CN114485171A - 一种温控炉及其温度控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光器技术领域，公开了一种温控炉及其温度控制方法。温控炉包括：隔热基座，其上开设有容纳腔和环绕容纳腔设置的保温腔，基座上开设有连通容纳腔的第一光孔；隔热盖，盖设于容纳腔和保温腔，且隔热盖上开设有与第一光孔正对的第二光孔；加热结构，设置于容纳腔内，且与容纳腔的腔壁之间具有间隙，加热结构具有能够容纳晶体的加热腔，加热腔正对第一光孔和第二光孔。该温控炉，保温腔和隔热盖形成保温层，加热结构和容纳腔的腔壁之间也形成保温层，通过空气流域减少晶体所处环境温度与外界的交换，温度场梯度小，温度损耗小，能够实现精准保温控温，而且该温控炉结构紧凑，体积小。
Description
技术领域
本发明属于激光器技术领域，尤其涉及一种温控炉及其温度控制方法。
背景技术
随着激光器的飞速发展，其在医疗、汽车、军事、科研等领域的应用越来越广泛。伴随着激光器的广泛应用，激光相关技术亦在更加深入的发展。
高温晶体温控炉采用加热和保温的方式对非线性晶体进行快速升温，精准保温控温，以获的高效率、高稳定倍频激光输出，以及对激光进行温度调谐实现精准频率控制。但是现有高温晶体温控炉结构较为冗余，体积大且控温精度不高。
因此，亟需一种温控炉及其温度控制方法，以解决上述技术问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种温控炉及其温度控制方法，以解决现有技术中存在的高温晶体温控炉结构较为冗余，体积大，成本高，且控温精度不高的问题。
为实现上述目的，本申请提供一种温控炉，包括：
隔热基座，其上开设有容纳腔和环绕所述容纳腔设置的保温腔，所述基座上开设有连通所述容纳腔的第一光孔；
隔热盖，盖设于所述容纳腔和所述保温腔，且所述隔热盖上开设有与所述第一光孔正对的第二光孔；
加热结构，设置于所述容纳腔内，且与所述容纳腔的腔壁之间具有间隙，所述加热结构具有能够容纳晶体的加热腔，所述加热腔正对所述第一光孔和所述第二光孔。
作为一种温控炉的优选技术方案，所述保温腔包括环绕所述容纳腔设置的多个第一腔，所述第一腔与所述隔热盖之间形成第一保温层。
作为一种温控炉的优选技术方案，所述保温腔还包括环绕所述容纳腔设置的多个第二腔，所述第二腔位于所述容纳腔和所述第一腔之间，所述第二腔和所述隔热盖之间形成第二保温层。
作为一种温控炉的优选技术方案，所述第一腔为圆形槽，所述第二腔为弧形槽。
作为一种温控炉的优选技术方案，所述加热结构包括加热件、测温件及相连接的铜芯和压块，所述铜芯和所述压块之间形成所述加热腔，所述加热件和所述测温件两者中一者设置于所述铜芯内，另一者设置于所述压块内。
作为一种温控炉的优选技术方案，所述隔热基座上开设有供所述加热件和所述测温件的连接线穿过的走线槽。
作为一种温控炉的优选技术方案，所述隔热基座上设置有沿所述第一光孔的轴线方向延伸的卡条，所述加热结构上开设有能够与所述卡条相配合的卡槽。
作为一种温控炉的优选技术方案，所述隔热基座上开设有紧固孔，紧固件能够穿过所述紧固孔抵紧或放松所述加热结构。
作为一种温控炉的优选技术方案，所述第一光孔和所述第二光孔中至少一者包括锥形孔，所述锥形孔的直径沿远离所述容纳腔的方向逐渐增大。
本申请还提供一种温控炉的温度控制方法，应用于上述任一方案中的温控炉，温度控制方法采用PID算法，包括：计算PID控制器输出校正值，PID控制器输出校正值的计算公式为：
u(t)＝min(umax,u1(t))
其中，u1(t)的计算公式为：
其中，e(t)的计算公式为：
e(t)＝min(max(e(t-1)-eswift,e(t)),e(t-1)+eswift)
式中，Kp-比较系数；Tt-积分时间常数；TD-微分时间常数；eswift-误差采集波动幅度；emax-冷启动温度幅值；ecumu-瞬时累积幅值；umax-控制量边界值；u1(t)-PID控制器输出计算值；e(t)-温度设定值r(t)与温度测量值之差。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
该温控炉，保温腔和隔热盖形成保温层，加热结构和容纳腔的腔壁之间也形成保温层，通过空气流域减少晶体所处环境温度与外界的交换，温度场梯度小，温度损耗小，能够实现精准保温控温，而且该温控炉结构紧凑，体积小。
附图说明
图1为本实施例提供的温控炉的结构示意图；
图2为本实施例提供的温控炉的拆解示意图；
图3为本实施例提供的隔热基座的结构示意图；
图4为本实施例提供的加热结构的结构示意图；
图5为本实施例提供的对比例的温控炉的温度场云图；
图6为本实施例提供的温控炉的温度场云图。
其中：
1、隔热基座；11、容纳腔；12、第一腔；13、第二腔；14、第一光孔；15、卡条；16、走线槽；17、紧固孔；
2、隔热盖；21、第二光孔；
3、加热结构；31、铜芯；311、第一安装孔；32、压块；321、第二安装孔；33、加热件；34、测温件；301、加热腔；302、卡槽；
4、紧固件；
10、晶体。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1至图4所示，本实施例提供一种温控炉，主要用于非线性晶体的加热及保温。该温控炉包括隔热基座1、隔热盖2和加热结构3。其中，隔热基座1上开设有容纳腔11和环绕容纳腔11设置的保温腔，隔热基座1上开设有连通容纳腔11的第一光孔14。隔热盖2盖设于容纳腔11和保温腔，且隔热盖2上开设有与第一光孔14正对的第二光孔21。加热结构3设置于容纳腔11内，且与容纳腔11的腔壁之间具有间隙，加热结构3具有能够容纳晶体10的加热腔301，加热腔301正对第一光孔14和第二光孔21。
可以理解的是，保温腔和隔热盖2形成保温层，加热结构3和容纳腔11的腔壁之间也形成保温层，通过空气流域减少晶体10所处环境温度与外界的交换，温度场梯度小，温度损耗小，能够实现精准保温控温，而且该温控炉结构紧凑，体积小。
参照图1和图2，上述第一光孔14和第二光孔21中至少一者包括锥形孔，锥形孔的直径沿远离容纳腔11的方向逐渐增大。具体地，在本实施例中，第一光孔14和第二光孔21均包括上述锥形孔。如此设置，可在通过第一光孔14或第二光孔21向晶体10内进光时，锥形孔的锥形面能够过滤杂光，也就是使得杂光在锥形面被反射而不进入到容纳腔11内。
再次参照图1和图2，上述隔热盖2和隔热基座1可拆卸连接。具体地，在本实施例中，隔热盖2和隔热基座1通过螺栓连接，其中，隔热基座1上开设有螺纹孔，隔热盖2对应螺纹孔开设有穿设孔，螺栓穿过穿设孔并旋入螺纹孔实现隔热盖2和隔热基座1的连接。
参照图1至图3，保温腔11包括环绕容纳腔设置的多个第一腔12，第一腔12与隔热盖2之间形成第一保温层。
进一步地，保温腔还包括至少两个环绕容纳腔11设置的多个第二腔13，第二腔13位于容纳腔11和第一腔12之间，第二腔13和隔热盖2之间形成第二保温层。此外，加热结构3和容纳腔11的腔壁之间的间隙与隔热盖2之间形成第三保温层。通过三个保温层的设置，使得晶体10可得到稳定均匀的环境温度，温度梯度小，温度损耗小，减少温度波动。
具体地，在本实施例中，上述第一腔12为圆形槽，第二腔13为弧形槽。当然在其他实施例中，第一腔12和第二腔13的形状均可根据实际需要进行设置。此外，在本实施例中，上述第一腔12设置有二十八个，第二腔13设置有两个，当然在其他实施例中，第一腔12和第二腔13的数量均可根据实际需要进行设置。
需要说明的是，上述保温腔还可包括环绕容纳腔11设置的第三腔、第四腔等等，也就是说上述保温层设置在三个或三个以上，能够进一步减少温度梯度，但是会增加加工难度。
参照图2和图4，加热结构3包括加热件33、测温件34及相连接的铜芯31和压块32，铜芯31和压块32之间形成加热腔301，加热件33和测温件34两者中一者设置于铜芯31内，另一者设置于压块32内。
具体地，在本实施例中，加热件33设置于铜芯31内，测温件34设置于压块32内。参见图4，铜芯31和压块32两者连接形成圆柱状结构，圆柱状结构具有沿其轴向延伸的空腔，该空腔即为加热腔301。具体地，铜芯31具有依次连接的第一加热面、第二加热面和第一接触面，压块32具有与第一加热面抵接的第一面、与第二加热面相对的第二面与第一接触面相接触的第二接触面。第一加热面、第二加热面、第二面和第二接触面之间围设形成上述加热腔301。此外，铜芯31上开设有容纳加热件33的第一安装孔311，压块32上开设有容纳测温件34的第二安装孔321。
进一步地，隔热基座1上开设有供加热件33和测温件34的连接穿过的走线槽16。在本实施例中，上述加热件33优选为加热棒，测温件34优选为测温棒。
参照图3和图4，隔热基座1上设置有沿第一光孔14的轴线方向延伸的卡条15，加热结构3上开设有能够与卡条15相配合的卡槽302。
具体地，铜芯31和压块32上均设置有卡槽302。在本实施例中，隔热基座1上设置有四个卡条15，铜芯31上设置有两个卡槽302，压块32上设置有两个卡槽302。
进一步地，为了实现对加热结构3的固定，隔热基座1上开设有紧固孔17，紧固件4能够紧固孔17抵紧或放松加热结构3。
具体地，在本实施例中，紧固孔17为螺纹孔，紧固件4为能够与螺纹孔相配合的螺栓。螺栓相对螺纹孔移动能够抵紧加热结构3或者放松加热结构3。具体地，在本实施例中，压块32上开设有供紧固件4伸入的插孔。
此外，针对该温控炉采用仿真技术对温控炉的加热保温进行了模拟。参照图5和图6，其中，图5为对比例的温控炉的温度场云图；图6为本实施例的温控炉的温度场云图。对比例的温控炉不具有保温层，由此可直观的证实，无保温层的温控炉的温度场梯度大，温度损耗大，这也使得非线性晶体的温度波动大。而本实施例的温控炉，温度场梯度小，温度损耗小，使得非线性晶体温度波动小。
本实施例还提供一种温控炉的温度控制方法，该温度控制方法应用于上述温控炉，温度控制方法采用改进型PID算法，包括：计算PID控制器输出校正值，PID控制器输出校正值的计算公式为：
u(t)＝min(umax,u1(t))
其中，u1(t)的计算公式为：
其中，e(t)的计算公式为：
e(t)＝min(max(e(t-1)-eswift,e(t)),e(t-1)+eswift)
式中，Kp-比较系数；Tt-积分时间常数；TD-微分时间常数；eswift-误差采集波动幅度；emax-冷启动温度幅值；ecumu-瞬时累积幅值；umax-控制量边界值；u1(t)-PID控制器输出计算值；e(t)-温度设定值r(t)与温度测量值之差。
上述Kp、Tt及TD均可通过大量试验并进行理论验证得到。同样的，eswift、emax、ecumu及umax均可通过大量试验并进行理论验证得到。PID控制器计算出PID控制器输出计算值后，控制加热件33来调整加热功率，进而调整温控炉的加热腔11内的温度，使得温度维持在温度设定值r(t)。
在本实施例中，温度的控制方法采用PID(Proportional Integral Derivative，即比例、积分、微分的缩写)算法进行闭环控制，即按偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)进行调制，具备易于实现、控制参数相互独立和参数选定简单等特点。具体地，该温控炉还包括PID控制器，PID控制器能够运行上述温度控制方法，并进行PID算法的计算。
温控炉的应用场景包括冷启动、待机恒温、晶体恒温三种闭环控制方式，每种场景要求不一样。其中，冷启动模式需要从常温快速达到较高的目标温度，在初始温度偏差比较大的情况下可以通过高温炉全功率输出实现快速加热。待机恒温模式主要是在外部环境温度扰动(包括环境温度、设备自身各模块正常工作后形成的温度稳定系统)的情况下维持温度的稳定。晶体恒温模式主要的影响因素在于激光功率的影响，使晶体自身产生热量，特别在较高光功率的情况下，自发热量的波动性同时也比较大。
PID控制参数相互独立，所以根据参数个数容易的实现P控制、PI控制和PID控制。现有的PID闭环控制公式如下：
式中：Kp-比较系数，Tt-积分时间常数TD-微分时间常数；u(t)-PID控制器输出信号；e(t)-设定值r(t)与测量值之差。
在快加热模式下，即e(t)值大于冷启动温度幅值时，Kp系数依据加热棒的电学参数进行最大功率输出，在此过程中不需要进行积分和微分控制，使用P控制。在e(t)值在待机恒温幅度之内时，切换至恒温控制模式，由于外部环境的慢响应特点，需要Kp系数尽可能的在较长时间维持一个稳定数值，并且通过积分控制消除累积误差，PI参数可以使用高温炉长期运行实验中的经验数值，使用PI控制。在晶体恒温模式下，高温炉的温度受晶体自发热和自身不稳定等因素影响，温度会出现一定幅度的振荡。因此，考虑到采样数值自身的准确性，在输入数据加上前置波滤器，防止控制量设定值突变，另外防止调节器积分饱和，设定控制量的边界值最后得到上述温度控制方法中的u(t)、u1(t)及e(t)的计算公式。
采用该温度控制方法，在使用PID温控算法的进行闭环控制的基础上，结合高温炉结构和加热机制，新增了必要的保护机制，在算法运算前对输入参数进行了校验防止因硬件和通讯问题导致的温度采集数据突变，同时也能规避温度采集点周围温度分布不均衡这种情况。在晶体温度接近目标温度时，使用经测试验证过的PID参数值，并对每项数值设置限值，防止过度控制。基于高温炉当前的结构特点，从冷启动开始使用加热棒持续加热达到整体热平衡需要有比较长一段时间，所以这段时间可以通过给加热棒提供固定输出功率进行单加热模式。而且也对最大输出功率做了必要的限制，防止过热损坏加热装置。上述参数eswift、emax、ecumu及umax的设置可以有效的对PID的算法计算出的数值进行纠偏，也起到一定的保护作用。
通过对温控炉采用该温度控制方法，结合温控炉的三个保温层，能够实现了非线性晶体温度恒定、波动小，进一步提高精准控温的目的。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种温控炉，其特征在于，包括：
隔热基座(1)，其上开设有容纳腔(11)和环绕所述容纳腔(11)设置的保温腔，所述基座(1)上开设有连通所述容纳腔(11)的第一光孔(14)；
隔热盖(2)，盖设于所述容纳腔(11)和所述保温腔，且所述隔热盖(2)上开设有与所述第一光孔(11)正对的第二光孔(21)；
加热结构(3)，设置于所述容纳腔(11)内，且与所述容纳腔(11)的腔壁之间具有间隙，所述加热结构(3)具有能够容纳晶体(10)的加热腔(301)，所述加热腔(301)正对所述第一光孔(14)和所述第二光孔(21)。
2.根据权利要求1所述的温控炉，其特征在于，所述保温腔包括环绕所述容纳腔(11)设置的多个第一腔(12)，所述第一腔(12)与所述隔热盖(2)之间形成第一保温层。
3.根据权利要求2所述的温控炉，其特征在于，所述保温腔还包括环绕所述容纳腔(11)设置的多个第二腔(13)，所述第二腔(13)位于所述容纳腔(11)和所述第一腔(12)之间，所述第二腔(13)和所述隔热盖(2)之间形成第二保温层。
4.根据权利要求3所述的温控炉，其特征在于，所述第一腔(12)为圆形槽，所述第二腔(13)为弧形槽。
5.根据权利要求1所述的温控炉，其特征在于，所述加热结构(3)包括加热件(33)、测温件(34)及相连接的铜芯(31)和压块(32)，所述铜芯(31)和所述压块(32)之间形成所述加热腔(301)，所述加热件(33)和所述测温件(34)两者中一者设置于所述铜芯(31)内，另一者设置于所述压块(32)内。
6.根据权利要求5所述的温控炉，其特征在于，所述隔热基座(1)上开设有供所述加热件(33)和所述测温件(34)的连接线穿过的走线槽(16)。
7.根据权利要求1所述的温控炉，其特征在于，所述隔热基座(1)上设置有沿所述第一光孔(14)的轴线方向延伸的卡条(15)，所述加热结构(3)上开设有能够与所述卡条(15)相配合的卡槽(302)。
8.根据权利要求1所述的温控炉，其特征在于，所述隔热基座(1)上开设有紧固孔(17)，紧固件(4)能够穿过所述紧固孔(17)抵紧或放松所述加热结构(3)。
9.根据权利要求1所述的温控炉，其特征在于，所述第一光孔(14)和所述第二光孔(21)中至少一者包括锥形孔，所述锥形孔的直径沿远离所述容纳腔(11)的方向逐渐增大。
10.一种温控炉的温度控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1-9任一项所述的温控炉，所述温度控制方法采用PID算法，包括：计算PID控制器输出校正值，PID控制器输出校正值的计算公式为：
u(t)＝min(umax,u1(t))
其中，u1(t)的计算公式为：
其中，e(t)的计算公式为：
e(t)＝min(max(e(t-1)-eswift,e(t)),e(t-1)+eswift)
式中，Kp-比较系数；Tt-积分时间常数；TD-微分时间常数；eswift-误差采集波动幅度；emax-冷启动温度幅值；ecumu-瞬时累积幅值；umax-控制量边界值；u1(t)-PID控制器输出计算值；e(t)-温度设定值r(t)与温度测量值之差。
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