CN112904913A - 一种液晶器件温控系统和温控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液晶器件温控系统和温控方法。系统包括壳体、控制单元、温控单元和半导体制冷器件，半导体制冷器件、温控单元和控制单元均设置于壳体内，半导体制冷器件两侧分别嵌入壳体和温控单元，温控温控单元两侧设置导热材料，控制单元分别连接半导体制冷器件、第一温度传感器和第二温度传感器，第一温度传感器连接液晶器件，第二温度传感器连接温控单元。本发明通过获取液晶器件和温控单元的温度，逐步计算温控单元的加热温度，以此控制半导体制冷器件的控制电压，迭代上述过程，直至液晶器件的温度稳定在目标温度。本发明系统体积小、便携性强、应用场景广，能对液晶器件进行直接精准温控。

Description

一种液晶器件温控系统和温控方法

技术领域

本发明涉及液晶光学器件应用领域，尤其是一种液晶器件温控系统和温控方法。

背景技术

液晶是介于液体和晶体之间的一种物理状态，它具有液体的流动性质，又同时具有晶体的光学空间各向异性。液晶材料广泛应用于显示器件、光通信、光信息处理、光计算、光谱成像等领域。

温度对液晶材料影响明显，低温下会让液晶材料呈现成晶体结构，高温下可以变为液体态。温度不仅能改变液晶材料的粘滞系数、介电常数、弹性常数等物理特性，还会改变液晶材料双折射和光学空间各向异性。因此，在以液晶为基础的光学器件中，对温度的精确控制极为重要。

现有的温控设备主要以温控箱为主，温控箱体积庞大，携带不便，使用场景非常受限。例如文献CN206721209U公开的一种实验用温控箱，其给出一种可均匀控制内部温度、节约能源的温控箱，其制冷采用了制冷机，加热采用电加热棒，具有体积大、有机械震动、温控速度慢的缺陷，不满足液晶器件的使用场景。又例如文献CN205860607U公开的一种半导体制冷温控箱，其给出了一种基于半导体智能器件的温控箱，与传统采用压缩机的温控箱相比具有无机械震动、无污染、体积小的优点，但其使用时整个液晶器件设备位于温控箱内，不能对液晶器件进行精确温控。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种液晶器件温控系统，以解决温控箱体积大、便携性较差、使用场景受限的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种液晶器件温控系统，包括壳体、控制单元、温控单元和半导体制冷器件；所述半导体制冷器件、温控单元和控制单元均设置于所述壳体内；所述半导体制冷器件一面嵌于所述壳体内侧壁，另一面嵌于所述温控单元；所述温控单元和所述半导体制冷器件固定于所述壳体上；所述温控单元两侧设置有导热材料，用于安装液晶器件；对应于液晶器件安装位置之处，贯穿所述壳体表面设有开孔，所述开孔设置有石英片；所述壳体上预留有所述控制单元的通信接口和电源接口；所述温控单元包括用于采集液晶器件温度的第一温度传感器，和用于采集温控单元温度的第二温度传感器；所述控制单元分别连接所述半导体制冷器件、所述第一温度传感器和所述第二温度传感器。

进一步的，所述温控单元与所述壳体间留有空隙，所述空隙采用隔热材料填充。

进一步的，所述温控单元和所述半导体制冷器件通过非导热机构固定于所述壳体上。

进一步的，所述温控单元和所述控制单元设置于所述壳体内的相对两侧。

进一步的，所述壳体包括上盖、侧盖以及成半包围结构的底壳，所述上盖位于所述底壳上部，所述侧盖位于所述底壳侧面开口处；所述上盖和所述底盖对应于液晶器件安装位置，分别设置所述开孔；所述侧盖上开设所述控制单元的通信接口和电源接口；所述控制单元设置于所述底壳内靠所述侧盖一侧。

为解决对液晶器件进行精确温控的问题，本发明公开了基于上述的液晶器件温控系统的温控方法，包括：

控制单元迭代执行以下流程，直至液晶器件的温度稳定在目标温度：

获取第一温度传感器采集的液晶器件当前温度，获取第二温度传感器采集的温控单元当前温度，；

计算目标温度与液晶器件当前温度的第一差值；根据第一差值和温控单元当前温度计算温控单元在目标温度下的加热温度；

周期性执行以下流程，直至温控单元的温度稳定在加热温度，或者直至温控单元的温度稳定在加热温度，且液晶器件的温度也保持稳定：

获取第二温度传感器采集的温控单元当前温度，计算所述加热温度与温控单元当前温度的第二差值；

根据第二差值计算并调节半导体制冷器件的控制电压。

进一步的，所述根据第二差值计算并调节半导体制冷器件的控制电压，包括：

将所述第二差值输入模糊PID算法，计算出所述半导体制冷器件的控制电压并输出给所述半导体制冷器件进行调节。

进一步的，所述根据第一差值和温控单元当前温度计算温控单元在目标温度下的加热温度，包括：

计算第一差值与温控单元当前温度之和；

判断第一差值与温控单元当前温度之和是否在温控单元运行的温度范围内，若是，则将所述加热温度设置为第一差值与温控单元当前温度之和，若否，则：

若第一差值与温控单元当前温度之和超过温控单元运行的温度上限，则将所述加热温度设置为所述温控单元运行的温度上限；若第一差值与温控单元当前温度之和低于温控单元运行的温度下限，则将所述加热温度设置为所述温控单元运行的温度下限。

进一步的，温控单元的温度是否稳定在加热温度的判断方法为：对于周期性获取的温控单元的温度，若连续若干次获取的温控单元的温度与加热温度间的差值均在第一区间以内，则判定温控单元的温度稳定在加热温度。

进一步的，液晶器件的温度是否稳定在目标温度的判断方法为：对于周期性获取的液晶器件的温度，若连续若干次获取的液晶器件的温度与目标温度间的差值均在第而区间以内，则判定液晶器件的温度稳定在目标温度。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明采用半导体制冷器件对液晶器件进行温控，能够满足制冷或加热的不同需求，具有宽泛的工作温度范围，使用场景更广。同时本发明的温控系统具有体积小、功耗低、便携性强的特点。

2、本发明的温控方法，通过采集液晶器件温度与温控单元温度，计算液晶器件温度与目标温度差值，不断迭代更新加热温度值。通过半导体制冷器件控制温控单元温度间接控制液晶器件温度，能精确控制液晶器件温度。克服了直接采用液晶器件温度作为半导体制冷器件控制反馈，引起的半导体制冷器件热能传递延迟的问题，导致液晶器件达到目标温度后，温控单元过热或过冷影响液晶器件不能温度稳定的问题。

3、本发明的温控方法，采用逐步稳定加热而非直接设定目标温度的方式，可避免因传感获取温度的滞后导致不能及时控制液晶器件温度的问题。并且，在系统掉电后再恢复时，本发明能够基于液晶器件当前温度快速完成对液晶器件温度的控制。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是液晶器件温控系统结构图。

图2是温控方法流程图。

图中标记：1：半导体制冷器件；2：上盖；3：底壳；4：侧盖；5：温控单元；6：石英片。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例一

一种液晶器件温控系统，包括控制单元、壳体、温控单元和半导体制冷器件；壳体成腔体结构，半导体制冷器件、温控单元、控制单元均设置于壳体内。半导体制冷器件一面嵌于壳体内侧壁，另一面嵌于温控单元。温控单元与壳体之间有空隙，该空隙使用隔热材料填充。温控单元和半导体制冷器件通过非导热机构固定于壳体上，也可通过其他材料的机构固定，但会形成热传导，温控效果不佳。温控单元两侧设置有导热材料，用于安装液晶器件并向液晶器件传导热量。对应于液晶器件安装位置之处，贯穿壳体表面设有开孔，该开孔设置石英片。壳体上预留有控制单元的通信接口和电源接口。温控单元包括用于采集液晶器件温度的第一温度传感器，和用于采集温控单元温度的第二温度传感器，控制单元分别连接半导体制冷器件、第一温度传感器和第二温度传感器。

在一些实施例中，如图1所示，液晶器件温控系统包括控制单元、壳体、温控单元5和半导体制冷器件1。壳体成腔体结构，半导体制冷器件1一面嵌于壳体内侧壁，另一面嵌于温控单元5，半导体制冷器件1一面制冷，另一面发热。由螺丝将半导体制冷器和温控单元5固定在壳体上；螺丝采用非导热材料制成，例如采用塑料材质制成，以减少壳体与温控单元5间的热量传递。

温控单元5在两侧设置有导热材料7，用于安装液晶器件并传导热量。温控单元5还包括用于采集液晶器件温度的第一温度传感器，和用于采集温控单元5温度的第二温度传感器。半导体制冷器、第一温度传感器、第二温度传感器分别连接控制单元。

壳体包括上盖2、侧盖4以及成半包围结构的底壳3，上盖2位于底壳3上部，侧盖4位于底壳3侧面开口处，三者构成腔体结构。上盖2和底盖上对应于液晶器件安装的位置，分别设有开孔，所述开孔处安装有石英片6，使得光源能够通过安装于壳体内部的液晶器件，同时石英片6能够起到保温作用。在侧盖4上预留有控制单元的通信结构和电源接口。控制单元安装于底壳3内靠侧盖4一侧，温控单元5安装于底壳3内与侧盖4相对的一侧。温控单元5与壳体之间留有空隙，该空隙用隔热材料填充。控制单元的信号线和电源线从侧盖4上的通信结构和电源接口引出，与外部设备通信以及连接电源。在一些实施例中，壳体和温控单元5均为导热铝材质制成。

实施例二

本实施例公开了上述实施例的液晶器件温控系统的温控方法，该温控方法通过迭代执行以下流程，直至液晶器件的温度稳定在目标温度：

获取第一温度传感器采集的液晶器件当前温度，获取第二温度传感器采集的温控单元当前温度。

计算目标温度与液晶器件当前温度的第一差值；根据第一差值和温控单元当前温度计算温控单元在目标温度下的加热温度。

周期性执行以下流程，直至温控单元的温度稳定在加热温度(或者调节为：在温控单元的温度稳定在加热温度状态下，液晶器件的温度也保持稳定)：

获取第二温度传感器采集的温控单元当前温度，计算所述加热温度与温控单元当前温度的第二差值。

根据第二差值计算并调节半导体制冷器件的控制电压以调节半导体制冷器件的输出。

温控方法均在控制单元内执行。上述温控方法的设计思路为，通过不断迭代调节，使液晶器件的温度稳定在目标温度。每次迭代，通过第一温度传感器获取液晶器件的当前温度，计算目标温度与液晶器件当前温度的第一差值，并据第一差值计算温控单元在该次迭代中的加热温度。然后重复执行以下过程：获取温控单元当前温度，计算加热温度与温控单元当前温度的第二差值，据第二差值调节半导体器件的控制电压。根据各周期内计算的第二差值判断温控单元是否稳定在加热温度，若是，则执行下一次迭代(若液晶器件温度未稳定在目标温度)，根据目标温度与液晶器件的当前温度的差值重新计算温控单元下一次迭代的加热温度，重新确认第二差值，以重新调节半导体制冷器件的控制电压，直至温控单元的温度重新稳定在新的加热温度，然后再执行下一次迭代，以此重复，直至液晶器件温度稳定在目标温度。

对于温控单元的温度是否稳定在加热温度的判断，采用以下方法：

对于周期性获取的第二温度传感器采集的温控单元的温度，若连续若干次获取的温控单元的温度与加热温度间的差值均在第一区间以内，则认为温控单元的温度稳定在加热温度。

对于液晶器件的温度是否稳定在目标温度的判断，采用以下方法：

对于周期性获取的第一温度传感器采集的液晶器件的温度，若连续若干次获取的液晶器件的温度与目标温度的差值均在第二区间以内，则认为液晶器件的温度稳定在目标温度。

同理，对于液晶器件的温度是否保持稳定的判断，采用以下方法：

对于周期性获取的第一温度传感器采集的液晶器件的温度，若连续若干次获取的液晶器件的温度趋于平稳(数值相等或波动区间不超过第三区间)，则认为液晶器件的温度保持稳定。

在根据第一差值计算温控单元在目标温度下的加热温度时，首先将第一差值与温控单元当前温度相加，判断所计算出的温度是否处在温控单元运行的加热范围内，即是否处于温控单元最高温度Tmax和最低温度Tmin之间；如果计算出的温度高于最高温度Tmax，则设置加热温度等于最高温度Tmax，如果计算出的温度低于最低温度Tmin，则设置加热温度等于最低温度Tmin，如果计算出的温度在最高温度Tmax和最低温度Tmin之间，则以计算出的温度作为加热温度。这样可以保证温控单元的温度在可控范围之内。

实施例三

本实施例举例说明上述温控方法的实施流程，包括：

迭代执行以下流程，直至液晶器件的温度稳定在目标温度：

获取第一温度传感器的液晶器件当前温度T1，获取第二温度传感器的温控单元当前温度T2；计算液晶器件当前温度T1与目标温度T的差值。

根据差值计算温控单元在目标温度下的加热温度T3＝T2+(T–T1)。

判断T3是否处在温控单元最高温度Tmax和最低温度Tmin之间。若是，则保留计算值，若否，则：如果加热温度T大于最高温度Tmax，设置加热温度T3等于最高温度Tmax，如果最加热温度小于最低温度Tmin，设置加热温度T3等于最低温度Tmin。这样保证温控单元温度在可控范围之内。

设置500ms的周期间隔，周期性执行以下流程，直至温控单元的温度稳定在加热温度：

获取第二温度传感器的温控单元当前温度T2。

将得到的加热温度T3和获取到的温控单元当前温度T2的差值输入到模糊PID算法，计算出为半导体制冷器件的的控制电压V并由控制单元输出给半导体制冷器件进行温度调节。

将目标温度T和每个周期结束时获取到的液晶器件当前温度T1进行差值计算，若连续采集到的120次液晶器件的温度与目标温度的差值在正负0.3度以内，则认为液晶器件稳定在目标温度T。

将加热温度T3与每个周期结束时获取到的温控单元当前温度T2进行差值计算，若连续采集到的60次温控单元的温度与加热温度T3的差值在正负1度以内，则认为温控单元稳定在加热温度T3。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种液晶器件温控系统，其特征在于，包括壳体、控制单元、温控单元(5)和半导体制冷器件；所述半导体制冷器件(1)、温控单元(5)和控制单元均设置于所述壳体内；所述半导体制冷器件(1)一面嵌于所述壳体内侧壁，另一面嵌于所述温控单元(5)；所述温控单元(5)和所述半导体制冷器件(1)固定于所述壳体上；所述温控单元(5)两侧设置有导热材料(7)，用于安装液晶器件；对应于液晶器件安装位置之处，贯穿所述壳体表面设有开孔，所述开孔设置有石英片(6)；所述壳体上预留有所述控制单元的通信接口和电源接口；所述温控单元(5)包括用于采集液晶器件温度的第一温度传感器，和用于采集温控单元(5)温度的第二温度传感器；所述控制单元分别连接所述半导体制冷器件(1)、所述第一温度传感器和所述第二温度传感器。

2.如权利要求1所述的液晶器件温控系统，其特征在于，所述温控单元(5)与所述壳体间留有空隙，所述空隙采用隔热材料填充。

3.如权利要求1所述的液晶器件温控系统，其特征在于，所述温控单元(5)和所述半导体制冷器件(1)通过非导热机构固定于所述壳体上。

4.如权利要求1～3任一所述的液晶器件温控系统，其特征在于，所述温控单元(5)和所述控制单元设置于所述壳体内的相对两侧。

5.如权利要求4所述的液晶器件温控系统，其特征在于，所述壳体包括上盖(2)、侧盖(4)以及成半包围结构的底壳(3)，所述上盖(2)位于所述底壳(3)上部，所述侧盖(4)位于所述底壳(3)侧面开口处；所述上盖(2)和所述底盖对应于液晶器件安装位置，分别设置所述开孔；所述侧盖(4)上开设所述控制单元的通信接口和电源接口；所述控制单元设置于所述底壳(3)内靠所述侧盖(4)一侧。

6.基于权利要求1～5任一所述的液晶器件温控系统的温控方法，其特征在于，包括：

控制单元迭代执行以下流程，直至液晶器件的温度稳定在目标温度：

获取第一温度传感器采集的液晶器件当前温度，获取第二温度传感器采集的温控单元当前温度；

计算目标温度与液晶器件当前温度的第一差值；根据第一差值和温控单元当前温度计算温控单元在目标温度下的加热温度；

周期性执行以下流程，直至温控单元的温度稳定在加热温度，或者直至温控单元的温度稳定在加热温度，且液晶器件的温度也保持稳定：

获取第二温度传感器采集的温控单元当前温度，计算所述加热温度与温控单元当前温度的第二差值；

根据第二差值计算并调节半导体制冷器件的控制电压。

7.如权利要求6所述的温控方法，其特征在于，所述根据第二差值计算并调节半导体制冷器件的控制电压，包括：

将所述第二差值输入模糊PID算法，计算出所述半导体制冷器件的控制电压并输出给所述半导体制冷器件进行调节。

8.如权利要求6或7所述的温控方法，其特征在于，所述根据第一差值和温控单元当前温度计算温控单元在目标温度下的加热温度，包括：

计算第一差值与温控单元当前温度之和；

判断第一差值与温控单元当前温度之和是否在温控单元运行的温度范围内，若是，则将所述加热温度设置为第一差值与温控单元当前温度之和，若否，则：

若第一差值与温控单元当前温度之和超过温控单元运行的温度上限，则将所述加热温度设置为所述温控单元运行的温度上限；若第一差值与温控单元当前温度之和低于温控单元运行的温度下限，则将所述加热温度设置为所述温控单元运行的温度下限。

9.如权利要求6或7所述的温控方法，其特征在于，温控单元的温度是否稳定在加热温度的判断方法为：

对于周期性获取的温控单元的温度，若连续若干次获取的温控单元的温度与加热温度间的差值均在第一区间以内，则判定温控单元的温度稳定在加热温度。

10.如权利要求6或7所述的温控方法，其特征在于，液晶器件的温度是否稳定在目标温度的判断方法为：

对于周期性获取的液晶器件的温度，若连续若干次获取的液晶器件的温度与目标温度间的差值均在第而区间以内，则判定液晶器件的温度稳定在目标温度。

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