專利名稱：調(diào)制紅外全波發(fā)生器裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種調(diào)制紅外全波發(fā)生器裝置。
眾所周知，紅外波譜源在工農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、軍事及科研等部門具有十分廣泛的應用。
例如，在工業(yè)上可利用紅外線加熱和干燥，在農(nóng)業(yè)中利用紅外線育種，在醫(yī)學領域利用紅外線診斷、治療和消毒，在軍事和科研部門則利用紅外波譜源探測目標或進行紅外元器件與材料的性能研究和應用開發(fā)。
市場上雖然有一些紅外波譜源產(chǎn)品可資利用，但它們大都是為某種特定目的而設計的，其應用面窄，而且由于它們采用了大致相同的紅外波譜能量產(chǎn)生方法(我們稱之為傳統(tǒng)方法)，具有某些固有的缺點，因而不能滿足對一個現(xiàn)代化高可靠運用紅外波譜源的需求。
傳統(tǒng)的紅外波譜能量產(chǎn)生方法概述如下在普通絕緣材料的陶瓷基體上，敷以用高溫固溶法形成的導電層(導熱層)并引出一對電極，然后再在導電層外敷涂氧化物為主構成的紅外涂層(也可以將紅外涂層與陶瓷絕緣基體燒結一起)，當對導電層通電時，就可以獲得一定波譜范圍的紅外輻射能量(徐懷平《遠紅外加熱技術》河北人民出版社1979)。
這種傳統(tǒng)紅外波譜能量產(chǎn)生方法已沿用數(shù)十年，至今無實質(zhì)性改進。傳統(tǒng)方法的固有缺點和局限性如下①機械性能差，容易破損；②可加工性差，不易獲得圓盤狀結構(大多為條板式或圓管式)；③有效輻射面積小、輻射功率低；④輻射波譜范圍較窄，且不易調(diào)整；⑤熱響應時間長，難以實現(xiàn)自動化；⑥導電層電阻不均勻，承受熱沖擊和熱應變能力差，使用壽命短；⑦輻射效率受涂層強烈影響，并且不能從根本上杜絕有害物質(zhì)的泄漏污染。
本實用新型的目的，是基于物理學中的黑體輻射理論(張幼文《紅外光學工程》上海科學技術出版社1982)，設計一種直接采用金屬合金體作為輻射源的紅外全波譜發(fā)生器裝置，它不僅克服了上述傳統(tǒng)方法的所有缺點和局限性，而且因其采用了本實用新型提出的雙閉環(huán)自動反饋調(diào)節(jié)技術，能可靠地產(chǎn)生峰值波長可調(diào)且覆蓋紅外全波譜范圍的紅外線能量，從而使本裝置能夠作為一種通用型儀器適合于多方面的應用。
適當選擇的金屬合金材料(如鑄鐵、粗糙平面鋼、Ni－Cr合金鋼和不銹鋼等)，經(jīng)簡單工藝處理(如噴砂表面粗糙處理、高溫黑化處理等)后，在很寬的波段范圍(2～20μm)內(nèi)，具有較高且均勻的輻射率值(ε＝0.8～0.9)。上述波段范圍已涵蓋紅外全波譜輻射即近紅外(0.76～3μm)、中紅外(3～6μm)和遠紅外(≥6μm)。可用物理學中的黑體輻射理論來近似描述上述金屬合金體構成的輻射盤的特性①輻射本領RT(即單位表面積的輻射功率)與絕對溫度T的四次方成正比，即RT＝εσT4(1)式(1)中的σ＝5.67×10－2W／cm2.K4。對于保守的計算，不銹鋼材料的ε值可取下限值0.8。
②輻射峰值波長λm與絕對溫度T成反比，即λmT＝b(2)式(2)中的b＝2898μm.K。
根據(jù)式(1)與(2)，可以計算出任一溫度下面積為S(S＝1／4πD2，D是不銹鋼圓盤直徑，為18cm)的輻射盤的總輻射功率P＝SεσT4和輻射峰值波長λm，如表1和表2所示。這些數(shù)據(jù)是設計本實用新型所述紅外全波發(fā)生器裝置的重要依據(jù)。
表1 輻射總功率P隨溫度的變化------------------------------------------------------------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 輻射峰值波長λm隨溫度的變化------------------------------------------------------------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的計算數(shù)據(jù)表明，對于全波輻射率值較高(ε≥0.8)的金屬合金材料(如不銹鋼)，選取適當大小的輻射面積(直徑為18cm的圓盤)，在不太高的溫度(約700℃)下，就能獲得超過千瓦的輻射功率。
由于金屬合金(如不銹鋼)是優(yōu)良導電(熱)體，其熱響應時間(數(shù)秒鐘或更短)遠短于絕緣陶瓷體的熱響應時間(幾分鐘或更長)。金屬合金材料的可加工性、機械強度、耐受熱沖擊和熱應變的能力，也遠勝于絕緣陶瓷體。此外，如前所述，只需簡單工藝處理，而無需增加紅外涂層，不銹鋼就具有很高且均勻的輻射率值，這樣不但使金屬合金輻射盤的制作更為簡單，而且可避免因制作紅外涂層可能造成的一切化學污染。
特別要強調(diào)說明的是，由于金屬合金體具有極短的熱響應時間，可以通過閉環(huán)反饋網(wǎng)絡調(diào)節(jié)紅外輻射盤的電激勵條件，進而達到自動改變紅外輻射峰值波長與能量強度之目的，從而使紅外波譜源的自動控制成為可能。而對于具有較長熱響應時間的陶瓷紅外輻射體，因其熱響應時間(幾分鐘至十幾分鐘)已可與正常運用時間(幾十分鐘)相比擬，根本不可能對其施加有效的自動控制。
以下結合附

圖1～3，進一步闡述本實用新型提出的用于獲得調(diào)制紅外全波譜輸出的雙閉環(huán)自動反饋調(diào)節(jié)原理和采用的技術方案。
圖1為調(diào)制紅外全波發(fā)生器裝置的原理框圖。
圖2為調(diào)制紅外全波發(fā)生器裝置的電原理圖。
圖3為調(diào)制紅外全波發(fā)生器裝置一個實施例的外形結構圖。
在附圖中，相同的部件用相同的標號來標記。
參看圖1所示的原理框圖。集成低壓直流電源(1)系標準電路，主要由單片三端電壓調(diào)整器組件(如LM341－15)構成，它提供穩(wěn)定的DC電壓(＋15V)輸出，最大輸出電流為0.5A，對機內(nèi)其他電路供電。定時控制器(2)也是標準電路，采用單片集成定時器(如5G1555)設計，其定時時間由外接阻容元件確定，根據(jù)需要可設定為10分鐘至約1小時。在定時控制時間內(nèi)，由晶體管構成的電子開關(3)接通，于是＋15V電源對脈寬調(diào)制器(6)加載，并使其處于啟動運用狀態(tài)。脈寬調(diào)制器(6)系采用單片集成可調(diào)脈寬調(diào)制器功能塊電路(如LM3524、TL494CN、MC34060P)設計?，F(xiàn)以LM3524為例說明脈寬調(diào)制原理。LM3524型集成脈寬調(diào)制器系包含豐富功能的單片集成電路，它的內(nèi)部包含能向外電路輸出50mA的5V電壓調(diào)整器、誤差放大器、振蕩器、脈寬調(diào)制器、相位分離觸發(fā)器、交變輸出開關晶體管對、限流電路和關閉電路。脈寬調(diào)制器(6)輸出的脈寬調(diào)制脈沖加到功率放大器(7)的輸入端，其平均導通電流的大小取決于輸入脈寬調(diào)制脈沖的占空比η(η＝tw／Tp，tw是脈沖寬度，Tp是脈沖周期)。若Tp不變，導通電流隨η，也就是隨tw增加。借助由負電阻溫度系數(shù)的熱敏電阻構成的溫度信息傳感器(8)，將一與功率放大器器件管殼溫度變化(實際上也反映了功率放大器(7)導通電流的變化)相應的電壓變化反饋到脈寬調(diào)制器(6)的調(diào)制輸入端，從而形成由脈寬調(diào)制器(6)、功率放大器(7)和溫度信息傳感器(8)構成的第一閉環(huán)反饋網(wǎng)絡。功率放大器(7)的導通電流愈大、放大器器件的管殼溫度愈高、溫度信息傳感器(8)所含熱敏電阻的阻值越低，于是反饋到脈寬調(diào)制器(6)調(diào)制輸入端的DC電壓也越低，這將導致脈寬調(diào)制器(6)輸出脈沖寬度的變窄(即η變小)，并進而使功率放大器(7)的導通電流降低。由于這種自動閉環(huán)調(diào)節(jié)作用，可以有效地防止功率放大器(7)輸出電流過載。
由光電隔離固態(tài)繼電器(4)、橋式整流和濾波器(5)、功率放大器(7)、電流和溫度信息傳感器(8)、集成電壓比較器(10)，構成第二個自動反饋網(wǎng)絡。在正常運行期間(即功率放大器(7)的導通電流低于允許極值)，光電繼電器(4)接通，AC 220V輸入電壓經(jīng)橋式整流和濾波器(5)后，得到約＋300V的直流電壓，該電壓對功率放大器(7)供電。不論由于何種原因，只要功率放大器(7)的導通電流過大并超過允許極值時，從電流和溫度信息傳感器(8)所含取樣電阻流過的電流，將在取樣電阻上產(chǎn)生足夠大的電壓降，從而使集成電壓比較器(10)狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，進而關斷光電繼電器(4)，并切斷功率放大器(7)的DC供電電壓(＋300V)，因而能確保功率放大器(7)的安全可靠運用。一旦功率放大器(7)的導通電流降至正常允許值，電流取樣電阻上的壓降也隨之減小，集成電壓比較器(10)又恢復常態(tài)，其輸出端也恢復到高電位，并使光電繼電器(4)接通，于是橋式整流和濾波器(5)又恢復對功率放大器(7)的直流供電，進入正常運行狀態(tài)。由此可見，采用雙閉環(huán)自動反饋調(diào)節(jié)技術，將大大提高功率放大器(7)的可靠性。
本實用新型所述的功率放大器(7)，因采用電感負載并處理5～8A的脈沖電流，為防止開關期間電感引起的瞬態(tài)尖峰電壓使器件損壞，所用功率放大器器件必須選用擊穿電壓高達交流輸入電壓(110V或220V)5倍以上的管子。如對于110V交流輸入，應選擇擊穿電壓高于600V的管子；對于220V交流輸入，應選擊穿電壓高于1100V的管子。由于VDMOS和IGBT(絕緣柵雙極晶體管)具有輸入阻抗高、驅(qū)動電路簡單(可直接由集成脈寬調(diào)制器驅(qū)動)、開關速度快和安全工作區(qū)大的優(yōu)點，本實用新型所述功率放大器(7)必須由這兩種器件構成(比如VDMOSMTM6N60、MTM3N80、MTM15N50；IGBT09782XDB、PU304)。這兩種器件還非常容易實現(xiàn)并聯(lián)(以提高電流容量)或串聯(lián)(以提高耐壓能力)運用，以彌補單個器件性能的不足。
紅外能量輻射盤(9)是由簡單工藝處理(表面噴砂或黑化)后的不銹鋼圓盤(D＝18cm)構成，其全波輻射率值為0.8～0.9(2～20μm)。其厚度為0.2～0.4mm，若厚度超過此值，將增大熱響應時間，對自動控制不利。功率放大器(7)輸出的高頻(50～120KHz)調(diào)寬矩形脈沖電流的峰值為5～8A，這樣大的脈沖電流，將在輻射盤(9)內(nèi)激發(fā)渦流，使輻射盤(9)的溫度迅速上升，其所能達到的溫度，將由脈寬調(diào)制器(6)的輸出脈沖的占空比所決定，而后者又可由調(diào)制電壓連續(xù)調(diào)節(jié)。
由于輻射盤(9)具有接近理想黑體的特性，如上所述，其輻射的峰值波長和總輻射功率完全由溫度決定。必須強調(diào)指出的是，在任一溫度下，除峰值波長輻射外，在其兩側(cè)均有輻射。在20～700℃范圍內(nèi)輻射峰值波長已覆蓋近－中－遠紅外全波段。
圖2是調(diào)制紅外全波發(fā)生器裝置的一個實施例的電原理圖。交流220V輸入電壓分成兩路一路經(jīng)變壓器降壓以及整流濾波后加到IC1(LM341－15)的輸入端，從其輸出端得到穩(wěn)定的＋15V DC電壓輸出。該電壓是集成定時器IC2(5G1555)、Q1和Q2組成的電子開關、集成脈寬調(diào)制器IC3(LM3524)和集成電壓比較器IC4(LM3900)的供電電壓；另一路則經(jīng)光電隔離固態(tài)繼電器(TAC型15A 220V)加至整流橋(D5～D8)。靜態(tài)時(即定時器中的開關K斷開時)，IC2的3端輸出低電平，Q1和Q2截止，IC3的＋15V通路被切斷，其12端輸出低電平，Q3關閉，功率放大器無輸出電流，紅外能量輻射盤只有相應室溫的弱輻射。當按下開關K后，定時器啟動工作，其定時時間T1由外接電路元件(R1和C1)確定，T1≈R1C1。在此定時時間內(nèi)，IC2的3端保持高電平，發(fā)光二極管D9發(fā)光，表明全機處于運行狀態(tài)。Q1和Q2也在定時時間內(nèi)導通，＋15V電源電壓對IC3(LM3524)加載，使集成脈寬調(diào)制器啟動運行，其輸出方波脈沖頻率或周期(T2)完全由外接電路元件R2和C2確定，T2≈R2C2。一旦R2、C2選定之后，T2將幾乎與IC3的15端的輸入電源電壓及溫度無關。引腳16為參考電壓＋5V輸出端，可供外電路應用。引腳1和2分別為IC3內(nèi)部誤差放大器的反相和同相輸入端。R3～R5組成的電阻分壓器，給同相輸入端2設置一個閾值電壓U1，U1可通過R4調(diào)整。具有負電阻溫度系數(shù)的熱敏電阻Rt，檢測功率放大器器件的管殼溫度變化。Q3的導通電流越大，管殼溫度越高，Rt電阻越小，饋送到調(diào)制輸入端(IC3的9腳)的電壓越低，于是使引腳12的輸出脈沖變窄(占空比η變小)，這又促使功率放大器器件Q3的導通電流減小，從而使管殼溫度降低，實現(xiàn)過流自動保護。調(diào)節(jié)U1，可以預置IC3輸出脈沖的最大寬度(或占空比)，實際上也就是預置功率放大器可能達到的最大導通電流。而功率放大器的最大輸出電流又決定了紅外能量輻射盤可能達到的最高溫度。如前所述，隨著溫度升高，輻射峰值波長將向短波方向移動。調(diào)節(jié)U1，實際上就是調(diào)節(jié)最終紅外能量輻射盤的輻射峰值波長和輻射功率。
功率放大器器件(Q3，VDMOS)的源極端接一個小阻值(幾個Ω)的電流取樣電阻R8，其上的壓降－－取樣電壓U2加到集成電壓比較器IC4(LM3900)的反相輸入端，其同相輸入端加的參考電壓為U3(可由R9調(diào)節(jié))。當U2＞U3時，IC4狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，從其輸出端得到的負跳變信號，使光電隔離固態(tài)繼電器中的發(fā)光二極管D10關斷，于是光電繼電器關斷并迅速切斷功率放大器器件Q3的直流供電電壓(＋300V)。取樣電阻R8上的壓降完全取決于Q3的導通電流，設允許的最大導通電流為Imax，則U2≈Imax.R8，一旦U2＞U3，Q3的供電電源立即切斷，從而可靠保證Q3的導通電流不會超過預設值Imax。顯然，調(diào)節(jié)R9就可以調(diào)整Imax的預設值。借助上述雙閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)網(wǎng)絡，既可實現(xiàn)對輸出紅外波譜的脈沖調(diào)制，又能實現(xiàn)對溫升和過電流的自動調(diào)節(jié)保護，從而使高壓大電流脈沖裝置的運用可靠性大為提高。
圖3是本實用新型提出的全波發(fā)生器裝置一個實施例的外形結構圖。它將圖2所示的大部份電路(不含功率放大器負載電感和紅外輻射盤)組裝在一個控制底座(12)內(nèi)。功率放大器負載電感L和紅外輻射盤(9)被安裝在一個金屬護罩(25)內(nèi)。該護罩除保護內(nèi)部元件外，還有防止高頻電磁場向外泄漏以及使紅外波譜能量定向輻射的功能。(11)為控制底座面板，上面安裝有‘波長’和‘定時’等控制。(13)、(16)、(21)、(22)均為緊鎖鏍母，(14)、(15)、(20)、(23)均為杠桿活動支臂。(19)為可調(diào)整杠桿，其一端為平衡體(17)，另一端為包含紅外輻射盤的護罩(25)，(18)為平衡體緊鎖鏍釘，(24)為護罩可動支臂，調(diào)節(jié)(13)、(16)、(21)、(22)四個緊鎖鏍母，很容易調(diào)整杠桿(19)的位置，因而使用十分方便。
概括地說，本實用新型提出的調(diào)制紅外全波發(fā)生器裝置，具有輻射功率大、波譜范圍廣且峰值波長可在紅外全波段內(nèi)調(diào)整、雙閉環(huán)過流自動保護、發(fā)射體耐熱沖擊和熱應變、無需涂層、無污染和使用壽命長等優(yōu)點，可作為一種通用儀器，廣泛應用于工農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生和保健、軍事和科研等部門。
權利要求1.一種基于物理學中黑體輻射理論設計的調(diào)制紅外全波發(fā)生器裝置，它包括集成低壓直流電源(1)、定時控制器(2)、電子開關(3)、雙閉環(huán)自動反饋單元以及杠桿式定位機構，其特征在于雙閉環(huán)自動反饋單元由光電隔離固態(tài)繼電器(4)、橋式整流和濾波器(5)、脈寬調(diào)制器(6)、具有電感負載的功率放大器(7)、電流和溫度信息傳感器(8)、紅外能量輻射盤(9)以及集成電壓比較器(10)所構成；雙閉環(huán)自動反饋單元所包含的上述電路形成兩個重疊的閉環(huán)反饋網(wǎng)絡由脈寬調(diào)制器(6)、具有電感負載的功率放大器(7)、電流和溫度信息傳感器(8)組成的第一閉環(huán)反饋網(wǎng)絡，能自動調(diào)整功率放大器(7)的輸出電流不致過載；由光電隔離固態(tài)繼電器(4)、橋式整流和濾波器(5)、具有電感負載的功率放大器(7)電流和溫度信息傳感器(8)以及集成電壓比較器(10)組成的第二閉環(huán)反饋網(wǎng)絡，確保功率放大器(7)的導通電流達到最高允許值時，迅速切斷功率放大器(7)的供電電源電壓，因而借助這兩個閉環(huán)電路網(wǎng)絡的自動調(diào)節(jié)作用，可以保證功率放大器器件在高壓大電流下的可靠運用；功率放大器(7)輸出的高頻電流在紅外能量輻射盤(9)內(nèi)激勵旋波渦流，使紅外輻射盤(9)的溫度上升，從而產(chǎn)生所需要的調(diào)制紅外全波譜能量。
2.根據(jù)權利要求1所述的調(diào)制紅外全波發(fā)生器裝置，其特征在于上述紅外能量輻射盤(9)由直徑為18～24cm和厚度為0.2～0.4mm的薄不銹鋼圓盤構成。
3.根據(jù)權利要求1所述的調(diào)制紅外全波發(fā)生器裝置，其特征在于上述脈寬調(diào)制器(6)由單片集成電路構成。
4.根據(jù)權利要求1所述的調(diào)制紅外全波發(fā)生器裝置，其特征在于上述具有電感負載的功率放大器(7)由擊穿電壓至少5倍于工頻交流輸入電壓和脈沖運用電流5～10A的VDMOS場效應晶體管或絕緣柵雙極晶體管(IGBT)所構成。
專利摘要一種基于物理學中黑體輻射理論設計的調(diào)制紅外全波發(fā)生器裝置，它包括集成低壓直流電源、定時控制器、電子開關、雙閉環(huán)自動反饋單元以及杠桿式定位機構。通過雙閉環(huán)自動反饋調(diào)節(jié)，能有效保護紅外波譜能量激勵器件的可靠運用，并提供峰值輻射波長可調(diào)且覆蓋紅外全波譜范圍的大功率紅外線能量。借助杠桿式定位機構，很容易調(diào)整本裝置使之具有落地式或臺式機型。本裝置可廣泛應用于工農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、科研等一切需要可調(diào)紅外波譜源的領域。
文檔編號H05B6/04GK2147705SQ9320247
公開日1993年11月24日 申請日期1993年2月12日 優(yōu)先權日1993年2月12日
發(fā)明者楊波, 陸明波 申請人:周旋, 楊波, 陸明波