摘 要

随着科技的不断发展，人们已经意识到了现代科技产品的制造中各种材料、传感器等设备的重要性，尤其是它们在低温环境下的各种性能。由于此种需求，超低温试验箱及其监测系统应运而生，而针对超低温试验箱及其监测系统的研究也越来越必要。

根据要求，本次科研项目主要由温度控制系统，超低温试验箱和监测系统构成。首先，阐述了该系统的研究背景以及国内外研究现状。其次，具体给出了在冷却方式、加热方式、超低温试验箱形状以及材料上的比较选择和计算，接着是监测系统的软硬件设计。最后简述实物预期效果和制作过程中出现的问题。

关键词：超低温试验箱；温度控制系统；监测系统；材料选择

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Abstract

With the continuous development of technology, people have realized the importance of various material sensors in the manufacture of modern technology products, especially their performance in low temperature environments. Due to this demand, ultra-low temperature test chambers and their monitoring systems have emerged, and research on ultra-low temperature test chambers and their monitoring systems is increasingly necessary.

According to the requirements, this research project mainly consists of temperature control system, ultra-low temperature test chamber and monitoring system. Firstly, the research background of the system and the research status at home and abroad are expounded. Secondly, the choice of coolant, coolant injection method, ultra-low temperature test chamber shape and materials, as well as the hardware and software facilities of the monitoring system are given. Finally, the actual expected effects and problems in the production process are briefly described.

Key Words：Ultra-low temperature test chamber; Temperature control system; monitoring system; material selection

目□□录

第1章 引言 1

1.1研究背景及意义 1

1.1.1≤-100℃的超低温实验装置及其监测系统设计 1

1.1.2国内研究 1

1.1.3国外研究 1

1.2课题研究的主要内容 2

第二章 温度控制系统 1

2.1 制冷方式——液体汽化制冷介绍 1

2.2 制冷方式的选择 1

2.2.1冷却介质的选择和使用分析 1

2.2.2 温度控制系统的设计 2

2.2.2 温度控制系统的方案选择 3

第3章 超低温试验箱 4

3.1需求分析 4

3.1.1功能需求分析 4

3.1.2 实验需求分析 4

3.2 试验箱结构设计 5

3.2.1 外箱设计 5

3.2.2 内箱设计 6

3.2.3 绝热层设计 6

3.2.4 绝热盖 7

3.2.5整体结构 8

第4章 监测系统 9

4.1监测系统功能分析 9

4.2 监测系统设计方案及相关技术原理 9

4.2.1 监测系统设计方案 9

4.2.2 相关技术原理 9

4.3 硬件电路设计 9

4.3.1 51最小系统 10

4.3.2 ADC0832测量模块 11

4.3.3 下载及蓝牙电路模块 12

4.3.4 电源模块 12

4.4 软件设计概述 12

第5章 FBG 14

第6章总结与展望 16

6.1 总结 16

6.2展望 16

参考文献 18

致谢 19

附录 电路图 20

第1章 引言

1.1研究背景及意义

1.1.1≤-100℃的超低温实验装置及其监测系统设计

超低温实验装置是一种用于军工、机械、电子、通信等领域产品的低温试验的重要环境试验设备，可以用来检验各种材料或传感器在持续超低温或变温情况下对恶劣环境的承受能力，在最短时间内检测其因热胀冷缩而引起的理化性能的改变。在测试进行的过程中，根据温度要求≤-100℃，如果绝热层在超低温环境下的隔热性能以及各系统在低温环境下的工作效率出现改变，可能会发生超温、制冷失效等故障，这些故障若无法被操作人员及时发现轻则可能由于实际温度与实验设计温度不相符而造成测试结果不正确，重则造成测控设备损坏事故。因此对温度变化进行随时监测十分必要，以保证材料在测试过程中环境的稳定性，同时做到可以调控温度，以满足测试过程对环境温度变化的需求。基于上述对超低温环境下材料测试的需求以及可能发生的故障，拟设计出一款超低温实验装置及其监测系统，并选择光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）进行超低温环境下的测试与分析，以检测超低温实验装置及其监测系统的特性和安全性。

1.1.2国内研究

国内老式的超低温试验箱结构不对称，密闭性能不好导致工作室内的温度分布不均匀，绝热箱箱门采用的隔热材料在低于零下75摄氏度下，会出现粘连和性能退化。近十年内制造的超低温试验箱采用了二元复叠制冷系统与液氮制冷相结合的方式为试验品创造不同区间的实验环境温度，同时为了解决门框电热丝无法解决的超低温环境下试验箱门粘连的问题，设计了双层门结构，大大提高产品性能。同时还引购进口温度控制仪，实现对温度的精确控制。

当前广州奥奇曼电子科技有限公司的Wandeor监测系统产品和海康威视iVMS-5000集中监测系统等产品占领国内监测系统市场的半壁江山。Wandeor监测系统采用了开源linux操作系统和mysql数据库，使用 c 等计算机语言编写程序。iVMS-5000集中监控管理平台基于TCP/IP网络协议组网、模块化配置设计、强大的功能内涵，平台组成分为数据层、业务层、管理层和媒体层。

1.1.3国外研究

国外产品从质量性能上讲，进口的超低温试验箱的封闭性能较好，箱壁的热导传性能强，并且由于它的构造结构的对称性使得箱体左右温度均匀。尽管价格比较昂贵，但是质量相对占优势，操作简单并且使用寿命也会相对较长。

在集中监测系统研究领域内欧美国家出发较早，经数十年发展技术也比较先进，一般选择互联网来完成对实验设施的远程集中监控。因该技术面向的对象不同，使用的监控手段也相应的不同，欧美在这一研究方向上趋向于单一对象，这些集中监控产品的共同特点:对象单一，无法通用且面对对象数量有一定上限，制造及维修成本较高。

1.2课题研究的主要内容

研究并设计一个超低温试验箱以及监测系统，系统由温度控制系统、超低温试验箱、监测系统三部分组成，主要完成以下任务：

1. 设计实验装置具体结构
2. 选择实验装置基本材料
3. 设计温度监测系统
4. 完成上下位机串口通讯和实验数据存储

第二章 温度控制系统

2.1 制冷方式——液体汽化制冷介绍

液体汽化制冷方式利用在一定压力下液体汽化时会大幅度吸收周围环境中热量的现象制造低温环境。环境中被液体汽化时吸收的热量被称汽化潜热。液体汽化现象所创造的低温环境降低被冷却对象温度，或者使它保持在某一温度并低于环境温度。

在工业生产中为了使冷却过程保持连续性，需要将试验箱中的气体不断排出，再根据实验要求和低温试验箱内的温度将冷却输入。由此可见,液体工质低压下汽化、工质气体升压、高压气体液化、高压液体降压四个基本过程组成了液体汽化制冷循环,其中包括了压缩式、吸收式、喷射式和吸附式制冷等制冷方式。因此，液体汽化制冷循环在现代工业生产中占有重大作用。

2.2 制冷方式的选择

2.2.1冷却介质的选择和使用分析

在制作超低温试验箱时，一般使用压缩机制冷来产生低温环境，在大部分情况下压缩机主要分为风冷、水冷，在近几年出现了一种新式制冷方式，即液氮制冷。在本次毕业设计中，超低温试验箱将根据试验要求温度不同以及建造成本是否在预算范围之内，以此来判断不同的制冷方式是否能满足要求。

1. 风冷

指自然冷却，一般适用于小功率的产品，如果低温试验箱使用的环境温度较低或长期保持在5-25℃，才能保证设备在最适合的环境下工作，延长使用时间。但是由于本项目的温度要求在零下100摄氏度以下，故不符合要求。

1. 水冷

指利用液体的温度的流动性来散热的（多指水），需要根据试验箱的设计特点和试验品的性质选择冷却水量的大小，同时也可以作为制冷系统的冷却介质。在建造过程中水管一定要包好，不然很容易晒裂或冻伤等，具体要求根据客户的选择与环境要求而异。最典型的系统是二元复叠制冷系统，该系统在试验箱内可制造-70~ 130℃区间的温度，由高温制冷系统和低温制冷系统组成，高温部分的蒸发器和低温部分的冷凝器为同一冷凝器。低温部分的制冷剂在蒸发器内对实验对象吸取热量，并将此热量传给高温部分制冷剂，然后再由高温部分制冷剂将热量传给冷却介质。

1. 液氮

在现代工业生产中液氮的生产方法是压缩液体空气分馏。氮气在常压下是一种无色无味的气体，熔点是零下210摄氏度，沸点是零下196摄氏度，临界温度是零下147摄氏度，难于液化。难溶于水，密度比空气密度略低，常压下在10摄氏度时一体积水可溶解0.02体积的氮气。一立方米液氮可汽化成696立方米氮气。氮气的化学性质不活泼,常温下难与其他物质发生化学反应，可以用于作为深度制冷剂，立刻冷冻生物组织而不会破坏其生物学活性。在近年对环境试验设备研究过程中，将液氮做为制冷剂代替了压缩机，生产出液氮深冷低温箱。

综上所述，在此次毕业设计中，考虑到设计和制作难度以及成本，故选择液氮作为制冷方式。

2.2.2 温度控制系统的设计

现如今，经过国内外科研人员数十年对超低温试验箱的研究，对温度控制系统的研发已经相当成熟。在经过对数篇论文和专利的阅读和学习，我给出了两套温度控制系统的设计方案。

（1） a）制冷系统

外部连接液氮罐，由不锈钢软管连接上超低温试验箱，超低温试验箱上设计1/2管螺纹外接头与不锈钢软管相连。制冷系统将设计由三部分构成，分别为电磁阀、安全阀和喷嘴。由于电磁阀是一种可以按照设计要求使用电磁控制流体的自动化基础元件，因此在本次毕业设计中作为液氮通入的开关口，当需要降低温度时，打开电磁阀使液氮通过不锈钢软管通入超低温试验箱，一旦温度符合条件，将关闭电磁阀，阻断液氮流入。考虑到试验箱有可能会长时间工作，对电磁阀过长时间的通断有可能对电磁阀造成损害，所以还设计另一个电磁阀作为备用阀。在实际使用中，可以每隔30天切换一次电磁阀使用，以达到有效提高电磁阀使用寿命的目的。同时，在该系统中，安全阀将保证超低温试验箱的压强不会成为事故原因，一旦超低温试验箱中或管路中的液氮压力数值不断增大，在即将突破安全极限时，安全阀将自动打开，将系统中多余的液氮全部排出,从而将整个液氮系统的压力不会对箱壁产生超出其结构强度的负荷。最后系统中选用螺旋喷嘴作为液氮喷嘴，由于螺旋喷嘴拥有相当通畅的流道，可以做到最大限度的减少液体阻塞，使得液氮在管道内的流量达到最大值。流体阻力系数数值在此物品的流道中减少得益于流线型设计，所以液氮在经过持续变小的螺旋面时不断发生相切和碰撞后变成细小液珠喷出，最后在实验箱内气化成雾状，与试验箱和被测物发生热交换，以达到降低试验箱温度的目的。螺旋喷嘴优点众多，包括型号多、成本低廉、选型方便等等，可以广泛应用于各种设备之中。

b）加热系统

该系统由加热器和鼓风机构成，设备放置于试验箱顶层，使用强制空气对流的方式来传递热量。对超低温实验箱的箱体中部进行离心抽风，然后通过两侧边散流送风方式形成气流回路。通过鼓风机叶轮旋转形成负压，使试验区的空气穿过叶片通过加热器均匀流遍试验箱内部，包括试验区。利用不同加热功率下加热的不同温度的气体与控制制冷系统中喷出的液氮气雾的量，超低温试验箱中温度将不断调整并稳定于实验要求温度。在该系统中，气流组织作为温度调节中的一环有着相当重要的地位。只有当气流组织合理时才能充分发挥试验箱制冷或加热的作用，因此鼓风机与加热器的位置需要摆放正确，两者之间的距离位置也要适中，以保证流动的气体经过加热器加热成热空气，或者与汽化后的液氮混合均匀，再投射于箱体和试验品的表面，使其维持在某一实验要求的温度。

（2） 根据本次毕业设计的实际要求以及具体内容，我又设计出一种更为简单的方式来达到目的。我将使用人工方式将液氮注入试验箱，使得试验箱温度可低至零下196摄氏度。随后在室温下打开盖子，经液氮在室温下的自然气化不断吸热升温，当升至实验要求温度时，立刻盖上试验箱外盖，使其达到绝热效果并维持在这一温度。由于一升液氮可气化成696升的氮气，因此试验箱将设计一个出气孔，氮气得以从出气孔通出，从而使得超低温试验箱内的气体压强不会对箱壁产生超出其结构强度的负荷。由于人体组织与液氮发生短时间接触可使得人体组织出现不可逆的冻伤，因此实验时要谨记液氮操作注意事项：

1. 倒入液氮时不要让液氮碰到人体组织包括周边衣物。
2. 处理液氮时使用护目镜或面罩。
3. 放拿任何被降温物体时应戴上手套。手套不易太过于紧致，所以如果液体倒入手套之中，应立刻丢入垃圾桶并使用新的手套。
4. 只能使用正规工厂生产制作的合格产品。切勿将其倒入咖啡绝热瓶。不要将其密封在任何容器中。本次实验中使用的是YDS-2-30规格的液氮桶。
5. 不要将中空管浸入液氮中；它可能会喷出液体。
6. 在房间中使用时应保证房间的空气流动条件，并且不要将液氮铺开倒在水平面上。它可以替代足够的氧气来引起窒息。
7. 液氮长时间储存的容器有着一定欧秋，不可无盖而完全暴露在空气之中，也不能是完全密封。

2.2.2 温度控制系统的方案选择

第一种方案的优点在于设计合理，可以使用较为精确的方式控制试验箱的试验温度，并且根据实验要求不断快速调高或降低温度，并且由于人体组织几乎不会接触到液氮，因此也具有较高的安全性。缺点在于机械结构在低温下会出现结霜，影响使用。

第二种方案的优点在于设计简单、操作容易，成本较为低廉，实现难度较低。缺点在于有人体接触到液氮的风险，具有一定安全隐患，同时温度控制不方便也不精确，使用自然升温的方式提高温度会使得实验过程被大幅度拖长，而且升温后除非再倒入液氮否则无法再进行降温操作。

在整合两种方案特点，经过利弊权衡后，考虑到成本、实物制作难度、卖家等各种因素，我选择方案二作为本次毕业设计的温度控制系统方案。

第3章 超低温试验箱

3.1需求分析

3.1.1功能需求分析

现如今,在航空、航天、医疗、电子、军工等众多领域中,各种材料、传感器或者设备所处的环境温度区间越来越大，而材料对环境的耐受性要求也越来越高。因此超低温试验箱应运而生，从而模拟超低温环境参数，以检测材料在超低温环境下的性能。在本次设计中，为了使得温度测量探头和FBG在稳定的环境温度下工作，整个箱体结构将对绝热性能以及绝热材料有着较高要求。因而，绝热性能将成为检测超低温试验箱性能的重要指标之一。在测试过程中各种材料、传感器或者设备所处的环境温度大不相同，区间跨度从零度低至零下200摄氏度。 而本次毕业设计要求则是零下100摄氏度，由于液氮温度为零下196摄氏度，因此温度变化区间在96摄氏度，这要求整个实验箱具有一定的温度控制和隔热性能。在上一章节已经给出两种温度控制方案，在经过对两种方案的优缺点对比后，选择使用人工方式和自然降温来达到温度控制的目的。

在超低温试验箱的工作过程中都伴随着温度的不断变化，由于实验温度的过低，可能导致实验设备失灵以及试验箱体的结冰破裂，进一步使得实验结果出错或实验过程出现危险。为了避免出现以上结果，超低温试验箱需要温度监测系统，以对温度进行监测和控制，保证测量结果的准确和测量过程的安全。本此实验方案将设计由一个测温探头对超低温试验箱内的温度进行监测，随后与探头相连接的作为下位机的51单片机将测量数据发往上位机，并将数据显示在Excel中。实验操作人员将根据反馈显示的温度决定是否对试验箱进行升温或降温操作。

3.1.2 实验需求分析

实验箱外箱体设计需要满足如下条件:较好的耐腐蚀性、较高的硬度、耐低温性。经过对资料的查阅，最佳材料为304不锈钢。304不锈钢，别称18/8不锈钢，作为一种通用型的不锈钢，它广泛用于制造对耐腐蚀性和成型性有较高要求的各种物件。为了保证不锈钢的耐腐蚀性，金属材料必须含有12%以上的铬，而304不锈钢的铬含量高达百分之19。

试验箱内箱对耐腐蚀性和硬度的要求较低，由于外箱不具备绝热效果，而且内箱作为与液氮直接接触的结构，也应具备一定的隔热效果。因此选用隔热铝合金。铝合金材料是目前在工业中应用最为广泛的有色金属结构材料之一，具有低密度高强度的特点，传热系数仅为3.72W/（.K）。

在内外箱体之间的隔热层的理想厚度应以超低温试验箱的外箱外表面不产生露水为基本条件，在此条件下理论上隔热时间为正无穷。根据热平衡条件和热力学公式（3-1），绝热层厚度有

（3-1）

式中：T1为内箱温度；T0为外界空气温度；Td为露点温度；为绝热层平均导热系数；为隔热铝合金的传热系数。当根据此热力学公式，可计算出符合绝热条件时，绝热层所需要的最少厚度。

需要放置于超低温试验箱内进行低温实验的部分为温度也就是传感器和FBG传感器。本次实验选用PT100铂电阻构成的温度传感器，可将测得的温度模拟信号转换成数字信号，传感器一般由热电偶或热电阻组成，根据PT100铂电阻的温度阻值关系曲线，用于实验过程中温度数值的测量。温度的测量区间在-200℃~ 850摄氏度。由于PT100温度传感器需放置于液氮中测量温度，因此该传感器的优质304不锈钢探头能满足此次设计要求。PT100温度传感器直径为6mm，探头部分长约30mm，FBG传感器直径约4mm，前端探头部分长约30mm，考虑到传感器探头需全部浸没于液氮中，因此液氮深度设计为探头长度的两倍，为了操作安全，液氮与箱口水平面将保持3厘米的液氮差。根据选购的液氮罐，内置容器敞口直径为3厘米，同时为了保证液氮能全部倒入试验箱内，将预留出额外50%的空间。

根据以上的需求分析，可得出具有液氮承载功能的内箱的尺寸需求，即高100mm，直径为50mm。而通入孔为了减少传感器的摩擦，同样预留一部分空间，尺寸设计为10mm*20mm。

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