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用于紫外光谱仪的探测器温度控制系统

蒋雪 侯汉 马庆军 林冠宇

蒋雪, 侯汉, 马庆军, 林冠宇. 用于紫外光谱仪的探测器温度控制系统[J]. 中国光学(中英文), 2024, 17(1): 209-216. doi: 10.37188/CO.2023-0133
引用本文: 蒋雪, 侯汉, 马庆军, 林冠宇. 用于紫外光谱仪的探测器温度控制系统[J]. 中国光学(中英文), 2024, 17(1): 209-216. doi: 10.37188/CO.2023-0133
JIANG Xue, HOU Han, MA Qing-jun, LIN Guan-yu. Detector temperature control system for ultraviolet spectrometer[J]. Chinese Optics, 2024, 17(1): 209-216. doi: 10.37188/CO.2023-0133
Citation: JIANG Xue, HOU Han, MA Qing-jun, LIN Guan-yu. Detector temperature control system for ultraviolet spectrometer[J]. Chinese Optics, 2024, 17(1): 209-216. doi: 10.37188/CO.2023-0133

用于紫外光谱仪的探测器温度控制系统

doi: 10.37188/CO.2023-0133
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(No. 62005268)
详细信息
    作者简介:

    蒋 雪(1992—),女,吉林长春人,硕士,研究实习员,2015年、2018年于吉林大学分别获得学士学位、硕士学位,主要从事空间紫外遥感技术的研究与设计。E-mail:jiangxue470@163.com

  • 中图分类号: TP394.1;TH691.9

Detector temperature control system for ultraviolet spectrometer

Funds: Supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 62005268)
More Information
  • 摘要:

    为了降低探测器的噪声与暗电流,使光谱仪的CMOS探测器能获得更准确的光谱曲线,设计了探测器温度控制系统。本系统核心采用基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的增量式比例-积分-微分(PID)控制算法。在传统控制算法的基础上,增加了抗积分饱和控制,并且在PID算法的前端增加了对目标值的过渡过程。该系统在实现探测器温度变化速率可控的同时,也解决了超调过大的问题。多次整机环境实验结果表明:在轨环境温度条件下,40 °C温差范围内该系统可以控制探测器以指定温变速率(4.5±0.05) °C/min达到任意温度;并且可在该温度下稳定工作;温度变化范围为±0.1 °C。相比于传统模拟PID控制方法,其具有灵活度高,稳定性强等优点。当制冷到−10 °C时,探测器的噪声得到了有效抑制。

     

  • 图 1  温度控制系统结构图

    Figure 1.  Block diagram of temperature control system

    图 2  PID控制原理图

    Figure 2.  Schematic diagram of PID control

    图 3  探测器温度和码值关系曲线

    Figure 3.  Relationship between detector temperature and code values

    图 4  温度控制系统的软件流程图

    Figure 4.  Flow chart of temperature control system software

    图 5  制冷过程曲线

    Figure 5.  Temperature cooling curve of the detector

    图 6  回温过程曲线

    Figure 6.  Temperature rising curve of the detector

    图 7  目标温度为−5 °C时的温度散点图

    Figure 7.  Scatter plot of temperature at a target temperature of −5 °C

    图 8  目标温度为−10 °C时的温度散点图

    Figure 8.  Scatter plot of temperature at a target temperature of −10 °C

    图 9  不同温度的钨灯曲线图

    Figure 9.  Temperature curves of different tungsten lamps

    图 10  不同温度的信噪比曲线

    Figure 10.  SNR curves at different temperatures

    图 11  不同温度的暗噪声曲线

    Figure 11.  Dark noise curves at different temperatures

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出版历程
  • 收稿日期:  2023-08-07
  • 修回日期:  2023-08-24
  • 录用日期:  2023-09-12
  • 网络出版日期:  2023-10-27

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