CN114112034A - 一种恒温光谱仪及光谱仪冷却装置 - Google Patents

一种恒温光谱仪及光谱仪冷却装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种恒温光谱仪及光谱仪冷却装置,电路板和光学组件设置在隔热箱的冷却空间内,制冷片安装在所述制冷窗口处且制冷面朝向所述冷却空间,所述制冷面和所述制热面分别设有冷侧散热片和热侧散热片,散热风扇安装在热侧散热片上。通过设计冷却装置,将光谱仪的电路板和光学组件设置在同一冷却恒温环境内,同时对二者进行冷却控温,避免光谱仪在工作中温度升高影响光路和电路信号的稳定性,进而提高检测精度,并且相较于单独对电路进行局部冷却的方式,大大降低温控难度,避免直接制冷产生的冷凝水会对部件造成腐蚀。

Description

一种恒温光谱仪及光谱仪冷却装置
技术领域
本发明涉及光谱仪技术领域,尤其涉及一种恒温光谱仪及光谱仪冷却装置。
背景技术
近红外光谱仪使用的是半导体光电探测器,其噪声来源分为电噪声和光噪声。电噪声是探测器自身产生的噪声,光噪声是探测器接收背景辐射和信号光完成光电转换时产生的噪声。随着温度升高,噪声会变强,从而影响光谱探测,所以目前的光谱仪大多会通过冷却探测器及电路以提高探测精度和灵敏度。为了保证对探测器的冷却效果,这类光谱仪通常将制冷单元直接安装在探测器电路板上进行小范围制冷。但是,这样设计对电路板局部控温要求较高,需要高灵敏度的传感器和复杂的算法支持。同时,将制冷单元直接安装在电路板上,制冷产生的冷凝水会对电路板造成腐蚀,甚至造成电路板短路。
此外,环境温度不仅会影响探测器,也会影响光路中的其他光学器件,如光栅、透镜、反射镜等。当温度变化时,光机结构将发生热弹性形变,导致***镜面发生面形变化和刚***移,引起光谱仪焦面上谱线产生几何位移,导致阵列探测器像元的相对采样位置发生变化,即产生谱线漂移。因此,为了消除温度变化产生的谱线漂移,需要在不同温度条件下对光谱仪进行波长定标,但是不同的光谱仪其谱线漂移量随温度变化的关系不同,有的随温度近似线性变化,有的却不呈线性关系。因此对温度进行校正比较复杂,而且与实际真实值会存在误差。目前公知的制冷型近红外光谱仪,也均采用制冷探测器的方式抑制环境温度变化产生的电噪声,无法抑制光学器件形变及光路结构变化所产生的波长漂移,所以其抑制效果仍然有待提升。
发明内容
为解决背景技术中存在的技术问题,本发明提出一种恒温光谱仪及光谱仪冷却装置。
本发明提出的一种光谱仪冷却装置,包括:隔热箱、制冷片和散热风扇;
隔热箱内设有用于容纳光谱仪电路板和光学组件的冷却空间,隔热箱侧壁设有制冷窗口,制冷片两侧分别具有制冷面和散热面,制冷片安装在所述制冷窗口处且制冷面朝向所述冷却空间,所述制冷面和所述制热面分别设有冷侧散热片和热侧散热片,散热风扇安装在热侧散热片上。
优选地,还包括循环冷风扇,循环冷风扇位于所述冷却空间内且安装在冷侧散热片上。
优选地,所述冷却空间内壁设有内隔热层。
优选地,隔热箱外壁设有外隔热层。
优选地,隔热箱包括顶部开口的下箱体和上盖体,制冷片和散热风扇安装在下箱体。
优选地,还包括控制器和温度传感器;
温度传感器用于检测所述冷却空间内的环境温度,控制器用于根据温度传感器检测的环境温度控制制冷片运行/停止。
优选地,控制器间隔每预设时间从温度传感器获取环境温度,当温度传感器检测的环境温度高于设定温度时,控制器控制制冷片开始运行;
当温度传感器检测的环境温度等于设定温度时,控制器控制制冷片停止运行。
优选地,当温度传感器检测的环境温度高于设定温度时,控制器控制制冷片开始运行并控制散热风扇工作。
本发明中,所提出的光谱仪冷却装置,电路板和光学组件设置在隔热箱的冷却空间内,制冷片安装在所述制冷窗口处且制冷面朝向所述冷却空间,所述制冷面和所述制热面分别设有冷侧散热片和热侧散热片,散热风扇安装在热侧散热片上。隔热箱采用密封设计,箱体外空气中水分无法进入箱体内部。且箱体内放置有干燥剂,可以维持箱体内空气的干燥,避免再冷侧散热片上形成冷凝水。通过设计冷却装置,将光谱仪的电路板和光学组件设置在同一冷却恒温环境内,同时对二者进行冷却控温,避免光谱仪在工作中温度升高影响光路和电路信号的稳定性,进而提高检测精度,并且相较于单独对探测器电路进行局部冷却的方式,大大降低温控难度,避免直接制冷产生的冷凝水会对部件造成腐蚀。
本发明还提出一种恒温光谱仪,包括电路板、光学组件和上述的光谱仪冷却装置,电路板和光学组件设置在隔热箱的冷却空间内。
优选地,所述冷却空间底部设有定位台,定位台上设有定位螺孔,电路板和光学组件通过螺丝安装在定位台上。
本发明中,所提出的恒温光谱仪,其技术效果与上述光谱仪冷却装置类似,因此不再赘述。
附图说明
图1为本发明提出的一种光谱仪冷却装置的结构示意图。
图2为本发明提出的一种恒温光谱仪的结构示意图。
图3为本发明提出的一种恒温光谱仪在不同环境下检测的光谱强度图。
具体实施方式
如图1至3所示,图1为本发明提出的一种光谱仪冷却装置的结构示意图,图2为本发明提出的一种恒温光谱仪的结构示意图,图3为本发明提出的一种恒温光谱仪在不同环境下检测的光谱强度图。
参照图1,本发明提出的一种光谱仪冷却装置,包括:隔热箱1、制冷片2和散热风扇3;
隔热箱1内设有用于容纳光谱仪电路板20和光学组件30的冷却空间,隔热箱1侧壁设有制冷窗口,制冷片2两侧分别具有制冷面和散热面,制冷片2安装在所述制冷窗口处且制冷面朝向所述冷却空间,所述制冷面和所述制热面分别设有冷侧散热片4和热侧散热片5,散热风扇3安装在热侧散热片5上。
为了详细说明本实施例的光谱仪冷却装置的具体工作情况,参照图2,本实施例还提出一种恒温光谱仪,包括电路板20、光学组件30和上述的光谱仪冷却装置,电路板20和光学组件30设置在隔热箱1的冷却空间内。
本实施例的恒温光谱仪的具体工作过程中,在光谱仪工作时,隔热箱制冷窗口的制冷片对隔热箱内部制冷,并通过冷侧散热片与隔热箱内进行热交换,同时制冷片的热端产生的热量通过热侧散热片散出,并经由散热风扇带走,从而在隔热箱的冷却空间形成恒温冷却环境,保证电路板和光学组件工作时冷却控温,从而避免电路和光路受温度影响信号不稳定。
在本实施例的光谱仪冷却装置的具体温控方式中,本实施例还包括控制器和温度传感器;温度传感器用于检测所述冷却空间内的环境温度,控制器用于根据温度传感器检测的环境温度控制制冷片2运行/停止。
具体地,控制器间隔每预设时间从温度传感器获取环境温度,当温度传感器检测的环境温度高于设定温度时,控制器控制制冷片2开始运行;当温度传感器检测的环境温度等于设定温度时,控制器控制制冷片2停止运行。
本实施例的光学组件可包括光色散光栅、透镜、反射镜、探测器等光学元器件。
在本实施例中,所提出的恒温光谱仪及光谱仪冷却装置,电路板和光学组件设置在隔热箱的冷却空间内,制冷片安装在所述制冷窗口处且制冷面朝向所述冷却空间,所述制冷面和所述制热面分别设有冷侧散热片和热侧散热片,散热风扇安装在热侧散热片上。通过设计冷却装置,将光谱仪的电路板和光学组件设置在同一冷却恒温环境内,同时对二者进行冷却控温,避免光谱仪在工作中温度升高影响光路和电路信号的稳定性,进而提高检测精度,并且相较于单独对电路进行局部冷却的方式,大大降低温控难度,避免直接制冷产生的冷凝水会对部件造成腐蚀。
在具体实施方式中,本实施例的光谱仪冷却装置,还包括循环冷风扇6,循环冷风扇6位于所述冷却空间内且安装在冷侧散热片4上;通过循环冷风扇保证冷却空间内温度均匀,避免发生局部过热现象,同时也提高了温度传感器的检测精度。具体控温时,当温度传感器检测的环境温度高于设定温度时,控制器控制制冷片2开始运行并控制散热风扇3和循环冷风扇6工作。
在隔热箱具体结构设计中,隔热箱1包括顶部开口的下箱体11和上盖体12,制冷片2和散热风扇3安装在下箱体11,便于将制冷片、散热片和风扇在下箱体上预先安装,然后将电路板和光学组件设置在下箱体内后,再覆盖上盖体,形成恒温环境。
进一步地,所述冷却空间底部设有定位台113,定位台113上设有定位螺孔,电路板20和光学组件30通过螺丝安装在定位台113上。
在其他具体实施方式中,所述冷却空间内壁设有内隔热层;隔热箱1外壁设有外隔热层;保证隔热箱内不受外部环境影响,形成恒温冷却环境。
参照图3,为了证明温度对光谱仪信号的影响,将光谱仪分别在不使用冷却装置、冷却控温至20℃和冷却控温至10℃下测量卤素灯光源光谱,测量24小时内的光谱变化。实验结果表明,未使用本实施例的冷却装置的光谱仪检测的光谱波长标准差在1×10-3以上,有的波长甚至超过2×10-3。而使用本实施例的冷却装置的光谱仪,当冷却恒温控温至20℃时,波长标准差明显降低至1×10-3以下。而继续降温至10℃,波长标准差继续降低,比不冷却控温时稳定度提高数倍。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光谱仪冷却装置,其特征在于,包括:隔热箱(1)、制冷片(2)和散热风扇(3);
隔热箱(1)内设有用于容纳光谱仪电路板(20)和光学组件(30)的冷却空间,隔热箱(1)侧壁设有制冷窗口,制冷片(2)两侧分别具有制冷面和散热面,制冷片(2)安装在所述制冷窗口处且制冷面朝向所述冷却空间,所述制冷面和所述制热面分别设有冷侧散热片(4)和热侧散热片(5),散热风扇(3)安装在热侧散热片(5)上。
2.根据权利要求1所述的光谱仪冷却装置,其特征在于,还包括循环冷风扇(6),循环冷风扇(6)位于所述冷却空间内且安装在冷侧散热片(4)上。
3.根据权利要求1所述的恒温光谱仪及光谱仪冷却装置,其特征在于,所述冷却空间内壁设有内隔热层。
4.根据权利要求1所述的光谱仪冷却装置,其特征在于,隔热箱(1)外壁设有外隔热层。
5.根据权利要求1所述的恒温光谱仪,其特征在于,隔热箱(1)包括顶部开口的下箱体(11)和上盖体(12),制冷片(2)和散热风扇(3)安装在下箱体(11)。
6.根据权利要求1所述的光谱仪冷却装置,其特征在于,还包括控制器和温度传感器;
温度传感器用于检测所述冷却空间内的环境温度,控制器用于根据温度传感器检测的环境温度控制制冷片(2)运行/停止。
7.根据权利要求6所述的光谱仪冷却装置,其特征在于,控制器间隔每预设时间从温度传感器获取环境温度;
当温度传感器检测的环境温度高于设定温度时,控制器控制制冷片(2)开始运行;
当温度传感器检测的环境温度等于设定温度时,控制器控制制冷片(2)停止运行。
8.根据权利要求7所述的光谱仪冷却装置,其特征在于,当温度传感器检测的环境温度高于设定温度时,控制器控制制冷片(2)开始运行并控制散热风扇(3)工作。
9.一种恒温光谱仪,其特征在于,包括电路板(20)、光学组件(30)和根据权利要求1-9任一项所述的光谱仪冷却装置,电路板(20)和光学组件(30)设置在隔热箱(1)的冷却空间内。
10.根据权利要求9所述的恒温光谱仪,其特征在于,所述冷却空间底部设有定位台(113),定位台(113)上设有定位螺孔,电路板(20)和光学组件(30)通过螺丝安装在定位台(113)上。
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