高精度低温温度测量与控制系统实验研究

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1、分类号学号M201171030学校代码10487密级硕士学位论文高精度低温温度测量与控制系统实验研究学位申请人：代杰学科专业：制冷及低温工程指导教师：李青教授答辩日期：2014年1月6日万方数据AThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreefortheMasterofEngineeringExperimentalStudyonCryogenicTemperatureMeasurementandControlSystemoftheHighAccuracyCandidate:Da

2、iJieMajor:Refrigeration&CryogenicEngineeringSupervisor:Prof.LiQingHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan430074,P.R.ChinaJan,2014万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论

3、文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日万方数据华中科技大学硕士学位论文摘要在低温物理实验中，温度的测量是最基本的测量。与常温下的温度测量相比，低温系

4、统中的要求更为严格。在常温下一些不被重视的问题如引线漏热、辐射热、焦耳热和接触热阻等，在低温下则变得重要起来。GM制冷机冷却的低温恒温器在很多领域得到了广泛的应用，它具有结构简单、操作方便、运行和维护成本低的优点。但是，受限于GM制冷机的自身结构和工作原理，其冷头处温度波动较大，并且有振动。对于温度稳定性要求较高的场合，这种温度波动是相当不利的。基于以上分析，本文进行了制冷机冷却的低温温度测量和控制系统实验研究，具体工作内容如下：针对制冷机冷头的温度波动模型，从理论上进行了分析求解。根据解析解可知，温度波动的幅值主要受材料热扩散率和冷头波动频率的影响。热扩散

5、率越小、波动频率越大，相同的导热距离上，温度波动的幅值也越小。分别进行了热阻实验，氦罐实验，氦罐和热阻相结合的实验。实验结果显示，使用热阻的方案可以有效抑制温度波动，且恒温器整体结构更简单、操作更方便。在氦罐实验中，除4.2K外，其他各点处，温度波动并不能得到很好的抑制。在氦罐和热阻结合的实验中，温度波动峰峰值控制在3mK以内。对制冷机冷却的低温恒温器中温度的控制进行了实验研究。通过PID控制的方法，控制样品架上温度的升降温速率。采集了PID控制时样品架上温度波动的短期稳定性和长期稳定性数据。实验结果显示，受限于制冷机本身性能，恒温器中存在一个最大降温速率和

6、一个最慢升温速率。采用PID控制的方法可以很好的控制样品架上匀速升降温。采用PID控制，样品架上长期稳定性良好，4.2K处温度波动控制在±1.5mK，温度的标准偏差为0.339mK。设计了制冷机停开机实验方案并进行简单的前期实验验证。测量了连接部件之间总的接触热阻并进行分析。在制冷机停开机实验中，制冷机停机之后，样品架上温度保持在7K附近，波动范围为6.9990K-7.0030K，稳定时间约为650秒。稳定时I万方数据华中科技大学硕士学位论文间和控温稳定性符合实验要求。关键词：低温测量低温恒温器温度波动温度控制II万方数据华中科技大学硕士学位论文Abstra

7、ctThetemperaturemeasurementisthemostbasicmeasurementincryogenictemperaturephysicsexperiment.Comparedwiththetemperaturemeasurementatroomtemperature,cryogenictemperatureinthesystemisstricter.Someignoredproblemsatroomtemperature,suchasleadheatleakage,radiantheat,Jouleheatandthermalcon

8、tactresistance,becomeimpor