專利名稱：真空低溫黑體的控溫系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于空間環(huán)境模擬領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星遙感器紅外輻射定標(biāo)試驗(yàn)用的真空低溫黑體控溫系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
連續(xù)調(diào)溫的腔型黑體，是衛(wèi)星遙感器紅外輻射定標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)輻射源，可以用來(lái)標(biāo)定星載遙感儀器。黑體工作在真空低溫環(huán)境下，在MOK 360K溫度范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，通過(guò)黑體溫度的連續(xù)變化，模擬地球不同自然目標(biāo)溫區(qū)的輻射。在輻射定標(biāo)試驗(yàn)中，不僅要求黑體快速連續(xù)的到達(dá)目標(biāo)溫度，而且要求黑體長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地維持在目標(biāo)溫度。真空低溫黑體控溫系統(tǒng)就是針對(duì)這種試驗(yàn)需求應(yīng)運(yùn)而生的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種真空低溫黑體控溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)能控制點(diǎn)源黑體快速到達(dá)目標(biāo)溫度，并且穩(wěn)定維持在目標(biāo)溫度。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案一種衛(wèi)星遙感器紅外輻射定標(biāo)試驗(yàn)用的真空低溫黑體控溫系統(tǒng)，包括點(diǎn)源黑體、 溫度測(cè)量傳感器、測(cè)量?jī)x器、網(wǎng)關(guān)、程控電源、交換機(jī)及測(cè)控軟件。其中點(diǎn)源黑體和測(cè)控軟件為系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。點(diǎn)源黑體由黑體腔和保護(hù)腔組成，黑體腔是帶錐口的圓柱內(nèi)錐腔，保護(hù)腔包在黑體腔外部，二者之間是真空的，黑體腔和保護(hù)腔具有同樣的傳熱結(jié)構(gòu)，壁上開螺旋槽，外面套上加熱套管，兩端面焊接，形成冷卻流體管路，并在加熱套管上安裝加熱片。鉬電阻溫度計(jì)作為溫度測(cè)量傳感器，放在黑體腔的內(nèi)錐底部，這里是溫度平衡最緩慢的地方。測(cè)量?jī)x器按照軟件的設(shè)定周期，通過(guò)測(cè)量傳感器定時(shí)測(cè)量黑體腔和保護(hù)腔的溫度值。測(cè)量?jī)x器只有GPIB接口，為了與計(jì)算機(jī)通訊方便，通過(guò)一個(gè)網(wǎng)關(guān)將GPIB接口轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)AN接口。兩臺(tái)程控電源分別與黑體腔和保護(hù)腔上的加熱片相連。程控電源根據(jù)控溫軟件的指令調(diào)整電流和電壓的輸出，控制加熱片的加熱功率，達(dá)到控制黑體溫度的目的。計(jì)算機(jī)和程控電源通過(guò)LAN接口進(jìn)行通訊，為了能同時(shí)和2臺(tái)程控電源以及1臺(tái)測(cè)量?jī)x器通訊，系統(tǒng)配備了交換機(jī)。在對(duì)黑體進(jìn)行控溫工作時(shí)，系統(tǒng)分2個(gè)階段進(jìn)行控溫。系統(tǒng)在升溫初期為了提高升溫速度，2臺(tái)電源分別對(duì)黑體腔和保護(hù)腔加熱，并且對(duì)黑體腔和保護(hù)腔采用模糊規(guī)則不同的模糊控制算法。由于黑體腔和保護(hù)腔同時(shí)升溫，加快了黑體的升溫速度。系統(tǒng)在升溫后期，當(dāng)黑體腔溫度接近某一控溫點(diǎn)時(shí)，調(diào)整電源1的輸出為0，停止對(duì)黑體腔的加熱，只對(duì)保護(hù)腔進(jìn)行恒溫控制，通過(guò)保護(hù)腔和黑體腔之間的輻射換熱，維持黑體腔的溫度穩(wěn)定，溫控系統(tǒng)由升溫加熱進(jìn)入維持加熱。
在維持加熱階段，為了保證黑體溫度的穩(wěn)定性，保護(hù)腔的控溫算法2由模糊控制轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄躊ID控制，使保護(hù)腔溫度滿足控制精度。并利用保護(hù)腔的溫度的穩(wěn)定性來(lái)控制黑體腔的溫度穩(wěn)定性，達(dá)到改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的目的。


圖1是真空低溫黑體結(jié)構(gòu)。點(diǎn)源黑體的結(jié)構(gòu)是帶錐口的圓柱內(nèi)錐腔。圖2是真空低溫黑體控溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)是帶有2個(gè)控溫目標(biāo)的閉環(huán)控溫系統(tǒng)。圖3是真空低溫黑體控溫原理圖。系統(tǒng)對(duì)2個(gè)控溫目標(biāo)分別采用不同的控溫算法。圖4是升溫IOK的黑體控溫曲線。系統(tǒng)在40分鐘內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定性達(dá)到 0.lK/30min。圖5是升溫30K的黑體控溫曲線。系統(tǒng)在100分鐘內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定性達(dá)到 0. lK/60min。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。參照?qǐng)D1，黑體幾何腔采用圓柱內(nèi)錐腔，這是計(jì)算發(fā)射率最高的腔形。另外，黑體處于低溫背景環(huán)境中，在腔體開口附近的熱損失是一個(gè)比較嚴(yán)重的問(wèn)題，所以在開口處加了一個(gè)錐口作為補(bǔ)償，減少了開口附近的熱損失。這種黑體腔結(jié)構(gòu)能有效減小腔體的溫度不均勻性，提高發(fā)射腔的溫度穩(wěn)定性。參照?qǐng)D2和圖3，升溫過(guò)程開始階段，為了提高升溫速度，2臺(tái)電源分別對(duì)黑體腔和保護(hù)腔加熱。系統(tǒng)對(duì)黑體腔和保護(hù)腔分別采用不同的模糊規(guī)則進(jìn)行模糊控制，根據(jù)黑體腔和保護(hù)腔的溫度偏差、溫度偏差變化率、加熱功率這些參數(shù)調(diào)整電源的輸出，使黑體腔和保護(hù)腔同時(shí)升溫。其中模糊規(guī)則是通過(guò)多次大氣和真空低溫環(huán)境下調(diào)試的數(shù)據(jù)總結(jié)而得出。在升溫后期，當(dāng)黑體腔溫度接近某一控溫點(diǎn)時(shí)，根據(jù)加熱功率、溫度偏差、溫度偏差變化率這些參數(shù)，黑體腔的控溫算法1調(diào)整電源1的輸出為0，黑體腔熱源停止工作，只有保護(hù)腔的熱源起保溫作用，溫控系統(tǒng)由升溫加熱進(jìn)入維持加熱。在維持加熱階段，為了保證黑體溫度的穩(wěn)定性，保護(hù)腔的控溫算法2由模糊控制轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄躊ID控制。根據(jù)目標(biāo)溫度自動(dòng)調(diào)用調(diào)試時(shí)確定的PID參數(shù)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)精度等各方面進(jìn)行模糊推理，在線自動(dòng)調(diào)整PID參數(shù)，使PID參數(shù)在已確定的數(shù)值上下小范圍波動(dòng)，使保護(hù)腔溫度滿足控制精度。進(jìn)而通過(guò)保護(hù)腔和黑體腔之間的輻射換熱，使黑體腔溫度平穩(wěn)達(dá)到目標(biāo)溫度，并利用保護(hù)腔的溫度的穩(wěn)定性來(lái)控制黑體腔的溫度穩(wěn)定性，達(dá)到改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的目的。參照?qǐng)D4，在某型號(hào)紅外多光譜輻射定標(biāo)試驗(yàn)中，系統(tǒng)要進(jìn)行升溫IOK的連續(xù)階梯性控溫，對(duì)于所有的控溫點(diǎn)，系統(tǒng)均能在40分鐘內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，并且穩(wěn)定性達(dá)到0. lK/30min。參照?qǐng)D5，在某型號(hào)紅外多光譜輻射定標(biāo)試驗(yàn)中，系統(tǒng)要進(jìn)行升溫30K的連續(xù)階梯性控溫，對(duì)于所有的控溫點(diǎn)，系統(tǒng)均能在100分鐘內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，并且穩(wěn)定性達(dá)到 0. lK/60min。
權(quán)利要求
1.一種真空低溫黑體控溫系統(tǒng)，包括點(diǎn)源黑體、傳感器、加熱器、數(shù)字多用表、程控電源、網(wǎng)關(guān)、交換機(jī)及測(cè)控軟件。其中點(diǎn)源黑體和測(cè)控軟件為系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。點(diǎn)源黑體的發(fā)射腔結(jié)構(gòu)為錐口圓柱內(nèi)椎腔，黑體腔包在溫控層(保護(hù)腔)里面，二者之間是真空的。恒溫方式采用液氮電加熱的恒溫方式，靠溫控層的加熱和冷卻，使黑體腔達(dá)到并且穩(wěn)定在某一控溫點(diǎn)。測(cè)控軟件采用模糊控制和智能PID控制相結(jié)合的算法對(duì)具有輻射關(guān)系的黑體腔和保護(hù)腔分別進(jìn)行連續(xù)控溫，并通過(guò)大氣和真空低溫調(diào)試完善模糊控制規(guī)則。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空低溫黑體控溫系統(tǒng)，其特征在于，點(diǎn)源黑體的錐口圓柱內(nèi)椎腔，可以有效減小腔體的溫度不均勻性，提高發(fā)射腔的溫度穩(wěn)定性。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空低溫黑體控溫系統(tǒng)，其特征在于，試驗(yàn)操作者只需要輸入目標(biāo)溫度，控溫軟件能自動(dòng)控制系統(tǒng)達(dá)到目標(biāo)溫度，期間不需要任何手動(dòng)操作。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空低溫黑體控溫系統(tǒng)，其特征在于，黑體的控溫過(guò)程分為升溫加熱和維持加熱2個(gè)階段。升溫加熱過(guò)程中，黑體腔和保護(hù)腔同時(shí)升溫，維持加熱過(guò)程中，只有保護(hù)腔的加熱電源工作，通過(guò)保護(hù)腔和黑體腔之間的輻射換熱，利用保護(hù)腔的溫度穩(wěn)定性，維持黑體腔的溫度穩(wěn)定性。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的真空低溫黑體控溫系統(tǒng)，其特征在于，黑體在真空低溫環(huán)境下，控溫過(guò)程沒(méi)有產(chǎn)生超調(diào)，控溫速度快，每升高IOK進(jìn)行一次的控溫工作，40分鐘內(nèi)就能快速達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定，每升高30K進(jìn)行一次的控溫工作，100分鐘內(nèi)就能快速達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定。 且系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)定后，穩(wěn)定性優(yōu)于0. lK/60min。能同時(shí)滿足控溫時(shí)間和控溫精度這2個(gè)相對(duì)矛盾的技術(shù)指標(biāo)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的真空低溫黑體控溫系統(tǒng)，其特征在于，黑體在真空低溫環(huán)境下，需要長(zhǎng)時(shí)間維持在某一特定溫度，系統(tǒng)在長(zhǎng)達(dá)M小時(shí)以上的控溫過(guò)程中，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，穩(wěn)定性優(yōu)于0. :3K/24h。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種真空低溫黑體控溫系統(tǒng)，包括系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成和原理以及系統(tǒng)所采用的控溫算法。工作在真空低溫環(huán)境下的黑體是衛(wèi)星遙感器紅外輻射定標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)輻射源，黑體控溫系統(tǒng)是一種非線性、大滯后、數(shù)學(xué)模型很難建立的控制系統(tǒng)。在升溫初期，本發(fā)明對(duì)黑體腔和保護(hù)腔分別采用不同的模糊控制算法，在升溫后期，停止對(duì)黑體腔的加熱，只對(duì)保護(hù)腔采用智能PID控制算法，通過(guò)兩個(gè)腔體間的輻射換熱維持黑體腔的穩(wěn)定。通過(guò)大氣和真空低溫環(huán)境的多次調(diào)試，完善了模糊控制規(guī)則。使用多種控溫算法相結(jié)合的真空低溫黑體控溫系統(tǒng)已經(jīng)服務(wù)于某型號(hào)輻射定標(biāo)試驗(yàn)，在試驗(yàn)中系統(tǒng)控溫精度和穩(wěn)定性高，保證了黑體作為標(biāo)準(zhǔn)輻射源的工作狀態(tài)，同時(shí)系統(tǒng)的控溫時(shí)間短，縮短了試驗(yàn)周期，降低了試驗(yàn)成本。
文檔編號(hào)G05D23/20GK102455720SQ201010523060
公開日2012年5月16日 申請(qǐng)日期2010年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月28日
發(fā)明者向艷紅, 張容, 李娜, 王宇, 蔣山平, 許杰, 顧苗 申請(qǐng)人:北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所