
本发明属于量子光场制备技术领域，尤其涉及一种量子光制备用PPKTP晶体的定位与温控装置及方法。
背景技术
目前量子光场的制备是由单频激光器通过PPKTP晶体产生的。量子光场生成中的稳定因素之一就是需要极高的晶体温度控制精度，例如PPKTP晶体的温度需要控制在23℃，温度误差不超过0.01℃。目前，这类晶体的温度控制都是工业中较为常规的PID算法控制，或通过传统的人工调控帕尔帖电流开关来控制PPKTP晶体温度，这种方法有较大滞后性和误差，极大地影响着量子光场制备的稳定性，成为制约量子光场制备从实验室走到产业运用过程中的主要难点。另外，现有PPKTP晶体的安装方式使得PPKTP晶体容易受扰动，严重影响量子光场制备的稳定性。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出了一种量子光制备用PPKTP晶体的定位与温控装置及方法。
本发明采取的技术方案如下：
本发明量子光制备用PPKTP晶体的定位与温控装置，包括PPKTP晶体、磁悬浮系统、帕尔贴、温度传感器、SPWM电流开关驱动器和PWM电流开关驱动器。转子置于晶体上盖支架的安装槽内，PPKTP晶体置于晶体下托支架的安装槽内，PPKTP晶体与转子固定；转子与固定在晶体上盖支架的安装槽内的支撑轴构成转动副；晶体上盖支架与晶体下托支架固定；转子采用磁性材料，由磁悬浮系统定位。所述的帕尔贴置于晶体下托支架和晶体安装底座之间，并由晶体下托支架和晶体安装底座压紧；晶体安装底座与晶体下托支架固定；所述的温度传感器置于晶体上盖支架以及晶体下托支架的侧部槽口内，并由晶体上盖支架和晶体下托支架压紧；温度传感器测量PPKTP晶体的温度，温度传感器的信号输出端接PWM电流开关驱动器的输入端，SPWM电流开关驱动器的输入端接PWM电流开关驱动器的输出端，帕尔贴接SPWM电流开关驱动器的输出端。装置供电电源为PWM电流开关驱动器和SPWM电流开关驱动器供电。
优选地，所述的装置供电电源为交流电源。
优选地，所述的PPKTP晶体为长方体，横截面为正方形。
优选地，所述的温度传感器为圆柱体，测头朝内。
优选地，所述的磁悬浮系统由磁悬浮传感器、磁悬浮控制器和磁悬浮执行器组成；所述的磁悬浮控制器通过磁悬浮底座固定在晶体上盖支架上。磁悬浮传感器和两个磁悬浮执行器均固定在磁悬浮控制器上，且磁悬浮传感器正对与PPKTP晶体固定的转子，两个磁悬浮执行器置于支撑轴两侧；所述的磁悬浮执行器包括电磁铁和功率放大器；磁悬浮传感器的信号输出端与磁悬浮控制器连接，电磁铁通过功率放大器与磁悬浮控制器连接。
该量子光制备用PPKTP晶体的定位与温控装置对PPKTP晶体的定位与温控方法，具体如下：
对PPKTP晶体的定位过程如下：当PPKTP晶体受到扰动偏离参考位置时，磁悬浮传感器检测出转子偏离参考位置的位移，磁悬浮控制器将检测的位移变换成控制信号，并通过两个功率放大器将控制信号转换成控制电流输给两个电磁铁，控制电流在电磁铁中产生磁力，从而驱动转子返回参考位置。
对PPKTP晶体的温控过程如下：当PWM电流开关驱动器判别温度传感器检测的PPKTP晶体温度低于额定温度且差值绝对值超过阈值时，PWM电流开关驱动器和SPWM电流开关驱动器通过控制内部开关元件来控制输给帕尔帖的电流方向，使得帕尔帖朝上的面为散热面，朝下的面为制冷面；当PWM电流开关驱动器判别温度传感器检测的PPKTP晶体温度高于额定温度且差值绝对值超过阈值时，PWM电流开关驱动器和SPWM电流开关驱动器通过控制内部开关元件来控制输给帕尔帖的电流方向，使得帕尔帖朝下的面为散热面，朝上的面为制冷面。并且，在PPKTP晶体温度与额定温度的差值绝对值超过阈值状态下，PWM电流开关驱动器通过调制改变信号占空比，增大输出脉冲的幅值，经SPWM电流开关驱动器输出PWM波给帕尔贴，从而增大帕尔贴的输入功率；而PWM波传入SPWM电流开关驱动器后，SPWM电流开关驱动器通过增大载波频率以及载波对PWM波的调制，输出SPWM波给帕尔贴，从而缩短帕尔贴单次加热或散热的时间。
优选地，PPKTP晶体的温度信号输入到PWM电流开关驱动器中后，PWM电流开关驱动器通过预设的载波将PPKTP晶体的温度信号进行调制，输出PWM波，形成一系列的触发脉冲，在PWM波与载波的自然交点时刻控制PWM电流开关驱动器内部开关元件的通断。
更优选地，输出PWM波的过程为：将载波和调制波进行比较，根据采样控制理论的面积等效原理，把等宽不等幅的脉冲用相应数量的等幅不等宽的矩形脉冲序列来代替。
优选地，当PWM波输入到SPWM电流开关驱动器后，SPWM电流开关驱动器通过预设的载波将PWM波进行调制，输出SPWM波，形成一系列的触发脉冲，通过自然采样法或规则采样法控制SPWM电流开关驱动器内部开关元件的通断。
本发明具有如下有益效果：
本发明引入PWM、SPWM驱动源，替代帕尔帖温度传统控制方式，基于PWM、SPWM串联开关控制的特点和利用占空比、调频的方式，使得帕尔帖能够实时、精确地控制PPKTP晶体温度，温度误差能控制在0.01℃内，提高了量子光场制备的稳定性。同时还引入磁悬浮技术，降低了PPKTP晶体扰动对量子光场制备的影响。因此，本发明克服了帕尔帖温度传统控制方式对PPKTP晶体温度控制精度不高的问题。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述。
如图1所示，量子光制备用PPKTP晶体的定位与温控装置，包括PPKTP晶体3、磁悬浮系统、帕尔贴、温度传感器、SPWM电流开关驱动器9和PWM电流开关驱动器7。转子置于晶体上盖支架1的安装槽内，PPKTP晶体3置于晶体下托支架2的安装槽内，PPKTP晶体3与转子固定；转子与固定在晶体上盖支架1的安装槽内的支撑轴构成转动副；晶体上盖支架1与晶体下托支架2固定；转子采用磁性材料，由磁悬浮系统定位。帕尔贴4置于晶体下托支架2和晶体安装底座5之间，并由晶体下托支架2和晶体安装底座5压紧；晶体安装底座5与晶体下托支架2固定；帕尔贴4在两种不同的导体A和导体B组成的电路中通电，使得一个接头处除焦耳热以外还会释放出某种其它的热量，而另一个接头处则吸收热量，且帕尔帖效应所引起的这种现象是可逆的，改变电流方向时，放热和吸热的接头也随之改变，吸收和放出的热量与电流强度I成正比，且与两种导体的性质及热端的温度有关。温度传感器6置于晶体上盖支架1以及晶体下托支架2的侧部槽口内，并由晶体上盖支架1和晶体下托支架2压紧；温度传感器6用于测量PPKTP晶体3的温度。温度传感器6的信号输出端接PWM电流开关驱动器7(即PWM控制器)的输入端，SPWM电流开关驱动器9的输入端接PWM电流开关驱动器7的输出端，帕尔贴4接SPWM电流开关驱动器9的输出端。装置供电电源8为PWM电流开关驱动器7和SPWM电流开关驱动器9供电。
作为优选实施例，装置供电电源8为交流电源。
作为优选实施例，PPKTP晶体为长方体，横截面为正方形。
作为优选实施例，温度传感器为圆柱体，测头朝内。
作为优选实施例，磁悬浮系统由磁悬浮传感器12(位移传感器)、磁悬浮控制器10和磁悬浮执行器13组成；磁悬浮控制器10通过磁悬浮底座11固定在晶体上盖支架1上。磁悬浮传感器12和两个磁悬浮执行器13均固定在磁悬浮控制器10上，且磁悬浮传感器12正对与PPKTP晶体3固定的转子，两个磁悬浮执行器13置于支撑轴两侧，易于磁悬浮控制器10控制PPKTP晶体3。磁悬浮执行器13包括电磁铁和功率放大器；磁悬浮传感器12的信号输出端与磁悬浮控制器10连接，电磁铁通过功率放大器与磁悬浮控制器10连接。
该量子光制备用PPKTP晶体的定位与温控装置对PPKTP晶体的定位与温控方法，具体如下：
对PPKTP晶体的定位过程如下：当PPKTP晶体3受到扰动偏离参考位置时，磁悬浮传感器检测出转子偏离参考位置的位移，磁悬浮控制器10将检测的位移变换成控制信号，并通过两个功率放大器将控制信号转换成控制电流输给两个电磁铁，控制电流在电磁铁中产生磁力，从而驱动转子返回参考位置。因此，不论PPKTP晶体3受到何种扰动，PPKTP晶体3始终能处于稳定的平衡状态，保持了其控制的连续性和稳定性。
对PPKTP晶体的温控过程如下：当PWM电流开关驱动器7判别温度传感器6检测的PPKTP晶体3温度低于额定温度且差值绝对值超过阈值(优选0.01℃)时，PWM电流开关驱动器7和SPWM电流开关驱动器9通过控制内部开关元件来控制输给帕尔帖4的电流方向，使得帕尔帖4朝上的面为散热面，朝下的面为制冷面，满足PPKTP晶体3升温的需求；当PWM电流开关驱动器7判别温度传感器6检测的PPKTP晶体3温度高于额定温度且差值绝对值超过阈值时，PWM电流开关驱动器7和SPWM电流开关驱动器9通过控制内部开关元件来控制输给帕尔帖4的电流方向，使得帕尔帖4朝下的面为散热面，朝上的面为制冷面，满足PPKTP晶体3降温的需求。并且，在PPKTP晶体3温度与额定温度的差值绝对值超过阈值状态下，PWM电流开关驱动器7通过调制改变信号占空比，增大输出脉冲的幅值，经SPWM电流开关驱动器9输出PWM波给帕尔贴4，从而增大帕尔贴4的输入功率，提高帕尔贴4的工作效率；而PWM波传入SPWM电流开关驱动器9(简称SPWM驱动器)后，SPWM电流开关驱动器9通过增大载波频率以及载波对PWM波的调制，输出SPWM波给帕尔贴。
其中，PPKTP晶体3的温度信号输入到PWM电流开关驱动器7中后，PWM电流开关驱动器7通过预设的载波将PPKTP晶体3的温度信号进行调制，输出PWM波，形成一系列的触发脉冲，在PWM波与载波的自然交点时刻控制PWM电流开关驱动器7内部开关元件的通断。而输出PWM波的过程为：将载波和调制波进行比较，根据采样控制理论的面积等效原理，把等宽不等幅的脉冲用相应数量的等幅不等宽的矩形脉冲序列来代替。
其中，当PWM波输入到SPWM电流开关驱动器9后，SPWM电流开关驱动器9通过预设的载波将PWM波进行调制，输出SPWM波，形成一系列的触发脉冲，通过自然采样法(即载波与调制波幅值相同时刻即为开关元件通断时刻)或规则采样法(即调制波的负峰时刻，此时刻与调制波幅值相同的载波所对应的时刻即为开关元件通断时刻)控制SPWM电流开关驱动器9内部开关元件的通断。同时，SPWM电流开关驱动器9通过调节载波频率，可调制出不同频率的SPWM波，更加精确地控制帕尔贴4单次加热或散热时间，保证PPKTP晶体的温度控制在23℃，温度误差不超过0.01℃内。
综上所述，本发明保证了PPKTP晶体3温度稳定在额定温度(上下浮动范围较小)，提高了量子光场制备的稳定性。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.量子光制备用PPKTP晶体的定位与温控装置，包括PPKTP晶体、帕尔贴和温度传感器，其特征在于：还包括磁悬浮系统、SPWM电流开关驱动器和PWM电流开关驱动器；转子置于晶体上盖支架的安装槽内，PPKTP晶体置于晶体下托支架的安装槽内，PPKTP晶体与转子固定；转子与固定在晶体上盖支架的安装槽内的支撑轴构成转动副；晶体上盖支架与晶体下托支架固定；转子采用磁性材料，由磁悬浮系统定位；所述的帕尔贴置于晶体下托支架和晶体安装底座之间，并由晶体下托支架和晶体安装底座压紧；晶体安装底座与晶体下托支架固定；所述的温度传感器置于晶体上盖支架以及晶体下托支架的侧部槽口内，并由晶体上盖支架和晶体下托支架压紧；温度传感器测量PPKTP晶体的温度，温度传感器的信号输出端接PWM电流开关驱动器的输入端，SPWM电流开关驱动器的输入端接PWM电流开关驱动器的输出端，帕尔贴接SPWM电流开关驱动器的输出端；装置供电电源为PWM电流开关驱动器和SPWM电流开关驱动器供电。
2.根据权利要求1所述量子光制备用PPKTP晶体的定位与温控装置，其特征在于：所述的装置供电电源为交流电源。
3.根据权利要求1所述量子光制备用PPKTP晶体的定位与温控装置，其特征在于：所述的PPKTP晶体为长方体，横截面为正方形。
4.根据权利要求1所述量子光制备用PPKTP晶体的定位与温控装置，其特征在于：所述的温度传感器为圆柱体，测头朝内。
5.根据权利要求1、2、3或4所述量子光制备用PPKTP晶体的定位与温控装置，其特征在于：所述的磁悬浮系统由磁悬浮传感器、磁悬浮控制器和磁悬浮执行器组成；所述的磁悬浮控制器通过磁悬浮底座固定在晶体上盖支架上；磁悬浮传感器和两个磁悬浮执行器均固定在磁悬浮控制器上，且磁悬浮传感器正对与PPKTP晶体固定的转子，两个磁悬浮执行器置于支撑轴两侧；所述的磁悬浮执行器包括电磁铁和功率放大器；磁悬浮传感器的信号输出端与磁悬浮控制器连接，电磁铁通过功率放大器与磁悬浮控制器连接。
6.根据权利要求5所述量子光制备用PPKTP晶体的定位与温控装置对PPKTP晶体的定位与温控方法，其特征在于：该方法具体如下：
对PPKTP晶体的定位过程如下：当PPKTP晶体受到扰动偏离参考位置时，磁悬浮传感器检测出转子偏离参考位置的位移，磁悬浮控制器将检测的位移变换成控制信号，并通过两个功率放大器将控制信号转换成控制电流输给两个电磁铁，控制电流在电磁铁中产生磁力，从而驱动转子返回参考位置；
对PPKTP晶体的温控过程如下：当PWM电流开关驱动器判别温度传感器检测的PPKTP晶体温度低于额定温度且差值绝对值超过阈值时，PWM电流开关驱动器和SPWM电流开关驱动器通过控制内部开关元件来控制输给帕尔帖的电流方向，使得帕尔帖朝上的面为散热面，朝下的面为制冷面；当PWM电流开关驱动器判别温度传感器检测的PPKTP晶体温度高于额定温度且差值绝对值超过阈值时，PWM电流开关驱动器和SPWM电流开关驱动器通过控制内部开关元件来控制输给帕尔帖的电流方向，使得帕尔帖朝下的面为散热面，朝上的面为制冷面；并且，在PPKTP晶体温度与额定温度的差值绝对值超过阈值状态下，PWM电流开关驱动器通过调制改变信号占空比，增大输出脉冲的幅值，经SPWM电流开关驱动器输出PWM波给帕尔贴，从而增大帕尔贴的输入功率；而PWM波传入SPWM电流开关驱动器后，SPWM电流开关驱动器通过增大载波频率以及载波对PWM波的调制，输出SPWM波给帕尔贴，从而缩短帕尔贴单次加热或散热的时间。
7.根据权利要求6所述量子光制备用PPKTP晶体的定位与温控装置对PPKTP晶体的定位与温控方法，其特征在于：PPKTP晶体的温度信号输入到PWM电流开关驱动器中后，PWM电流开关驱动器通过预设的载波将PPKTP晶体的温度信号进行调制，输出PWM波，形成一系列的触发脉冲，在PWM波与载波的自然交点时刻控制PWM电流开关驱动器内部开关元件的通断。
8.根据权利要求7所述量子光制备用PPKTP晶体的定位与温控装置对PPKTP晶体的定位与温控方法，其特征在于：输出PWM波的过程为：将载波和调制波进行比较，根据采样控制理论的面积等效原理，把等宽不等幅的脉冲用相应数量的等幅不等宽的矩形脉冲序列来代替。
9.根据权利要求6所述量子光制备用PPKTP晶体的定位与温控装置对PPKTP晶体的定位与温控方法，其特征在于：当PWM波输入到SPWM电流开关驱动器后，SPWM电流开关驱动器通过预设的载波将PWM波进行调制，输出SPWM波，形成一系列的触发脉冲，通过自然采样法或规则采样法控制SPWM电流开关驱动器内部开关元件的通断。
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