设计并验证了一种高稳定性的环境舱，该环境舱具备温度和湿度控制功能，适用于精密仪器的使用

《Sensors and Actuators A: Physical》：Design and Verification of a High Stability Environmental Chamber with Temperature and Humidity Controlled for the Use of Precise Instruments

本文提出了一种采用双层绝热和三回路循环结构的高稳定性温湿度控制环境舱，通过PID控制器和前馈补偿技术实现温度波动±0.05℃、湿度波动±1% RH，有效降低电容传感器漂移80%，适用于精密测量仪器。

　　

Kai Jiang|Shao-Hua Ma|Zhuang-Zhi Zhao|Zhen-Ying Cheng|Qiao-Sheng Pan|Rui-Jun Li

安徽省计量理论与精密仪器重点实验室

摘要

本文提出了一种高稳定性的环境舱，该环境舱能够控制温度和湿度，以确保精密仪器的测量精度。环境舱采用双层隔热结构和三回路循环系统来提高系统稳定性。热电冷却器作为温度执行器，超声波雾化器和干燥剂作为湿度执行器。系统采用PID控制器，并通过实验确定了比例、积分和微分参数。前馈补偿方法用于分离温度回路和湿度回路之间的相互影响。设计的环境舱外部尺寸为600毫米×500毫米×400毫米，内部尺寸为200毫米×200毫米×150毫米。通过一系列实验验证了该系统的有效性。实验结果表明，该环境舱可实现±0.05℃的温度稳定性和±1%的相对湿度稳定性，并具有显著的解耦效果。此外，在环境舱运行过程中，电容传感器的漂移减少了80%。该系统具有稳定性高、振动小和结构简单等优点，便于用于精密测量。

引言

环境舱能够提供包括温度、湿度和气压在内的特定环境，在测量、机械加工、医疗治疗、材料科学和电子信息等领域得到广泛应用，以满足各种应用需求。Gabriele利用气候舱研究了不同环境条件下LoRaWAN传输系统的性能[1]；Daniele研究了温度对血液pH值的影响，并建立了相应的补偿方法[2]。在微纳加工和测量中，温度和湿度的稳定性对于获得优异的结果至关重要[3][4][5]。例如，机床的热误差由环境温度和切削热直接导致，直接影响加工精度[6][7]；坐标测量机（CMM）的精度不仅受机械热变形影响，还受传感器温度相关漂移的影响，从而导致亚微米级别的定位误差[8][9]。此外，某些仪器对湿度非常敏感。原子力显微镜（AFM）通过测量物体间的微小应力来确定表面形貌，但样品表面的湿度会因毛细力影响接触力，从而导致测量误差[10][11][12]。电容传感器的电极间介电常数通常会受到环境湿度的影响[13]，从而降低测量精度。因此，对于精密测量（尤其是微米和纳米尺度测量）而言，环境因素至关重要。

使用低热膨胀系数的材料并设计对称结构是减少温度影响的实用方法。Lehman研究了具有零热膨胀系数的蜂窝结构，显著提高了结构刚性并降低了热膨胀[14]；Cheng[15]和Wang[16]通过热稳定性分析优化了激光测量系统的结构，显著提高了系统稳定性。然而，这些方法无法消除非热变形引起的传感器漂移。温度变化可通过多种途径引起传感器漂移，包括结构变形[14][15][16]、传感元件中的温度依赖性电阻或电容变化[13]、光电探测器的暗电流波动[17]以及执行器的压电系数变化[18]。

因此，需要一种能够维持稳定环境的环境舱。美国国家标准与技术研究院设计了一种高精度的多层温度舱，为分子测量机提供稳定的测量环境，实现了0.001℃的温度波动稳定性[19][20]；Fan设计了将温度控制设备和CMM分别置于不同腔室中的温度舱，实现了±0.02°C的稳态精度[21]；Feng开发了一种基于自然对流的改进型CMM温度舱，具有单向冷却和无振动的特点[22]；Stukalov设计了用于AFM的湿度控制舱，通过混合不同比例的干氮气和湿氮气实现了±0.2%的稳态湿度控制[23]。这些用于精密测量的环境舱主要关注稳态精度，并采用了多层温度控制结构[19][20]和执行器分离[22]等辅助技术。此外，减少环境舱的振动也很重要。然而，上述研究未能同时满足高稳定性的温度和湿度控制以及低振动的要求。

在其他领域（如航空航天、材料科学和电气工程）中报道的一些环境舱可以实现温度和湿度的同时控制，具有较宽的可控范围[24][25][26][27][28][29]。这些系统提供了有用的参考，但与精密微纳测量的严格要求存在显著差异。例如，Gianetti开发了一种用于AFM冰结晶研究的紧凑型舱室，可调节温度和湿度，但仅适用于特定实验场景而非通用精密测量[24]；Darehshouri和Keesey设计了低成本或开源的材料测试环境舱，但其稳定性（通常约为±0.5℃和几个百分点的相对湿度）对于微纳尺度计量来说仍然不够[25][26]；Wu报道了一种模拟火星环境的舱室，集成了多种光谱传感器，但其设计更侧重于宽环境范围而非超高稳定性或振动抑制[27]。

尽管在暖通空调和工业环境中提出了先进的温度-湿度解耦策略（如前馈解耦[28][29]或基于矩阵的解耦方法[30]），但这些方法尚未在紧凑型、低振动的环境舱中进行实验验证。

因此，本文提出了一种具有高稳定性、低振动、易于组装和移动的环境舱，适用于精密仪器的使用。文章结构如下：第2节描述了环境舱的工作原理，第3节介绍了系统模型，第4节给出了实验验证结果，第5节讨论了结论。

系统配置

图1(a)展示了系统的结构，其特点是双层结构用于温度控制，三回路气体循环结构用于湿度控制。环境舱的墙壁上装有隔热材料以防止热量泄漏。双层设计提高了隔热性能和温度稳定性。作为温度执行器的热电冷却器位于顶部，用于冷却舱室。

系统的开环模型

图3展示了开环控制示意图。外部舱室主要起隔热作用，在此不予分析。除湿和加湿回路具有相同的形式，以下以湿度执行器为例进行说明。温度执行器和湿度执行器都包括一个可控电源及其对应的执行器组件（分别为热电冷却器和湿度控制装置）。每个可控组件的输出...

设计

如图7所示，设计了一个微型环境舱来验证系统的有效性，外部尺寸为600毫米×500毫米×400毫米，内部尺寸为200毫米×200毫米×150毫米。环境舱的框架采用亚克力板制成，隔热材料采用厚度为20毫米的聚氨酯板。聚氨酯因其良好的防潮性能而在环境舱中得到广泛应用。

结论

本研究提出了一种高稳定性的环境舱，能够控制温度和湿度，以确保精密仪器的测量精度。采用双层隔热结构和三循环管道系统来提高系统稳定性。研究了系统稳定性的模型，并采用了前馈补偿方法来消除温度回路和湿度回路之间的相互影响。设计的环境舱可实现±0.05℃的温度稳定性和...

CRediT作者贡献声明

Rui-Jun Li：负责监督和研究方法。Kai Jiang：负责撰写、审稿和编辑，以及数据管理。Qiao-Sheng Pan：负责研究方法。Shao-Hua Ma：负责撰写初稿、研究方法及数据管理。Zhuang-Zhi Zhao：负责数据管理。Zhen-Ying Cheng：负责研究方法。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究工作的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号52475556）和安徽省质量基础设施标准化专项项目（项目编号JZ2023AHST0692）的支持。

Kai Jiang出生于2002年，2024年获得中国合肥工业大学仪器科学与光电工程学院的学士学位，目前正在该校攻读仪器科学与技术硕士学位。