Control de temperatura láser UV de alta precisión basado en microcompresor | Estilo de enfriamiento

Xiong Weiguo¹ zhu yuancheng ^1，2

(1. micro-refrigerador, Limitado. micro-refrigerador 518000

2. Shenzhen InternationalGraduate School of Tsinghua University Shenzhen 518000)

y ambos certificados de patente han sido emitidos: La temperatura juega un papel crucial en las características de salida de un láser UV de estado sólido. Para que la salida del láser UV de estado sólido sea estable, es necesario controlar su temperatura con precisión. Este artículo presenta principalmente un método de control de temperatura basado en un sistema de refrigeración inversor de tipo compresión de vapor y compensación electrotérmica para realizar el control de temperatura de alta precisión del láser UV.. El método utiliza PID como algoritmo de control básico para controlar la velocidad y la potencia eléctrica del compresor inversor de CC micro, logrando así un sistema termostático de pequeño tamaño, Coolingstyle tiene más de, alta eficiencia y buen control de temperatura. Los resultados experimentales muestran que el método tiene un tiempo de respuesta rápido, solamente 6 minutos para estabilizar el sistema; alta precisión de control, la mayor precisión de temperatura del agua puede alcanzar 0.01 ℃. Con la gran cantidad de aplicaciones de láser UV en el marcado, corte de precisión y otras industrias, el método tiene muchas ventajas y un alto valor práctico y significado de promoción.

Palabras clave: láser ultravioleta; Microcompresor; control de frecuencia; Compensación electrotérmica; Control PID

Autor: Xiong Weiguo (1986-08- ), Masculino, Maestría, Ingeniero técnico jefe de Shenzhen Coolingstyle Technology Co., Limitado, Los principales aspectos de investigación son el diseño de micro compresores y micro y pequeños sistemas de refrigeración., diseño de enfriador láser de alta precisión. Correo electrónico: xwg@coolingstyle.com

Yuancheng Zhu (08/1987- ), masculino, gerente general y R&D director de Shenzhen Coolingstyle Technology Co., Limitado, estudiante de doctorado de ingeniería en la Escuela Internacional de Graduados de Shenzhen de la Universidad de Tsinghua, cuyos principales aspectos de investigación son la investigación del control de alta precisión de microcompresores y sistemas de refrigeración, y la investigación del sistema de enfriamiento del microambiente humano que utiliza un microcompresor en condiciones de trabajo a alta temperatura.

1. El desarrollo de los láseres UV de estado sólido

Ya que 1961, cuando meyman ^[1] inventó el primer láser de rubí, después de más de medio siglo de investigación y exploración, La tecnología láser ha logrado un rápido desarrollo y es ampliamente utilizada en varios campos, como la industria., agricultura, medición, comunicación, medicamento, investigacion militar y cientifica. Según las diferentes longitudes de onda de salida, los láseres se pueden dividir en láseres infrarrojos, láseres visibles, láseres ultravioleta, etc. ^[2]

Entre ellos, Los láseres UV son láseres con una longitud de onda de salida no mayor que 400 Nuevo Méjico, que tienen una longitud de onda corta, energía concentrada y alta resolución, y se puede dividir en las siguientes categorías según los diferentes métodos de bombeo: láseres de gas, láseres excimer, láseres semiconductores, Láseres de estado sólido bombeados por lámpara y láseres de estado sólido bombeados por LD, etc. Entre ellos, Los láseres de estado sólido bombeados por LD también se denominan láseres de estado sólido.. Los principales láseres UV utilizados en el siglo XX son los láseres de gas y los láseres excimer., ambos tienen problemas de gran tamaño, baja eficiencia, confiabilidad limitada, vida corta, y alto costo ^[3].

El láser UV de estado sólido utiliza un diodo láser (LD) como bomba, y utiliza cristal láser para generar luz infrarroja de aproximadamente 1 μm, y luego obtiene el láser UV por efecto de multiplicación o suma de frecuencia del cristal óptico no lineal. La aplicación de láseres ultravioleta de estado sólido extranjeros comenzó en la década de 1990. 1995, OK soy ^[4] de Sony Corporation en Japón obtuvo un 1.5 W continuo Nd: Láser UV YAG de 266 nm por duplicación de frecuencia KTP y cuadriplicación BBO. Después, Se han realizado muchas investigaciones en varios países., y láseres UV de estado sólido con una potencia que va desde 12W ^[5] a 160W ^[6] han sido fabricados. En 1999, Chen Guofu ^[7] y otros del Instituto de Óptica de Xi'an obtuvieron una 266 Salida de láser UV nm con cristal BBO, que fue el primer láser UV de estado sólido reportado en China. Desde entonces, la tecnología láser UV en China también ha entrado en un período de rápido desarrollo.

Con las ventajas del pequeño tamaño., estructura compacta, alta eficiencia, larga vida, buena calidad de haz y bajo costo, Los láseres UV de estado sólido se usan ampliamente en el monitoreo ambiental, medicamento, comunicaciones y microfabricación. En el campo de la vigilancia ambiental, el láser UV se puede utilizar para controlar el contenido de vapor de agua del fondo y O₃ concentración en la troposfera^[8][9], y determinar la distribución de aerosoles en el aire^[10]; En el campo de la medicina, las características de alta energía del láser UV se pueden utilizar para romper directamente los enlaces moleculares entre las células de los tejidos, evitando así el daño térmico al tejido^[11]; En el campo de la comunicación, la comunicación láser UV tiene las ventajas de una baja tasa de escuchas, alta interferencia y rango no visible. En el campo de las comunicaciones, La comunicación láser UV tiene las ventajas de una baja tasa de escuchas, alta interferencia y sin línea de visión ^[12]; En el campo del procesamiento, debido a las características de procesamiento en frío del láser UV en el proceso de destrucción directa de enlaces químicos, para que pueda lograr el procesamiento de estructuras precisas y complejas ^[13]. En años recientes, con el auge de la tecnología ultravioleta profunda y ultravioleta al vacío, la aplicación de láseres UV de estado sólido se ha generalizado cada vez más ^[14].

2. Estado del control de temperatura de láseres UV de estado sólido

La eficiencia general del láser UV de estado sólido es baja, y se genera mucho calor durante el bombeo de LD y la duplicación y suma de frecuencia. Si el calor generado no se libera a tiempo, aumentará la temperatura del láser. La temperatura tiene un impacto significativo en el rendimiento de los láseres UV de estado sólido, afectando principalmente al bombeo de LD y a los cristales no lineales. Temperature changes can cause LD output power instability, and when the temperature increases, LD output power increases ^[15]. Temperature instability can even trigger the LD mode jump phenomenon. Coolingstyle tiene más de, the temperature change also causes the refractive index, shape and volume of the laser crystal to change, which causes the LD output wavelength to change, and its wavelength drift with temperature is 0.3~0.4nm/°C. The wavelength of the UV laser is already short, and a small amount of drift can cause a significant change in the output performance. The nonlinear optical crystal also absorbs fundamental energy during the harmonic process, which can cause a local temperature rise in the direction of the crystal flux^[16]. El aumento de temperatura provoca un cambio en el índice de refracción del cristal óptico no lineal., y la calidad del haz de salida y la eficiencia multiplicativa se reducen.

Los láseres UV de estado sólido producen mucho calor y su rendimiento es sensible a la temperatura, por lo tanto, si el calor generado por el láser se disipa de manera oportuna y se mantiene su estabilidad de temperatura, se convierte en un problema que debe ser resuelto en la industria del láser. El enfriamiento por ventilador tradicional es ineficiente y mal controlable, y no es adecuado como método de enfriamiento para láseres UV de estado sólido. Actualmente, los principales métodos utilizados son refrigeración TEC y refrigeración por agua. El método de enfriamiento TEC que utiliza el control PID ya puede lograr una precisión de control de temperatura ± 0.01 ℃^[17], pero TEC es generalmente de muy baja eficiencia y poca estabilidad, es difícil de usar en aplicaciones a gran escala. La disipación de calor tradicional enfriada por agua generalmente se realiza con la ayuda de un enfriador hecho de un sistema de refrigeración por compresión de vapor., Control de precisión de temperatura a través del método de derivación de gas caliente para lograr. En el proceso de conmutación de la válvula de derivación de gas caliente, el sistema de refrigeración o calefacción del compresor tendrá una cierta cantidad de sobreimpulso, por lo que el enfriador es difícil de lograr un alto grado de precisión. Para lograr una alta precisión, es necesario utilizar un depósito de agua muy grande, Uso de la capacidad calorífica del agua para absorber el exceso de calor o frío., y este enfriador es grande y costoso. En este articulo, se investiga el método de control de temperatura de un láser UV de estado sólido utilizando un sistema de refrigeración por agua con un sistema de refrigeración por compresión de vapor de frecuencia variable y acoplamiento electrotérmico.

3. Principio de control de temperatura

El diagrama de bloques esquemático del sistema de control de temperatura del láser UV de estado sólido se muestra en la Figura 1. El láser se coloca en el disipador de calor y el calor que genera se conduce al disipador de calor a través del contacto.. Hay canales de agua dentro del disipador de calor., que forman un ciclo de agua con la bomba, depósito de agua e intercambiador de calor. Hay 2 conjuntos de canales en el intercambiador de calor, uno para el agua y otro para el refrigerante. Los canales de refrigerante forman un sistema de refrigeración con el compresor, condensador y válvula de mariposa. El agua transmite el calor absorbido por el láser desde el disipador de calor hasta el intercambiador de calor, y el refrigerante y el agua intercambian calor entre las paredes del intercambiador de calor, y finalmente transmitir el calor al condensador, que libera el calor al ambiente bajo la acción del ventilador. De este modo, la disipación de calor del láser se logra. El compresor de la imagen es un compresor DC inverter., que necesita la ayuda de un controlador para convertir la alimentación de CC en alimentación de CA trifásica antes de que pueda funcionar.

Por un sistema estable, solo es necesario mantener estable la temperatura del agua para garantizar que la temperatura del láser sea estable. El enfriamiento del agua se logra mediante el sistema de enfriamiento mencionado anteriormente y el calentamiento del agua se puede lograr mediante los calentadores eléctricos dispuestos dentro del tanque de agua.. El sensor de temperatura alimenta la señal de temperatura del agua detectada al microcontrolador (UCM) después de la conversión A/D, y el microcontrolador controla el compresor y el calentador eléctrico a través de un circuito de salida basado en la relación entre la temperatura real actual del agua y la temperatura objetivo deseada para lograr una temperatura estable del agua. En el módulo de control, también hay una pantalla de visualización y un circuito de detección táctil para el diálogo humano-computadora. El usuario puede observar la temperatura del agua y el funcionamiento del sistema de control de temperatura en tiempo real a través del módulo de control, y también puede establecer la temperatura objetivo según sea necesario.

4. Selección de hardware e implementación de funciones.

4.1 Sistemas de refrigeración

La refrigeración por compresión de vapor es el método de refrigeración más eficiente en la actualidad. Los compresores de CA convencionales solo pueden controlar la capacidad de refrigeración o la capacidad de calefacción del sistema por medio de arranque-parada o derivación de gas caliente, que es poco controlable y no muy preciso. Este documento utiliza un compresor inversor de CC, Coolingstyle tiene más de, Coolingstyle tiene más de, alta eficiencia, y más importante, puede lograr una velocidad infinitamente variable en un amplio rango, cuanto mayor sea la velocidad, cuanto mayor sea la capacidad de refrigeración, por lo que la capacidad de refrigeración del sistema es controlable. El modelo de compresor seleccionado es CS-MCQ-19241100 (Figura 2), que pesa alrededor de 850 g y tiene un diámetro de 56 mm, y la relación entre su capacidad de enfriamiento y la velocidad se muestra en la Figura 3.

Como se puede ver en la Figura 3, la capacidad de refrigeración del compresor aumenta con el aumento de la velocidad. El módulo de control calcula la velocidad requerida actual del compresor a través de un programa interno, convierte la señal de velocidad digital en una señal analógica a través de un circuito convertidor D/A, y luego transmite la señal analógica al controlador del compresor. El controlador ajusta la frecuencia de CA de su salida de acuerdo con la señal de velocidad, realizando así el control de la velocidad del compresor. Condensador, intercambiador de calor, etc. se utilizan comúnmente tipo de alta eficiencia, elija el tubo capilar como el acelerador, para que se complete un sistema de refrigeración completo.

4.2 Unidades de calefacción

Como el compresor es un dispositivo mecánico, el programa de control requiere un cierto tiempo de respuesta para que sus comandos de velocidad se reflejen en la capacidad de refrigeración. Para el sistema de refrigeración por agua con un depósito pequeño, en el caso de una pequeña capacidad calorífica, el ajuste de la velocidad del compresor puede controlar la temperatura del agua dentro de un rango pequeño, pero todavía puede haber fluctuaciones, la necesidad de un ajuste fino de la temperatura del agua a través del dispositivo de calentamiento. Además, el trabajo del láser no siempre es estable, o incluso a veces no funciona, cuando el sistema de control de temperatura está en un estado de espera sin carga, incluso si la velocidad del compresor se ajusta al mínimo, la temperatura del agua seguirá cayendo hasta la temperatura objetivo por debajo, apagar el compresor provocará mayores fluctuaciones en la temperatura del agua.

El tubo de calentamiento eléctrico integrado en el depósito de agua es la solución perfecta a estos problemas. En el tubo hueco de acero inoxidable dentro de la disposición del cable de resistencia en espiral, la brecha llena de óxido de magnesio de alta temperatura. El cable de resistencia se activa y el calor se transfiere uniformemente a la superficie del tubo a través de la cerámica de óxido de magnesio.. El calentamiento del agua se logra sumergiendo el tubo de calentamiento eléctrico en agua. Por ajuste PWM del voltaje de entrada del calentador, la potencia de calefacción se puede controlar con precisión.

4.3 Adquisición de señales de temperatura

La temperatura de funcionamiento óptima de un láser UV de estado sólido generalmente se encuentra entre 20 °C y 30 °C.. La temperatura real del agua medida está en el rango de 0 a 40°C. Este rango de temperatura pertenece al rango de temperatura normal y la mayoría de los sensores de temperatura pueden cumplir con los requisitos. La precisión del control de alta temperatura requiere una alta precisión, gran coeficiente de temperatura y buena linealidad del sensor de temperatura en este rango. En este articulo, elegimos un sensor de temperatura Pt100 de paquete de acero inoxidable de tres hilos, que está hecho de un alambre de platino muy delgado enrollado en un soporte de mica. La resistencia de Pt100 varía con la temperatura., con una resistencia de 100Ω a 0°C, y tiene buena linealidad en el rango de temperatura ambiente. Se agrega una fuente de corriente constante a ambos extremos de Pt100, y un circuito de muestreo de temperatura mide la diferencia de voltaje entre sus dos extremos para que se pueda obtener su resistencia, y luego su temperatura detectada se obtiene por interpolación lineal de las propias características de resistencia de Pt100. El uso de un sistema de tres cables elimina el efecto de la resistencia en el cable y, por lo tanto, brinda una imagen más precisa de la temperatura real.. Sumergiendo el Pt100 en el tanque de agua, la temperatura del agua se puede detectar en tiempo real, y la señal de voltaje detectada se transmite a la MCU para su análisis y procesamiento después de la conversión A/D.

4.4 Sistema de control PID

El sistema controla la capacidad de refrigeración y calefacción ajustando los parámetros PWM de la velocidad del compresor y el interruptor del calentador eléctrico para finalmente estabilizar la temperatura del agua.. Dado que el funcionamiento del láser no es estable y la incertidumbre de los factores ambientales tiene un gran impacto en el sistema de refrigeración., la estructura y los parámetros del sistema deben basarse en la experiencia y la puesta en servicio de campo para determinar, por lo que no es posible controlar el trabajo del sistema con un modelo matemático preciso. El algoritmo PID es simple, robusto y confiable, y es una de las estrategias de control más adecuadas para este sistema, que calcula la proporcional, integral, cantidad de control diferencial para regular el trabajo del sistema. El flujo de trabajo de PID se muestra en la Figura 4. En cada paso de tiempo, el sistema primero calcula el error de temperatura del agua, entonces el error es calculado por PID, y luego se deriva la cantidad de ajuste de la velocidad del compresor y la potencia del calentador eléctrico. Esto se repite hasta que el error de temperatura se controla dentro de los requisitos de precisión., momento en el que la temperatura del agua alcanza la estabilidad. PAG, yo, Los parámetros D tienen un gran impacto en el rendimiento del sistema., y la ingeniería generalmente se basa en la experiencia y se combina con el método de prueba para su ajuste. en este papel, el método de proporcionalidad crítica se utiliza para ajustar los parámetros PID.

5. Flujo de control del sistema

El flujo de control del sistema se muestra en la Figura 5. Cuando el sistema se acaba de encender, si la temperatura del agua es superior a la temperatura objetivo en más de 1 ℃, el sistema de refrigeración está encendido, para que el compresor funcione a toda velocidad para bajar la temperatura del agua rápidamente; si la temperatura del agua es inferior a la temperatura objetivo en más de 1 ℃, el calentador eléctrico está encendido a plena potencia, para que la temperatura del agua suba rápidamente. Cuando la temperatura del agua entra en el rango de temperatura objetivo de ±1 ℃, el algoritmo PID se utiliza para regular la velocidad del compresor y la potencia del calentador eléctrico en tiempo real, y finalmente estable la temperatura del agua.

El algoritmo PID controla con alta precisión, pero requiere un largo tiempo de estabilización. La estrategia de control utilizada en este artículo primero controla la temperatura del agua rápidamente alrededor de la temperatura objetivo y luego la ajusta con el algoritmo PID., lo que reduce considerablemente el tiempo de estabilización.

6. Resultados experimentales y análisis.

Se realizó una prueba de control de temperatura en un láser UV modelo 10W. El sistema de enfriamiento, Se utilizaron el dispositivo de calentamiento eléctrico y otras unidades funcionales y los algoritmos de control descritos en la sección anterior., y el sistema circulaba sólo 1 L. La temperatura objetivo se fijó en 25°C, y el láser y el sistema de control de temperatura se encendieron al mismo tiempo. Figura 6 registra todo el proceso de cambio de temperatura del agua desde el encendido hasta la estabilización del sistema.

Como se puede ver en el gráfico, el tiempo de estabilización del sistema es corto, solamente 6 CONSEJOS. Después de la estabilización, la temperatura del agua se mantiene a 25±0,01°C, lo que indica que la precisión de este sistema de control de temperatura puede llegar a 0.01°C. La temperatura de funcionamiento del láser también es estable después de estabilizar la temperatura del agua..

7. Observaciones finales

La temperatura juega un papel crucial en las características de salida de un láser UV de estado sólido. En este articulo, para este láser se ha diseñado un método de control de temperatura basado en el acoplamiento de un sistema de refrigeración de un compresor de CC en miniatura y una compensación electrotérmica. Mediante el control de la velocidad del compresor inversor micro DC y la potencia del equipo de calefacción eléctrica auxiliar, la temperatura del agua del sistema de enfriamiento del láser se regula con precisión. El sistema de control de temperatura realizado con este método utilizando la tecnología de refrigeración del compresor micro inverter es de tamaño pequeño., ligero en peso y alto en eficiencia, y los resultados experimentales muestran que el sistema tiene una respuesta rápida, tiempo de estabilización corto y alta precisión de control de temperatura, que puede llegar a 0.01°C.

En comparación con enfriadores convencionales, el sistema tiene las ventajas sobresalientes de tamaño pequeño, peso ligero y alta precisión de enfriamiento. Coolingstyle tiene más de, porque el compresor utilizado dentro del sistema es un compresor de CC, es muy adecuado para que el sistema de refrigeración coincida con el sistema de suministro de energía de diferentes países, y su versatilidad es más fuerte. En comparación con la refrigeración electrónica TEC, el sistema compresor tiene mayor capacidad frigorífica y mayor ratio de eficiencia energética, que puede reducir en gran medida el consumo de energía del usuario y reducir el costo de uso en el uso continuo a largo plazo. La máquina también viene con su propio control de calentamiento interno para un precalentamiento rápido durante el uso inicial en invierno. El costo del diseño del sistema se ha reducido con el costo de microcompresores y refrigeración TEC o compresores del mismo nivel de capacidad de refrigeración para competir. Con un gran número de aplicaciones de láseres UV en marcaje, corte de precisión y otras industrias, este método tiene muchas ventajas, como el tamaño pequeño, Coolingstyle tiene más de, alta precisión, alta eficiencia energética, bajo costo, etc., que tiene un alto valor práctico y un significado de promoción.

Bibliografía

[1]   Maiman T H. Radiación óptica estimulada en rubí [j]. Naturaleza, 1960, 187.

[2]   Fu, Zhehong. Aplicación y desarrollo del láser. [j]. Ingeniería en Tecnología Electrónica y Software, 2017(5).

[3]   Shen Zhaoguo. Investigación sobre láseres ultravioleta de 355 nm y verde de 532 nm bombeados por LD [D]. Northwestern University, 2009.

[4]   OK soy, liu ly. Todos los Nd cuadruplicados de frecuencia de onda continua de estado sólido: láser YAG [j]. Revista IEEE de temas seleccionados en electrónica cuántica, 1995, 1(3):P.859-866.

[5]   norte. Hodgson, D. Dudley, L. Gruber, et al. Diodo bombeado en el extremo, TEM/sub 00/ Dakota del Norte: YVO/sub 4/ láser con potencia de salida superior a 12 en 355 Nuevo Méjico[C]// Conferencia sobre Láseres & Electro-óptica. IEEE, 2001.

[6]   david r. Dudley, Oliver Mehl, gary y. Wang, et al. Nd bombeado por diodos con conmutación de Q: Láser de varilla YAG con potencia de salida de 420W a 532nm y 160W a 355nm [j]. Actas de Spie la Sociedad Internacional de Ingeniería Óptica, 2009, 7193(1):28.

[7]   Chen G. F., Wang XH, Du Gogo. Investigación sobre todos los láseres ultravioleta de estado sólido [j]. Revista de Fotónica, 1999(09):785-788.

[8]   ShaolinWang, Kaifa Cao, Zong Ming Tao, et al. Investigación sobre el sistema espectroscópico de vapor de agua ultravioleta Raman Lidar [j]. Revista de Optoelectrónica-Láser, 2010, 21 (08):1171-1175.

[9] Xue Chun Tan. Dispositivo de simulación de radar láser e investigación experimental [D]. Universidad de Ciencia y Tecnología de Changchun, 2012

[10] Mateo McGill, Dennis Hlavka, hart william, et al. LIDAR de física de nubes: descripción del instrumento y resultados de la medición inicial. 2002, 41(18):3725-34.

[11] Yang Wang |, Xubao Wang, Zhan Ling Dong, et al. Expresión de β-catenina y proteína γ del receptor activado por proliferador de peroxisomas en tejidos hepáticos irradiados con láser ultravioleta[j]. Revista china de investigación en ingeniería de tejidos, 2011,15(33):6191-6195.

[12] julio, Keni Qiu. La aplicación de la comunicación ultravioleta en el sistema de comunicación militar. Óptica & Tecnología optoelectrónica[j],2005( 04):19-21.

[13] no s. l, Guan Y. C. Láseres ultravioleta y su aplicación en micromecanizado [j]. Ingeniería Optoelectrónica, 2017, 44(12):1169-1179+1251.

[14] Wang D.. Exploración de la generación y aplicaciones de láser de femtosegundo UV profundo y UV de vacío [D]. Universidad Normal del Este de China, 2016.

[15] tg kim, M Ogura. Alta temperatura característica (T o=322 K cerca de la temperatura ambiente) de láseres de diodo de alambre cuántico de Al GaAs-GaAs ranurados en V[j]. Electrónica de estado sólido, 2000, 44(1).

[16] Leer L, ling es, Embarcacion, tian f, Bai JT. Investigación sobre el campo de temperatura del KTP de cristal no lineal en un sistema láser refrigerado por agua[j]. Láser & Infrarrojo, 2005(01):51-54.

[17] Zeng HL, Jiang PF, Xie F-Zeng. Investigación sobre el control de temperatura de láseres semiconductores [j]. Láser e Infrarrojos, 2004(05):339-340+346.