专利名称：调制红外全波发生器装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种调制红外全波发生器装置。
众所周知，红外波谱源在工农业、医疗、军事及科研等部门具有十分广泛的应用。
例如，在工业上可利用红外线加热和干燥，在农业中利用红外线育种，在医学领域利用红外线诊断、治疗和消毒，在军事和科研部门则利用红外波谱源探测目标或进行红外元器件与材料的性能研究和应用开发。
市场上虽然有一些红外波谱源产品可资利用，但它们大都是为某种特定目的而设计的，其应用面窄，而且由于它们采用了大致相同的红外波谱能量产生方法(我们称之为传统方法)，具有某些固有的缺点，因而不能满足对一个现代化高可靠运用红外波谱源的需求。
传统的红外波谱能量产生方法概述如下在普通绝缘材料的陶瓷基体上，敷以用高温固溶法形成的导电层(导热层)并引出一对电极，然后再在导电层外敷涂氧化物为主构成的红外涂层(也可以将红外涂层与陶瓷绝缘基体烧结一起)，当对导电层通电时，就可以获得一定波谱范围的红外辐射能量(徐怀平《远红外加热技术》河北人民出版社1979)。
这种传统红外波谱能量产生方法已沿用数十年，至今无实质性改进。传统方法的固有缺点和局限性如下①机械性能差，容易破损；②可加工性差，不易获得圆盘状结构(大多为条板式或圆管式)；③有效辐射面积小、辐射功率低；④辐射波谱范围较窄，且不易调整；⑤热响应时间长，难以实现自动化；⑥导电层电阻不均匀，承受热冲击和热应变能力差，使用寿命短；⑦辐射效率受涂层强烈影响，并且不能从根本上杜绝有害物质的泄漏污染。
本实用新型的目的，是基于物理学中的黑体辐射理论(张幼文《红外光学工程》上海科学技术出版社1982)，设计一种直接采用金属合金体作为辐射源的红外全波谱发生器装置，它不仅克服了上述传统方法的所有缺点和局限性，而且因其采用了本实用新型提出的双闭环自动反馈调节技术，能可靠地产生峰值波长可调且覆盖红外全波谱范围的红外线能量，从而使本装置能够作为一种通用型仪器适合于多方面的应用。
适当选择的金属合金材料(如铸铁、粗糙平面钢、Ni－Cr合金钢和不锈钢等)，经简单工艺处理(如喷砂表面粗糙处理、高温黑化处理等)后，在很宽的波段范围(2～20μm)内，具有较高且均匀的辐射率值(ε＝0.8～0.9)。上述波段范围已涵盖红外全波谱辐射即近红外(0.76～3μm)、中红外(3～6μm)和远红外(≥6μm)。可用物理学中的黑体辐射理论来近似描述上述金属合金体构成的辐射盘的特性①辐射本领RT(即单位表面积的辐射功率)与绝对温度T的四次方成正比，即RT＝εσT4(1)式(1)中的σ＝5.67×10－2W／cm2.K4。对于保守的计算，不锈钢材料的ε值可取下限值0.8。
②辐射峰值波长λm与绝对温度T成反比，即λmT＝b(2)式(2)中的b＝2898μm.K。
根据式(1)与(2)，可以计算出任一温度下面积为S(S＝1／4πD2，D是不锈钢圆盘直径，为18cm)的辐射盘的总辐射功率P＝SεσT4和辐射峰值波长λm，如表1和表2所示。这些数据是设计本实用新型所述红外全波发生器装置的重要依据。
表1 辐射总功率P随温度的变化------------------------------------------------------------t(℃) 97197 297 397 497 597 697 727777------------------------------------------------------------T(K) 370 470 570 670770 870 970 1000 1050------------------------------------------------------------P(W) 2257 123 236409 666 1029 1163 1414------------------------------------------------------------
表2 辐射峰值波长λm随温度的变化------------------------------------------------------------t(℃) 2050 100150200 250 300 350------------------------------------------------------------T(K) 293323 373423473 523 573 623------------------------------------------------------------λm(μm) 9.89 8.97 7.77 6.85 6.13 5.54 5.06 4.65------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------t(℃)400 450500600 700800------------------------------------------------------------T(k) 673 723 773873 973 1073------------------------------------------------------------λ(μm) 4.31 4.01 3.75 3.32 2.83 2.70------------------------------------------------------------表1和表2的计算数据表明，对于全波辐射率值较高(ε≥0.8)的金属合金材料(如不锈钢)，选取适当大小的辐射面积(直径为18cm的圆盘)，在不太高的温度(约700℃)下，就能获得超过千瓦的辐射功率。
由于金属合金(如不锈钢)是优良导电(热)体，其热响应时间(数秒钟或更短)远短于绝缘陶瓷体的热响应时间(几分钟或更长)。金属合金材料的可加工性、机械强度、耐受热冲击和热应变的能力，也远胜于绝缘陶瓷体。此外，如前所述，只需简单工艺处理，而无需增加红外涂层，不锈钢就具有很高且均匀的辐射率值，这样不但使金属合金辐射盘的制作更为简单，而且可避免因制作红外涂层可能造成的一切化学污染。
特别要强调说明的是，由于金属合金体具有极短的热响应时间，可以通过闭环反馈网络调节红外辐射盘的电激励条件，进而达到自动改变红外辐射峰值波长与能量强度之目的，从而使红外波谱源的自动控制成为可能。而对于具有较长热响应时间的陶瓷红外辐射体，因其热响应时间(几分钟至十几分钟)已可与正常运用时间(几十分钟)相比拟，根本不可能对其施加有效的自动控制。
以下结合附
图1～3，进一步阐述本实用新型提出的用于获得调制红外全波谱输出的双闭环自动反馈调节原理和采用的技术方案。
图1为调制红外全波发生器装置的原理框图。
图2为调制红外全波发生器装置的电原理图。
图3为调制红外全波发生器装置一个实施例的外形结构图。
在附图中，相同的部件用相同的标号来标记。
参看图1所示的原理框图。集成低压直流电源(1)系标准电路，主要由单片三端电压调整器组件(如LM341－15)构成，它提供稳定的DC电压(＋15V)输出，最大输出电流为0.5A，对机内其他电路供电。定时控制器(2)也是标准电路，采用单片集成定时器(如5G1555)设计，其定时时间由外接阻容元件确定，根据需要可设定为10分钟至约1小时。在定时控制时间内，由晶体管构成的电子开关(3)接通，于是＋15V电源对脉宽调制器(6)加载，并使其处于启动运用状态。脉宽调制器(6)系采用单片集成可调脉宽调制器功能块电路(如LM3524、TL494CN、MC34060P)设计。现以LM3524为例说明脉宽调制原理。LM3524型集成脉宽调制器系包含丰富功能的单片集成电路，它的内部包含能向外电路输出50mA的5V电压调整器、误差放大器、振荡器、脉宽调制器、相位分离触发器、交变输出开关晶体管对、限流电路和关闭电路。脉宽调制器(6)输出的脉宽调制脉冲加到功率放大器(7)的输入端，其平均导通电流的大小取决于输入脉宽调制脉冲的占空比η(η＝tw／Tp，tw是脉冲宽度，Tp是脉冲周期)。若Tp不变，导通电流随η，也就是随tw增加。借助由负电阻温度系数的热敏电阻构成的温度信息传感器(8)，将一与功率放大器器件管壳温度变化(实际上也反映了功率放大器(7)导通电流的变化)相应的电压变化反馈到脉宽调制器(6)的调制输入端，从而形成由脉宽调制器(6)、功率放大器(7)和温度信息传感器(8)构成的第一闭环反馈网络。功率放大器(7)的导通电流愈大、放大器器件的管壳温度愈高、温度信息传感器(8)所含热敏电阻的阻值越低，于是反馈到脉宽调制器(6)调制输入端的DC电压也越低，这将导致脉宽调制器(6)输出脉冲宽度的变窄(即η变小)，并进而使功率放大器(7)的导通电流降低。由于这种自动闭环调节作用，可以有效地防止功率放大器(7)输出电流过载。
由光电隔离固态继电器(4)、桥式整流和滤波器(5)、功率放大器(7)、电流和温度信息传感器(8)、集成电压比较器(10)，构成第二个自动反馈网络。在正常运行期间(即功率放大器(7)的导通电流低于允许极值)，光电继电器(4)接通，AC 220V输入电压经桥式整流和滤波器(5)后，得到约＋300V的直流电压，该电压对功率放大器(7)供电。不论由于何种原因，只要功率放大器(7)的导通电流过大并超过允许极值时，从电流和温度信息传感器(8)所含取样电阻流过的电流，将在取样电阻上产生足够大的电压降，从而使集成电压比较器(10)状态翻转，进而关断光电继电器(4)，并切断功率放大器(7)的DC供电电压(＋300V)，因而能确保功率放大器(7)的安全可靠运用。一旦功率放大器(7)的导通电流降至正常允许值，电流取样电阻上的压降也随之减小，集成电压比较器(10)又恢复常态，其输出端也恢复到高电位，并使光电继电器(4)接通，于是桥式整流和滤波器(5)又恢复对功率放大器(7)的直流供电，进入正常运行状态。由此可见，采用双闭环自动反馈调节技术，将大大提高功率放大器(7)的可靠性。
本实用新型所述的功率放大器(7)，因采用电感负载并处理5～8A的脉冲电流，为防止开关期间电感引起的瞬态尖峰电压使器件损坏，所用功率放大器器件必须选用击穿电压高达交流输入电压(110V或220V)5倍以上的管子。如对于110V交流输入，应选择击穿电压高于600V的管子；对于220V交流输入，应选击穿电压高于1100V的管子。由于VDMOS和IGBT(绝缘栅双极晶体管)具有输入阻抗高、驱动电路简单(可直接由集成脉宽调制器驱动)、开关速度快和安全工作区大的优点，本实用新型所述功率放大器(7)必须由这两种器件构成(比如VDMOSMTM6N60、MTM3N80、MTM15N50；IGBT09782XDB、PU304)。这两种器件还非常容易实现并联(以提高电流容量)或串联(以提高耐压能力)运用，以弥补单个器件性能的不足。
红外能量辐射盘(9)是由简单工艺处理(表面喷砂或黑化)后的不锈钢圆盘(D＝18cm)构成，其全波辐射率值为0.8～0.9(2～20μm)。其厚度为0.2～0.4mm，若厚度超过此值，将增大热响应时间，对自动控制不利。功率放大器(7)输出的高频(50～120KHz)调宽矩形脉冲电流的峰值为5～8A，这样大的脉冲电流，将在辐射盘(9)内激发涡流，使辐射盘(9)的温度迅速上升，其所能达到的温度，将由脉宽调制器(6)的输出脉冲的占空比所决定，而后者又可由调制电压连续调节。
由于辐射盘(9)具有接近理想黑体的特性，如上所述，其辐射的峰值波长和总辐射功率完全由温度决定。必须强调指出的是，在任一温度下，除峰值波长辐射外，在其两侧均有辐射。在20～700℃范围内辐射峰值波长已覆盖近－中－远红外全波段。
图2是调制红外全波发生器装置的一个实施例的电原理图。交流220V输入电压分成两路一路经变压器降压以及整流滤波后加到IC1(LM341－15)的输入端，从其输出端得到稳定的＋15V DC电压输出。该电压是集成定时器IC2(5G1555)、Q1和Q2组成的电子开关、集成脉宽调制器IC3(LM3524)和集成电压比较器IC4(LM3900)的供电电压；另一路则经光电隔离固态继电器(TAC型15A 220V)加至整流桥(D5～D8)。静态时(即定时器中的开关K断开时)，IC2的3端输出低电平，Q1和Q2截止，IC3的＋15V通路被切断，其12端输出低电平，Q3关闭，功率放大器无输出电流，红外能量辐射盘只有相应室温的弱辐射。当按下开关K后，定时器启动工作，其定时时间T1由外接电路元件(R1和C1)确定，T1≈R1C1。在此定时时间内，IC2的3端保持高电平，发光二极管D9发光，表明全机处于运行状态。Q1和Q2也在定时时间内导通，＋15V电源电压对IC3(LM3524)加载，使集成脉宽调制器启动运行，其输出方波脉冲频率或周期(T2)完全由外接电路元件R2和C2确定，T2≈R2C2。一旦R2、C2选定之后，T2将几乎与IC3的15端的输入电源电压及温度无关。引脚16为参考电压＋5V输出端，可供外电路应用。引脚1和2分别为IC3内部误差放大器的反相和同相输入端。R3～R5组成的电阻分压器，给同相输入端2设置一个阈值电压U1，U1可通过R4调整。具有负电阻温度系数的热敏电阻Rt，检测功率放大器器件的管壳温度变化。Q3的导通电流越大，管壳温度越高，Rt电阻越小，馈送到调制输入端(IC3的9脚)的电压越低，于是使引脚12的输出脉冲变窄(占空比η变小)，这又促使功率放大器器件Q3的导通电流减小，从而使管壳温度降低，实现过流自动保护。调节U1，可以预置IC3输出脉冲的最大宽度(或占空比)，实际上也就是预置功率放大器可能达到的最大导通电流。而功率放大器的最大输出电流又决定了红外能量辐射盘可能达到的最高温度。如前所述，随着温度升高，辐射峰值波长将向短波方向移动。调节U1，实际上就是调节最终红外能量辐射盘的辐射峰值波长和辐射功率。
功率放大器器件(Q3，VDMOS)的源极端接一个小阻值(几个Ω)的电流取样电阻R8，其上的压降－－取样电压U2加到集成电压比较器IC4(LM3900)的反相输入端，其同相输入端加的参考电压为U3(可由R9调节)。当U2＞U3时，IC4状态翻转，从其输出端得到的负跳变信号，使光电隔离固态继电器中的发光二极管D10关断，于是光电继电器关断并迅速切断功率放大器器件Q3的直流供电电压(＋300V)。取样电阻R8上的压降完全取决于Q3的导通电流，设允许的最大导通电流为Imax，则U2≈Imax.R8，一旦U2＞U3，Q3的供电电源立即切断，从而可靠保证Q3的导通电流不会超过预设值Imax。显然，调节R9就可以调整Imax的预设值。借助上述双闭环反馈调节网络，既可实现对输出红外波谱的脉冲调制，又能实现对温升和过电流的自动调节保护，从而使高压大电流脉冲装置的运用可靠性大为提高。
图3是本实用新型提出的全波发生器装置一个实施例的外形结构图。它将图2所示的大部份电路(不含功率放大器负载电感和红外辐射盘)组装在一个控制底座(12)内。功率放大器负载电感L和红外辐射盘(9)被安装在一个金属护罩(25)内。该护罩除保护内部元件外，还有防止高频电磁场向外泄漏以及使红外波谱能量定向辐射的功能。(11)为控制底座面板，上面安装有‘波长’和‘定时’等控制。(13)、(16)、(21)、(22)均为紧锁镙母，(14)、(15)、(20)、(23)均为杠杆活动支臂。(19)为可调整杠杆，其一端为平衡体(17)，另一端为包含红外辐射盘的护罩(25)，(18)为平衡体紧锁镙钉，(24)为护罩可动支臂，调节(13)、(16)、(21)、(22)四个紧锁镙母，很容易调整杠杆(19)的位置，因而使用十分方便。
概括地说，本实用新型提出的调制红外全波发生器装置，具有辐射功率大、波谱范围广且峰值波长可在红外全波段内调整、双闭环过流自动保护、发射体耐热冲击和热应变、无需涂层、无污染和使用寿命长等优点，可作为一种通用仪器，广泛应用于工农业、医疗卫生和保健、军事和科研等部门。
权利要求1.一种基于物理学中黑体辐射理论设计的调制红外全波发生器装置，它包括集成低压直流电源(1)、定时控制器(2)、电子开关(3)、双闭环自动反馈单元以及杠杆式定位机构，其特征在于双闭环自动反馈单元由光电隔离固态继电器(4)、桥式整流和滤波器(5)、脉宽调制器(6)、具有电感负载的功率放大器(7)、电流和温度信息传感器(8)、红外能量辐射盘(9)以及集成电压比较器(10)所构成；双闭环自动反馈单元所包含的上述电路形成两个重叠的闭环反馈网络由脉宽调制器(6)、具有电感负载的功率放大器(7)、电流和温度信息传感器(8)组成的第一闭环反馈网络，能自动调整功率放大器(7)的输出电流不致过载；由光电隔离固态继电器(4)、桥式整流和滤波器(5)、具有电感负载的功率放大器(7)电流和温度信息传感器(8)以及集成电压比较器(10)组成的第二闭环反馈网络，确保功率放大器(7)的导通电流达到最高允许值时，迅速切断功率放大器(7)的供电电源电压，因而借助这两个闭环电路网络的自动调节作用，可以保证功率放大器器件在高压大电流下的可靠运用；功率放大器(7)输出的高频电流在红外能量辐射盘(9)内激励旋波涡流，使红外辐射盘(9)的温度上升，从而产生所需要的调制红外全波谱能量。
2.根据权利要求1所述的调制红外全波发生器装置，其特征在于上述红外能量辐射盘(9)由直径为18～24cm和厚度为0.2～0.4mm的薄不锈钢圆盘构成。
3.根据权利要求1所述的调制红外全波发生器装置，其特征在于上述脉宽调制器(6)由单片集成电路构成。
4.根据权利要求1所述的调制红外全波发生器装置，其特征在于上述具有电感负载的功率放大器(7)由击穿电压至少5倍于工频交流输入电压和脉冲运用电流5～10A的VDMOS场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管(IGBT)所构成。
专利摘要一种基于物理学中黑体辐射理论设计的调制红外全波发生器装置，它包括集成低压直流电源、定时控制器、电子开关、双闭环自动反馈单元以及杠杆式定位机构。通过双闭环自动反馈调节，能有效保护红外波谱能量激励器件的可靠运用，并提供峰值辐射波长可调且覆盖红外全波谱范围的大功率红外线能量。借助杠杆式定位机构，很容易调整本装置使之具有落地式或台式机型。本装置可广泛应用于工农业、医疗、科研等一切需要可调红外波谱源的领域。
文档编号H05B6/04GK2147705SQ9320247
公开日1993年11月24日 申请日期1993年2月12日 优先权日1993年2月12日
发明者杨波, 陆明波 申请人:周旋, 杨波, 陆明波