衰蕩光腔溫度控制研究

曹 珂， 梁超群， 郭瑞民， 張桂春， 邢素霞， 趙玉祥(. 中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院， 北京 0009； . 北京工商大學(xué)， 北京 0488)

1 引 言

光腔衰蕩光譜(cavity ring-down spectroscopy, CRDS)技術(shù)是近些年迅速發(fā)展起來的一種氣體吸收光譜檢測(cè)技術(shù)[1～4]。其測(cè)量原理是將氣體樣品充入由兩塊高反射率反射鏡構(gòu)成的衰蕩光腔內(nèi)，探測(cè)光進(jìn)入腔體并與光腔模式形成共振，在兩個(gè)反射鏡間來回多次反射。切斷探測(cè)光后，光腔透射光的強(qiáng)度按指數(shù)衰減，通過測(cè)量其衰蕩時(shí)間可以計(jì)算腔內(nèi)氣體樣品的濃度。該技術(shù)不依賴于實(shí)物基準(zhǔn)而是基于氣體分子的吸收常數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并且由于其測(cè)量速度快、靈敏度高、量程大、穩(wěn)定性好、受光源強(qiáng)度和檢測(cè)系統(tǒng)噪聲的影響小、校準(zhǔn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是潛在的氣體成分測(cè)量基準(zhǔn)方法，具有很高的研究?jī)r(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景[5]。

在光腔衰蕩光譜測(cè)量系統(tǒng)中，隨著環(huán)境溫度發(fā)生變化，腔體材料會(huì)有不同程度的熱脹冷縮現(xiàn)象，高精細(xì)度衰蕩光腔的長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致腔長(zhǎng)失調(diào)，影響光斑模式[6,7]。因此，光腔衰蕩光譜測(cè)量系統(tǒng)需要一個(gè)溫度均勻且溫度變化率小的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

本文研制出一套帶有加熱裝置的控溫箱體，將光腔置于箱體內(nèi)部，利用有限元分析方法模擬控溫箱體內(nèi)部的溫度分布，并采用參數(shù)化掃描優(yōu)化加熱裝置的分布位置及功率大小，直至腔內(nèi)溫度分布均勻。設(shè)計(jì)硬件控制電路并開發(fā)相應(yīng)控制軟件，利用比例積分微分(proportion integration differentiation, PID)負(fù)反饋調(diào)節(jié)腔內(nèi)溫度。通過對(duì)衰蕩光腔溫度進(jìn)行精密控制,可以有效減小因腔體材料熱脹冷縮而導(dǎo)致的光腔長(zhǎng)度變化。

2 模型仿真

2.1 仿真過程

首先設(shè)計(jì)了控溫箱體的幾何模型，箱體為中間鏤空的長(zhǎng)方體，其長(zhǎng)寬高分別為1.2 m×0.22 m×0.22 m，各面厚度均為0.01 m，材料為鋁。衰蕩光腔放置于控溫箱內(nèi)部，在控溫箱內(nèi)壁分布有加熱片。裝配好的控溫箱體三維效果圖見圖1，為了直觀顯示衰蕩光腔在箱體中的位置，示意圖中隱藏了控溫箱體的部分邊界。

圖1 控溫箱體幾何模型Fig.1 Temperature control box geometric model

在對(duì)衰蕩光腔溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真運(yùn)算前，先根據(jù)實(shí)際的溫度場(chǎng)情況進(jìn)行熱源分析確定傳熱方式，計(jì)算并設(shè)置出傳熱模型的一系列邊界條件[8]。在本研究中，熱源是硅膠加熱片，熱傳導(dǎo)占主要部分，熱對(duì)流占次要位置。由于外界實(shí)驗(yàn)環(huán)境為24 ℃，光腔溫度需要控制在31 ℃，箱體內(nèi)部與外部溫差較大，而且箱體各表面由于位置不同，導(dǎo)致與空氣對(duì)流的傳熱系數(shù)也不同，因此需要對(duì)6個(gè)面分別確定邊界條件。

確定傳熱模式和邊界條件后，設(shè)置初始的加熱片功率，其中，4個(gè)側(cè)面內(nèi)壁上的加熱片功率相同，2個(gè)底面內(nèi)壁上的加熱片功率相同。利用有限元分析方法將模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格越小，后期的計(jì)算量越大，結(jié)果也將更加精確。本研究采用極端細(xì)化的模式將模型進(jìn)行劃分，模擬加熱片進(jìn)行加熱，計(jì)算后可以得到控溫箱體初步的溫度分布。

最后，采用參數(shù)化掃描的方式對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，該方法即按照設(shè)定的規(guī)律和參數(shù)范圍，將所有可能的組合均計(jì)算一遍，得出參數(shù)的最優(yōu)解。本研究中，需要優(yōu)化的參數(shù)有兩個(gè)：第一個(gè)參數(shù)是分布在4個(gè)側(cè)面上的加熱片功率；第二個(gè)參數(shù)是分布在2個(gè)底面上的加熱片功率與側(cè)面加熱片功率的比值。根據(jù)最初得到的溫度分布，分別確定兩個(gè)參數(shù)的掃描范圍和掃描步長(zhǎng)，計(jì)算出每一種組合的溫度分布情況，得到最優(yōu)化情況下控溫箱體內(nèi)壁6個(gè)面的加熱片的最理想功率，進(jìn)而得到理想的溫度分布。

2.2 仿真結(jié)果

通過上述模型的建立、有限元分析和參數(shù)化掃描，獲取到最優(yōu)化情況下加熱片的功率分布。箱體4個(gè)側(cè)面內(nèi)壁上分布的加熱片功率為9.096 5 W，2底面內(nèi)壁上的加熱片功率為側(cè)面功率的3/10，即2.729 0 W。根據(jù)仿真結(jié)果將加熱片功率設(shè)置為固定值，經(jīng)計(jì)算得到控溫箱體內(nèi)部的溫度分布，示意圖見圖2。

圖2 控溫箱體溫度分布示意圖Fig.2 Temperature control box temperature distribution diagram

由仿真得到的溫度分布圖可以看出:在整個(gè)箱體內(nèi)部，各點(diǎn)溫度最大值與最小值之差很小，僅為0.1 ℃，而在中間腔長(zhǎng)度方向上，即光腔的通光部分溫度分布顏色更為均勻，我們將通過進(jìn)一步的溫度點(diǎn)采樣判斷通光部分溫度分布的均勻性。

仿真的目標(biāo)是在中間腔長(zhǎng)度方向上(即通光方向上)溫度分布最大值與最小值的差別不超過3/1000。為此，在測(cè)試中，選取了中間腔X軸方向上等距分布的20個(gè)三維截點(diǎn)進(jìn)行溫度的測(cè)量，取樣模型如圖3(a)所示。利用探針測(cè)量每一個(gè)采樣點(diǎn)的溫度值，所得結(jié)果如圖3(b)所示。由圖可以看出:腔體的中間部分溫度稍稍高于腔體的兩端溫度，在所有的采樣點(diǎn)中，溫度最大值與最小值的差別僅為0.001 4 ℃，腔體的通光部分溫度分布均勻。

圖3 光腔溫度等距采樣Fig.3 Optical cavity isometric sampling temperature

3 溫度控制器的開發(fā)

根據(jù)仿真結(jié)果完成實(shí)際控溫箱體及加熱片的裝配加工。為了進(jìn)一步減小溫度的漂移，研究中自行研制了一臺(tái)溫度控制器，實(shí)時(shí)控制腔內(nèi)溫度，減小溫度的漂移。通過相應(yīng)硬件電路控制加熱片的加熱時(shí)間，實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流之間的平衡，保證腔內(nèi)溫度一直穩(wěn)定在設(shè)定溫度之上，然后開發(fā)相應(yīng)控制程序，將程序嵌入溫度控制器內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量及參數(shù)的自行整定。

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

控溫系統(tǒng)的主要目的是使得腔內(nèi)溫度一直穩(wěn)定在設(shè)定溫度之上[9]。本研究通過實(shí)時(shí)采集腔內(nèi)溫度，并計(jì)算出實(shí)時(shí)測(cè)量到的溫度值與目標(biāo)設(shè)定溫度值的偏差及其變化率，計(jì)算之后的結(jié)果作為誤差信號(hào)實(shí)時(shí)反饋給控制電路，控制模塊通過PID算法[10,11]來實(shí)現(xiàn)加熱驅(qū)動(dòng)電路的通斷，從而決定加熱片的加熱時(shí)間，保證腔內(nèi)溫度的穩(wěn)定性?？販叵到y(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖4，系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)包括溫度采樣模塊、控制模塊、驅(qū)動(dòng)電路模塊等。

圖4 控溫系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Temperature control system hardware structure diagram

溫度采樣電路負(fù)責(zé)從溫度傳感器采集數(shù)據(jù)，并完成模數(shù)轉(zhuǎn)換(AD)，為信號(hào)進(jìn)入控制模塊做準(zhǔn)備。由于衰蕩光腔對(duì)溫度的變化要求較高，本研究采用Fluke公司的5610-6電阻式熱敏電阻探頭作為溫度傳感器，能夠在較小溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確操作。研究中采用16位AD采集卡，為避免AD采集卡分流從而影響熱敏電阻探頭的電壓信號(hào)測(cè)量，實(shí)際電路中在電壓信號(hào)輸出與AD采集卡之前增加高輸入阻抗運(yùn)算放大電路。

控制模塊通過TCP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接受溫度采樣模塊AD采集卡傳送的數(shù)字信號(hào)，并將溫度信號(hào)進(jìn)行處理，利用PID算法控制加熱驅(qū)動(dòng)電路的通斷并計(jì)算加熱時(shí)間，從而使得衰蕩光腔控溫箱體內(nèi)的實(shí)際溫度能夠保持在設(shè)定溫度上。本研究中的控制模塊基于LJD-eWin5L開發(fā)板，LJD-eWin5L是一款基于Windows CE操作系統(tǒng)的控制平臺(tái)，擁有32位ARM920T高速處理器內(nèi)核，可用于設(shè)計(jì)控制平臺(tái)上的人機(jī)交互軟件。

驅(qū)動(dòng)電路模塊包含固態(tài)繼電器和光電隔離電路，當(dāng)光電模塊收到控制臺(tái)發(fā)來的信號(hào)而變成通態(tài)時(shí)，固態(tài)繼電器隨之轉(zhuǎn)換為通態(tài)，此時(shí)，加熱電路導(dǎo)通，硅膠加熱片開始加熱。光電隔離電路是本研究中是必不可少的一部分，而且其位置要在控制模塊WinCE控制平臺(tái)的輸出電路與控制加熱電路通斷的固態(tài)繼電器之間。如果沒有光電隔離電路，在固態(tài)繼電器虛短的情況下，24 V的電壓會(huì)直接連到WinCE控制平臺(tái)的輸出電路上，從而會(huì)導(dǎo)致控制模塊被燒壞。

經(jīng)過上述硬件電路的設(shè)計(jì)以及電路板的加工，最終形成完整的控溫硬件系統(tǒng)。

3.2 控制程序開發(fā)

在硬件設(shè)計(jì)加工完成后，我們需要開發(fā)相應(yīng)控制程序?qū)崿F(xiàn)硬件電路的實(shí)時(shí)控制。本研究控制程序是基于Visual Studio 2008 MFC 智能設(shè)備程序框架，主要包括TCP通訊模塊、控制主程序模塊、溫度采集模塊和PID算法控制4個(gè)部分。TCP通訊模塊用于實(shí)現(xiàn)AD采集卡與LJD-eWin5L控制臺(tái)的數(shù)據(jù)通過TCP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸；控制主程序模塊包括初始化、端口定義、鍵盤處理程序等部分，通過調(diào)動(dòng)各個(gè)子程序，完成溫度的測(cè)量和精確控制；溫度采集模塊用于實(shí)現(xiàn)溫度傳感器對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將測(cè)量值送入AD采集卡，由AD采集卡將信號(hào)處理后傳輸?shù)娇刂颇K；PID算法控制部分首先計(jì)算溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量到的溫度值與目標(biāo)設(shè)定溫度值的偏差及其變化率，再對(duì)變化率進(jìn)行模糊化處理，通過溫度變化曲線自行調(diào)整P、I、D的參數(shù)，從而控制加熱電路的通斷。

本部分研究開發(fā)出一臺(tái)實(shí)時(shí)調(diào)控腔內(nèi)溫度的溫度控制器，完成了溫控器硬件電路的設(shè)計(jì)加工及相應(yīng)控制程序的編寫，將控制程序?qū)胗布娐泛?，系統(tǒng)能夠自動(dòng)進(jìn)行溫度的測(cè)量及參數(shù)的整定。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究的目的是實(shí)時(shí)控制腔內(nèi)溫度，實(shí)現(xiàn)8 h內(nèi)光腔溫度變化標(biāo)準(zhǔn)差不超過0.01℃。通過上述的模型建立、仿真計(jì)算、溫度控制器的開發(fā)，形成了一套完整的高穩(wěn)定度衰蕩光腔溫度控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定腔內(nèi)溫度值為31 ℃，系統(tǒng)穩(wěn)定一段時(shí)間后，采用Labview軟件連續(xù)測(cè)量腔內(nèi)的溫度值變化，測(cè)量程序每2 s采集1個(gè)溫度數(shù)據(jù)，得到10 h內(nèi)的光腔溫度變化曲線，見圖5。

圖5 溫度變化曲線Fig.5 Temperature Change Curve

由溫度變化曲線可以看出:在0～3 000個(gè)點(diǎn)時(shí)，腔內(nèi)溫度先升高然后下降到31 ℃，系統(tǒng)沒有達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài);大約在第3 000個(gè)點(diǎn)時(shí)溫度逐漸穩(wěn)定在31 ℃并在31 ℃左右微小波動(dòng)，系統(tǒng)達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。提取出第3 000、第18 000個(gè)點(diǎn)的溫度值，并計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)差為0.009 812 ℃，由于Labview程序每2 s采集一個(gè)溫度數(shù)據(jù)，故采集15 000個(gè)溫度數(shù)據(jù)大約耗時(shí)8.3 h。因此，在采用本研究開發(fā)的溫度控制系統(tǒng)精密控制光腔溫度后，在連續(xù)8 h內(nèi)衰蕩光腔溫度變化標(biāo)準(zhǔn)差不超過0.01 ℃，溫度穩(wěn)定性達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)期。

本研究針對(duì)的衰蕩光腔長(zhǎng)度約為1 m，中間部分為80 cm的因瓦合金橫桿，兩端各有10 cm的304不銹鋼支柱。因瓦合金和304不銹鋼的熱膨脹系數(shù)分別為1.6×10-6℃-1和17.3×10-6℃-1。在沒有控溫系統(tǒng)的情況下，當(dāng)環(huán)境溫度升高1 ℃時(shí)，由因瓦合金部分熱膨脹所導(dǎo)致的腔長(zhǎng)變化Δl1為：

Δl1=1.6×10-6℃-1×0.8 m×1 ℃

=1.28×10-6m

由304不銹鋼部分導(dǎo)致的腔長(zhǎng)變化Δl2為：

Δl2=17.3×10-6℃-1×0.2 m×1 ℃

=3.46×10-6m

所以，當(dāng)腔體周圍環(huán)境溫度上升1 ℃時(shí)，整個(gè)腔長(zhǎng)改變?chǔ)為：

Δl=1.28×10-6m+3.46×10-6m

=4.74×10-6m

=4.74×103nm

采用本課題研制的溫度控制系統(tǒng)，光腔溫度變化不超過0.01 ℃，因此由于熱脹冷縮而導(dǎo)致的腔長(zhǎng)變化Δl′不超過：

Δl′ =1.6×10-6℃-1×0.8 m×0.01 ℃+

17.3×10-6℃-1×0.2 m×0.01 ℃

=4.74×10-8m

=47.4 nm

由上述結(jié)果可以看出:采用溫度控制系統(tǒng)減小光腔內(nèi)部溫度變化后，有效地減小了因腔體材料熱脹冷縮而導(dǎo)致的光腔長(zhǎng)度變化，為光腔衰蕩光譜實(shí)現(xiàn)提供了一個(gè)長(zhǎng)度相對(duì)穩(wěn)定的衰蕩光腔。

5 結(jié) 論

本課題研制出一套衰蕩光腔溫度控制系統(tǒng)，研究中先后完成了控溫箱體模型建立、內(nèi)部溫度場(chǎng)仿真、箱體加工和溫度控制器的研發(fā)等工作。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，衰蕩光腔通光部分溫度最大值與最小值之差僅為0.001 4 ℃?？販叵到y(tǒng)穩(wěn)定工作狀態(tài)下，測(cè)量的8 h內(nèi)光腔溫度變化標(biāo)準(zhǔn)差不超過0.01 ℃，實(shí)現(xiàn)1 m長(zhǎng)衰蕩光腔由于熱脹冷縮導(dǎo)致的長(zhǎng)度變化不超過47.4 nm，為光腔衰蕩光譜實(shí)驗(yàn)提供了一個(gè)長(zhǎng)度相對(duì)穩(wěn)定的衰蕩光腔。

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