[发明专利]一种表面温度信号快速发生装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种表面温度信号快速发生装置，该装置可以任意波形方式快速再现物体的表面温度信号，属于测试技术领域。

背景技术

温度是表征物体冷热程度的物理量，是化工、科研以及生产等领域中所采用的重要参数。温度的测量和控制是保证控制领域正常运行的重要手段。随着科技的飞速发展，测控温度信号显得更加重要，此外越来越多的场合需要产生温度信号。产生表面温度信号有多种方法，可以采用水射流、电阻热丝、半导体制冷器等。水射流方法通过混合不同温度的水实现目标物体的表面温度变化，系统复杂，精确温控响应速度差。电阻热丝法很难控制降温速率。

半导体制冷又叫热电制冷或者温差电制冷。半导体材料具有非常好的热电能量转换持性，在通过直流电时有制冷功能，因此叫做热电制冷。热电制冷是热电效应，主要是珀尔帖效应。珀尔帖效应就是电流流过两种不同导体的界面时，将从外界吸收热量，或向外界放出热量。把一块P型半导体和一块N型半导体叠放在一起，通电后，会在P型半导体和N型半导体的接头上产生温差和热量的交换，形成热端和冷端。当改变电源极性时，冷热端可以快速互换。通过大电流的时候，并且在热端散热很好的情况下，冷端可以快速地进行降温。多组PN结串联在一起可以达到快速制冷、制热的效果。

国外表面信号发生装置主要集中于产生温度梯度信号，主要用于温度触觉场合。麻省理工学院的H.Ho等研制了一套基于半导体制冷器的触觉再现装置，根据温度梯度的变化可以区分热属性差别显著的材质，但该装置采用热敏电阻作为温度传感装置，难以反映半导体制冷器的实时温度变化。

国内温度信号发生装置主要是在一个闭腔内产生恒定温度，适用于恒温场合。董慧等使用电热阻丝实现了一个腔体恒温发生装置，在0-200℃范围内，该装置的测量精度可以达到±0.1℃，控制精度可达±0.4℃，但恒温时间较长。目前国内关于波形发生器的专利不多，还没有表面温度信号发生装置的相关专利。本发明提供的表面温度信号快速发生装置已用于温度触觉场合，还可用于仪器的动态特性测量、产品的寿命检验等。

产生温度波形可以用于温度触觉场合，在虚拟现实技术和机器人技术中，温度触觉在触觉系统起到一个辅助作用。远端机器手以人手温度接触到一个物体时，远端物体表面与机器手发生热交换，温度发生变化，本发明装置可以在近端产生这个温度变化过程，可以让近端人手感觉到远端物体表面温度发生的变化，提高虚拟现实技术的真实感和沉浸感。

发明内容

针对现有技术，本发明提出了一种可产生表面温度信号的快速发生装置。该装置可快速再现物体表面的温度变化，根据该装置可达到的最大升降温速率以及一定的温度控制算法，如开关控制算法或PID算法，可产生正弦波、方波、三角波、锯齿波等函数波形以及任意波形的表面温度信号。波形的周期和幅度均可调，具有波形存储功能，并能够实时地显示输出波形的种类、周期和幅度。

本发明采用如下技术方案：一种表面温度信号快速发生装置，其特征在于：设有包括半导体制冷器、换热器、红外传感器、液晶、上位机和控制电路，半导体制冷器作为温度信号发生元件，系由通有直流电的P-N结构成，具有冷、热两个端面；换热器作为半导体制冷器的散热器件，包括水、气两路交换系统，水、气两路交换系统中分别设有电磁阀和泵，电磁阀和泵与控制电路输出的控制信号相连接；红外温度传感器设置在半导体制冷器上方，采集半导体制冷器的表面温度，液晶实时显示半导体制冷器的表面温度；控制电路中含有电源电路、调理电路、桥路及调压电路和控制芯片，红外传感器将采集的半导体制冷器表面温度输入至设有包括模数转换、放大、滤波的调理电路，调理电路将数字信号输出至控制芯片，控制芯片设有串口与上位机连接，向上位机实时发送温度数据，上位机根据温度的变化发送指令到控制芯片，控制芯片根据上位机的指令发送控制信号控制换热器水、气两路交换系统中相应的电磁阀和泵的开启或关闭，以调节半导体制冷器与换热器的整体热容量；控制芯片还根据上位机的指令发送控制信号给调压电路，调压电路输出连接在半导体制冷器电源极性两端，用于调节半导体制冷器两端电压，以调节半导体制冷器的升、降温速率；控制芯片输出还还根据上位机的指令发送控制信号给桥路，桥路输出对半导体制冷器进行制热、制冷和关闭三种工作模式的切换，通过PID算法，产生包括正弦波、方波、三角波、锯齿波在内的函数波形表面温度信号。