范光照臺灣大學：機械工程學研究所王祥名Hsiang-Ming, WangWangHsiang-Ming2007-11-282018-06-282007-11-282018-06-282007http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/61355有鑒於微奈米技術的蓬勃發展，無論是加工或是量測過程都需要一個穩定的環境，來提高精度與良率，而測量環境的控制是達到精密測量精度的重要基礎。由於物體都存在熱脹冷縮現象，當被測物體和測量儀器在一個溫度變動範圍很大的環境中工作，其測量誤差會非常的大，因而在本研究中預期開發一個高穩定度的恆溫環境來減少環境誤差。 本文章中提出高穩定度恆溫環境箱之研製，箱體外部溫度由水冷式冷氣控制，恆溫環境箱本身，使用電流控制半導體製冷晶片，搭配分離式箱體設計，隔離製冷元件產生的振動;利用Rake’s系統識別法得到控制系統模型，再使用Matlab Simulink模擬找出PID控制參數。 最後以National Instrument之LabVIEW與DAQ介面卡搭配處理電路，完成恆溫系統程式之設計。由實驗結果顯示，恆溫箱內的溫度可以被控制在欲達到的溫度，且達到穩定狀態後，溫度跳動範圍在20℃±0.008℃以內，達到高穩定度恆溫環境的要求。 關鍵詞: 半導體製冷晶片、Rake’s系統識別法、分離式箱體設計、LabVIEW、Matlab SimulinkIn the progress of micro/nano technology, many miniature parts with ultrahigh precision requirement are produced; therefore the high precision temperature control is very important in the modern precision measurement system. If the measurement is proceed in a environment which vary widely in temperature, the measurement error will be large. In order to minimize these environment errors, this research develops a high stability temperature environment chamber. In this report, we propose to build a high stability environment chamber. Outside the chamber temperature is controlled by the air conditioning. The environment chamber uses the electric current to control a thermoelectric cooling chip. The separation design of chamber and cooling system is able to reduce the vibration. The system identification employed Rake’s system identification method to obtain the system model so that the suitable PID parameters could be acquired through simulation of Matlab Simulink . The temperature controlling program is accomplished with electrical cuircuit , LabVIEW, and Data Acquisition (DAQ) cards produced by National Instrument. The results showed that the temperature can be controlled at the set point and the temperature vibration within 20 degree up and down 0.008℃ in the steady state. It can achieve the goal of high stability temperature environment. Keywords: thermoelectric cooling chip , Rake’s system identification method, separation design、LabVIEW、Matlab Simulink目錄 摘要 I Abstract II 目錄 III 圖目錄 VI 表目錄 IX 第一章 緒論 33 1-1 研究緣起與目的 1 1-2 文獻回顧 2 1-2-1美國NIST的MMM 2 1-2-2東京大學的Nano-CMM 4 1-2-3韓國BUPE的超高精度CMM 5 1-2-4工業用環境試驗設備 6 1-3 研究方法與內容概要 8 第二章 恆溫環境箱設計及製冷晶片之製冷原理 9 2-1 恆溫環境箱機械結構設計 9 2-2製冷晶片之原理與驅動 12 2-2-1熱電致冷晶片簡介 12 2-2-2西伯克效應 13 2-2-3湯姆遜效應 14 2-2-4帕爾貼效應 14 第三章 恆溫環境箱系統數學模型建立 16 3-1恆溫環境箱動態系統識別 16 3-2系統識別實驗 20 第四章 PID控制及參數調整 23 4-1 PID控制概述 23 4-1-1 類比PID控制原理 23 4-1-2數位PID控制原理 24 4-2 PID控制器的參數整定方法 26 4-2-1 湊試法 26 4-2-2 擴充臨界比例度法 26 4-2-3 步階響應法 27 4-2-4 軟體模擬參數 27 第五章 恆溫箱測控系統的軟硬體設計 30 5-1 溫度感測器 30 5-1-1 Pt100電阻式溫度感測器 31 5-1-2 Pt102電阻式溫度感測器 33 5-2 製冷元件的選擇 38 5-2-1恆溫箱製冷量的計算 38 5-2-2製冷片的選擇 39 5-3電源的選擇 41 5-4 恆溫箱測控系統的軟體設計 42 5-4-1 測量部分軟體設計 43 5-4-2 控制部分軟體設計 45 第六章 實驗結果與討論 48 6-1恆溫箱體內振動情形 48 6-2大型空調室控制情形 50 6-3恆溫箱在不同環境下運作情形 52 6-4恆溫箱在恆溫室內運作情形 56 6-5實驗結果分析 61 第七章 結論與未來展望 62 7-1結論 62 7-2未來展望 63 參考文獻 641670261 bytesapplication/pdfen-US半導體製冷晶片Rake’s系統識別法分離式箱體設計LabVIEWMatlab Simulinkthermoelectric cooling chipRake’s system identification methodseparation designthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/61355/1/ntu-96-R94522705-1.pdf