热电制冷杜瓦瓶的热力分析与温度控制

论文摘要

本文首先简单回顾了CCD的发展和工作原理,讲述了制冷对天文CDD相机的重要性。对应用在天文CCD的四种制冷技术:斯特林制冷器、焦耳-汤姆逊制冷器、液氮制冷杜瓦瓶系统、热电制冷杜瓦瓶系统从制冷效果和温度控制上进行了比较,并分析了各自的优势与不足。其次,叙述了热电制冷的原理以及热电制冷在设计中的具体应用,并利用有限元法对热电制冷杜瓦瓶和热电制冷堆进行热力分析,得到了热电制冷杜瓦瓶和热电制冷堆的温度分布情况。根据热力分析的结果,在设计中采用三级热电制冷堆堆叠的方式对CCD进行制冷:第一、二级热电制冷堆由开关电源经稳压滤波后直接供电,以提供CCD所需要的温差;第三级热电制冷堆则采用PID温度控制电路对通过热电制冷堆的电流强度进行调节,使CCD达到恒温。再次,讲述了温度控制电路的设计,并对各元器件和各功能模块的作用进行了说明。最后,叙述了温度控制电路的调试过程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 第一章 CCD的工作原理以及与制冷的关系
• 1.1 CCD的工作原理
• 1.1.1 电荷储存
• 1.1.2 电荷转移
• 1.2 制冷对CCD的重要作用
• 1.2.1 CCD需要制冷的原因
• 1.2.2 CCD常用的几种制冷技术
• 1.2.3 采用热电制冷的原因
• 第二章 热电制冷的原理及其应用
• 2.1 热电效应的产生
• 2.1.1 塞贝克效应
• 2.1.2 珀尔帖效应
• 2.1.3 汤姆逊效应
• 2.1.4 焦耳效应
• 2.1.5 傅立叶效应
• 2.2 热电制冷的原理
• 2.3 热电制冷的计算公式
• 2.4 热电制冷技术的应用
• 第三章 热电制冷杜瓦瓶的热力分析
• 3.1 热量传递的基本方式
• 3.1.1 导热
• 3.1.2 对流
• 3.1.3 辐射
• 3.2 有限元法简介
• 3.3 热力分析
• 3.3.1 建立模型并简化模型
• 3.3.2 定义模型的材料特性
• 3.3.3 定义模型的边界条件
• 3.3.4 定义模型的热力载荷
• 3.3.5 划分有限元网格
• 3.3.6 热力分析结果
• 第四章 热电制冷杜瓦瓶的机械结构
• 第五章 温度控制电路设计
• 5.1 核心元器件介绍
• 5.1.1 温度传感器Pt-1000
• 5.1.2 数字面板表UP5035
• 5.1.3 运算放大器LM324
• 5.1.4 精密参考源LM336-2.5
• 5.1.5 热电制冷堆TEC1-12706、TEC1-12703
• 5.2 电路原理图设计
• 5.2.1 温度测量和电压检测电路
• 5.2.2 温度显示电路
• 5.2.3 偏差减法电路
• 5.2.4 PID控制电路
• 5.2.5 加法器电路
• 5.2.6 功放电路
• 5.2.7 电源和稳压滤波电路
• 5.3 电路传递函数计算
• 第六章 小结
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢