专利名称：一种用于控制光学晶体温度的高温温度控制仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种温度控制仪，具体是用于非线性晶体在使用过程中控制其工作温度的高温温度控制仪。
背景技术：
非线性光学过程是一种扩大激光器的应用范围和扩展现有激光源频率范围的有效技术，已经被广泛应用在谐波产生和参量过程等光学系统中。对于给定的波长和非线性材料，非线性过程的效率在很大程度上取决于相位匹配程度，当相位失配量等于零时，即在精确相位匹配温度下，非线性过程的效率最高。一般用两种方法实现相位匹配——临界相位匹配技术和非临界相位匹配技术，非临界相位匹配技术就是通过改变非线性晶体的温度使非线性过程满足相位匹配条件。为满足相位匹配条件，非线性晶体有时工作在远高于常温的水平，而且相位匹配的程度主要取决于晶体温度点的选取和晶体的温度控制精度。这种温度控制仪的制作成为提高非线性光学过程效率的一个重要环节。因而设计一种能精确调整晶体工作点温度和有效防止晶体损坏的高温温度控制仪是非常必要的。
在现有技术中有用温度传感器AD590制作的温度控制仪，[见在论文“高精度半导体激光二极管温度控制系统”罗忠生，张美敦，何运锋，孔祥瑞《半导体光电》2，115-119(1999)]。在其温度控制过程中采用了精密电源和积分释放电路，但是在利用半导体制冷块作为控制元件的温度控制装置中，半导体制冷块不能承受长时间的高温。因此，它不适合在高温温度控制系统中使用。
在现有技术中有用三个差分放大电路和两只场效应管构成的电流放大控制电路制作的温度控制仪，[见在专利ZL01105811.0中]。可以实现快速、高精度制冷。但是不适合用在高温温度控制装置中。在高温晶体炉升温过程中，晶体炉向周围环境散热的速度随它与周围环境温差的增大而增大，在前面的温度控制电路中，控制电流取决于设置温度点的被控制体温度的差值，差值越大，控制电流越大，反之亦然。这就引起一对矛盾晶体炉在低温时，升温过快，急剧的温度变化会使晶体因热胀冷缩而损坏；在高温时，升温过慢，甚至不升温，不能实现有效控制。因此，也不适用于高温温度控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够精确设定工作点温度、升温过程准匀速、并带有过热自动保护的用于控制非线性晶体温度的高温温度控制仪。
本发明的技术解决方案如下一种用于控制非线性晶体温度的高温温度控制仪，由温度控制装置1、炉温升速控制装置2、炉温过热保护装置3、晶体炉4和共集放大电路5组成，其特征在于温度控制装置1中pid控制单元10的两个输入分别与温度设定单元8、温度取样单元9的输出连接；位于晶体炉4内的温度传感器Rt1与温度取样单元9的输入相连；pid控制单元10经炉温升速控制装置2控制后与共集放大电路5的输入端连接，共集放大电路5的输出端与晶体炉4中的加热装置17连接；所述的温度控制装置1中的温度取样单元9的输出还与炉温升速控制装置2和过热保护装置3的输入连接，温度控制装置1中的pid控制单元10的输出与炉温升速控制装置2的输出连接，过热保护装置3的输出与pid控制单元10的输出连接。
温度设定单元8中的上限电位器R1和下限电位器R2的中心抽头分别通过正向电压跟随器6、7与精确设定电位器R3的两个端子相连，精确设定电位器R3的中心抽头与pid控制单元10相连。
炉温升速控制装置2中有两个比较电路13、14，比较电路13的正向输入与温度取样单元9的输出连接，温度区间电位器R6的输出与比较电路13的负向输入连接，比较电路14的负向输入与温度取样单元9的输出连接，温度区间电位器R6的输出与比较电路14的正向输入连接，比较电路13的输出与电子开关11的控制端子连接，比较电路14的输出与电子开关12的控制端子连接，pid控制单元10的输出和它经一组电阻R4、R5分压后得到的信号端G分别与电子开关11、12的输入引脚相连，电子开关11、12的输出引脚同时与共集放大电路5的输入端连接，比较电路13、14的输入分别与温度区间电位器R6与温度取样单元9的输出相连。
炉温过热保护装置3中的比较电路15的正向输入与过热保护电位器R7的中心抽头通过电阻连接，比较电路15的反向输入与温度取样单元9的输出连接，比较电路15的输出经电阻与晶体三极管16的基极相连，晶体三极管16的集电极与电子开关11、12的输出引脚连接，同时和共集放大电路5的输入相连，晶体三极管16的发射极接地。
共集放大电路5为两个晶体三极管共集电极连接组成的达灵顿管。
正向电压跟随器6、7均是由运算放大器构成。
比较电路13、14、15均是由运算放大器构成。
本发明用于控制光学晶体温度的高温温度控制仪与背景技术相比有以下有益效果1.炉温升速控制单元保证了晶体炉的升温过程能够准匀速、安全、快速完成。
2.炉温过热保护单元克服了炉温过高可能引起的被控制晶体、保温层、绝缘材料、加热装置的损坏。
3.温度设定单元采用了桥式电路，解决了温度控制仪在很宽温度范围内工作时设定点的精度问题。
本发明用于控制光学晶体温度的高温温度控制仪实现了设置点精度高、升温过程准匀速、并带有自动保护电路的高温温度控制仪。
图1是本发明用于控制光学晶体温度的高温温度控制仪的原理框图；图2是本发明用于控制光学晶体温度的高温温度控制仪线路示意图；图3是本发明中使用的pid控制单元10的电路图。
具体实施例方式
本发明高温温度控制仪的具体结构，如图2所示。它包含五个可调的置于机壳上的电位器，上限电位器R1、下限电位器R2、精确设定电位器R3、温度区间电位器R6和过热保护电位器R7。在高温温度控制仪中，为了满足各种晶体和匹配对工作温度的需求，需要温度控制仪在很宽温度范围内精确设定工作点的温度，而一般电位器的调节范围有限，不能同时满足宽范围和高精度两个要求。为了解决上述问题，我们设计了桥式温度设定电路，上限电位器R1的中心抽头通过正向电压跟随器6得到的电压值A接精确设定电位器R3的一个端子，下限电位器R2的中心抽头通过正向电压跟随器7得到的电压值B接精确设定电位器R3的另一个端子，精确设定电位器R3的中心抽头分压得到的值C接pid控制单元10的正向输入端，温度取样电路9如图2所示是由温度传感器Rt1和一个电阻串联构成的。在设定工作点温度时，我们首先调节上限电位器R1得到稍高于目标温度点的电压值A，然后调节下限电位器R2得到稍低于目标温度点的电压值B，最后利用精确设定电位器R3在A和B决定的小区间内微调到目标温度点的电压值C。经电阻和温度传感器Rt1分压得到的值L接pid控制单元10的负向输入端，温度传感器Rt1采用负温度系数的热敏电阻，当被控晶体炉4的实际温度值低于设定温度值时，电压值C大于电压值L，pid控制单元10的输出值F较大，F经共集放大电路5供给加热装置17的信号I较大，被控晶体炉4升温。当被控晶体炉4的实际温度值高于设定温度值时，电压值C小于电压值L，pid控制单元10的输出值F较小，F经共集放大电路5供给加热装置17的信号I较小，被控晶体炉4降温。
炉温升速控制装置2用来控制晶体炉4以准匀速过程升温。在晶体炉温度升高过程中，升温的快慢由加热量和散热量的差值决定。加热的快慢由供给加热装置17的电流大小决定，低温时，pid控制单元10供给加热装置17的电流较大，加热速度较快，温度越高，加热速度越慢。散热的快慢与晶体炉自身的温度有关，温度越高，散热越快。这就引发一对矛盾，当设定电路参数使晶体炉在低温区以晶体能承受的速度升温时，晶体炉在高温区升温较慢，甚至不能升高到设定温度。当设定电路参数使晶体炉4在高温区以可以接受的速度升温时，晶体炉4在低温区升温过快，超过晶体能承受的热胀冷缩限度而损伤晶体。为了解决这个矛盾，我们设计了炉温升速控制装置2。炉温升速控制装置2如图2所示由电阻、电位器、比较电路和电子开关构成。当温度区间电位器R6设定后，反映预置的温度电压值J接比较电路13的正向输入端和比较电路14的反向输入端，反映实际温度的输出值L接比较电路13的负向输入端和比较电路14的正向输入端，按上述过程比较电路13、14总是处于一个输出高电平、另一个输出低电平的工作状态，当温度较低时，比较电路14的输出值E为高电平，电子开关12导通，电子开关11断开，把较小的信号G接入共集放大电路5，降低低温区的升温速度，防止晶体损坏。当温度较高时，比较电路13的输出值D为高电平，电子开关11导通，电子开关12断开，把较大的信号F接入共集放大电路5，提高高温区的升温速度，使升温过程快速完成。
在一些不可预料的情形引起晶体炉4温度超过一定值时，过热保护装置3启动，用来防止温度过高对光学元件和晶体炉4本身的损坏。过热保护装置如图2所示由电位器、比较电路和晶体三极管构成。当过热保护电位器R7设定后，反映预置的温度电压值K接比较电路15的正向输入端，反映实际温度的输出值L接比较电路15的负向输入端，比较电路15的输出端经电阻接晶体三极管16的基极，晶体三极管16的集电极接共集放大电路5的输入，发射极接地。当被控晶体炉4的温度低于过热保护电位器R7的设定时，比较电路15输出低电平，晶体三极管15截至，信号H推动共集放大电路5正常工作，温度控制仪处于温度控制状态。当被控晶体炉4的温度高于过热保护电位器R7的设定时，比较电路15输出高电平，晶体三极管15导通，信号H为低电平，共集放大电路5截至，加热装置17停止工作，晶体炉4温度下降，起到过热保护作用。
调节上限电位器R1得到稍高于目标温度点的电压值A，然后调节下限电位器R2得到稍低于目标温度点的电压值B，最后利用精确设定电位器R3在A和B决定的小区间内微调到目标温度点的电压值C；当温度区间电位器R6设定后，反映预置的温度电压值B输入比较电路13的正向输入端和比较电路14的负向输入端，反映实际温度的输出值A输入比较电路13的负向输入端和比较电路14的正向输入端。按上述过程比较电路13、14总是处于一个输出高电平、另一个输出低电平的工作状态，由比较电路13、14的输出值D、E来控制电子开关11、12的工作状态，以选用大小不同的信号F、G送入加热装置17；当过热保护电位器R7设定后，反映预置的温度电压值C与反映实际温度的输出值A送入比较电路15，比较电路15的输出决定晶体三极管16的通断，当晶体三极管16导通时，集射极的电压降H为低电平，不足以推动共集放大电路5工作，供给加热装置17的电流为零，晶体炉4温度下降，起到过热保护作用，当晶体三极管16截止时，集射极的电压降H为高电平，共集放大电路5正常工作。
本发明采用的元器件，其中温度取样单元9中温度传感器采用欧时电子元器件公司提供的负温度系数的热敏电阻B57550G0104，常温时的阻值为100KΩ。比较电路所用的运算放大器均采用LM358，电压跟随器所用的运算放大器采用LM358，晶体三极管16采用9013，共集放大电路5由两个型号为9013和D1047晶体三极管共集电极连接组成的达灵顿管充当，电子开关的型号为CD4066，电位器均采用墨西哥生产的BOURNS 3590S-2-10，最大可调节10圈。Pid控制单元10采用在一般温度控制时经常使用的电路，具体电路图如图3所示。Pid控制单元10由差分输入电路18和Pid电路19组成，温度设定单元8的输出信号C和温度取样单元9的输出信号L分别从差分输入电路18的负向输入端和正向输入端输入差分输入电路18，差分输入电路18的输出与Pid电路19的输入端连接，Pid电路19的输出端就是Pid控制单元10的输出端。
用上面所述的元器件我们制作了一台高温温度控制仪样机，并对它的性能测量如下本发明温度控制仪的控制精度为0.05℃，对内腔倍频激光器的倍频晶体LBO进行温度控制，在倍频1064nm激光时，晶体工作点的温度为148℃。温度设定值可以精确到0.01℃。炉温升速控制单元2的温度区间分割点设为110℃时，温度值安全地上升到预定工作点，接着我们测试了炉温过热保护单元3的性能，设定160℃为警戒温度。我们调高设定温度值到170℃，当炉体温度超过警戒温度时，炉温过热保护单元3切断温度控制单元对晶体炉的控制，晶体炉温度开始下降，有效的保护了晶体和晶体炉。可有效延长晶体的使用寿命。
本发明通过公开的几种电路的设计，解决了温度控制电路在控制高温时出现的一些问题和对特殊光学晶体采取了特殊的保护措施。采用不同的电路元件和电路参数，可实现不同的
权利要求
1.一种用于控制非线性晶体温度的高温温度控制仪，由温度控制装置(1)、炉温升速控制装置(2)、炉温过热保护装置(3)、晶体炉(4)和共集放大电路(5)组成，其特征在于温度控制装置(1)中pid控制单元(10)的两个输入分别与温度设定单元(8)、温度取样单元(9)的输出连接；位于晶体炉(4)内的温度传感器Rt1与温度取样单元(9)的输入相连；pid控制单元(10)经炉温升速控制装置(2)控制后与共集放大电路(5)的输入端连接，共集放大电路(5)的输出端与晶体炉(4)中的加热装置(17)连接；所述的温度控制装置(1)中的温度取样单元(9)的输出还与炉温升速控制装置(2)和过热保护装置(3)的输入连接，温度控制装置(1)中的pid控制单元(10)的输出与炉温升速控制装置(2)的输出连接，过热保护装置(3)的输出与pid控制单元(10)的输出连接。
2.根据权利要求1所述的用于控制光学晶体温度的高温温度控制仪，其特征在于所述的温度设定单元(8)中的上限电位器R1和下限电位器R2的中心抽头分别通过正向电压跟随器(6)、(7)与精确设定电位器R3的两个端子相连，精确设定电位器R3的中心抽头与pid控制单元(10)相连。
3.根据权利要求1所述的用于控制光学晶体温度的高温温度控制仪，其特征在于炉温升速控制装置(2)中有两个比较电路(13)、(14)，比较电路(13)的正向输入与温度取样单元(9)的输出连接，温度区间电位器R6的输出与比较电路(13)的负向输入连接，比较电路(14)的负向输入与温度取样单元(9)的输出连接，温度区间电位器R6的输出与比较电路(14)的正向输入连接，比较电路(13)的输出与电子开关(11)的控制端子连接，比较电路(14)的输出与电子开关(12)的控制端子连接，pid控制单元(10)的输出和它经一组电阻R4、R5分压后得到的信号端G分别与电子开关(11)、(12)的输入引脚相连，电子开关(11)、(12)的输出引脚同时与共集放大电路(5)的输入端连接，比较电路(13)、(14)的输入分别与温度区间电位器R6与温度取样单元(9)的输出相连。
4.根据权利要求1所述的用于控制光学晶体温度的高温温度控制仪，其特征在于所述的炉温过热保护装置(3)中的比较电路(15)的正向输入与过热保护电位器R7的中心抽头通过电阻连接，比较电路(15)的反向输入与温度取样单元(9)的输出连接，比较电路(15)的输出经电阻与晶体三极管(16)的基极相连，晶体三极管(16)的集电极与电子开关(11)、(12)的输出引脚连接，同时和共集放大电路(5)的输入相连，晶体三极管(16)的发射极接地。
5.根据权利要求1所述的用于控制光学晶体温度的高温温度控制仪，其特征在于所述的共集放大电路(5)为两个晶体三极管共集电极连接组成的达灵顿管。
6.根据权利要求2中所述的用于控制光学晶体温度的高温温度控制仪，其特征在于正向电压跟随器(6)、(7)均是由运算放大器构成。
7.根据权利要求3和4所述的用于控制光学晶体温度的高温温度控制仪，其特征在于所述的比较电路(13)、(14)、(15)均是由运算放大器构成。
全文摘要
一种用于控制非线性晶体温度的高温温度控制仪，属于温度控制仪技术领域，它由温度控制装置(1)、炉温升速控制装置(2)、炉温过热保护装置(3)、晶体炉(4)和共集放大电路(5)组成；本发明具有精确设定工作点温度、升温过程准匀速、并带有过热自动保护电路等特点，实现了设置点精度高、升温过程准匀速、并带有自动保护电路的高温温度控制仪。
文档编号G05D23/20GK1866149SQ200610012830
公开日2006年11月22日 申请日期2006年6月13日 优先权日2006年6月13日
发明者郑耀辉, 卢华东, 李凤琴, 张宽收, 王尚廉, 王文哲, 彭堃墀 申请人:山西大学