用于高精度调控精密仪器环境温度且防尘防湿的装置的制作方法

本发明属于精密仪器环境温度调控领域，具体涉及一种用于高精度调控精密仪器环境温度且防尘防湿的装置。

背景技术：

由于激光器的工作环境温度会影响输出激光的光谱稳定性，在温度不稳定的环境里，环境温度的变化会干扰激光器工作，环境温度的变化会引起激光波长和功率的漂移，进而影响激光的使用。在进行激光泵浦时，激光波长的漂移会影响原子、分子对入射光的吸收几率，功率漂移会影响泵浦的效率。此外，环境温度的变化还会影响激光器系统中光学元器件的工作状态，例如光栅的参数会因温度变化而变化，从而影响系统稳定性。因此，在实际应用中，对激光器的环境温度进行高精度控制，使其工作在相对稳定的温度下，提高输出激光的稳定性和品质是很有必要的。

现有激光器或其它精密仪器的环境温控和防尘防湿通常依赖于实验室环境，如加装专业中央空调的洁净间。这种解决方式一方面耗时长、成本高并且功耗高，为极少数需要精密温控的核心设备而温控整个空间；另一方面，在野外和外场作业时，这种解决方案显然不现实。

专利(cn105094173b)公开了一种半导体激光器温度控制系统及其控制方法，其中提出一种包含温度采样电路、显示模块、报警模块等的半导体激光器的温度控制系统，并采用双pid串联控制算法实现温度自动控制；专利(cn103094818a)公开了一种准分子激光器的温度控制方法和系统，其中提出一种用于控制准分子激光器温度的方法和系统，该系统通过热交换系统、水冷系统、控制器等使用神经网络的方法达到温度控制的目的。上述两种系统组成成分多，实现周期长，并且采用的数据处理方法复杂，并且都只能对激光器进行调温，而无法对激光器的环境温度进行温度控制。为确保激光器这类温度敏感器件的环境温度稳定性，现有技术大多采用将整个空间做成恒温恒湿实验室的方式，然而其存在下述缺陷：第一，成本高，浪费严重，由于整个系统中，对温度敏感的核心器件通常只占系统器件中的很少一部分；第二，系统庞大且安装麻烦，在很多情形下这样的解决方案并不方便，如外场、野外作业或战场军事用途；第三，该类解决方案一般需使用常规空压机空调，这样无法避免温控空间与外界的物质交换，从而防尘除湿成为问题，若将精密仪器所在环境做成洁净间则成本更高，且温度控制实现困难，精度有限；第四，该类解决方案能耗很高。

又例如电脑cpu、功放这类仪器，使用时由于芯片尺寸限制或者工作电流大的原因，发热严重，目前在使用的方法为使用机械风扇使空气对流带走热量，这种冷却方式：首先，与外界大量的物质交换导致集尘和湿度问题，影响器件的性能和使用寿命以及用户体验；其次，这种方式不能提供一种稳定的工作环境，环境温度高则机箱温度高，环境湿度高则机箱湿度高，几乎没有温度控制精度可言。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明针对现有技术中的上述不足提出一种用于高精度调控精密仪器环境温度且防尘防湿的装置，该装置造价低，系统结构简单、不与外界产生物质交换、且该装置既能实现制冷又能实现制热从而可以实现精确温控。

本发明具体采用如下技术方案：

一种用于高精度调控精密仪器环境温度且防尘防湿的装置包括双通道pid控制器、控温电路、测温模块、精密仪器、密封环境箱、传温风扇、半导体热电模块tec、散热片、过滤网、预留窗口和仪器底座；其连接关系是：pid控制器连接控温电路和测温模块，测温模块、放置于仪器底座上的精密仪器、过滤网均放置于密封环境箱中，半导体热电模块tec放置于两个散热片中间，密封环境箱内外各有一个传温风扇，预留窗口用于密封环境箱内部环境与外部环境的光传输，安装时采用密封胶密封，以确保密封环境箱的密封性；精密仪器通过仪器底座固定在密封环境箱的内部底面板上；所述的测温模块的测量端安装在密封环境箱的中心位置；整个密封环境箱密封从而与外界仅通过半导体热电模块tec进行热量交换，而无物质交换；该装置工作过程为：双通道pid控制器通过测温模块取得密封环境箱内的温度，经过运算后由双通道pid控制器控制控温电路的通断进而控制半导体热电模块tec的工作模式，从而完成对环境箱温度的控制。

进一步，该高精度调控精密仪器环境温度且防尘防湿的装置，所述的工作模式应包含加热模式及制冷模式两种工作模式。

①当双通道pid控制器加热输出、制冷不输出时，其加热输出正极端与负极端产生一个电压差，程控开关a、程控开关b随之处于导通状态，直流电源的正极输出与地加载到半导体热电模块tec的y1、y2两端，制热回路启动，半导体热电模块tec处于制热状态；

②当双通道pid控制器制冷输出、制热不输出时，制热输出为零，反相器产生一个正向电压的输出信号，程控开关c导通，进而程控开关d、程控开关e处于导通状态，半导体热电模块tec的y1、y2两端得到直流电源的反向加载电压，制冷回路启动，半导体热电模块tec处于制冷状；

③当双通道pid控制器制冷、制热的控制信号同时输出时，加热输出信号经过反相器后，程控开关c的控制信号为零，从而制冷回路处于断开状态，仅启动制热回路，半导体热电模块tec处于制热状态，以避免温控电路出现短路。

进一步，用于高精度调控精密仪器环境温度且防尘防湿的装置，所述的控温电路包括直流电源、程控开关a、程控开关b、程控开关c、程控开关d、程控开关e(2-6)和反相器。

进一步，用于高精度调控精密仪器环境温度且防尘防湿的装置，所述的程控开关a、程控开关b、程控开关c、程控开关d、程控开关e可采用固态继电器、线圈式继电器或接触器中任意一种。

进一步，用于高精度调控精密仪器环境温度且防尘防湿的装置，当各程控开关选用固态继电器且双通道pid控制器的通道i控制加热输出时，所述的密封环境箱的各组成部件连接关系为：

所述的pid温度控制器的加热输出的正极端用导线分别与程控开关a的a2端、程控开关b的a2端、反相器的输入正极端连接，pid温度控制器的加热输出的负极端与程控开关a的a1端、程控开关b的a1端、反相器的输入负极端连接；

程控开关a的t端用导线与直流电源的输出正极端连接，程控开关a的l端与半导体热电模块tec的输入端y1连接；

程控开关b的t端用导线与直流电源的输出地端连接；程控开关b的l端与半导体热电模块tec的输入端y2连接；

进一步，用于高精度调控精密仪器环境温度且防尘防湿的装置，，当各程控开关选用固态继电器且双通道pid控制器的通道ii控制制冷输出时，所述的密封环境箱的各组成部件连接关系为：

pid温度控制器的冷却输出的正极端连接程控开关c的t端，程控开关c的l端用导线分别与程控开关d、程控开关e的a2端相连，pid温度控制器的冷却输出的负极端分别与程控开关d、程控开关e的a1端连接；

反相器的输出正、负端用导线分别与程控开关c的a2端、a1端连接；

程控开关d的t端与直流电源的输出正极端连接，程控开关d的l端与半导体热电模块tec的输入端y2连接；

程控开关e的t端与直流电源的输出负极端连接，程控开关e的l端与半导体热电模块tec的输入端y1连接；

进一步，用于高精度调控精密仪器环境温度且防尘防湿的装置，所述的密封环境箱为一个长方体形状密封保温箱，在箱体的顶面或任一侧面开设半导体热电模块tec安装孔、预留窗口安装孔，且各孔安装有加密封条，密封环境箱材料使用低热导率材料；所述的半导体热电模块tec、预留窗口分别固定安装在箱体的半导体热电模块tec安装孔、预留窗口安装孔上。

进一步，用于高精度调控精密仪器环境温度且防尘防湿的装置，所述过滤网安装于传温风扇的下方。

进一步，用于高精度调控精密仪器环境温度且防尘防湿的装置，所述的高精度调控精密仪器为激光器、功放电路、计算机或其它需要精确温控防尘防湿的精密仪器中任一种。

本发明装置通过控制流入tec的电流方向，从而控制密封环境箱的加热或者制冷，实现方便，价格低廉；并且可通过简单的增减tec的数量改变系统的控温效率和环境箱的体积；由于该装置与外界只有热量交换而无物质交换，因此可做成密闭系统而达到防潮和防尘的功能，并且由于密封环境箱内部在传温风扇的下方增加了过滤网，可起到进一步防尘的效果，该控温装置的控温精度很高，可快速实现±0.1℃的控温精度。

本发明用于高精度调控精密仪器环境温度与外界无物质交换防尘防湿的装置，能够为精密仪器提供稳定可靠的温度、湿度和洁净环境，本装置既能实现制冷又能实现制热，克服了现有激光器温控装置不能调节环境温度且仅能制冷的局限性。

附图说明

图1为本发明用于高精度调控精密仪器环境温度且防尘防湿的装置的结构图；

图2为本发明用于高精度调控精密仪器环境温度且防尘防湿的装置的控温电路图；

图3为本发明应用于激光器时的工作效果图；

图4为当程控开关选用为线圈式继电器时的控温电路的控温电路图；

图中，1.双通道pid控制器2.控温电路3.测温模块4.精密仪器5.密封环境箱6.传温风扇7.半导体热电模块tec8.散热片9.过滤网10.预留窗口11.仪器底2-1.直流电源2-2.程控开关a2-3.程控开关b2-4.程控开关c2-5.程控开关d2-6.程控开关e2-7.反相器。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

一种用于高精度调控精密仪器环境温度且防尘防湿的装置，其特征在于，其结构图如图1和图2所示，所述的装置包括双通道pid控制器1、控温电路2、测温模块3、精密仪器4、密封环境箱5、传温风扇6、半导体热电模块tec7、散热片8、过滤网9、预留窗10和仪器底座11；其连接关系是：pid控制器1连接控温电路2和测温模块3，测温模块3、放置于仪器底座11上的精密仪器4、过滤网9均放置于密封环境箱5中，半导体热电模块tec7放置于两个散热片8中间，密封环境箱内外各有一个传温风扇6，预留窗口10用于密封环境箱5内部环境与外部环境的光传输，安装时采用密封胶密封，以确保密封环境箱的密封性；精密仪器通过仪器底座固定在密封环境箱5的内部底面板上；所述的测温模块3的测量端安装在密封环境箱5的中心位置；整个密封环境箱5可密封从而与外界仅通过半导体热电模块tec进行热量交换，而无物质交换；该装置工作过程为：双通道pid控制器1通过测温模块3取得密封环境箱5内的温度，经过运算后由双通道pid控制器1控制控温电路2的通断进而控制半导体热电模块tec7的工作模式，从而完成对环境箱温度的控制。

进一步，所述的工作模式应包含加热模式及制冷模式两种工作模式。

当双通道pid控制器加热输出、制冷不输出时，其加热输出正极端与负极端产生一个电压差，程控开关a2-2、程控开关b2-3随之处于导通状态，直流电源的正极输出与地加载到半导体热电模块tec7的y1、y2两端，制热回路启动，半导体热电模块tec7处于制热状态。

当双通道pid控制器制冷输出、制热不输出时，制热输出为零，反相器产生一个正向电压的输出信号，程控开关c2-4导通，进而程控开关d2-5、程控开关e2-6处于导通状态，半导体热电模块tec7的y1、y2两端得到直流电源的反向加载电压，制冷回路启动，半导体热电模块tec7处于制冷状。

当pid温度控制器制冷、制热同时输出时，加热输出信号经过反相器后，程控开关c2-4的控制信号为零，从而制冷回路处于断开状态，仅启动制热回路，半导体热电模块tec7处于制热状态。

进一步，所述的控温电路2包括直流电源2-1、程控开关a2-2、程控开关b2-3、程控开关c2-4、程控开关d2-5、程控开关e2-6和反相器2-7。

进一步，所述的程控开关a2-2、程控开关b2-3、程控开关c2-4、程控开关d2-5、程控开关e2-6可采用固态继电器、线圈式继电器或接触器中任意一种。

进一步，当各程控开关选用固态继电器且双通道pid控制器1的通道i控制加热输出时，所述的密封环境箱的各组成部件连接关系为：为表达简洁清晰，程控开关的控制电压正极输入端、控制电压负极输入端、负载电源输入端、负载电源输出端分别用a2、a1、t、l表示：

所述的pid温度控制器的加热输出的正极端用导线分别与程控开关a2-2的a2端、程控开关b2-3的a2端、反相器2-7的输入正极端连接，pid温度控制器的加热输出的负极端与程控开关a2-2的a1端、程控开关b2-3的a1端、反相器2-7的输入负极端连接。

程控开关a(2-2)的t端用导线与直流电源的输出正极端连接，程控开关a(2-2)的l端与半导体热电模块tec(7)的输入端y1连接；

程控开关b(2-3)的t端用导线与直流电源的输出地端连接；程控开关b的l端与半导体热电模块tec(7)的输入端y2连接；

进一步，当各程控开关选用固态继电器且双通道pid控制器1的通道ii控制制冷输出时，所述的密封环境箱的各组成部件连接关系为：

pid温度控制器的冷却输出的正极端连接程控开关c2-4的t端，程控开关c2-4的l端用导线分别与程控开关d2-5、程控开关e2-6的a2端相连，pid温度控制器的冷却输出的负极端分别与程控开关d2-5、程控开关e2-6的a1端连接；

反相器2-7的输出正、负端用导线分别与程控开关c2-4的a2端、a1端连接；

程控开关d2-5的t端与直流电源的输出正极端连接，控开关d的l端与半导体热电模块tec7的输入端y2连接；

程控开关e2-6的t端与直流电源的输出负极端连接，程控开关e的l端与半导体热电模块tec7的输入端y1连接；

当各程控开关采用线圈式继电器，由于线圈式继电器有多个线圈触点，控制回路使用两组线圈式继电器可以实现，控温电路连接图如图4所示。

进一步，所述的密封环境箱5为一个长方体形状密封保温箱，在箱体的顶面或任一侧面开设半导体热电模块tec安装孔、预留窗口安装孔，且各孔安装有加密封条、打密封胶，以达到整个箱体密封的效果，箱体材料使用低热导率材料达到保温效果；所述的半导体热电模块tec、预留窗口9分别固定安装在箱体的半导体热电模块tec安装孔、预留窗口安装孔上。

进一步，所述过滤网9安装于传温风扇的下方，用于过滤密封环境箱中空气的灰尘，滤尘效果为粗效，以达到进一步除尘的效果。

进一步，所述的高精度调控精密仪器为激光器、功放电路、计算机或其它适用于本发明的需要精确温控的仪器设备中任一种。本发明可用于特别是激光器等这类对环境温度极其敏感的仪器的温度调控装置。

由于pid温度控制器在常规应用中，制热与制冷回路往往是两个独立的负载，互不干扰，因此，pid温度控制器允许制冷、制热同时输出，而在本发明应用中，制热与制冷回路的载体均为半导体热电模块tec，如果制冷与制热回路同时启动，会导致直流电源短路情况发生，因此，本发明中，反相器和放大电路c的联合使用实现了制热与制冷的互锁功能。

本发明的用于高精度调控精密仪器环境温度的装置，具有结构简单、性能可靠的特点。针对激光器等温度敏感设备在波动的环境温度下性能不稳定的问题，装置采用半导体作为制冷和加热共同的温度调节介质，避免了采用加热丝制热、冷却水制冷的常规温度调节系统的系统构成复杂、使用不便利的问题。同时，采用反相器和程控开关c构成的互锁电路，杜绝了常规双输出温控器在本应用中可能发生的电源短路情况的发生。本发明可用于高精度调控激光器或其它精密仪器或计算机等设备或器件的恒温除湿无尘环境，保证器件性能的稳定性，具有良好的应用前景。

本发明用于高精度调控精密仪器环境温度且防尘防湿的装置，通过测温模块取得环境箱内的温度，由pid温度控制器控制控温电路使半导体热电模块tec工作于制冷或加热模式，从而精确调控环境箱的温度。由于该装置与外界只有热量交换而无物质交换，因此可对激光器或其它温度敏感的精密仪器提供长期稳定的温度、湿度和无尘环境。本发明提出的控温装置结构紧凑、性能稳定、功耗低，且温控精度高，能提高精密仪器性能的稳定性和测量精度及使用寿命。该装置还可通过简单增减tec的数量而改变装置调温能力，从而制造不同热交换能力及不同尺寸的高精度温控腔。

经过上述实施后，本发明可对激光器的环境温度实现高精度控制，控温精度约为±0.1℃，使用该温控装置后，激光器输出波长较不使用温控时稳定效果明显，如图3所示。

此外，本发明中精密仪器可以为为功放电路，当将本发明装置用于功放电路时，程控开关a2-2、程控开关b2-3、程控开关c2-4、程控开关d2-5、程控开关e2-6可采用任意一种继电器或接触器实现。

本发明中精密仪器还可以为计算机，当将本发明装置应用于计算机用防湿防尘机箱，采用本装置技术，通过将计算机机箱做成密封系统，在机箱的一个侧面或顶面安装热交换能力达千瓦量级的半导体热电模块及散热片，对机箱内cpu、显卡等功耗原件所处环境进行制冷和温控，因本装置与外界无物质交换，从而同时有除湿和防尘的功能，解决大量用户无法面对台式机内密部灰尘的心病。使用此功能时，pid温控程序可以由计算机加载，节省温控器的成本。

本发明中精密仪器还可以为其它需要精确温控的适用于本发明的设备。本发明所述温控精度受限于所使用的温控器和温度传感器，在有更好的温控器和更精确的温度传感器的情况下，显然同样的技术可以达到更高的温控精度。本发明所述具体温控电路实施方案只是各种可能中的一种较为容易的方式。所有相关实施案例均为示例性的而非穷尽性的，该发明绝不仅仅限于所述实施案例。在不偏离本发明的实施案例范围和精神的情况下，许多修改和变更都是可能的和显而易见的。