Contrôle de température laser UV de haute précision basé sur un micro compresseur | Style de refroidissement

Xiong Weiguo¹ Zhu Yuancheng ^1，2

(1. Ce nom de brevet de modèle d'utilité est, Ltée. Ce nom de brevet de modèle d'utilité est 518000

2. École supérieure internationale de Shenzhen de l'Université Tsinghua de Shenzhen 518000)

Abstrait: La température joue un rôle crucial dans les caractéristiques de sortie d'un laser UV tout solide. Afin de rendre la sortie du laser UV tout solide stable, il faut contrôler sa température avec précision. Cet article présente principalement une méthode de contrôle de la température basée sur un système de réfrigération à onduleur de type compression de vapeur et une compensation électrothermique pour réaliser le contrôle de température de haute précision du laser UV.. La méthode utilise le PID comme algorithme de contrôle de base pour contrôler la vitesse et la puissance électrique du compresseur micro-onduleur DC., obtenant ainsi un système thermostatique de petite taille, poids léger, haute efficacité et bon contrôle de la température. Les résultats expérimentaux montrent que la méthode a un temps de réponse rapide, seulement 6 minutes pour rendre le système stable; haute précision de contrôle, la plus haute précision de la température de l'eau puisse atteindre 0.01 ℃. Avec le grand nombre d'applications du laser UV dans le marquage, découpe de précision et autres industries, le procédé présente à la fois de nombreux avantages et une valeur pratique et une importance promotionnelle élevées.

Mots-clés: Laser ultraviolet; Micro-compresseur; Contrôle de fréquence; Compensation électro-thermique; Contrôle PID

Auteur: Xiong Weiguo (1986-08- ), Mâle, Maître, Ingénieur technique en chef de Shenzhen Coolingstyle Technology Co., Ltée, Les principaux aspects de la recherche sont la conception de microcompresseurs et de micro et petits systèmes de réfrigération., conception de refroidisseur laser de haute précision. E-mail: xwg@coolingstyle.com

Yuancheng Zhu (08/1987- ), mâle, directeur général et R&Directeur D de Shenzhen Coolingstyle Technology Co., Ltée, doctorant en ingénierie à la Shenzhen International Graduate School de l'Université Tsinghua, dont les principaux aspects de recherche sont la recherche du contrôle de haute précision du microcompresseur et du système de réfrigération, et la recherche d'un système de refroidissement du microenvironnement humain utilisant un microcompresseur dans des conditions de travail à haute température.

1. Le développement des lasers UV tout solide

Depuis 1961, quand Meyman ^[1] a inventé le premier laser à rubis, après plus d'un demi-siècle de recherche et d'exploration, la technologie laser a connu un développement rapide et est largement utilisée dans divers domaines tels que l'industrie, agriculture, mesures, communication, médecine, recherche militaire et scientifique. Selon les différentes longueurs d'onde de sortie, les lasers peuvent être divisés en lasers infrarouges, lasers visibles, lasers ultraviolets, etc. ^[2]

Parmi eux, Les lasers UV sont des lasers dont la longueur d'onde de sortie ne dépasse pas 400 nm, qui ont une courte longueur d'onde, énergie concentrée et haute résolution, et peut être divisé dans les catégories suivantes selon les différentes méthodes de pompage: lasers à gaz, laser excimer, lasers à semi-conducteurs, lasers à semi-conducteurs pompés par lampe et lasers à semi-conducteurs pompés par LD, etc. Parmi eux, Les lasers à semi-conducteurs pompés par LD sont également appelés lasers à semi-conducteurs.. Les principaux lasers UV utilisés au XXème siècle sont les lasers à gaz et les lasers excimer, qui ont tous deux des problèmes de grande taille, faible efficacité, fiabilité limitée, courte durée de vie, et coût élevé ^[3].

Le laser UV entièrement solide utilise une diode laser (LD) comme pompe, et utilise un cristal laser pour générer une lumière infrarouge d'environ 1 μm, puis obtient un laser UV par effet de multiplication ou de somme de fréquence d'un cristal optique non linéaire. L’application de lasers UV étrangers entièrement solides a commencé dans les années 1990. 1995, Ok M ^[4] de Sony Corporation au Japon a obtenu un 1.5 W continu Nd: Laser UV YAG de 266 nm en doublant la fréquence KTP et en quadruplant le BBO. Ensuite, de nombreuses recherches ont été menées dans différents pays, et lasers UV à semi-conducteurs d'une puissance allant de 12 W ^[5] à 160W ^[6] ont été fabriqués. Dans 1999, Chen Guofu ^[7] et d'autres de l'Institut d'optique de Xi'an ont obtenu un 266 Sortie laser UV nm utilisant un cristal BBO, qui a été le premier laser UV entièrement solide signalé en Chine. Depuis lors, la technologie laser UV en Chine est également entrée dans une période de développement rapide.

Avec les avantages de la petite taille, construction compacte, haute efficacité, longue vie, bonne qualité de faisceau et faible coût, les lasers UV entièrement solides sont largement utilisés dans la surveillance environnementale, médecine, communications et microfabrication. Dans le domaine de la surveillance environnementale, le laser UV peut être utilisé pour surveiller la teneur en vapeur d'eau du fond et O₃ concentration dans la troposphère^[8][9], et pour déterminer la répartition des aérosols dans l'air^[10]; Dans le domaine de la médecine, les caractéristiques de haute énergie du laser UV peuvent être utilisées pour rompre directement les liaisons moléculaires entre les cellules des tissus, évitant ainsi les dommages thermiques aux tissus^[11]; Dans le domaine de la communication, la communication laser UV présente les avantages d'un faible taux d'écoute, interférence élevée et portée non visible. Dans le domaine de la communication, La communication laser UV présente les avantages d'un faible taux d'écoute, interférence élevée et sans visibilité directe ^[12]; Dans le domaine du traitement, en raison des caractéristiques de traitement à froid du laser UV dans le processus de destruction directe des liaisons chimiques, afin qu'il puisse réaliser le traitement de structures précises et complexes ^[13]. Au cours des dernières années, avec l’essor de la technologie UV profond et UV sous vide, l'application des lasers UV entièrement solides est devenue de plus en plus répandue ^[14].

2. État du contrôle de la température des lasers UV tout solide

L'efficacité globale du laser UV entièrement solide est faible, et beaucoup de chaleur est générée pendant le pompage LD et le doublement et la sommation de fréquence. Si la chaleur générée n'est pas libérée à temps, cela augmentera la température du laser. La température a un impact significatif sur les performances des lasers UV à solide, affectant principalement le pompage LD et les cristaux non linéaires. Les changements de température peuvent provoquer une instabilité de la puissance de sortie LD, et quand la température augmente, La puissance de sortie LD augmente ^[15]. L'instabilité de la température peut même déclencher le phénomène de saut en mode LD. cela provoquera des troubles du métabolisme de l'eau et du sel dans le corps humain et un phénomène de coup de chaleur, le changement de température provoque également l'indice de réfraction, forme et volume du cristal laser à modifier, ce qui fait changer la longueur d'onde de sortie LD, 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]. The temperature rise causes a change in the refractive index of the nonlinear optical crystal, and the output beam quality and multiplicative efficiency are reduced.

All-solid-state UV lasers produce a lot of heat and their performance is temperature sensitive, therefore, if the heat generated by the laser is dissipated in a timely manner and its temperature stability is maintained, cela devient un problème qui doit être résolu dans l'industrie laser. Le refroidissement par ventilateur traditionnel est inefficace et mal contrôlable, et ne convient pas comme méthode de refroidissement pour les lasers UV entièrement solides. le testeur qui ne portait pas de combinaisons rafraîchissantes a indiqué qu'il était trop trempé de sueur pour continuer et a enlevé leurs combinaisons, les principales méthodes utilisées sont le refroidissement TEC et le refroidissement par eau. La méthode de refroidissement TEC utilisant le contrôle PID peut déjà atteindre une précision de contrôle de la température ± 0.01 ℃^[17], mais TEC est généralement très faible efficacité et mauvaise stabilité, il est difficile d'être utilisé dans des applications à grande échelle. La dissipation thermique traditionnelle refroidie à l'eau est généralement réalisée à l'aide d'un refroidisseur constitué d'un système de réfrigération à compression de vapeur., contrôle de la précision de la température grâce à la méthode de dérivation des gaz chauds pour obtenir. En cours de commutation de la vanne de dérivation de gaz chauds, le système de refroidissement ou de chauffage du compresseur aura un certain dépassement, il est donc difficile pour le refroidisseur d'atteindre un haut degré de précision. Pour atteindre une haute précision, il faut utiliser un très grand réservoir d'eau, utiliser la capacité thermique de l’eau pour absorber la chaleur ou le froid, et ce refroidisseur est grand et coûteux. Dans cet article, la méthode de contrôle de la température d'un laser UV entièrement solide est étudiée à l'aide d'un système de refroidissement par eau avec un système de réfrigération à compression de vapeur à fréquence variable et un couplage électrothermique.

3. Principe de contrôle de la température

Le schéma fonctionnel du système de contrôle de la température du laser UV tout solide est présenté dans la figure 1. Le laser est placé sur le dissipateur thermique et la chaleur qu'il génère est conduite vers le dissipateur thermique par contact.. Il y a des canaux d'eau à l'intérieur du dissipateur thermique, qui forment un cycle d'eau avec la pompe, réservoir d'eau et échangeur de chaleur. Il y a 2 ensembles de canaux dans l'échangeur de chaleur, un pour l'eau et un pour le réfrigérant. Les canaux réfrigérants forment un système de réfrigération avec le compresseur, condenseur et papillon des gaz. L'eau transmet la chaleur absorbée par le laser du dissipateur thermique à l'échangeur thermique, et le réfrigérant et l'eau échangent de la chaleur entre les parois de l'échangeur de chaleur, et enfin transmettre la chaleur au condenseur, qui libère de la chaleur dans l'environnement sous l'action du ventilateur. De cette façon, la dissipation thermique du laser est obtenue. Le compresseur sur la photo est un compresseur inverseur DC, qui a besoin de l'aide d'un pilote pour convertir l'alimentation CC en alimentation CA triphasée avant de pouvoir fonctionner.

Pour un système stable, il suffit de maintenir la température de l'eau stable pour s'assurer que la température du laser est stable. Le refroidissement de l'eau est réalisé par le système de refroidissement mentionné ci-dessus et le chauffage de l'eau peut être réalisé par les radiateurs électriques disposés à l'intérieur du réservoir d'eau. Le capteur de température transmet le signal de température de l'eau détecté au microcontrôleur. (MCU) après conversion A/N, et le microcontrôleur commande le compresseur et le réchauffeur électrique par l'intermédiaire d'un circuit de sortie basé sur la relation entre la température réelle actuelle de l'eau et la température cible souhaitée pour obtenir une température de l'eau stable. Dans le module de contrôle, il y a aussi un écran d'affichage et un circuit de détection tactile pour le dialogue homme-ordinateur. L'utilisateur peut observer la température de l'eau et le fonctionnement du système de contrôle de la température en temps réel via le module de contrôle, et peut également définir la température cible selon les besoins.

4. Sélection du matériel et mise en œuvre des fonctions

4.1 Systèmes de réfrigération

La réfrigération par compression de vapeur est aujourd’hui la méthode de réfrigération la plus efficace.. Les compresseurs AC conventionnels ne peuvent contrôler la capacité de refroidissement ou la capacité de chauffage du système qu'au moyen d'un démarrage/arrêt ou d'une dérivation de gaz chauds., qui est mal contrôlable et peu précis. Ce document utilise un compresseur inverseur CC, petite taille, poids léger, haute efficacité, et surtout, peut atteindre une vitesse infiniment variable dans une large plage, plus la vitesse est élevée, plus la capacité de refroidissement est grande, la capacité de refroidissement du système est donc contrôlable. Le modèle de compresseur sélectionné est CS-MCQ-19241100 (Chiffre 2), qui pèse environ 850g et a un diamètre de 56mm, et la relation entre sa capacité de refroidissement et sa vitesse est illustrée à la figure 3.

Comme le montre la figure 3, la capacité de refroidissement du compresseur augmente avec l'augmentation de la vitesse. Le module de contrôle calcule la vitesse actuelle requise du compresseur via un programme interne, convertit le signal de vitesse numérique en un signal analogique via un circuit convertisseur D/A, puis transmet le signal analogique au pilote du compresseur. Le conducteur ajuste la fréquence AC de sa sortie en fonction du signal de vitesse, réalisant ainsi le contrôle de la vitesse du compresseur. Condenseur, échangeur de chaleur, etc. sont couramment utilisés de type à haut rendement, choisissez le tube capillaire comme accélérateur, afin qu'un système de réfrigération complet soit complété.

4.2 Unités de chauffage

Le compresseur étant un appareil mécanique, le programme de contrôle nécessite un certain temps de réponse pour que ses commandes de vitesse se reflètent dans la capacité de refroidissement. Pour le système de refroidissement par eau avec un petit réservoir, dans le cas d'une petite capacité calorifique, le réglage de la vitesse du compresseur peut contrôler la température de l'eau dans une petite plage, mais il peut encore y avoir des fluctuations, la nécessité d'un réglage précis de la température de l'eau via le dispositif de chauffage. en outre, le travail du laser n'est pas toujours stable, ou même parfois ne fonctionne pas, lorsque le système de contrôle de la température est dans un état de veille à vide, même si la vitesse du compresseur est réglée au minimum, la température de l'eau continuera de baisser jusqu'à la température cible inférieure, l'arrêt du compresseur entraînera de plus grandes fluctuations de la température de l'eau.

Le tube chauffant électrique intégré au réservoir d'eau est la solution parfaite à ces problèmes. Dans le tube creux en acier inoxydable à l'intérieur de la disposition du fil de résistance en spirale, l'espace rempli d'oxyde de magnésium à haute température. Le fil de résistance est alimenté et la chaleur est uniformément transférée à la surface du tube à travers la céramique d'oxyde de magnésium. Le chauffage de l'eau est obtenu en immergeant le tube chauffant électrique dans l'eau. Par réglage PWM de la tension d'entrée du radiateur, la puissance de chauffage peut être contrôlée avec précision.

4.3 Acquisition de signaux de température

La température de fonctionnement optimale d'un laser UV tout solide se situe généralement entre 20°C et 30°C.. La température réelle de l'eau mesurée se situe dans la plage de 0 à 40°C. Cette plage de température appartient à la plage de température normale et la plupart des capteurs de température peuvent répondre aux exigences. La précision du contrôle de température élevée nécessite une grande précision, grand coefficient de température et bonne linéarité du capteur de température dans cette plage. Dans cet article, nous choisissons un capteur de température Pt100 en acier inoxydable à trois fils, qui est constitué d'un fil de platine très fin enroulé sur un support en mica. La résistance du Pt100 varie avec la température, avec une résistance de 100Ω à 0°C, et présente une bonne linéarité dans la plage de température ambiante. Une source de courant constant est ajoutée aux deux extrémités du Pt100, et un circuit d'échantillonnage de température mesure la différence de tension entre ses deux extrémités afin que sa résistance puisse être obtenue, puis sa température détectée est obtenue par interpolation linéaire des propres caractéristiques de résistance du Pt100. L'utilisation d'un système à trois fils élimine l'effet de résistance sur le fil et donne ainsi une image plus précise de la température réelle. En plongeant le Pt100 dans le réservoir d'eau, la température de l'eau peut être détectée en temps réel, et le signal de tension détecté est transmis au MCU pour analyse et traitement après conversion A/D..

4.4 Système de contrôle PID

Le système contrôle la capacité de refroidissement et de chauffage en ajustant les paramètres PWM de la vitesse du compresseur et l'interrupteur du chauffage électrique pour enfin stabiliser la température de l'eau.. Étant donné que le fonctionnement du laser n'est pas stable et que l'incertitude des facteurs environnementaux a un grand impact sur le système de réfrigération, la structure et les paramètres du système doivent s'appuyer sur l'expérience et la mise en service sur le terrain pour déterminer, il n'est donc pas possible de contrôler le fonctionnement du système avec un modèle mathématique précis. L'algorithme PID est simple, robuste et fiable, et constitue l'une des stratégies de contrôle les plus adaptées à ce système., qui calcule la proportionnelle, intégral, montant de contrôle différentiel pour réguler le travail du système. Le flux de travail du PID est illustré dans la figure 4. A chaque pas de temps, le système calcule d'abord l'erreur de température de l'eau, alors l'erreur est calculée par PID, puis la quantité d'ajustement de la vitesse du compresseur et de la puissance du chauffage électrique est dérivée. Ceci est répété jusqu'à ce que l'erreur de température soit contrôlée dans les limites des exigences de précision., moment auquel la température de l'eau atteint une stabilité. P., je, Les paramètres D ont un grand impact sur les performances du système, et l'ingénierie s'appuie généralement sur l'expérience et combinée à la méthode de test pour son réglage. Dans ce document, la méthode de proportionnalité critique est utilisée pour ajuster les paramètres PID.

5. Flux de contrôle du système

Le flux de contrôle du système est illustré dans la figure 5. Lorsque le système vient d'être allumé, si la température de l'eau est supérieure à la température cible de plus de 1 ℃, le système de réfrigération est allumé, afin que le compresseur tourne à plein régime pour abaisser rapidement la température de l'eau; si la température de l'eau est inférieure à la température cible de plus de 1 ℃, le chauffage électrique est allumé à pleine puissance, pour que la température de l'eau augmente rapidement. Lorsque la température de l'eau entre dans la plage de température cible ± 1 ℃, l'algorithme PID est utilisé pour réguler la vitesse du compresseur et la puissance du réchauffeur électrique en temps réel, et enfin stabiliser la température de l'eau.

L'algorithme PID contrôle avec une grande précision, mais cela demande un long temps de stabilisation. La stratégie de contrôle utilisée dans cet article contrôle d'abord rapidement la température de l'eau autour de la température cible, puis l'ajuste avec l'algorithme PID., ce qui réduit considérablement le temps de stabilisation.

6. Résultats expérimentaux et analyse

Un test de contrôle de température a été réalisé sur un laser UV modèle 10W. Le système de refroidissement, un dispositif de chauffage électrique et d'autres unités fonctionnelles et algorithmes de contrôle décrits dans la section précédente ont été utilisés, et le système ne circulait que 1 L. La température cible a été fixée à 25°C, et le laser et le système de contrôle de la température ont été allumés en même temps. Chiffre 6 enregistre l'ensemble du processus de changement de température de l'eau, depuis la mise sous tension jusqu'à la stabilisation du système.

Comme le montre le graphique, le temps de stabilisation du système est court, seulement 6 minutes. Après stabilisation, la température de l'eau est maintenue à 25 ± 0,01°C, ce qui indique que la précision de ce système de contrôle de température peut atteindre 0,01°C. La température de fonctionnement du laser est également stable une fois la température de l'eau stabilisée..

7. Remarques finales

La température joue un rôle crucial dans les caractéristiques de sortie d'un laser UV tout solide. Dans cet article, une méthode de contrôle de la température basée sur le couplage d'un système de refroidissement à compresseur DC miniature et d'une compensation électro-thermique est conçue pour ce laser. En contrôlant la vitesse du compresseur micro-onduleur DC et la puissance de l'équipement de chauffage électrique auxiliaire, la température de l'eau du système de refroidissement du laser est régulée avec précision. Le système de contrôle de la température réalisé avec cette méthode utilisant la technologie de réfrigération à compresseur micro-onduleur est de petite taille, léger et très efficace, et les résultats expérimentaux montrent que le système a une réponse rapide, temps de stabilisation court et précision de contrôle de température élevée, qui peut atteindre 0,01°C.

Par rapport aux refroidisseurs conventionnels, le système présente les avantages exceptionnels d'une petite taille, poids léger et précision de refroidissement élevée. cela provoquera des troubles du métabolisme de l'eau et du sel dans le corps humain et un phénomène de coup de chaleur, parce que le compresseur utilisé à l'intérieur du système est un compresseur DC, il est très approprié pour que le système de refroidissement corresponde au système d'alimentation électrique de différents pays, et sa polyvalence est plus forte. Par rapport à la réfrigération électronique TEC, le système de compresseur a une plus grande capacité de refroidissement et un rapport d'efficacité énergétique plus élevé, ce qui peut réduire considérablement la consommation d'énergie de l'utilisateur et réduire le coût d'utilisation en utilisation continue à long terme. La machine est également livrée avec sa propre commande de chauffage interne pour un préchauffage rapide lors de la première utilisation hivernale. Le coût de conception du système a été réduit grâce au coût des microcompresseurs et des systèmes de réfrigération TEC ou des compresseurs de même niveau de capacité de refroidissement pour rivaliser.. Avec un grand nombre d'applications des lasers UV en marquage, découpe de précision et autres industries, cette méthode présente de nombreux avantages tels que la petite taille, poids léger, haute précision, haute efficacité énergétique, faible coût, il effectue d'autres tâches supplémentaires dans le système, qui a une grande valeur pratique et une importance promotionnelle.

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