一种适用于集成光路的减振温控系统

本发明属于减振温控，具体涉及一种适用于集成光路的减振温控系统。

背景技术：

1、原子重力仪是一种利用激光冷却技术将原子冷却到极低温度，以物质波干涉技术探测微弱重力效应的新型精密测量仪器。经过近三十年激光冷却与俘获技术和物质波干涉操控技术的迅速发展，原子重力仪不仅具有测量精度和灵敏度高、稳定性好等的优点，同时采用冷原子团作为检验质量，不存在机械磨损，可长时间连续工作，逐步发展为新一代高精度绝对重力测量仪器。根据资源勘探、地震研究、惯性导航等领域需求的不同，原子重力仪的发展方向逐渐倾向于野外测试，要求易于搬运或者装载于移动载体，在恶劣的野外环境下可靠耐用、操作方便。随着原子绝对重力仪关键系统的小型化，越来越多的研究团队逐步从实验室走向室外环境，致力于增强仪器的机动性和实用性。

2、集成化光路系统是原子重力仪的重要组成部分，为仪器提供特定频率的激光用于原子囚禁、冷却、选态等关键过程，因此，保证光路系统温度的高稳定性和光学元件机械结构高可靠性在利用原子重力仪重力测量过程中至关重要。在原子重力仪野外工作场景中，提升光路系统的稳定性主要从环境温湿度控制和振动隔离两方面入手，一套适用于集成化光路系统的减振温控系统，可以提高原子重力仪在野外工程中的稳定性。

3、目前，根据光路系统实现控温的途径不同，主要可以分为三类：第一种是利用电热带加热以及tec制冷的组合方式进行控温，效率较高；第二种是通过水冷金属板和外接冷却液导管的方法实现控温；第三种是利用tec自身的特性，通过改变电流方向实现制冷与加热的切换，是实现小型化集成光路系统高精度温控的理想器件。以tec光路温控系统为例，主要由温控模块、驱动器、执行器、温度传感器、密封箱、光学基板、电源等部分构成，电路原理为：利用温控模块作为控制中心处理温度传感器采集各测温点的温度数据，并将目标温度反馈给执行器，通过比例积分微分(pid)算法不断改变执行器的输出功率来实现加热或制冷，最终实现被控光路系统的温度控制。已有技术在电路控制上的原理都是相似的，主要差别聚焦在控温途径的选择上，针对不同的应用场景选择最佳的方案，最终控温效果上存在一定差异。

4、申请公布号为cn115218532a的发明公开了一种用于半导体激光器封测技术领域的温控系统。该项申请采用水冷散热，系统复杂，体积和功耗都比较大，不适用于野外和可移动的工作场景；同时温控系统主要的热量交换来源于激光器与底部的水冷金属板，在整个密封的空间内热量是通过上下竖直传递的方式，存在空间热量不均匀的情况；除此之外，现有水冷金属板主要分为是压管式或埋管式，由于现有加工水冷板的工艺使得水冷板的厚度比较厚，在系统整体质量和热量传递效率上水冷金属板并无优势。虽然采用多回路水冷的方式在控温精度和效率上优于单一水冷，但是由于水冷自身在温控上的弊端，在控温精度上十分有限。

5、申请公布号为cn114647265a公开了一种用于参比气池领域的温控系统，主要是针对现有的温控系统在激光器校准、稳频时控制精度较低且实用性不高所提出的一种高精度温控系统。该项申请利用加热铜环作为加热元件，tec作为制冷元件增加了成本，控温的效率不高，因为tec自身的特性，完全可以采用tec同时作为加热和制冷的元件，这样既节省了成本，也节约了材料，同时控温的精度也会更高；散热风扇直接刚性贴附在光学装置表面，将会给被控温的光学装置带来振动影响，降低其可靠性与性能输出。

6、综上，在高精度的温控需求下，水冷技术需要外部水泵以及水管来提供水循环，系统较为复杂，用于野外工作场景时存在便携性较差的问题；除此之外，在使用tec作为控温元件时，散热装置工作时产生的振动无法避免，当振动传递至被控对象时，给精密系统带来的影响是不能忽略的。因此，需要提出一种能够消除散热装置产生的振动，同时又适用于集成光学系统的精密温控方案。

技术实现思路

1、为解决现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种适用于集成光路的减振温控系统，解决了集成光路的温度控制问题以及半导体制冷片(tec)作为系统控温元件时散热风扇振动影响光路系统稳定性的问题。

2、本发明采用的技术方案是：

3、一种适用于集成光路的减振温控系统，其特征在于，包括外层机箱以及设置在外层机箱内部的内层机箱，所述内层机箱的顶端配置有机箱盖板；其中：

4、所述内层机箱内部设置有两层均热板，下层均热板上叠置有上层均热板，所述上层均热板上放置有光学基板；所述上层均热板下表面开设有用于放置导热条的第一凹槽，所述导热条放置在所述第一凹槽内；

5、所述内层机箱的两侧开设有用于放置tec的第二凹槽，所述tec的制冷面朝向内层机箱的内部，制热面朝向外层机箱；所述tec的制冷面与所述导热条之间通过紫铜块连接；所述tec的制热面上贴附有散热片，所述散热片固设在内层机箱外表面上；

6、所述外层机箱内侧正对散热片的位置安装有静音风扇，所述静音风扇与所述散热片的外围设置有一软质胶管，所述软质胶管密封包覆在所述静音风扇与所述散热片外部，且所述软质胶管的两端分别固设在外层机箱和内层机箱上；

7、下层均热板与上层均热板上对应位置均开设有用于供第一减振垫穿过的通孔，所述第一减震垫的下端设置在内层机箱内部的底面上，上端穿过均热板的通孔后与光学基板上螺纹孔旋紧固定。

8、进一步的，所述tec的制冷面与紫铜块之间、所述紫铜块与导热条之间、所述导热条与均热板之间以及所述tec的制热面与散热片之间均涂覆有用于增强热量传递的导热硅脂。

9、进一步的，还包括第二减震垫，所述第二减震垫位于内层机箱与外层机箱之间，所述第二减震垫的下端位于外层机箱内的底面，所述第二减震垫的上端设置有所述内层机箱。

10、进一步的，所述第一减振垫包括上部的螺柱结构和下部的圆台结构，螺柱结构穿过均热板的通孔后与光学基板上螺纹孔旋紧固定；第二减振垫为圆柱型结构，位于内层机箱与外层机箱中间的衔接处，用于支撑温控系统和密封箱的整体重量。

11、进一步的，所述导热条为u形结构，u形结构的底部设置在所述第一凹槽内，u形结构的两端分别贴附有所述紫铜块。

12、进一步的，还包括簧片，所述簧片为长方体结构，长方体结构的中间位置留有和导热条相同宽度与厚度的第三凹槽，两端通过螺丝将导热条的两端与紫铜块压紧。

13、进一步的，所述内层机箱两侧对称的位置分别设置有两个第二凹槽，四个所述第二凹槽内均放置有tec且相邻tec之间通过导线连接，所述导线放置在第二凹槽下方预留的埋线槽中。

14、进一步的，所述软质胶管为圆形密封管道，圆形密封管道的两端分别设置有两端正方形固定部，两端所述正方形固定部的四个角位置开设有用于将圆形密封管道固定在内、外机箱上的螺丝孔。

15、本发明涉及的控温精度、效率以及减振效果是评估该温控系统的重要参考指标。本发明通过h桥型电路的设计来实现电流的正负转换，从而控制tec的加热与制冷来实现对密封箱的控温，这样可以最大限度地发挥tec自身的特性，不需要加热铜环和水冷金属板来实现制热与散热，降低了成本的同时节约了材料，控制了密封箱的整体重量，相较于现有的水冷技术方案，在外场测量时的便携性上有很大优势。除此之外，考虑到光路系统对振动敏感，本发明在现有的温控设计方案上增加了减振方案。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

17、1、本发明创新性地提出了分离式的两级减振设计方案，通过改良系统结构，降低了动态环境下原子重力仪进行重力测量时外界振动干扰的影响，消除了温控系统自身振动对光路系统带来的影响，进一步提升光路系统稳定性。

18、2、本发明通过上位机实现数据可视化，一键控制tec输出功率，达到高效率高精度的控温需求，为小型化集成光路系统提供了恒温的工作环境，系统简单可靠，使用方便。

19、3、本发明内层机箱结构气密性良好，与外界热量交换较少，仅使用tec完成光路系统的加热与制冷切换，转换速度快，精度高，装配简单，成本低，能够广泛适用于小型化集成光路的温控系统中。

20、4、本发明中tec到光学基板的导热路线短，材料导热系数高，热量传递效率高，设计合理，温度滞后较小，能够快速响应目标温度的变化，实现高效控温。

21、5、本发明在均热板底部及内外机箱之间安装的减振垫使得整体的机械结构更加稳定，能够大幅降低外界的振动对光路带来的影响。

22、6、本发明将静音风扇固定在外部机箱的一侧，并且利用软质胶管与内、外密封箱一侧进行连接，能够从根本上消除了散热装置自身振动对内部机箱的影响，进一步提升了系统的稳定性，更能满足提升光路系统稳定性的需求。