1）簡介
SLICE-QTC溫度控制器是Vescent Photonics研發(fā)的新品，在錐形放大器、二極管控溫、TEC或加熱薄膜亞mK級別控溫等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
它擁有四個獨(dú)立的PID伺服回路濾波通道，可以同時(shí)控制多達(dá)四個熱負(fù)載，在長時(shí)間內(nèi)始終保持著亞mK級別的高穩(wěn)定性。每個通道提供20W的功率(總共多分配40W)。本文以客戶實(shí)際使用SLICE-QTC單通道基于加熱薄膜穩(wěn)定大型熱負(fù)載為例，展示它伺服回路的能力。
2)實(shí)驗(yàn)
本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)大型熱負(fù)載是尺寸為15cm×30cm×2cm的光學(xué)面包板，其表層與加熱薄膜接觸處填涂有導(dǎo)熱膠。熱敏傳感器采用熱敏電阻(Beta= 3450, R= 26.5 kQ at 23C)。裝配關(guān)系如圖1所示，加熱薄膜由如圖2所示的SLICE-QTC溫度控制器控制。為了獲得穩(wěn)定的溫度變化，必須將熱負(fù)載及加熱薄膜與周圍環(huán)境隔離。因此，它整體被包裹在3層3mm厚的聚乙烯泡沫中。
圖1 熱負(fù)載與加熱薄膜裝配關(guān)系 圖2 SLICE-QTC溫度控制器
SLICE-QTC使用PID數(shù)字連續(xù)波環(huán)路濾波器(非脈寬調(diào)制)處理溫度誤差信號，基于比例、積分和微分增益原理，使用Ziegler-Nichols方法確定*環(huán)路參數(shù)為Gprop=6, PI=18.7, PD =4.68。
在室溫22.3℃的情況下，設(shè)定被控溫度為27.5°C，伺服回路初執(zhí)行大約400 mA的電流來使得溫度到達(dá)設(shè)定值。從回路初始溫度22.3℃控溫開始到27.5℃穩(wěn)定所需時(shí)間大約為185 s。由于加熱器內(nèi)部為50Ω的高電阻，則勵磁涌流受到了SLICE-QTC大順應(yīng)電壓20V的限制，因此如果的電阻加熱器的阻值更低，則會表現(xiàn)出更快的穩(wěn)定時(shí)間。如圖3所示，展示了SLICE-QTC自開始波動至穩(wěn)定時(shí)的屏顯溫度誤差隨時(shí)間變化的圖像。
圖3 穩(wěn)定過程-溫度誤差隨時(shí)間的函數(shù)關(guān)系
如圖4所示，在穩(wěn)定狀態(tài)下，PID回路使得熱負(fù)載的溫度RMS偏差為0.33mK。4小時(shí)內(nèi)的穩(wěn)定性是相同的。
圖4 穩(wěn)定后-溫度誤差隨時(shí)間的函數(shù)關(guān)系
3）總結(jié)
為了獲得更好的熱穩(wěn)定性，加熱薄膜與負(fù)載的設(shè)計(jì)方案是極其重要的。例如，為了加熱薄膜免受環(huán)境溫度波動的影響。如果沒有聚乙烯做包裹，則上方的氣流可能使得控溫穩(wěn)定性降低。因此主要的設(shè)計(jì)考慮包括:
1. 適當(dāng)使用絕緣材料，如聚乙烯泡沫等。
2. 選擇合適的傳感器，盡可能接近熱負(fù)載并保持良好的熱接觸。
3. 讓加熱薄膜的尺寸盡可能的小。
4. 保持環(huán)境溫度盡可能穩(wěn)定。
7. 避免接地回路，屏蔽連接電纜，傳感器連接使用高質(zhì)量箔屏蔽導(dǎo)線。
8. 使用低電阻加熱器和TEC來避免電壓限制傳感器，確保足夠的電流和功率傳送到SLICE-QTC通道。
本案例以電阻式加熱薄膜作為加熱器，熱敏電阻作為傳感器，使用SLICE-QTC作為伺服回路濾波器溫控器，對熱負(fù)載進(jìn)行溫度穩(wěn)定。在0.33 mK的溫度誤差范圍內(nèi)，采用閉環(huán)均方根RMS偏差穩(wěn)定負(fù)載，應(yīng)該注意的是，整個負(fù)載必須擁有合適的溫度絕緣。SLICE-QTC可以控制多達(dá)四個獨(dú)立的溫度循環(huán)。在更多的實(shí)驗(yàn)中，可以使用TEC作為被控設(shè)備，在-20°C到+140°C范圍內(nèi)同樣獲得了在亞mK級別的溫度穩(wěn)定性。
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