一种闭环控制光纤加热装置制造方法及图纸

本发明专利技术一种闭环控制光纤加热装置，包括微控制器、三态驱动器、功率级同步降压转换器、碳纤维发热线、比例放大电路和串口通信电路，其中MCU通过三态驱动器使能或者禁用功率级同步降压转换器，使能状态下通过脉冲宽度调制调节功率级同步降压转换器的输出电压，禁止状态下功率级同步降压转换器的输出电压为零；功率级同步降压转换器输出电压连接至碳纤维发热线两端，传感光纤与碳纤维发热线并列布设，由碳纤维发热线对传感光纤进行加热；本发明专利技术驱动高功率密度的功率级同步降压转换器通过碳纤维发热线对传感光纤进行加热，具有加热电压功率大，加热过程响应速度快、控制精度高，体积小易于集成等优点，可用于分布式光纤液位测量中传感光纤的加热。感光纤的加热。感光纤的加热。

【技术实现步骤摘要】
一种闭环控制光纤加热装置


[0001]本专利技术涉及一种闭环控制光纤加热装置，属于光纤加热


技术介绍

[0002]超低温液体在航天、石油、化工、医药和制冷等
获得了广泛应用，例如液氢和液氧常被用作弹道导弹和运载火箭推进剂，液氮和液氦以其优良的制冷特性被用于疫苗的超低温冷藏等，相应的针对超低温液体的液位测量技术成为工程应用中的重点研究方向。
[0003]目前针对密闭容器内超低温液体的液位测量技术大致包含三类：
[0004](1)压差式液位计因其自身结构在超低温液体流入液相引导管时容易因吸收热量汽化导致气液共存现象，引起液位的不稳定和读数误差；
[0005](2)超低温二极管温度计具有良好的测温精度，温度分辨率可达0.1℃，可以有效地鉴别液面附近的温度差进行液位测量，但是需要离散地布设在贮存容器内，且每一个温度计都需要引出若干导线，当布设数量增加时系统的复杂度迅速提高，因此受限于温度计数量，液位测量精度难以提高；
[0006](3)基于光时域反射(OFDR)或布拉格光栅传感器(FBG)的分布式光纤液位测量技术将传感光纤浸没于超低温液体中，通过测量传感光纤加热过程中液面附近不同介质的温度变化特性来获取液面位置，具有空间分辨率高、抗电磁干扰、布设简单等优点，同时也对光纤加热装置提出了过程可控、大功率、小型化等要求。目前光纤加热装置大致分为两类：
[0007](1)利用线性稳压电源对发热线进行加热，此方案输出功率较大，但是无法实现自动控制，且稳压电源体积较大难以集成；r/>[0008](2)利用USB接口电压对发热线进行加热，上位机通过开关USB供电来控制发热线的加热状态，该方案可以实现“上位机
‑
USB加热装置”的闭环控制，但是由于USB供电电压固定为5V，无法通过改变电压调整发热线的发热功率，且USB接口的输出电流通常在500mA以内，输出功率偏低，无法用于大型容器内的液位测量。

技术实现思路

[0009]本专利技术解决的技术问题为：本专利技术突破了现有技术中“高加热功率”和“自动控制”不可兼得的困境，同时具备了加热功率大，体积小和加热过程自动闭环可控的特点，易于产品集成。
[0010]本专利技术解决的技术方案为：一种闭环控制光纤加热装置，包括：微控制器(MCU)(1)、三态驱动器(2)、功率级同步降压转换器(3)、碳纤维发热线(4)、比例放大电路(5)和串口通信电路(6)；
[0011]MCU(1)能够通过串口通信电路(6)与外部调制解调仪通信，外部调制解调仪能够设定功率级同步降压转换器(3)的目标输出电压，通过串口通信电路(6)送至微控制器(MCU)(1)
[0012]其中MCU(1)通过三态驱动器(2)控制功率级同步降压转换器(3)处于使能状态或者禁用状态；功率级同步降压转换器(3)在使能状态下，由MCU(1)调节功率级同步降压转换器(3)的输出电压；功率级同步降压转换器(3)在禁用状态下，功率级同步降压转换器(3)的输出电压为零；功率级同步降压转换器(3)输出电压的正负端分别连接碳纤维发热线(4)两端，传感光纤与碳纤维发热线(4)并列布设，由碳纤维发热线(4)对传感光纤进行加热；比例放大电路(5)采集功率级同步降压转换器(3)的输出电压，对功率级同步降压转换器(3)的输出电压进行幅度调整后输出至MCU(1)；MCU(1)根据幅度调整后的功率级同步降压转换器(3)的输出电压，通过PID闭环控制，控制功率级同步降压转换器(3)的输出电压，使功率级同步降压转换器(3)的输出电压稳定到设定的目标输出电压。
[0013]优选的，MCU(1)，包括：内部定时器模块；MCU(1)通过内部定时器模块产生PWM波形；MCU(1)具有波形输出引脚和IO引脚，MCU(1)的波形输出引脚连接至三态驱动器(2)输入端，MCU(1)的IO引脚连接至三态驱动器(2)使能端，通过三态驱动器(2)使能端控制三态驱动器(2)的输出端输出PWM波形或者处于高阻状态。
[0014]优选的，功率级同步降压转换器(3)具有PWM驱动端；三态驱动器(2)输出端连接至功率级同步降压转换器(3)的PWM驱动端，当PWM驱动端处于高阻状态时，功率级同步降压转换器(3)输出关闭，输出电压为0；当PWM驱动端输入PWM波形时，根据预先设定的输入PWM波形对应的直流电压值，由功率级同步降压转换器(3)输出与对应的直流电压。
[0015]优选的，MCU(1)具有ADC引脚；比例放大电路(5)输入为功率级同步降压转换器(3)的输出电压，比例放大电路(5)输出连接至MCU(1)的ADC引脚进行采样，MCU(1)通过PID闭环控制调整MCU(1)输出PWM波形占空比，使得功率级同步降压转换器(3)输出电压稳定到设定的目标输出电压。
[0016]优选的，传感光纤与碳纤维发热线(4)并列布设，传感光纤的两端能够连接外部调制解调仪，由碳纤维发热线(4)对传感光纤进行加热，MCU(1)通过三态驱动器(2)、功率级同步降压转换器(3)改变碳纤维发热线(4)两端的电压控制碳纤维发热线(4)的发热功率。
[0017]优选的，外部调制解调仪能够设定功率级同步降压转换器(3)的目标输出电压，通过串口通信电路(6)送至微控制器(MCU)(1)；
[0018]微控制器(MCU)(1)根据设定的功率级同步降压转换器(3)的目标输出电压，通过三态驱动器(2)控制功率级同步降压转换器(3)的输出电压，调整碳纤维发热线(4)发热功率，从而控制传感光纤加热状态。
[0019]本专利技术与现有技术相比的优点在于：
[0020](1)本专利技术涉及一种闭环控制光纤加热装置，作为分布式光纤液位测量系统的一部分，可由外部调制解调仪根据测量需求自动控制传感光纤的加热状态，无需手动加热，且体积小、易于集成；
[0021](2)本专利技术采用功率级同步降压转换器对碳纤维发热线进行加热，输出功率密度高，在30mm2典型封装尺寸下，持续输出电流最高可达75A，可以满足大型容器内的液位测量需求；
[0022](3)本专利技术以MCU作为主控芯片，通过脉冲宽度调制(PWM)改变功率级同步降压转换器输出电压，在MCU内部通过数字PID对电压调整过程进行闭环控制，在MCU工作主频20MHz，输出电压精度100mV的典型条件下，PID收敛时间＜1ms，实现了输出电压的精准、快
速调节。
附图说明
[0023]图1是本专利技术一种闭环控制光纤加热装置系统组成示意图。
具体实施方式
[0024]下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步详细描述。
[0025]本专利技术一种闭环控制光纤加热装置，包括微控制器(MCU)、三态驱动器、功率级同步降压转换器、碳纤维发热线、比例放大电路和串口通信电路，其中MCU通过三态驱动器使能或者禁用功率级同步降压转换器，使能状态下通过脉冲宽度调制(PWM)调节功率级同步降压转换器的输出电压，禁止状态下功率级同步降压转换器的输出电压为零；功率级同本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种闭环控制光纤加热装置，其特征在于包括：微控制器(MCU)(1)、三态驱动器(2)、功率级同步降压转换器(3)、碳纤维发热线(4)、比例放大电路(5)和串口通信电路(6)；MCU(1)能够通过串口通信电路(6)与外部调制解调仪通信，外部调制解调仪能够设定功率级同步降压转换器(3)的目标输出电压，通过串口通信电路(6)送至微控制器(MCU)(1)其中MCU(1)通过三态驱动器(2)控制功率级同步降压转换器(3)处于使能状态或者禁用状态；功率级同步降压转换器(3)在使能状态下，由MCU(1)调节功率级同步降压转换器(3)的输出电压；功率级同步降压转换器(3)在禁用状态下，功率级同步降压转换器(3)的输出电压为零；功率级同步降压转换器(3)输出电压的正负端分别连接碳纤维发热线(4)两端，传感光纤与碳纤维发热线(4)并列布设，由碳纤维发热线(4)对传感光纤进行加热；比例放大电路(5)采集功率级同步降压转换器(3)的输出电压，对功率级同步降压转换器(3)的输出电压进行幅度调整后输出至MCU(1)；MCU(1)根据幅度调整后的功率级同步降压转换器(3)的输出电压，通过PID闭环控制，控制功率级同步降压转换器(3)的输出电压，使功率级同步降压转换器(3)的输出电压稳定到设定的目标输出电压。2.根据权利要求1所述的一种闭环控制光纤加热装置，其特征在于：MCU(1)，包括：内部定时器模块；MCU(1)通过内部定时器模块产生PWM波形；MCU(1)具有波形输出引脚和IO引脚，MCU(1)的波形输出引脚连接至三态驱动器(2)输入端，MCU(1)的IO引脚连接至三态驱动器(2)使能端，通过三态驱动器(2)使能端控制三态驱动器(2)的输出端输出...

【专利技术属性】
技术研发人员：马胜利，杨勇，梅影，杨潇君，李瑞艳，白雪菲，王宇，吴海涛，高腾宇，
申请(专利权)人：北京航天控制仪器研究所，
类型：发明
国别省市：