一種多物理場耦合環(huán)境模擬裝置制造方法
【專利摘要】一種多物理場耦合環(huán)境模擬裝置，它包括輻照發(fā)生裝置、環(huán)境模擬溫箱、高壓電場控制模塊、溫度場控制模塊、電磁場控制模塊和中央控制單元；該輻照發(fā)生裝置用來產(chǎn)生輻照場，該環(huán)境模擬溫箱放置在輻照場中，其他部分放置在非輻照區(qū)，該環(huán)境模擬溫箱通過電纜與高壓電場控制模塊和電磁場控制模塊相連接，通過氣體管路與溫度場控制模塊相連接，該高壓電場控制模塊與溫度場控制模塊和電磁場控制模塊通過RS485總線與中央控制單元連接形成通訊。本發(fā)明不同于傳統(tǒng)的環(huán)境模擬裝置，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的輻照試驗，而且可以同時實現(xiàn)動態(tài)的高壓電場環(huán)境模擬、溫度場環(huán)境模擬和電磁場環(huán)境模擬。
【專利說明】 一種多物理場耦合環(huán)境模擬裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多物理場耦合環(huán)境模擬裝置，尤其涉及一種可以同時實現(xiàn)輻照場、高壓電場、溫度場和電磁場等多物理場耦合的環(huán)境模擬裝置。屬于環(huán)境適應(yīng)性及可靠性試驗【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]任何產(chǎn)品(整機、系統(tǒng)、部件和元器件)都工作在一定的環(huán)境條件下。在特定的工作環(huán)境下，必須保證產(chǎn)品可靠工作和滿足性能要求。隨著社會的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進步，對各類產(chǎn)品的需求量和質(zhì)量要求不斷提高，因而對產(chǎn)品的環(huán)境可靠性提出了更高的要求。為此，需要進行各種類型的環(huán)境適應(yīng)性及可靠性試驗。在環(huán)境模擬裝置中再現(xiàn)各種環(huán)境條件，進行產(chǎn)品的環(huán)境可靠性試驗，從而可更快地發(fā)現(xiàn)問題并找出原因，這對于新產(chǎn)品的開發(fā)和成品的質(zhì)量檢驗具有重要的意義。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中，環(huán)境模擬裝置多是對單一環(huán)境進行模擬(比如低溫環(huán)境模擬、高溫環(huán)境模擬、高真空環(huán)境、微重力環(huán)境、空間輻照環(huán)境、弱磁場環(huán)境模擬等)，很少同時對多個物理場耦合環(huán)境同時進行模擬。本發(fā)明設(shè)計了一種多物理場耦合的環(huán)境模擬裝置，可同時進行輻照場、高壓電場、溫度場和電磁場的測試。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]1、目的:本發(fā)明的目的是提供一種多物理場耦合環(huán)境模擬裝置，它是一種可以同時實現(xiàn)輻照場、高壓電場、溫度場和電磁場等多物理場耦合的環(huán)境模擬裝置。它不同于傳統(tǒng)的環(huán)境模擬裝置，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的輻照試驗，而且可以同時實現(xiàn)動態(tài)的高壓電場環(huán)境模擬、溫度場環(huán)境模擬和電磁場環(huán)境模擬。
[0005]2、技術(shù)方案:本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。
[0006]本發(fā)明所述的多物理場是指輻照場、高壓電場、溫度場和電磁場等。本發(fā)明一種多物理場耦合環(huán)境模擬裝置包括:輻照發(fā)生裝置、環(huán)境模擬溫箱、高壓電場控制模塊、溫度場控制模塊、電磁場控制模塊，以及中央控制單元。它們之間的位置連接關(guān)系是:該輻照發(fā)生裝置用來產(chǎn)生輻照場，該環(huán)境模擬溫箱放置在輻照場中，其他部分放置在非輻照區(qū)，該環(huán)境模擬溫箱通過電纜與高壓電場控制模塊和電磁場控制模塊相連接，通過氣體管路與溫度場控制模塊相連接，該高壓電場控制模塊與溫度場控制模塊和電磁場控制模塊通過RS485總線與中央控制單元連接形成通訊。
[0007]所述的輻照發(fā)生裝置由專門的具有資質(zhì)的輻照場所提供。
[0008]所述的環(huán)境模擬溫箱為500mmX500mmX500mm的鋁合金箱體，箱體內(nèi)部放有用來產(chǎn)生高壓電場的銅極板以及用于產(chǎn)生電磁場的正方形Helmholtz線圈，并連接有能夠與溫度場控制模塊進行氣體交換的氣體循環(huán)管路，將其放置在輻照場中，可以模擬輻照環(huán)境、高壓電場環(huán)境、溫度場環(huán)境和磁場環(huán)境。該銅極板為高壓電場控制模塊的兩塊銅極板，二者平行放置于環(huán)境模擬溫箱內(nèi)的上下表面。該正方形Helmholtz線圈為電磁場控制模塊的正方形Helmholtz線圈，正放于環(huán)境模擬溫箱內(nèi)。該氣體循環(huán)管路為溫度場控制模塊的氣體循環(huán)管路，二者外接于環(huán)境模擬溫箱的前表面。
[0009]所述的高壓電場控制模塊包括單片機控制電路A、高壓升壓逆變電路、高壓整流濾波電路和高壓電場銅極板等。它們之間的位置連接關(guān)系是:單片機控制電路A通過RS485總線與中央控制單元連接形成通訊，并且通過導(dǎo)線與高壓升壓逆變電路相連接，高壓升壓逆變電路通過并聯(lián)的方式與高壓整流濾波電路相連接，高壓整流濾波電路輸出的兩根導(dǎo)線分別接在兩塊高壓電場銅極板上。該單片機控制電路A包括MC9S12XEP100MAL單片機A、D/A轉(zhuǎn)換電路A和A/D轉(zhuǎn)換電路A。該高壓升壓逆變電路包括220V/50HZ工頻交流電輸入、整流濾波電路A、IGBT全橋逆變電路和升壓變壓器。其間關(guān)系是:220V/50Hz工頻交流電輸入至整流濾波電路A，整流濾波電路A的輸出端與IGBT全橋逆變電路并聯(lián)，IGBT全橋逆變電路與升壓變壓器原邊并聯(lián)，升壓變壓器副邊與高壓整流濾波電路內(nèi)的高壓整流電路并聯(lián)。該高壓整流濾波電路包括高壓整流電路和高壓濾波電路。其間關(guān)系是:高壓整流電路的輸入端與升壓變壓器副邊并聯(lián)，高壓整流電路的輸出端與高壓濾波電路并聯(lián)，高壓濾波電路的輸出端直接連接在兩塊高壓電場銅極板上。該高壓電場銅極板為兩塊尺寸為400mm X 400mm X 2mm 的銅板。
[0010]所述的溫度場控制模塊由制冷/加熱溫箱、防凍液循環(huán)管路、氣液兩相換熱溫箱、氣體循環(huán)管路、以及溫度傳感器A等組成。它們之間的位置連接關(guān)系是:制冷/加熱溫箱通過防凍液循環(huán)管路與氣液兩相換熱溫箱相連，氣液兩相換熱溫箱通過氣體循環(huán)管路與環(huán)境模擬溫箱相連，溫度傳感器A置于環(huán)境模擬溫箱之中，溫度傳感器A輸出線通過RS485總線與中央控制單元連接。該制冷/加熱溫箱包括防凍液，制冷機組和制冷控制電路，加熱棒和逆變調(diào)功加熱電路，溫度傳感器B，以及單片機控制電路B。其間關(guān)系是:單片機控制電路B通過RS485總線與中央控制單元連接，并通過導(dǎo)線與制冷控制電路、逆變調(diào)功加熱電路和溫度傳感器B相連接，溫度傳感器B與防凍液相接觸。制冷控制電路通過導(dǎo)線與制冷機組相連，控制制冷機組的開關(guān)，實現(xiàn)對防凍液制冷；逆變調(diào)功加熱電路通過導(dǎo)線與加熱棒相連，控制加熱棒對防凍液加熱。該制冷機組為四組丹佛斯SClOCL冷柜壓縮機。該制冷控制電路為繼電器-接觸器控制電路。該加熱棒為9根功率為200W的封裝在不銹鋼鋼管內(nèi)電阻絲。該逆變調(diào)功加熱電路由空氣斷路器、整流濾波電路B和Buck電路所組成，其間關(guān)系是:AC220V/50Hz工頻交流電連接至空氣斷路器，空氣斷路器輸出端與整流濾波電路B并聯(lián)，整流濾波電路B的輸出端與Buck電路并聯(lián)，經(jīng)Buck電路后再連接至加熱棒，形成加熱回路。該單片機控制電路B以MC9S12XEP100MAL單片機B為核心。該防凍液循環(huán)管路包括兩根內(nèi)徑為8mm，外徑為12mm，長度為1m的塑料管，以及防凍液循環(huán)泵。其中，一根塑料管路的一端連接至制冷/加熱溫箱的回水口，另一端連接至氣液兩相換熱溫箱內(nèi)部的換熱器一端；另一根塑料管路一端連接至制冷/加熱溫箱的進水口，一端與防凍液循環(huán)泵的一端相連，防凍液循環(huán)泵的另一端連接至氣液兩相換熱溫箱內(nèi)部的氣液兩相換熱器的另一端。該氣液兩相換熱溫箱包括氣液兩相換熱器和換熱風(fēng)機。氣液兩相換熱器一端與制冷/加熱溫箱的回水口管路相連接，另一端與防凍液循環(huán)泵相連接；換熱風(fēng)機放置于氣液兩相換熱溫箱的出風(fēng)口。該氣體循環(huán)管路為兩根內(nèi)徑為44_，外徑為54_，長度為2.5m的硅膠管。其中，一根娃膠管路一端與氣液兩相換熱溫箱的出氣口連接，另一端與環(huán)境模擬溫箱進氣口連接；另一根硅膠管路一端與氣液兩相換熱溫箱回氣口連接，另一端與環(huán)境模擬溫箱出氣口連接。該溫度傳感器A采用PTlOOO溫度傳感器。
[0011 ] 所述的電磁場控制模塊包括單片機控制電路C、恒流源電路、電磁場極性切換電路和正方形Helmholtz線圈等。它們之間的位置連接關(guān)系是:單片機控制電路C通過導(dǎo)線與恒流源電路以及電磁場極性切換電路相連接，實現(xiàn)信號的傳遞，并通過RS485總線與中央控制單元連接，形成通訊。恒流源電路并聯(lián)接在電磁場極性切換電路輸入端，電磁場極性切換電路的兩根輸出線與正方形Helmholtz線圈相連，形成回路。該單片機控制電路C包括MC9S08DZ60CLC單片機C、D/A轉(zhuǎn)換電路B、A/D轉(zhuǎn)換電路B和A/D轉(zhuǎn)換電路C。該恒流源電路采用HY-750A恒流源，可輸出O?20A恒定電流。該電磁場極性切換電路為由繼電器組成的全橋電路，通過控制繼電器的開通和關(guān)斷來改變電流方向。該正方形Helmholtz線圈為一對匝數(shù)、邊長、高度和厚度相同的共軸平行放置的正方形線圈。
[0012]所述的中央控制單元包括工控機、工業(yè)顯示器、RS-485通訊卡等。它們之間的位置連接關(guān)系是:RS485通訊卡插在工控機的PCI插槽中，通訊接口通過通訊線分別與高壓電場控制模塊、溫度場控制模塊和電磁場控制模塊相連，工控機通過VGA視頻線與工業(yè)顯示器相連。該工控機為研華Advantech IPC-610H工控機；該工業(yè)顯示器為奇彩創(chuàng)晶嵌入式工業(yè)液晶顯示器QC-170IPE10T ;該RS-485通訊卡為研華8端口 RS-422/485通用PCI通訊卡。
[0013]其中，該環(huán)境模擬溫箱額外形尺寸為500mmX500mmX500mm。
[0014]其中，該高壓電場銅極板為兩塊尺寸為400mmX400mmX2mm的銅板。
[0015]3、優(yōu)點及功效:由本發(fā)明提供的上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明所述的多物理場耦合的環(huán)境模擬裝置由輻照發(fā)生裝置、環(huán)境模擬溫箱、高壓電場控制模塊、溫度場控制模塊、電磁場控制模塊，以及中央控制單元等組成，能夠?qū)崿F(xiàn)高劑量的空間高能粒子福照試驗；溫度范圍_20°C?+60°C，溫變速率3°C /h?15°C /h，溫度誤差±1°C;電磁場±50Gs，穩(wěn)定度為1% ;高壓電場的電壓調(diào)節(jié)范圍為O?20kV，電極距離10mm?500mm可調(diào)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的多物理場耦合環(huán)境模擬裝置的系統(tǒng)構(gòu)成示意圖；
[0017]圖2為本發(fā)明中高壓電場控制模塊的工作原理圖；
[0018]圖3為本發(fā)明中高壓電場控制模塊內(nèi)高壓升壓逆變電路和高壓整流濾波電路示意圖；
[0019]圖4為本發(fā)明中溫度場控制模塊的工作原理圖；
[0020]圖5為本發(fā)明中溫度場控制模塊內(nèi)制冷/加熱溫箱的工作原理圖；
[0021]圖6為本發(fā)明中溫度場控制模塊內(nèi)制冷/加熱溫箱中逆變調(diào)功加熱電路示意圖；
[0022]圖7為本發(fā)明中電磁場控制模塊的工作原理圖；
[0023]圖8為本發(fā)明中電磁場控制模塊內(nèi)電磁場極性切換電路示意圖。
[0024]圖中序號代號符號說明如下:
[0025]101為輻照發(fā)生裝置；
[0026]102為環(huán)境模擬溫箱；
[0027]103為高壓電場控制模塊；
[0028]104為溫度場控制模塊；
[0029]105為電磁場控制模塊；
[0030]106為中央控制單元；
[0031]201為單片機控制電路A ;
[0032]2011為單片機A ;
[0033]2012為D/A轉(zhuǎn)換電路A;
[0034]2013為A/D轉(zhuǎn)換電路A ;
[0035]202為高壓升壓逆變電路；
[0036]203為高壓整流濾波電路；
[0037]204為高壓電場銅極板；
[0038]301為整流濾波電路A ；
[0039]302為IGBT全橋逆變電路；
[0040]303為升壓變壓器；
[0041]304為高壓整流電路；
[0042]305為高壓濾波電路；
[0043]401為制冷/加熱溫箱.，
[0044]402為防凍液循環(huán)管路；
[0045]403為氣液兩相換熱溫箱；
[0046]404為氣體循環(huán)管路；
[0047]405為溫度傳感器A ；
[0048]501為防凍液；
[0049]502為制冷機組；
[0050]503為制冷控制電路；
[0051]504為加熱棒；
[0052]505為逆變調(diào)功加熱電路；
[0053]506為溫度傳感器B ；
[0054]507為單片機控制電路B ；
[0055]601為空氣斷路器；
[0056]602為整流濾波電路B ；
[0057]603 為 Buck 電路；
[0058]701為單片機控制電路C ；
[0059]7011為單片機C ;
[0060]7012為D/A轉(zhuǎn)換電路B ;
[0061]7013為A/D轉(zhuǎn)換電路B ;
[0062]7014為A/D轉(zhuǎn)換電路C ;
[0063]702為恒流源電路；
[0064]703為電磁場極性切換電路；
[0065]704 為正方形 Helmholtz 線圈。

【具體實施方式】
[0066]本發(fā)明一種多物理場耦合的環(huán)境模擬裝置，其【具體實施方式】是:
[0067]所述的一種多物理場耦合的環(huán)境模擬裝置包括:
[0068]參見圖1所示，輻照發(fā)生裝置101、環(huán)境模擬溫箱102、高壓電場控制模塊103、溫度場控制模塊104、電磁場控制模塊105，以及中央控制單元106 ;所述輻照發(fā)生裝置101產(chǎn)生輻照場，所述環(huán)境模擬溫箱102放置在輻照場中，其他部分放置在非輻照區(qū)，所述環(huán)境模擬溫箱102通過電纜與所述高壓電場控制模塊103和電磁場控制模塊105相連接，通過氣體管路與所述溫度場控制模塊104相連接，高壓電場控制模塊103與溫度場控制模塊104和電磁場控制模塊105通過RS485總線與所述中央控制單元106連接形成通訊。
[0069]參見圖2所示，所述高壓電場控制模塊103由單片機控制電路A201、高壓升壓逆變電路202、高壓整流濾波電路203和高壓電場銅極板204連接而成。單片機控制電路A201包括單片機A2011、D/A轉(zhuǎn)換電路A2012和A/D轉(zhuǎn)換電路A2013。
[0070]參見圖3所示，所述高壓升壓逆變電路202由整流濾波電路A301、IGBT全橋逆變電路302和升壓變壓器303連接而成。所述高壓整流濾波電路203由高壓整流電路304和高壓濾波電路305連接而成。
[0071]參見圖4所示，所述溫度場控制模塊104由制冷/加熱溫箱401、防凍液循環(huán)管路402、氣液兩相換熱溫箱403、氣體循環(huán)管路404、以及溫度傳感器A405等組成。
[0072]參見圖5所示，所述制冷/加熱溫箱401又包括防凍液501、制冷機組502、制冷控制電路503、加熱棒504、逆變調(diào)功加熱電路505，溫度傳感器B506，以及單片機控制電路B507o
[0073]參見圖6所示，所述逆變調(diào)功加熱電路505由空氣斷路器601、整流濾波電路B602和Buck電路603所組成。
[0074]參見圖7所示，所述電磁場控制模塊105由單片機控制電路C701、恒流源電路702、電磁場極性切換電路703和正方形Helmholtz線圈704連接而成。單片機控制電路C701包括單片機C7011、D/A轉(zhuǎn)換電路B7012、A/D轉(zhuǎn)換電路B7013和A/D轉(zhuǎn)換電路C7014組成。
[0075]參見圖8所示，所述電磁場極性切換電路703為四個繼電器K1、K2、K3和Κ4所構(gòu)成的全橋電路。
[0076]所述的多物理場耦合的環(huán)境模擬裝置可同時進行輻照場、高壓電場、溫度場和電磁場的測試。
[0077]所述的多物理場耦合的環(huán)境模擬裝置能夠?qū)崿F(xiàn)高劑量的空間高能粒子輻照試驗；
[0078]所述的多物理場耦合的環(huán)境模擬裝置能夠提供電壓調(diào)節(jié)范圍為O?20kV，電極距離100_?500_可調(diào)的高壓電場；
[0079]所述的多物理場耦合的環(huán)境模擬裝置能夠提供溫度范圍為_20°C?+60°C，溫變速率為3°C /h?15°C /h的溫度場；
[0080]所述的多物理場耦合的環(huán)境模擬裝置能夠提供磁場強度為±50Gs，穩(wěn)定度為1%的電磁場。
[0081]本發(fā)明針對產(chǎn)品環(huán)境可靠性試驗的需要，提供了一種多物理場耦合的環(huán)境模擬裝置，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高劑量的空間高能粒子輻照，而且能夠提供電壓調(diào)節(jié)范圍為O?20kV，電極距離10mm?500mm可調(diào)的高壓電場，還可以提供溫度范圍為-20°C?+60°C，溫變速率為3°C /h?15°C /h的溫度場，同時能夠提供磁場強度為±50Gs，穩(wěn)定度為1%的電磁場，可對產(chǎn)品同時進行輻照場、高壓電場、溫度場和電磁場的測試。
[0082]就本發(fā)明而言，包括輻照發(fā)生裝置101、環(huán)境模擬溫箱102、高壓電場控制模塊103、溫度場控制模塊104、電磁場控制模塊105，以及中央控制單元106等。輻照發(fā)生裝置101產(chǎn)生輻照場，環(huán)境模擬溫箱102放置在輻照場中，其他部分放置在非輻照區(qū)，環(huán)境模擬溫箱102通過電纜與高壓電場控制模塊103和電磁場控制模塊105相連接，通過氣體管路與溫度場控制模塊104相連接，高壓電場控制模塊103、溫度場控制模塊104和電磁場控制模塊105通過RS485總線與中央控制單元106形成通訊。
[0083]輻照發(fā)生裝置101由專門的具有資質(zhì)的輻照場所提供。由于輻射場的中子和質(zhì)子輻照通過形成原子位移效應(yīng)，在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生永久性損傷而使其失效。因此，在進行高壓電場模塊、溫度場控制模塊104和電磁場控制模塊105設(shè)計時，在結(jié)構(gòu)上進行了防輻照設(shè)計，以避免半導(dǎo)體器件失效。
[0084]環(huán)境模擬溫箱102放置在輻照場中，可以模擬輻照環(huán)境、高壓電場環(huán)境、溫度場環(huán)境和磁場環(huán)境。其中，輻照環(huán)境由輻照場所提供，高壓電場環(huán)境通過安置在環(huán)境模擬溫箱102內(nèi)的高壓電場銅極板204上加載高電壓來產(chǎn)生，溫度環(huán)境通過向環(huán)境模擬溫箱102內(nèi)輸送由溫度場控制模塊104產(chǎn)生的溫度可控的氣體來模擬，磁場環(huán)境通過安置在環(huán)境模擬溫箱102內(nèi)的正方形Helmholtz線圈704來產(chǎn)生。
[0085]高壓電場控制模塊103包括單片機控制電路A201、高壓升壓逆變電路202、高壓整流濾波電路203和高壓電場銅極板204等。
[0086]在中央控制單元106的人機交互界面上可以設(shè)置高壓電場強度，設(shè)置好的電場強度換算成對應(yīng)的高壓電源輸出電壓后，通過RS-485總線傳輸至高壓電場的單片機控制電路A201，然后再通過D/A轉(zhuǎn)換電路A2012變換成模擬量控制高壓逆變電源輸出電壓的大小。因此，調(diào)節(jié)高壓電源輸出電壓的大小就可以改變高壓電場銅極板204上的電壓大小，從而改變銅電極極板間的電場強度。
[0087]溫度場控制模塊104由制冷/加熱溫箱401、防凍液循環(huán)管路402、氣液兩相換熱溫箱403、氣體循環(huán)管路404、以及溫度傳感器A405等組成。制冷/加熱溫箱401又包括制冷機組502、制冷控制電路503、加熱棒504、逆變調(diào)功加熱電路505，以及單片機控制電路B507o
[0088]為了防止輻照試驗損壞半導(dǎo)體器件，溫度場控制模塊104遠離輻照，結(jié)合防凍液和氣體循環(huán)實現(xiàn)溫度場的遠程控制。其中，環(huán)境模擬溫箱102放在輻照場內(nèi)正對輻照源，中央控制單元106放在輻照場外面，制冷/加熱溫箱401放在輻照場內(nèi)距離輻照源較遠的迷宮(指的是具有多個直角拐彎的通道，輻照劑量每經(jīng)過一個直角拐角衰減99%)出口，氣液兩相換熱溫箱403放在環(huán)境模擬溫箱102附近.制冷/加熱溫箱401與氣液兩相換熱溫箱403之間采用防凍液循環(huán)泵和10米長的管路進行防凍液501的循環(huán)，氣液兩相換熱溫箱403和環(huán)境模擬溫箱之間102采用循環(huán)風(fēng)機和2.5米長的管路進行冷熱氣體的循環(huán)。
[0089]在制冷/加熱溫箱401中，安裝有制冷機組502和加熱棒504，分別對溫箱中的防凍液
[0090]501進行制冷和加熱。其中，制冷機組502的冷凝器安裝在溫箱的上半部分，加熱棒504布置在溫箱的底部，二者都浸泡在防凍液501中。
[0091]系統(tǒng)采用環(huán)境模擬溫箱102進氣口的溫度反饋信號Tf來閉環(huán)調(diào)節(jié)制冷/加熱溫箱401中防凍液501的溫度。首先，溫度采樣電路通過傳感器PT1000采集環(huán)境模擬溫箱102進氣口的溫度信號Tf并經(jīng)RS-485總線反饋至中央控制單元106的工控機進行環(huán)境模擬溫箱102的溫度顯示；同時環(huán)境模擬溫箱102溫度反饋信號與設(shè)定的溫度信號一起再通過RS-485總線發(fā)送給制冷/加熱溫箱401的單片機控制電路B507，進行加熱棒504輸出功率的調(diào)節(jié)和制冷機組502的啟/?？刂?，實現(xiàn)防凍液501溫度的控制。溫度受控的防凍液501再經(jīng)防凍液循環(huán)管路402傳輸至氣液兩相換熱溫箱403，通過換熱器轉(zhuǎn)換成溫度可控的冷熱氣體，該氣體再通過氣體循環(huán)管路404傳輸至環(huán)境模擬溫箱102，從而實現(xiàn)了環(huán)境模擬溫箱102溫度的遠距離精確控制。
[0092]電磁場控制模塊105包括單片機控制電路C701、恒流源電路702、電磁場極性切換電路703和正方形Helmholtz線圈704等。單片機控制電路C701包括單片機C7011、D/A轉(zhuǎn)換電路B7012、A/D轉(zhuǎn)換電路B7013和A/D轉(zhuǎn)換電路C7014組成。
[0093]在中央控制單元106的人機交互界面上可以設(shè)置電磁場的強度，設(shè)置好的電磁場工作參數(shù)通過RS-485總線傳輸至電磁場控制模塊105的單片機控制電路C701，然后再通過D/A轉(zhuǎn)換電路B7012變換成模擬量控制恒流源輸出電流的大小。因此，調(diào)節(jié)恒流源702輸出電流的大小就可以改變流過正方形Helmholtz線圈704電流的大小，從而改變線圈內(nèi)部電磁場的大小。通過單片機控制電路C701還可以控制電磁場極性切換電路703，改變流過正方形Helmholtz線圈704電流的方向，從而改變電磁場的方向。
[0094]中央控制單元106包括工控機、工業(yè)顯示器、RS-485通訊卡等。中央控制單元106主要完成人機交互功能，通過RS-485總線實現(xiàn)溫度場、電磁場和高壓電場控制，同時實現(xiàn)溫度、電磁場和高壓電場數(shù)據(jù)的采集和存儲。
[0095]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0096]圖1是多物理場耦合環(huán)境模擬裝置的系統(tǒng)構(gòu)成示意圖，主要包括:輻照發(fā)生裝置
101、環(huán)境模擬溫箱102、高壓電場控制模塊103、溫度場控制模塊104、電磁場控制模塊105，以及中央控制單元106。其中，輻照發(fā)生裝置101產(chǎn)生輻照場，環(huán)境模擬溫箱102放置在輻照場中，其他部分放置在非輻照區(qū)，環(huán)境模擬溫箱102通過電纜與高壓電場控制模塊103和電磁場控制模塊105相連接，通過氣體管路與溫度場控制模塊104相連接，高壓電場控制模塊103與溫度場控制模塊104和電磁場控制模塊105通過RS485總線與中央控制單元106連接形成通訊。
[0097]參考圖1，輻照發(fā)生裝置101能夠產(chǎn)生高劑量的空間高能粒子輻照；高壓電場控制模塊103能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境模擬溫箱內(nèi)部電極距離10mm?500mm可調(diào)，電壓O?20kV可調(diào)；溫度場控制模塊104能夠提供溫度范圍為_20°C?+60°C，溫變速率為3°C /h?15°C /h，溫度誤差為±1°C的溫度環(huán)境，通過氣體管路實現(xiàn)環(huán)境模擬溫箱的溫度交換；電磁場控制模塊105能夠控制環(huán)境模擬溫箱內(nèi)部的磁場強度，可為環(huán)境模擬溫箱提供磁場強度為±50Gs，穩(wěn)定度為I %的電磁場；高壓電場控制模塊103、溫度場控制模塊104和電磁場控制模塊105均通過RS485與中央控制單元106連接，并實現(xiàn)通訊；將環(huán)境模擬溫箱102放置在由輻照發(fā)生裝置101產(chǎn)生的輻照場中，其他模塊置于非輻照區(qū)，即可在環(huán)境模擬溫箱內(nèi)部實現(xiàn)輻照場、高壓電場、溫度場和電磁場的耦合。
[0098]圖2是高壓電場控制模塊103的工作原理圖。高壓電場控制模塊103由單片機控制電路A201、高壓升壓逆變電路202、高壓整流濾波電路203和高壓電場銅極板204連接而成。單片機控制電路A201包括單片機A2011、D/A轉(zhuǎn)換電路A2012和A/D轉(zhuǎn)換電路A2013。
[0099]參考圖2，經(jīng)由高壓升壓逆變電路202整流濾波逆變升壓、高壓整流濾波電路203整流濾波后的電壓輸出至環(huán)境模擬溫箱102內(nèi)部的高壓電場銅極板204會在高壓電場銅極板204間產(chǎn)生高壓電場。在中央控制單元106上設(shè)置好的高壓電場強度信號換算成對應(yīng)的高壓電源輸出電壓后，通過RS-485總線傳輸至高壓電場控制模塊103的單片機控制電路A201，然后再通過D/A轉(zhuǎn)換電路A2012變換成模擬量控制高壓升壓逆變電路202輸出電壓的大小。因此，調(diào)節(jié)高壓升壓逆變電路202輸出電壓的大小就可以改變高壓電場銅極板204上的電壓大小，從而改變銅電極極板間的電場強度。采集到的高壓升壓逆變電路202的信號經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換電路A2013變換成數(shù)字量，再通過單片機A2011和RS485總線與中央控制單元106進行通訊，即可對高壓電場控制模塊103進行實時監(jiān)控。
[0100]圖3是高壓升壓逆變電路202和高壓整流濾波電路203的示意圖。高壓升壓逆變電路202由整流濾波電路A301、IGBT全橋逆變電路302和升壓變壓器303連接而成。高壓整流濾波電路203由高壓整流電路304和高壓濾波電路305連接而成。
[0101]參考圖3，AC220V/50Hz工頻交流電輸入至整流濾波電路A301進行整流濾波，得到約為310V的平穩(wěn)直流電壓，該直流電壓輸入至IGBT全橋逆變電路302得到占空比可調(diào)的脈沖方波交流電壓，該脈沖方波交流電壓經(jīng)過升壓變壓器303得到電壓值更高的脈沖方波交流電壓，再經(jīng)過高壓整流電路304整流、高壓濾波電路305濾波，即可得到電壓值穩(wěn)定的直流電壓，該電壓再輸出至環(huán)境模擬溫箱102內(nèi)部的銅極板，從而產(chǎn)生高壓電場。
[0102]圖4是溫度場控制模塊104的工作原理圖。溫度場控制模塊104由制冷/加熱溫箱401、防凍液循環(huán)管路402、氣液兩相換熱溫箱403、氣體循環(huán)管路404、以及溫度傳感器A405等連接而成。
[0103]參考圖4，制冷/加熱溫箱401內(nèi)一定溫度的防凍液501經(jīng)防凍液循環(huán)管路402循環(huán)至氣液兩相換熱溫箱403，氣液兩相換熱溫箱403內(nèi)與防凍液溫度近似一致的氣體再經(jīng)由氣體循環(huán)管路404循環(huán)至環(huán)境模擬溫箱102，則會在環(huán)境模擬溫箱102內(nèi)形成一定溫度的溫度場。在中央控制單元106上設(shè)置好的溫度信號換算成對應(yīng)的電壓信號后，通過RS-485總線傳輸至制冷/加熱溫箱401內(nèi)部進行制冷/加熱的控制，間接改變環(huán)境模擬溫箱102內(nèi)部溫度。采集到的環(huán)境模擬溫箱102內(nèi)部的溫度經(jīng)由溫度傳感器A405輸入至中央控制單元106，同時中央控制單元106與制冷/加熱溫箱401通過RS485總線進行通訊，即可對溫度場控制模塊104進行實時監(jiān)控。
[0104]圖5是制冷/加熱溫箱301的工作原理圖。制冷/加熱溫箱301由防凍液501、制冷機組502、制冷控制電路503、加熱棒504、逆變調(diào)功加熱電路505，溫度傳感器B506，以及單片機控制電路B507連接而成。
[0105]參考圖5，在單片機控制電路B507的控制下，制冷控制電路503和逆變調(diào)功加熱電路505分別控制制冷機組502和加熱棒504對防凍液進行制冷或加熱。防凍液溫度再經(jīng)由溫度傳感器B506輸入至單片機控制電路B507進行調(diào)節(jié)控制。
[0106]圖6是逆變調(diào)功加熱電路505的示意圖。逆變調(diào)功加熱電路505由空氣斷路器601、整流濾波電路B602和Buck電路603所組成。
[0107]參考圖6，AC220V/50HZ工頻交流電經(jīng)空氣斷路器601輸入至整流濾波電路B602進行整流濾波，得到約為310V的平穩(wěn)直流電壓，該直流電壓輸入至Buck電路603得到電壓可調(diào)的直流電壓，Buck電路603的輸出端連接至加熱棒504形成回路，對加熱棒504進行加熱。
[0108]圖7是電磁場控制模塊105的工作原理圖。電磁場控制模塊105由單片機控制電路C701、恒流源電路702、電磁場極性切換電路703和正方形Helmholtz線圈704連接而成。單片機控制電路C701包括單片機C7011、D/A轉(zhuǎn)換電路B7012、A/D轉(zhuǎn)換電路B7013和A/D轉(zhuǎn)換電路C7014組成。
[0109]參考圖7，恒流源電路702產(chǎn)生的電流值大小恒定的電流經(jīng)由電磁場極性切換電路703，決定電流的方向，輸入至環(huán)境模擬溫箱102內(nèi)部的正方形Helmholtz線圈704，根據(jù)電磁效應(yīng)即可產(chǎn)生恒定磁場。在中央控制單元106設(shè)置好的電磁場的強度參數(shù)通過RS-485總線傳輸至電磁場控制模塊105的單片機控制電路C701內(nèi)部的單片機C7011，再通過D/A轉(zhuǎn)換電路B7012變換成模擬量控制恒流源電路702輸出電流的大小，從而控制電磁場強度。因此，調(diào)節(jié)恒流源電路702輸出電流的大小就可以改變流過正方形Helmholtz線圈704電流的大小，從而改變線圈內(nèi)部電磁場的大小。采集到的恒流源電路702的電流值和電壓值經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換電路B7013和A/D轉(zhuǎn)換電路C7014變換成數(shù)字量再通過單片機C7011和RS485總線與中央控制單元106進行通訊，經(jīng)由內(nèi)部換算即可對電磁場控制模塊105的電磁場強度進行實時監(jiān)控。通過單片機控制電路C701還可以控制電磁場極性切換電路703，改變流過正方形Helmholtz線圈704電流的方向，從而改變電磁場的方向。
[0110]圖8是電磁場極性切換電路703的示意圖。電磁場極性切換電路703為四個繼電器K1、K2、K3和K4所構(gòu)成的全橋電路。
[0111]參考圖8，恒流源電路702產(chǎn)生的電流值大小恒定的電流流入電磁場極性切換電路703，控制繼電器K1、K2、K3和Κ4，使得Kl和Κ4同時導(dǎo)通和關(guān)斷或者Κ2和Κ3同時導(dǎo)通和關(guān)斷就可以改變流過正方形Helmholtz線圈704的電流方向，從而改變正方形Helmholtz線圈704所產(chǎn)生的磁場方向。
[0112]本發(fā)明所述的多物理場耦合的環(huán)境模擬裝置由輻照發(fā)生裝置101、環(huán)境模擬溫箱
102、高壓電場控制模塊103、溫度場控制模塊104、電磁場控制模塊105，以及中央控制單元106等組成，能夠?qū)崿F(xiàn)高劑量的空間高能粒子福照試驗；高壓電場的電壓調(diào)節(jié)范圍為O?20kV，電極距離10mm?500mm可調(diào)；溫度范圍-20°C?+60°C，溫變速率3°C /h?15°C /h，溫度誤差±1°C ;電磁場±50Gs，穩(wěn)定度為1%。
[0113]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種多物理場耦合環(huán)境模擬裝置，其特征在于:它包括輻照發(fā)生裝置、環(huán)境模擬溫箱、高壓電場控制模塊、溫度場控制模塊、電磁場控制模塊和中央控制單元；該輻照發(fā)生裝置用來產(chǎn)生輻照場，該環(huán)境模擬溫箱放置在輻照場中，其他部分放置在非輻照區(qū)，該環(huán)境模擬溫箱通過電纜與高壓電場控制模塊和電磁場控制模塊相連接，通過氣體管路與溫度場控制模塊相連接，該高壓電場控制模塊與溫度場控制模塊和電磁場控制模塊通過RS485總線與中央控制單元連接形成通訊； 所述的輻照發(fā)生裝置由專門的具有資質(zhì)的輻照場所提供； 所述的環(huán)境模擬溫箱為鋁合金箱體，箱體內(nèi)部放有用來產(chǎn)生高壓電場的銅極板以及用于產(chǎn)生電磁場的正方形Helmholtz線圈，并連接有能夠與溫度場控制模塊進行氣體交換的氣體循環(huán)管路，將其放置在輻照場中，能模擬輻照環(huán)境、高壓電場環(huán)境、溫度場環(huán)境和磁場環(huán)境；該銅極板為高壓電場控制模塊的兩塊銅極板，二者平行放置于環(huán)境模擬溫箱內(nèi)的上、下表面；該正方形Helmholtz線圈為電磁場控制模塊的正方形Helmholtz線圈，正放于環(huán)境模擬溫箱內(nèi)；該氣體循環(huán)管路為溫度場控制模塊的氣體循環(huán)管路，二者外接于環(huán)境模擬溫箱的前表面； 所述的高壓電場控制模塊包括單片機控制電路A、高壓升壓逆變電路、高壓整流濾波電路和高壓電場銅極板；單片機控制電路A通過RS485總線與中央控制單元連接形成通訊，并且通過導(dǎo)線與高壓升壓逆變電路相連接，高壓升壓逆變電路通過并聯(lián)的方式與高壓整流濾波電路相連接，高壓整流濾波電路輸出的兩根導(dǎo)線分別接在兩塊高壓電場銅極板上；該單片機控制電路A包括MC9S12XEP100MAL單片機A、D/A轉(zhuǎn)換電路A和A/D轉(zhuǎn)換電路A ;該高壓升壓逆變電路包括220V/50HZ工頻交流電輸入、整流濾波電路A、IGBT全橋逆變電路和升壓變壓器；220V/50Hz工頻交流電輸入至整流濾波電路A，整流濾波電路A的輸出端與IGBT全橋逆變電路并聯(lián)，IGBT全橋逆變電路與升壓變壓器原邊并聯(lián)，升壓變壓器副邊與高壓整流濾波電路內(nèi)的高壓整流電路并聯(lián)；該高壓整流濾波電路包括高壓整流電路和高壓濾波電路，高壓整流電路的輸入端與升壓變壓器副邊并聯(lián)，高壓整流電路的輸出端與高壓濾波電路并聯(lián)，高壓濾波電路的輸出端直接連接在兩塊高壓電場銅極板上； 所述的溫度場控制模塊由制冷/加熱溫箱、防凍液循環(huán)管路、氣液兩相換熱溫箱、氣體循環(huán)管路和溫度傳感器A組成，制冷/加熱溫箱通過防凍液循環(huán)管路與氣液兩相換熱溫箱相連，氣液兩相換熱溫箱通過氣體循環(huán)管路與環(huán)境模擬溫箱相連，溫度傳感器A置于環(huán)境模擬溫箱之中，溫度傳感器A輸出線通過RS485總線與中央控制單元連接；該制冷/加熱溫箱包括防凍液、制冷機組和制冷控制電路、加熱棒和逆變調(diào)功加熱電路、溫度傳感器B和單片機控制電路B，單片機控制電路B通過RS485總線與中央控制單元連接，并通過導(dǎo)線與制冷控制電路、逆變調(diào)功加熱電路和溫度傳感器B相連接，溫度傳感器B與防凍液相接觸，制冷控制電路通過導(dǎo)線與制冷機組相連，控制制冷機組的開關(guān)，實現(xiàn)對防凍液制冷；逆變調(diào)功加熱電路通過導(dǎo)線與加熱棒相連，控制加熱棒對防凍液加熱；該制冷機組為四組丹佛斯冷柜壓縮機，該制冷控制電路為繼電器-接觸器控制電路，該加熱棒為9根功率為200W的封裝在不銹鋼鋼管內(nèi)電阻絲；該逆變調(diào)功加熱電路由空氣斷路器、整流濾波電路B和Buck電路所組成，AC220V/50Hz工頻交流電連接至空氣斷路器，空氣斷路器輸出端與整流濾波電路B并聯(lián)，整流濾波電路B的輸出端與Buck電路并聯(lián)，經(jīng)Buck電路后再連接至加熱棒，形成加熱回路；該單片機控制電路B以MC9S12XEP100MAL單片機B為核心，該防凍液循環(huán)管路包括兩根內(nèi)徑為8_，外徑為12_，長度為1m的塑料管，以及防凍液循環(huán)泵；其中，一根塑料管路的一端連接至制冷/加熱溫箱的回水口，另一端連接至氣液兩相換熱溫箱內(nèi)部的換熱器一端；另一根塑料管路一端連接至制冷/加熱溫箱的進水口，一端與防凍液循環(huán)泵的一端相連，防凍液循環(huán)泵的另一端連接至氣液兩相換熱溫箱內(nèi)部的氣液兩相換熱器的另一端；該氣液兩相換熱溫箱包括氣液兩相換熱器和換熱風(fēng)機；氣液兩相換熱器一端與制冷/加熱溫箱的回水口管路相連接，另一端與防凍液循環(huán)泵相連接；換熱風(fēng)機放置于氣液兩相換熱溫箱的出風(fēng)口 ；該氣體循環(huán)管路為兩根內(nèi)徑為44_，外徑為54_，長度為2.5m的硅膠管；其中，一根娃膠管路一端與氣液兩相換熱溫箱的出氣口連接，另一端與環(huán)境模擬溫箱進氣口連接；另一根硅膠管路一端與氣液兩相換熱溫箱回氣口連接，另一端與環(huán)境模擬溫箱出氣口連接； 所述的電磁場控制模塊包括單片機控制電路C、恒流源電路、電磁場極性切換電路和正方形Helmholtz線圈，單片機控制電路C通過導(dǎo)線與恒流源電路以及電磁場極性切換電路相連接，實現(xiàn)信號的傳遞，并通過RS485總線與中央控制單元連接，形成通訊；恒流源電路并聯(lián)接在電磁場極性切換電路輸入端，電磁場極性切換電路的兩根輸出線與正方形Helmholtz線圈相連，形成回路；該單片機控制電路C包括MC9S08DZ60CLC單片機C、D/A轉(zhuǎn)換電路B、A/D轉(zhuǎn)換電路B和A/D轉(zhuǎn)換電路C ;該恒流源電路采用HY-750A恒流源，輸出O?20A恒定電流；該電磁場極性切換電路為由繼電器組成的全橋電路，通過控制繼電器的開通和關(guān)斷來改變電流方向；該正方形Helmholtz線圈為一對匝數(shù)、邊長、高度和厚度相同的共軸平行放置的正方形線圈； 所述的中央控制單元包括工控機、工業(yè)顯示器、RS-485通訊卡，RS485通訊卡插在工控機的PCI插槽中，通訊接口通過通訊線分別與高壓電場控制模塊、溫度場控制模塊和電磁場控制模塊相連，工控機通過VGA視頻線與工業(yè)顯示器相連；該工控機為研華工控機；該工業(yè)顯示器為奇彩創(chuàng)晶嵌入式工業(yè)液晶顯示器，該RS-485通訊卡為研華8端口通用PCI通訊卡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多物理場耦合環(huán)境模擬裝置，其特征在于:該環(huán)境模擬溫箱額外形尺寸為500mm X 500mm X 500mmη
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多物理場耦合環(huán)境模擬裝置，其特征在于:該高壓電場銅極板為兩塊尺寸為400mmX400mmX 2mm的銅板。
【文檔編號】G05D23/30GK104460776SQ201410569222
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年10月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月22日
【發(fā)明者】張偉, 祁澤武, 張鵬飛, 鄭敏信 申請人:北京航空航天大學(xué)