專(zhuān)利名稱(chēng)：一種表面溫度信號(hào)快速發(fā)生裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種表面溫度信號(hào)快速發(fā)生裝置，該裝置可以任意波形方式快速再現(xiàn) 物體的表面溫度信號(hào)，屬于測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域
背景技術(shù)：
溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是化工、科研以及生產(chǎn)等領(lǐng)域中所采用的重 要參數(shù)。溫度的測(cè)量和控制是保證控制領(lǐng)域正常運(yùn)行的重要手段。隨著科技的飛速發(fā)展， 測(cè)控溫度信號(hào)顯得更加重要，此外越來(lái)越多的場(chǎng)合需要產(chǎn)生溫度信號(hào)。產(chǎn)生表面溫度信號(hào) 有多種方法，可以采用水射流、電阻熱絲、半導(dǎo)體制冷器等。水射流方法通過(guò)混合不同溫度 的水實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的表面溫度變化，系統(tǒng)復(fù)雜，精確溫控響應(yīng)速度差。電阻熱絲法很難控制 降溫速率。半導(dǎo)體制冷又叫熱電制冷或者溫差電制冷。半導(dǎo)體材料具有非常好的熱電能量轉(zhuǎn) 換持性，在通過(guò)直流電時(shí)有制冷功能，因此叫做熱電制冷。熱電制冷是熱電效應(yīng)，主要是珀 爾帖效應(yīng)。珀?duì)柼?yīng)就是電流流過(guò)兩種不同導(dǎo)體的界面時(shí)，將從外界吸收熱量，或向外界 放出熱量。把一塊P型半導(dǎo)體和一塊N型半導(dǎo)體疊放在一起，通電后，會(huì)在P型半導(dǎo)體和N 型半導(dǎo)體的接頭上產(chǎn)生溫差和熱量的交換，形成熱端和冷端。當(dāng)改變電源極性時(shí)，冷熱端可 以快速互換。通過(guò)大電流的時(shí)候，并且在熱端散熱很好的情況下，冷端可以快速地進(jìn)行降 溫。多組PN結(jié)串聯(lián)在一起可以達(dá)到快速制冷、制熱的效果。國(guó)外表面信號(hào)發(fā)生裝置主要集中于產(chǎn)生溫度梯度信號(hào)，主要用于溫度觸覺(jué)場(chǎng)合。 麻省理工學(xué)院的H. Ho等研制了一套基于半導(dǎo)體制冷器的觸覺(jué)再現(xiàn)裝置，根據(jù)溫度梯度的 變化可以區(qū)分熱屬性差別顯著的材質(zhì)，但該裝置采用熱敏電阻作為溫度傳感裝置，難以反 映半導(dǎo)體制冷器的實(shí)時(shí)溫度變化。國(guó)內(nèi)溫度信號(hào)發(fā)生裝置主要是在一個(gè)閉腔內(nèi)產(chǎn)生恒定溫度，適用于恒溫場(chǎng)合。董 慧等使用電熱阻絲實(shí)現(xiàn)了一個(gè)腔體恒溫發(fā)生裝置，在0-200°C范圍內(nèi)，該裝置的測(cè)量精度可 以達(dá)到士0. 1°C，控制精度可達(dá)士0.4°C，但恒溫時(shí)間較長(zhǎng)。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于波形發(fā)生器的專(zhuān) 利不多，還沒(méi)有表面溫度信號(hào)發(fā)生裝置的相關(guān)專(zhuān)利。本發(fā)明提供的表面溫度信號(hào)快速發(fā)生 裝置已用于溫度觸覺(jué)場(chǎng)合，還可用于儀器的動(dòng)態(tài)特性測(cè)量、產(chǎn)品的壽命檢驗(yàn)等。產(chǎn)生溫度波形可以用于溫度觸覺(jué)場(chǎng)合，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)中，溫度觸 覺(jué)在觸覺(jué)系統(tǒng)起到一個(gè)輔助作用。遠(yuǎn)端機(jī)器手以人手溫度接觸到一個(gè)物體時(shí)，遠(yuǎn)端物體表 面與機(jī)器手發(fā)生熱交換，溫度發(fā)生變化，本發(fā)明裝置可以在近端產(chǎn)生這個(gè)溫度變化過(guò)程，可 以讓近端人手感覺(jué)到遠(yuǎn)端物體表面溫度發(fā)生的變化，提高虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的真實(shí)感和沉浸 感。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提出了一種可產(chǎn)生表面溫度信號(hào)的快速發(fā)生裝置。該裝置 可快速再現(xiàn)物體表面的溫度變化，根據(jù)該裝置可達(dá)到的最大升降溫速率以及一定的溫度控制算法，如開(kāi)關(guān)控制算法或PID算法，可產(chǎn)生正弦波、方波、三角波、鋸齒波等函數(shù)波形以及 任意波形的表面溫度信號(hào)。波形的周期和幅度均可調(diào)，具有波形存儲(chǔ)功能，并能夠?qū)崟r(shí)地顯 示輸出波形的種類(lèi)、周期和幅度。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種表面溫度信號(hào)快速發(fā)生裝置，其特征在于設(shè)有 包括半導(dǎo)體制冷器、換熱器、紅外傳感器、液晶、上位機(jī)和控制電路，半導(dǎo)體制冷器作為溫度 信號(hào)發(fā)生元件，系由通有直流電的P-N結(jié)構(gòu)成，具有冷、熱兩個(gè)端面；換熱器作為半導(dǎo)體制 冷器的散熱器件，包括水、氣兩路交換系統(tǒng)，水、氣兩路交換系統(tǒng)中分別設(shè)有電磁閥和泵，電 磁閥和泵與控制電路輸出的控制信號(hào)相連接；紅外溫度傳感器設(shè)置在半導(dǎo)體制冷器上方， 采集半導(dǎo)體制冷器的表面溫度，液晶實(shí)時(shí)顯示半導(dǎo)體制冷器的表面溫度；控制電路中含有 電源電路、調(diào)理電路、橋路及調(diào)壓電路和控制芯片，紅外傳感器將采集的半導(dǎo)體制冷器表面 溫度輸入至設(shè)有包括模數(shù)轉(zhuǎn)換、放大、濾波的調(diào)理電路，調(diào)理電路將數(shù)字信號(hào)輸出至控制芯 片，控制芯片設(shè)有串口與上位機(jī)連接，向上位機(jī)實(shí)時(shí)發(fā)送溫度數(shù)據(jù)，上位機(jī)根據(jù)溫度的變化 發(fā)送指令到控制芯片，控制芯片根據(jù)上位機(jī)的指令發(fā)送控制信號(hào)控制換熱器水、氣兩路交 換系統(tǒng)中相應(yīng)的電磁閥和泵的開(kāi)啟或關(guān)閉，以調(diào)節(jié)半導(dǎo)體制冷器與換熱器的整體熱容量； 控制芯片還根據(jù)上位機(jī)的指令發(fā)送控制信號(hào)給調(diào)壓電路，調(diào)壓電路輸出連接在半導(dǎo)體制冷 器電源極性?xún)啥?，用于調(diào)節(jié)半導(dǎo)體制冷器兩端電壓，以調(diào)節(jié)半導(dǎo)體制冷器的升、降溫速率； 控制芯片輸出還還根據(jù)上位機(jī)的指令發(fā)送控制信號(hào)給橋路，橋路輸出對(duì)半導(dǎo)體制冷器進(jìn)行 制熱、制冷和關(guān)閉三種工作模式的切換，通過(guò)PID算法，產(chǎn)生包括正弦波、方波、三角波、鋸 齒波在內(nèi)的函數(shù)波形表面溫度信號(hào)。所述橋路設(shè)有9個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管、4個(gè)二極管、4個(gè)電阻和1個(gè)電解電容，第一場(chǎng)效應(yīng) 管的柵極作為半導(dǎo)體電壓極性改變的輸入端與控制芯片的一個(gè)輸入輸出口相連，第一場(chǎng)效 應(yīng)管的漏極與第一電阻的一端相連，第一電阻另一端與+5V電壓相連，第一場(chǎng)效應(yīng)管的源 極接地；第二場(chǎng)效應(yīng)管的柵極與第一場(chǎng)效應(yīng)管的漏極相連，第二場(chǎng)效應(yīng)管的漏極與第三電 阻的一端相連，第三電阻另一端與電解電容的正極以及+16V電壓相連，電解電容負(fù)極接 地，第二場(chǎng)效應(yīng)管的源極接地；第三場(chǎng)效應(yīng)管的柵極作為半導(dǎo)體電壓關(guān)閉的輸入端與控制 芯片的另一個(gè)輸入輸出口相連，第三場(chǎng)效應(yīng)管的源極接地；第四場(chǎng)效應(yīng)管的柵極與第二電 阻的一端相連，第二電阻的另一端與+5V電壓相連，第四場(chǎng)效應(yīng)管的漏極與半導(dǎo)體制冷器 TEC的負(fù)端相連，第四場(chǎng)效應(yīng)管的源極與第三場(chǎng)效應(yīng)管的漏極相連；第五場(chǎng)效應(yīng)管的柵極 與第四電阻的一端相連，第四電阻另一端與+16V電壓以及電解電容的正極相連，第五場(chǎng)效 應(yīng)管的源極與半導(dǎo)體制冷器TEC的負(fù)端相連；第六場(chǎng)效應(yīng)管的柵極與第二場(chǎng)效應(yīng)管的漏極 相連，第六場(chǎng)效應(yīng)管的漏極與第五場(chǎng)效應(yīng)管的漏極相連，第六場(chǎng)效應(yīng)管的源極與半導(dǎo)體制 冷器TEC的正端相連；第七場(chǎng)效應(yīng)管的柵極與第一場(chǎng)效應(yīng)管的漏極相連，第七場(chǎng)效應(yīng)管的 漏極與半導(dǎo)體制冷器TEC的正端相連，第七場(chǎng)效應(yīng)管的源極與第三場(chǎng)效應(yīng)管的漏極相連； 第八場(chǎng)效應(yīng)管的柵極與第四場(chǎng)效應(yīng)管的柵極相連，第八場(chǎng)效應(yīng)管的漏極與第五場(chǎng)效應(yīng)管的 柵極相連，第八場(chǎng)效應(yīng)管的源極接地；第九場(chǎng)效應(yīng)管的柵極與第一場(chǎng)效應(yīng)管的漏極相連，第 九場(chǎng)效應(yīng)管的漏極與第八場(chǎng)效應(yīng)管的柵極相連，第九場(chǎng)效應(yīng)管的源極接地；4個(gè)二極管中， 第一、第二兩個(gè)二極管串聯(lián)，第一 2極管負(fù)端與第五及第六場(chǎng)效應(yīng)管的漏極連接，第二 2極 管正端與第四及第七場(chǎng)效應(yīng)管的源極連接，第一、第二兩個(gè)二極管之間與半導(dǎo)體制冷器TEC 的正端相連；第三、第四兩個(gè)二極管串聯(lián)，第三2極管負(fù)端與第五及第六場(chǎng)效應(yīng)管的漏極連接，第四2極管正端與第四及第七場(chǎng)效應(yīng)管的源極連接，第三、第四兩個(gè)二極管之間與半導(dǎo) 體制冷器TEC的負(fù)端相連；所述調(diào)壓電路設(shè)有兩級(jí)運(yùn)放、五個(gè)電阻、兩個(gè)電容及一個(gè)三極管，由單片機(jī)產(chǎn)生不 同占空比的PWM INPUT信號(hào)與第七電阻的一端相連，第七電阻的另一端與第八電阻的一端 以及第一電容的一端相連，第一電容另一端接地，第八電阻的另一端與第一級(jí)運(yùn)放的正輸 入端相連，第一級(jí)運(yùn)放的輸出信號(hào)送至第二級(jí)運(yùn)放的正輸入端，第一級(jí)運(yùn)放的輸出信號(hào)還 與第六電阻一端相連，第六電阻另一端連接第五電阻一端，第五電阻另一端接地，第六電阻 與第五電阻之間連接在第一級(jí)運(yùn)放的負(fù)輸入端，第一級(jí)運(yùn)放的正電源端連接+12V電壓且 連接第二電容后接地；第一級(jí)運(yùn)放的負(fù)電源端接地；第二級(jí)運(yùn)放的輸出端連接第九電阻的 一端，第九電阻的另一端連接三極管基極，三極管集電極接+12V電壓，三極管發(fā)射極與第 一級(jí)運(yùn)放的負(fù)輸入端以及橋路中第一、第三兩個(gè)二極管的負(fù)端連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果在于1、快速的表面溫度變化速率； 2、可以產(chǎn)生任意波形的表面溫度信號(hào)3、使用水/氣換熱裝置提高了表面溫度信號(hào)的升降溫速率；4、紅外傳感器可實(shí)現(xiàn)高速、高精度非接觸式溫度測(cè)量；5、本裝置可用于物體表面溫度信號(hào)的快速測(cè)控，可以快速產(chǎn)生正弦波、方波、三角 波、鋸齒波等函數(shù)波形以及任意波形的表面溫度信號(hào)，更利于觀察物體的溫度動(dòng)態(tài)特性。


圖1是本發(fā)明裝置的局部結(jié)構(gòu)圖；圖2、3是本發(fā)明裝置系統(tǒng)框圖；圖4是本發(fā)明裝置橋路和調(diào)壓電路的原理圖；圖5是本發(fā)明裝置水/氣換熱裝置的原理圖。
具體實(shí)施例方式參看圖1，一種可產(chǎn)生表面溫度信號(hào)的快速發(fā)生裝置，設(shè)有管道1，半導(dǎo)體制冷器 2、3、4、5，紅外傳感器6，進(jìn)水口 7，散熱金屬8組成。表面溫度信號(hào)產(chǎn)生在半導(dǎo)體制冷器4 的上端面，由紅外傳感器測(cè)控半導(dǎo)體制冷器的溫度。管道內(nèi)通液體或者氣體，以期改變裝置 的熱容量來(lái)提高半導(dǎo)體制冷器的制熱與制冷速率。參看圖2，采用半導(dǎo)體制冷器作為溫度信號(hào)發(fā)生器件，液晶實(shí)時(shí)顯示半導(dǎo)體制冷器 的表面溫度，紅外傳感器采集半導(dǎo)體制冷器的表面溫度并輸入至控制電路，同時(shí)由串口向 上位機(jī)實(shí)時(shí)發(fā)送溫度數(shù)據(jù)以便上位機(jī)根據(jù)溫度的變化發(fā)送相關(guān)指令到控制電路，控制電路 根據(jù)上位機(jī)的指令發(fā)送相關(guān)控制信號(hào)到水/氣換熱裝置中進(jìn)行控制，水/氣換熱裝置根據(jù) 該控制信號(hào)以調(diào)節(jié)半導(dǎo)體制冷器與熱交換管的整體熱容量。控制電路對(duì)半導(dǎo)體制冷器進(jìn)行 三種工作模式的切換制熱、制冷和關(guān)閉。參看圖3，控制電路包括了控制芯片、電源電路、調(diào)理電路、調(diào)壓電路、橋路等。電源 電路為控制芯片和調(diào)壓電路提供電源，調(diào)理電路把傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處 理并提供給控制芯片，調(diào)壓電路用于調(diào)節(jié)半導(dǎo)體制冷器兩端電壓，橋路用于切換半導(dǎo)體制冷器兩端電壓的極性和通斷性。參看圖4，橋路共有9個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管，其中場(chǎng)效應(yīng)管1的柵極G即為DIRECTION端，場(chǎng)效應(yīng)管1的漏極D與電阻Rl的一端相 連，電阻Rl另一端與+5V電壓相連，場(chǎng)效應(yīng)管1的源極S接地；
場(chǎng)效應(yīng)管2的柵極G與場(chǎng)效應(yīng)管1的漏極D相連，場(chǎng)效應(yīng)管2的漏極D與電阻R3 的一端相連，電阻R3另一端與電解電容C3的正極相連，同時(shí)該端電阻R3與+16V電壓相連， 電容C3負(fù)極接地，場(chǎng)效應(yīng)管2的源極S接地；場(chǎng)效應(yīng)管3的柵極G即為ENABLE端，場(chǎng)效應(yīng)管3的漏極D與場(chǎng)效應(yīng)管4的源極S 相連，場(chǎng)效應(yīng)管3的源極S接地；場(chǎng)效應(yīng)管4的柵極G與電阻R2的一端相連，電阻R2的另一端與+5V電壓相連，場(chǎng) 效應(yīng)管4的漏極D與半導(dǎo)體制冷器TEC的負(fù)端相連，場(chǎng)效應(yīng)管4的源極S與場(chǎng)效應(yīng)管3的 漏極D相連；場(chǎng)效應(yīng)管5的柵極G與電阻R4的一端相連，電阻R4另一端與+16V電壓相連，同 時(shí)電阻R4該端與電解電容C3的正極相連，電容C3負(fù)極接地，場(chǎng)效應(yīng)管5的漏極D與OPIB 的反相端相連，場(chǎng)效應(yīng)管5的源極S與半導(dǎo)體制冷器TEC的負(fù)端相連；場(chǎng)效應(yīng)管6的柵極G與場(chǎng)效應(yīng)管2的漏極D相連，場(chǎng)效應(yīng)管6的漏極D與OPIB的 反相端相連，場(chǎng)效應(yīng)管6的源極S與半導(dǎo)體制冷器TEC的正端相連；場(chǎng)效應(yīng)管7的柵極G與場(chǎng)效應(yīng)管1的漏極D相連，場(chǎng)效應(yīng)管7的漏極D與半導(dǎo)體 制冷器TEC的正端相連，場(chǎng)效應(yīng)管7的源極S與場(chǎng)效應(yīng)管3的漏極D相連，Dl和D2的連接 點(diǎn)接半導(dǎo)體制冷器的一端，D3和D4的連接點(diǎn)接半導(dǎo)體制冷器的另一端。；場(chǎng)效應(yīng)管8的柵極G與場(chǎng)效應(yīng)管4的柵極G相連，場(chǎng)效應(yīng)管8的漏極D與場(chǎng)效應(yīng) 管5的柵極G相連，場(chǎng)效應(yīng)管8的源極S接地；場(chǎng)效應(yīng)管9的柵極G與場(chǎng)效應(yīng)管1的漏極D相連，場(chǎng)效應(yīng)管9的漏極D與場(chǎng)效應(yīng) 管4的柵極G相連，場(chǎng)效應(yīng)管9的源極S接地；4個(gè)二極管中，D1、D2兩個(gè)二極管串聯(lián)，Dl負(fù)端與場(chǎng)效應(yīng)管5、6的漏極連接，D2正 端與場(chǎng)效應(yīng)管4、7的源極連接，DU D2兩個(gè)二極管之間與半導(dǎo)體制冷器TEC的正端相連； D3、D4兩個(gè)二極管串聯(lián)，D3負(fù)端與場(chǎng)效應(yīng)管5、6的漏極連接，D4正端與場(chǎng)效應(yīng)管4、7的源 極連接，D3、D4兩個(gè)二極管之間與半導(dǎo)體制冷器TEC的負(fù)端相連；所述調(diào)壓電路設(shè)有兩級(jí)運(yùn)放、五個(gè)電阻、兩個(gè)電容及一個(gè)三極管，由單片機(jī)產(chǎn)生不 同占空比的PWM INPUT信號(hào)與電阻R7的一端相連，電阻R7的另一端與電阻R8的一端以及 電容Cl的一端相連，電容Cl另一端接地，電阻R8的另一端與第一級(jí)運(yùn)放OPIA的正輸入端 相連，第一級(jí)運(yùn)放OPIA的輸出信號(hào)送至第二級(jí)運(yùn)放OPIB的正輸入端，第一級(jí)運(yùn)放的輸出信 號(hào)還與電阻R6 —端相連，電阻R6另一端連接電阻R5 —端，電阻R5另一端接地，電阻R6與 電阻R5之間連接在第一級(jí)運(yùn)放的負(fù)輸入端，第一級(jí)運(yùn)放的正電源端連接+12V電壓且連接 電容C2后接地；第一級(jí)運(yùn)放的負(fù)電源端接地；第二級(jí)運(yùn)放OPIB的輸出端連接電阻R9的一 端，電阻R9的另一端連接三極管基極，把該放大信號(hào)反饋到第二級(jí)運(yùn)放的負(fù)端以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓 控制。，三極管集電極接+12V電壓，三極管發(fā)射極與第一級(jí)運(yùn)放的負(fù)輸入端以及橋路中D1、 D3兩個(gè)二極管的負(fù)端連接。參看圖5，本發(fā)明裝置中提供的控制水/氣換熱裝置。實(shí)驗(yàn)前，控制水/氣換熱裝置使空氣進(jìn)入熱交換管空腔，熱交換管由進(jìn)口、出口組成，控制半導(dǎo)體制冷器兩端的電極方 向使其制冷或制熱。當(dāng)半導(dǎo)體制冷器需要制冷時(shí)，由控制器發(fā)出控制信號(hào)1使電磁閥1開(kāi) 啟，控制信號(hào)2使電磁閥2關(guān)閉，控制信號(hào)3使水泵10開(kāi)動(dòng)，水進(jìn)入熱交換管空腔，提高了 熱交換管空腔內(nèi)部的熱容量。當(dāng)對(duì)半導(dǎo)體制冷器制熱時(shí)，由控制器發(fā)出控制信號(hào)1使電磁 閥1關(guān)閉，控制信號(hào)2使電磁閥2開(kāi)啟，控制信號(hào)4使氣泵12開(kāi)動(dòng)，空氣進(jìn)入熱交換管空腔， 降低了熱交換管空腔內(nèi)部的熱容量。(熱容量系統(tǒng)在某一過(guò)程 中，溫度升高或降低11所 吸收或放出的熱量叫做這個(gè)系統(tǒng)在該過(guò)程中的熱容量，比熱容是單位質(zhì)量物質(zhì)的熱容量， 室溫時(shí)空氣的比熱容為1030J(Kg°C Γ1，水的比熱容為4200J(Kg°C Γ1)。溫度波形控制算法的控制途徑實(shí)施例一、改變半導(dǎo)體制冷器的工作狀態(tài)根據(jù)半導(dǎo)體制冷器的制冷與制冷原理，半導(dǎo)體制冷器可在三個(gè)工作狀態(tài)，即制熱、 制冷和關(guān)閉之間實(shí)現(xiàn)切換，因此必須經(jīng)常切換半導(dǎo)體制冷器兩端的電壓極性、電壓通斷。如 圖4中橋路電路所示，當(dāng)DIRECTI0N(與控制芯片的一個(gè)輸入輸出口相連)端為高電平時(shí)， 場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，TEC的正端V+為高電平，TEC的負(fù)端V-為低電平。當(dāng)DIRECTION端為低電平 時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，TEC的正端V+為低電平，TEC的負(fù)端V-為高電平。當(dāng)ENABLE (與控制芯 片的一個(gè)輸入輸出口相連)端為低電平時(shí)，半導(dǎo)體制冷器關(guān)閉。制熱和制冷的區(qū)別在于半 導(dǎo)體制冷器兩端的電極極性正好相反，同時(shí)為提高半導(dǎo)體制冷器的制冷/制熱速率，在制 冷時(shí)，如圖5所示僅開(kāi)啟電磁閥1運(yùn)行水泵使水進(jìn)入熱交換管空腔，增加了半導(dǎo)體制冷器與 熱交換管的總熱容量，可以對(duì)半導(dǎo)體制冷器的熱端面更好地散熱以提高半導(dǎo)體制冷器降溫 速率；制熱時(shí)，僅開(kāi)啟電磁閥2運(yùn)行氣泵使空氣進(jìn)入熱交換管空腔，降低了半導(dǎo)體制冷器與 熱交換管的總熱容量，可以提高半導(dǎo)體制冷器的升溫速率；關(guān)閉，即半導(dǎo)體制冷器兩端不施 加電壓，在關(guān)閉半導(dǎo)體制冷器時(shí)，便于和制冷或制熱時(shí)半導(dǎo)體制冷器的工作狀態(tài)形成對(duì)比， 易于觀察半導(dǎo)體制冷器快速的升降溫速率，同時(shí)可以給溫度控制算法提供另一種控制的手 段，當(dāng)半導(dǎo)體制冷器溫度高于室溫并關(guān)閉時(shí)，半導(dǎo)體制冷器溫度快速回落到室溫，當(dāng)半導(dǎo)體 制冷器溫度低于室溫并關(guān)閉時(shí)，半導(dǎo)體制冷器溫度快速回升到室溫。二、改變加在半導(dǎo)體制冷器兩端的工作電壓本發(fā)明采用調(diào)節(jié)PWM波的占空比來(lái)進(jìn)行調(diào)壓，PWM_INPUT (與控制芯片的一個(gè)輸入 輸出口相連)輸入不同占空比的PWM信號(hào)以及設(shè)計(jì)的橋路實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體制冷器上的電壓Ntec 在0 12V內(nèi)連續(xù)可調(diào)。由單片機(jī)產(chǎn)生不同占空比的PWM波，經(jīng)低通濾波得到0 5V的直 流電壓，送入第一級(jí)運(yùn)放放大后輸出到第二級(jí)運(yùn)放的同相端，再利用三極管進(jìn)行電流放大， 并把Vte。反饋到第二級(jí)運(yùn)放的反相端以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓控制。由于三極管的最大導(dǎo)通電流可達(dá) 25A，因此該橋路可以承受所選半導(dǎo)體制冷器的最大工作電流。本裝置的工作原理半導(dǎo)體制冷器的上表面產(chǎn)生表面溫度信號(hào)，紅外傳感器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。閉環(huán)控制 目的在于1、提高恒溫控制精度2、提高溫度波形輸出的準(zhǔn)確性。閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下 紅外傳感器采集半導(dǎo)體制冷器的表面溫度并輸入至控制電路，控制電路根據(jù)該溫度值并依 據(jù)所要求的溫度波形輸出通過(guò)一定的溫度控制算法調(diào)節(jié)半導(dǎo)體制冷器的工作狀態(tài)。該裝置的溫度波形輸出基于以下過(guò)程，先讓整套裝置可以產(chǎn)生表面恒溫信號(hào)，在 這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行溫度波形的輸出。恒溫溫度波形輸出是其他溫度波形輸出的基礎(chǔ)。
下文解釋恒溫模式和其他溫度波形輸出的過(guò)程該裝置可工作在兩種模式下1、恒溫模式 在上位機(jī)輸入需要控制的恒溫?cái)?shù)值，并確認(rèn)發(fā)送命令到控制芯片。控制芯片根據(jù) 這個(gè)溫度值控制半導(dǎo)體制冷器的溫度，裝置開(kāi)始進(jìn)行恒溫設(shè)定。初始狀態(tài)半導(dǎo)體制冷器處 于室溫，此時(shí)控制芯片輸出ENABLE端為高電平，開(kāi)關(guān)打開(kāi)，紅外傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)半導(dǎo)體制 冷器溫度并發(fā)送到上位機(jī)，假如設(shè)定的溫度值和室溫的差值為Δ T，根據(jù)該差值以及PID算 法，可以算出調(diào)壓電路應(yīng)該加在半導(dǎo)體制冷器兩端的電壓值和極性Vout = P* Δ T+I* (Tn+^!+. · · +T0) +D* (Tn-Tlri)V。ut:輸出電壓P 比例系數(shù)I 積分系數(shù)D 微分系數(shù) ^υ^η,η-Ι，... · · 0 點(diǎn)溫度采集極性由ΔΤ的與0相比的結(jié)果決定，大于0時(shí)極性為正，小于0時(shí)極性為負(fù)。每次控制芯片接收到一個(gè)溫度傳感值后都進(jìn)行PID運(yùn)算來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓和極性。具體調(diào)節(jié)過(guò)程如下假如極性為正，則控制芯片控制DIRECTION端為高電平，此時(shí)通過(guò)橋路V+輸出高 電平，V-輸出低電平。同時(shí)根據(jù)PID算法，ΔΤ越大，則加在半導(dǎo)體制冷器兩端的電壓越大， 上位機(jī)根據(jù)算法算出應(yīng)該加在半導(dǎo)體制冷器兩端的電壓后發(fā)送指令到控制芯片，控制芯片 根據(jù)該命令，改變PWM INPUT腳的占空比，以使調(diào)壓電路的輸出達(dá)到設(shè)定的電壓。如此往復(fù) 使半導(dǎo)體制冷器達(dá)到設(shè)定的恒定溫度值。2、任意波形溫度控制剛開(kāi)始控制時(shí)，在上位機(jī)選擇好輸出的波形后，設(shè)置好波形的參數(shù)，輸出控制指令 到控制芯片。裝置開(kāi)始進(jìn)行波形溫度控制，上位機(jī)先控制半導(dǎo)體制冷器到波形的初始溫度， 參照恒溫控制過(guò)程，由于輸出的是溫度波形，因此在不同的時(shí)刻上位機(jī)會(huì)輸出不同的溫度 設(shè)定值指令，在不同時(shí)刻輸出的不同的溫度值由選擇好的溫度輸出波形和該波形參數(shù)以及 該裝置的最大升溫與降溫速率確定。這樣就能在半導(dǎo)體制冷器表面產(chǎn)生溫度波形。下面以產(chǎn)生20 40度方波溫度波形設(shè)該方波的周期為10s，40度和20度的時(shí)間都是5s，初始時(shí)上位機(jī)把方波的初始 溫度20度以溫度設(shè)定指令的方式發(fā)送到控制芯片，控制芯片根據(jù)恒溫控制過(guò)程控制半導(dǎo) 體制冷器到達(dá)20度。到達(dá)5s后，40度以指令的方式發(fā)送到控制芯片，同樣，控制芯片以恒 溫控制的過(guò)程讓半導(dǎo)體制冷器迅速達(dá)到40度并維持5s時(shí)間，如此往復(fù)。產(chǎn)生20 40度三角波溫度波形設(shè)該三角波的周期為10s，上升時(shí)間和下降時(shí)間都是5s，開(kāi)始溫度設(shè)定的時(shí)間為 Os，則每隔IOOms由上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送溫度控制命令和溫度控制數(shù)值，數(shù)值根據(jù)根據(jù)線 性關(guān)系算出，如IOOms的時(shí)候發(fā)送20. 4度的溫度設(shè)定命令，在5s的時(shí)候發(fā)送40度的溫度 設(shè)定命令，在5 10的時(shí)間內(nèi)，根據(jù)不同的時(shí)間每隔IOOms發(fā)送溫度設(shè)定命令，同樣根據(jù)線 性關(guān)系計(jì)算出溫度設(shè)定值比如在5. Is的時(shí)候上位機(jī)發(fā)出39. 6度的溫度設(shè)定命令，以此類(lèi) 推既可得到溫度三角波形。
波形溫度輸出總結(jié)在最大升溫速率和最大降溫速率的前提下，不同的波形的區(qū) 別只在于不同的時(shí)刻上位機(jī)給控制芯片發(fā)出的溫度設(shè)定值不同
權(quán)利要求
一種表面溫度信號(hào)快速發(fā)生裝置，其特征在于設(shè)有包括半導(dǎo)體制冷器、換熱器、紅外傳感器、液晶、上位機(jī)和控制電路，半導(dǎo)體制冷器作為溫度信號(hào)發(fā)生元件，系由通有可改變電流方向的直流電的P N結(jié)構(gòu)成，具有冷、熱兩個(gè)端面；換熱器作為半導(dǎo)體制冷器的散熱器件，包括水、氣兩路交換系統(tǒng)，水、氣兩路交換系統(tǒng)中分別設(shè)有電磁閥和泵，電磁閥和泵與控制電路輸出的控制信號(hào)相連接；紅外溫度傳感器設(shè)置在半導(dǎo)體制冷器上方，采集半導(dǎo)體制冷器的表面溫度，液晶實(shí)時(shí)顯示半導(dǎo)體制冷器的表面溫度；控制電路中含有電源電路、調(diào)理電路、橋路及調(diào)壓電路和控制芯片，紅外傳感器將采集的半導(dǎo)體制冷器表面溫度輸入至設(shè)有包括模數(shù)轉(zhuǎn)換、放大、濾波的調(diào)理電路，調(diào)理電路將數(shù)字信號(hào)輸出至控制芯片，控制芯片設(shè)有串口與上位機(jī)連接，向上位機(jī)實(shí)時(shí)發(fā)送溫度數(shù)據(jù)，上位機(jī)根據(jù)溫度的變化發(fā)送指令到控制芯片，控制芯片根據(jù)上位機(jī)的指令發(fā)送控制信號(hào)控制換熱器水、氣兩路交換系統(tǒng)中相應(yīng)的電磁閥和泵的開(kāi)啟或關(guān)閉，以調(diào)節(jié)半導(dǎo)體制冷器與換熱器的整體熱容量；控制芯片還根據(jù)上位機(jī)的指令發(fā)送控制信號(hào)給調(diào)壓電路，調(diào)壓電路輸出連接在半導(dǎo)體制冷器電源極性?xún)啥?，用于調(diào)節(jié)半導(dǎo)體制冷器兩端電壓，以調(diào)節(jié)半導(dǎo)體制冷器的升、降溫速率；控制芯片輸出還還根據(jù)上位機(jī)的指令發(fā)送控制信號(hào)給橋路，橋路輸出對(duì)半導(dǎo)體制冷器進(jìn)行制熱、制冷和關(guān)閉三種工作模式的切換，通過(guò)PID算法，產(chǎn)生包括正弦波、方波、三角波、鋸齒波在內(nèi)的函數(shù)波形表面溫度信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述表面溫度信號(hào)快速發(fā)生裝置，其特征在于橋路設(shè)有9個(gè)場(chǎng)效 應(yīng)管、4個(gè)二極管、4個(gè)電阻和1個(gè)電解電容，第一場(chǎng)效應(yīng)管的柵極作為半導(dǎo)體電壓極性改 變的輸入端與控制芯片的一個(gè)輸入輸出口相連，第一場(chǎng)效應(yīng)管的漏極與第一電阻的一端相 連，第一電阻另一端與+5V電壓相連，第一場(chǎng)效應(yīng)管的源極接地；第二場(chǎng)效應(yīng)管的柵極與第 一場(chǎng)效應(yīng)管的漏極相連，第二場(chǎng)效應(yīng)管的漏極與第三電阻的一端相連，第三電阻另一端與 電解電容的正極以及+16V電壓相連，電解電容負(fù)極接地，第二場(chǎng)效應(yīng)管的源極接地；第三 場(chǎng)效應(yīng)管的柵極作為半導(dǎo)體電壓關(guān)閉的輸入端與控制芯片的另一個(gè)輸入輸出口相連，第三 場(chǎng)效應(yīng)管的源極接地；第四場(chǎng)效應(yīng)管的柵極與第二電阻的一端相連，第二電阻的另一端與 +5V電壓相連，第四場(chǎng)效應(yīng)管的漏極與半導(dǎo)體制冷器TEC的負(fù)端相連，第四場(chǎng)效應(yīng)管的源極 與第三場(chǎng)效應(yīng)管的漏極相連；第五場(chǎng)效應(yīng)管的柵極與第四電阻的一端相連，第四電阻另一 端與+16V電壓以及電解電容的正極相連，第五場(chǎng)效應(yīng)管的源極與半導(dǎo)體制冷器TEC的負(fù)端 相連；第六場(chǎng)效應(yīng)管的柵極與第二場(chǎng)效應(yīng)管的漏極相連，第六場(chǎng)效應(yīng)管的漏極與第五場(chǎng)效 應(yīng)管的漏極相連，第六場(chǎng)效應(yīng)管的源極與半導(dǎo)體制冷器TEC的正端相連；第七場(chǎng)效應(yīng)管的 柵極與第一場(chǎng)效應(yīng)管的漏極相連，第七場(chǎng)效應(yīng)管的漏極與半導(dǎo)體制冷器TEC的正端相連， 第七場(chǎng)效應(yīng)管的源極與第三場(chǎng)效應(yīng)管的漏極相連；第八場(chǎng)效應(yīng)管的柵極與第四場(chǎng)效應(yīng)管的 柵極相連，第八場(chǎng)效應(yīng)管的漏極與第五場(chǎng)效應(yīng)管的柵極相連，第八場(chǎng)效應(yīng)管的源極接地；第 九場(chǎng)效應(yīng)管的柵極與第一場(chǎng)效應(yīng)管的漏極相連，第九場(chǎng)效應(yīng)管的漏極與第八場(chǎng)效應(yīng)管的柵 極相連，第九場(chǎng)效應(yīng)管的源極接地；4個(gè)二極管中，第一、第二兩個(gè)二極管串聯(lián)，第一 2極管 負(fù)端與第五及第六場(chǎng)效應(yīng)管的漏極連接，第二 2極管正端與第四及第七場(chǎng)效應(yīng)管的源極連 接，第一、第二兩個(gè)二極管之間與半導(dǎo)體制冷器TEC的正端相連；第三、第四兩個(gè)二極管串 聯(lián)，第三2極管負(fù)端與第五及第六場(chǎng)效應(yīng)管的漏極連接，第四2極管正端與第四及第七場(chǎng)效 應(yīng)管的源極連接，第三、第四兩個(gè)二極管之間與半導(dǎo)體制冷器TEC的負(fù)端相連；調(diào)壓電路設(shè)有兩級(jí)運(yùn)放、五個(gè)電阻、兩個(gè)電容及一個(gè)三極管，由單片機(jī)產(chǎn)生不同占空比的PWM INPUT信號(hào)與第七電阻的一端相連，第七電阻的另一端與第八電阻的一端以及第一 電容的一端相連，第一電容另一端接地，第八電阻的另一端與第一級(jí)運(yùn)放的正輸入端相連， 第一級(jí)運(yùn)放的輸出信號(hào)送至第二級(jí)運(yùn)放的正輸入端，第一級(jí)運(yùn)放的輸出信號(hào)還與第六電阻 一端相連，第六電阻另一端連接第五電阻一端，第五電阻另一端接地，第六電阻與第五電阻 之間連接在第一級(jí)運(yùn)放的負(fù)輸入端，第一級(jí)運(yùn)放的正電源端連接+12V電壓且連接第二電 容后接地；第一級(jí)運(yùn)放的負(fù)電源端接地；第二級(jí)運(yùn)放的輸出端連接第九電阻的一端，第九 電阻的另一端連接三極管基極，三極管集電極接+12V電壓，三極管發(fā)射極與第一級(jí)運(yùn)放的 負(fù)輸入端以及橋路中第一、第三兩個(gè)二極管的負(fù)端連接。
全文摘要
一種表面溫度信號(hào)快速發(fā)生裝置，設(shè)有半導(dǎo)體制冷器、水/氣換熱裝置、紅外傳感器、液晶、上位機(jī)和控制電路。半導(dǎo)體制冷器作為溫度信號(hào)發(fā)生元件，由多組P-N結(jié)構(gòu)成，具有冷、熱兩個(gè)端面；水/氣換熱裝置包括水、氣兩路交換系統(tǒng)，設(shè)有電磁閥，水泵和氣泵，電磁閥，水泵和氣泵與控制電路輸出的控制信號(hào)相連接；紅外傳感器裝配在半導(dǎo)體制冷器上方采集半導(dǎo)體制冷器的表面溫度并輸出至控制電路；液晶實(shí)時(shí)顯示半導(dǎo)體制冷器的表面溫度，同時(shí)由控制芯片串口向上位機(jī)實(shí)時(shí)發(fā)送溫度數(shù)據(jù)以便上位機(jī)根據(jù)溫度的變化發(fā)送相關(guān)指令到控制電路中的控制芯片進(jìn)行控制。
文檔編號(hào)G05D23/20GK101968664SQ201010298099
公開(kāi)日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2010年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月30日
發(fā)明者吳劍進(jìn), 吳劍鋒, 李建清, 蔡鳳, 陳從顏 申請(qǐng)人:東南大學(xué)