建造高精度环境条件实验室方法初探

何文奎

摘 要：在航天、激光、光电子等高技术领域，对光学元器件的精度要求越来越高，建造高精度环境（温湿度、洁净度、抗微振）条件要求的实验室是光学元件研制、加工和检测技术基础保障。

关键词：高精度；环境条件；实现方法

Laboratory methods of the construction of high-precision environmental conditions

He Wen-kui

Abstract： In the high-tech fields such as aerospace， laser， optoelectronics， precision optical components requirements increasingly high， the construction of a high-precision environment （temperature and humidity， cleanliness， anti-the micro vibration） conditions required laboratory optical components developedprocessing and testing technology basis for protection.

Key words： high accuracy； environmental conditions； method

1.引言

伴随二十一世纪高科技的发展，尤其是航天、激光、光电子技术等方面日新月异的快速发展，对光学元器件的精度要求越来越高，而高精度、大尺寸的光学元器件研制、生产、加工、检测又需要在极高精密控制的环境（温度、湿度、洁净度和抗微振）条件下才能完成。因此，建造高精度环境条件要求的实验室是光学元件研制、加工和检测技术基础保障。

2.实验室环境条件

本实验室主要是围绕关键区域的百级净化和高精度温度环境的实现，关键温控区域65㎡，净空3500㎜，为卧式激光干涉仪检测设备使用环境。关键温控区域四周的净化空调区域为温控辅助区域，辅助区域利用原有空调净化系统改造而成（空间受限），同时要求，辅助区域温度控制精度为静态情况下21±0.5℃。

2.1关键温控区域内环境条件要求

（1）温度控制精度为：静态情况下21±0.04℃（设备不通电工作状态），激光干涉仪通电情况下22±0.05℃（房间内无人员），在激光干涉仪不通电时）关键区域任意两点间温差不超过0.05℃/400mm，在激光干涉仪通电状态下，关键区域任意两点（测试点不包括热源正下方，并距离热源500MM以上）距离任何热源间温差不超过0.06℃/400mm，控制的基础温度为21±0.1℃；

（2）湿度： ≤55% RH无凝露；

（3）洁净度：优于5级；

（4）气压稳定性：±10Pa/15分钟（与室外压差值）；

（5）噪声等级：优于54dB（A声级）；

（6）实验室可全天候连续运行，测试状态工作时间不少于72小时；

（7）其他要求：送风量稳定，关键区域气流速度为0.12-0.3米/秒可调。

并充分考虑节能，通过合理的划分净化空调系统，在保证运行管理方便的前提下考虑节约初投资。

2.2主要方法和措施

2.2.1围护结构：

整个关键温控区域大部分采用50mm厚度的净化彩钢板作为房间隔断，夹心材料为聚氨酯发泡材料。其中最外围采用100mm 厚度彩钢板，增强保温效果。相比其它彩钢夹心材料而言，聚氨酯材料有隔热效果好和强度好的优点。温控辅助区域净化等级为1000级，利用原有空调净化系统改造而成，具体改造方案需根据施工现场情况确定，其温度精度为静态情况下21±0.5℃；关键温控区域净化等级为100级，温度精度为21±0.05℃，关键温控区采用下回风，四周均设回风夹层，为关键温控区提供温度稳定的空气隔层，形成“回”字间，即形成关键温控区与外界之间形成左右前后四面空气隔层，最大限度的减少因为热传导对高精度温度调节的影响，作为保证关键温控区温度精度和千级净化实现的前提条件。

关键温控区采用密封性好的成品彩钢板密闭封门，避免在弱空气正压工作的情况下外界空气对室内的影响。风管保温采用60mm的橡塑保温（通常普通空调为20mm厚度保温），尽量减少外界温度变化通过风管外壁对关键温控区温度调节的影响。

由于采用了50mm厚度夹层彩钢，并形成除地面以外的五面空气隔层，聚氨酯夹心钢板的导热系数为0.024W/（m·K），按辅助区最不利的温度计算，内外温差只有0.22℃，因此通过四周彩钢维护结构而产生的热传导干扰可以忽略。因此主要干扰为风管保温面积，但末端加热后的风管面积很小，是完全可以克服的。

2.2.2空调送风方式选择和设备配置

空调系统送回风方式为：孔板上送风、微孔地板下回风的送回风方式，以微孔风速不超过0.6米/秒计算送风孔板和微孔地板的开孔面积，保证送回风均匀性和温场分布的均匀性。

在净化型高精密空调机组送回风口设置消声器，并保证送回风管道内风速符合：

主风管风速≤8.0米/秒

支风管风速≤6.0米/秒

末端风管风速≤4.0米/秒

室内送风孔板风速0.6米/秒

室内平均风速0.3米/秒

回风（地板微孔）风速≤0.9米/秒

回风夹道内风速≤2.0米/秒

充分考虑到：所需的空调系统必须能够确保处于全年365天24小时不间断工作模式，对设备包括控制系统的可靠性要求极高，因此，采用一台独立的高精度净化空调机组（每台机组具备两个单独的制冷系统，可互为备用），并在送风管路上设多级精密调节加热器。

高精度恒温恒湿空调系统的设备配置（按关键温控区面积为配套）：

2.2.3自动控制

围绕着关键温控区的温度精度实现，自动控制系统将达到如下要求：

（1）温度的高精度采集：采用先进的高精度石英晶体温度传感器和配套的温度仪表作为高精度温度采集单元。其温度指标为：综合测量精度为≤±0.1℃（国家温温度度标准源单位可以做非常规标定的最小精度），测量漂移量≤0.01℃/三个月。温度采集分辨度为0.0001℃，同一仪表各只传感器之间采集误差≤0.01℃，使用寿命可达8年以上。

（2）温度数据的传输：为了减少温度变送器带来的变送误差和温度漂移，采用通过通讯方式直接读取仪表温度参数到控制器的特殊方法，并已与类似仪表进行联机实验，取得较好效果。

（3）传感器的设置：关键温控区内设置2只高精度传感器，吊装，尽量接近工作面，其中任何一只参与系统控制，另一只仅作为监测显示；同时设置一个湿度传感器和一个风压传感器（测量室内与辅助区之间的压差，并调节到保持5Pa以上的数值）。

设置一台PC机作为中央工作站，可显示实时温度、实时温度曲线和历史温度曲线，并储存历史温度数据。

（4）高精度控制：采用SIEMENS300系列PLC，型号为S7-300，并使用非标准的16位高精度输入输出模块，温度调节过程控制采用四级PID调节方式。程序编制满足±0.05℃的结果。

（5）高精度驱动：采用四级高分辨度可控硅调功器单元，并配置连续调节的新风电动阀门和排风阀门，以稳定房间的正压。

（6）中央工作站：完成系统的操作和系统监控，空气处理过程以动态图的方式显示，显示实时温度、实时温度曲线和历史温度曲线，并储存历史温度度数据。充分显示对现实温度的描述和对历史温度数据的追溯，为加工试验提供温度依据。

中央工作站为空调管理和控制提供简单易用的图形界面，可提供多任务的操作环境以高效地同时执行多种程序。工作站和Windows 2000或Windows XP的多任务环境相结合，提供强大的网络性能，易于使用和管理。

通过该工作站，用户可以做到：

---通过图形显示监测和控制实验室环境

---计划和修改设备的工作

---不同系统条件下运行报告

---搜集和分析趋势数据

---必要时通过扩展应用提高工作站功能

---可与其他的工作站相连接，通过网络进行集中的系统管理

---通过Windows 2000或Windows XP的多任务操作环境可同时、有效地执行多个任务

2.2.4施工过程中的其他因素

（1）需要在激光干涉仪进场后做二次热源隔离处理和可开启风罩设计制作。

（2）原有房间是一个300㎡的5级洁净区域，各种管线交叉分布，高度有限，对送回风管路布局安装和静压空间都有较大影响，需要充分考虑，合理布局。

（3）由于精密温控区围护结构内壁支撑在大区域抗微振筏板基础上，必须同时考虑送回系统振动对原有检测设备和激光干涉仪传导的影响。

3.结论

安装工程完成后，进行初步调试，在激光干涉仪进场安装调试的同时，建立温控系统静态（开机无人）、动态（有人操作）技术状态基线，然后投入自控运行。经过三个月的联动试运行，各项指标均已实现，满足激光干涉仪检测光学元件对环境指标的要求。随着光学工程快速发展，多环境指标、高精度要求的光学检测实验室的需求将会越来越多，因此，通过该工程的实践，不断深化总结，对以后建造类似的实验室工程具有较好参考价值。

高精度恒温恒湿空调系统的设备配置（按关键温控区面积为配套）：

2.2.3自动控制

围绕着关键温控区的温度精度实现，自动控制系统将达到如下要求：

（1）温度的高精度采集：采用先进的高精度石英晶体温度传感器和配套的温度仪表作为高精度温度采集单元。其温度指标为：综合测量精度为≤±0.1℃（国家温温度度标准源单位可以做非常规标定的最小精度），测量漂移量≤0.01℃/三个月。温度采集分辨度为0.0001℃，同一仪表各只传感器之间采集误差≤0.01℃，使用寿命可达8年以上。

（2）温度数据的传输：为了减少温度变送器带来的变送误差和温度漂移，采用通过通讯方式直接读取仪表温度参数到控制器的特殊方法，并已与类似仪表进行联机实验，取得较好效果。

（3）传感器的设置：关键温控区内设置2只高精度传感器，吊装，尽量接近工作面，其中任何一只参与系统控制，另一只仅作为监测显示；同时设置一个湿度传感器和一个风压传感器（测量室内与辅助区之间的压差，并调节到保持5Pa以上的数值）。

设置一台PC机作为中央工作站，可显示实时温度、实时温度曲线和历史温度曲线，并储存历史温度数据。

（4）高精度控制：采用SIEMENS300系列PLC，型号为S7-300，并使用非标准的16位高精度输入输出模块，温度调节过程控制采用四级PID调节方式。程序编制满足±0.05℃的结果。

（5）高精度驱动：采用四级高分辨度可控硅调功器单元，并配置连续调节的新风电动阀门和排风阀门，以稳定房间的正压。

（6）中央工作站：完成系统的操作和系统监控，空气处理过程以动态图的方式显示，显示实时温度、实时温度曲线和历史温度曲线，并储存历史温度度数据。充分显示对现实温度的描述和对历史温度数据的追溯，为加工试验提供温度依据。

中央工作站为空调管理和控制提供简单易用的图形界面，可提供多任务的操作环境以高效地同时执行多种程序。工作站和Windows 2000或Windows XP的多任务环境相结合，提供强大的网络性能，易于使用和管理。

通过该工作站，用户可以做到：

---通过图形显示监测和控制实验室环境

---计划和修改设备的工作

---不同系统条件下运行报告

---搜集和分析趋势数据

---必要时通过扩展应用提高工作站功能

---可与其他的工作站相连接，通过网络进行集中的系统管理

---通过Windows 2000或Windows XP的多任务操作环境可同时、有效地执行多个任务

2.2.4施工过程中的其他因素

（1）需要在激光干涉仪进场后做二次热源隔离处理和可开启风罩设计制作。

（2）原有房间是一个300㎡的5级洁净区域，各种管线交叉分布，高度有限，对送回风管路布局安装和静压空间都有较大影响，需要充分考虑，合理布局。

（3）由于精密温控区围护结构内壁支撑在大区域抗微振筏板基础上，必须同时考虑送回系统振动对原有检测设备和激光干涉仪传导的影响。

3.结论

安装工程完成后，进行初步调试，在激光干涉仪进场安装调试的同时，建立温控系统静态（开机无人）、动态（有人操作）技术状态基线，然后投入自控运行。经过三个月的联动试运行，各项指标均已实现，满足激光干涉仪检测光学元件对环境指标的要求。随着光学工程快速发展，多环境指标、高精度要求的光学检测实验室的需求将会越来越多，因此，通过该工程的实践，不断深化总结，对以后建造类似的实验室工程具有较好参考价值。

高精度恒温恒湿空调系统的设备配置（按关键温控区面积为配套）：

2.2.3自动控制

围绕着关键温控区的温度精度实现，自动控制系统将达到如下要求：

（1）温度的高精度采集：采用先进的高精度石英晶体温度传感器和配套的温度仪表作为高精度温度采集单元。其温度指标为：综合测量精度为≤±0.1℃（国家温温度度标准源单位可以做非常规标定的最小精度），测量漂移量≤0.01℃/三个月。温度采集分辨度为0.0001℃，同一仪表各只传感器之间采集误差≤0.01℃，使用寿命可达8年以上。

（2）温度数据的传输：为了减少温度变送器带来的变送误差和温度漂移，采用通过通讯方式直接读取仪表温度参数到控制器的特殊方法，并已与类似仪表进行联机实验，取得较好效果。

（3）传感器的设置：关键温控区内设置2只高精度传感器，吊装，尽量接近工作面，其中任何一只参与系统控制，另一只仅作为监测显示；同时设置一个湿度传感器和一个风压传感器（测量室内与辅助区之间的压差，并调节到保持5Pa以上的数值）。

设置一台PC机作为中央工作站，可显示实时温度、实时温度曲线和历史温度曲线，并储存历史温度数据。

（4）高精度控制：采用SIEMENS300系列PLC，型号为S7-300，并使用非标准的16位高精度输入输出模块，温度调节过程控制采用四级PID调节方式。程序编制满足±0.05℃的结果。

（5）高精度驱动：采用四级高分辨度可控硅调功器单元，并配置连续调节的新风电动阀门和排风阀门，以稳定房间的正压。

（6）中央工作站：完成系统的操作和系统监控，空气处理过程以动态图的方式显示，显示实时温度、实时温度曲线和历史温度曲线，并储存历史温度度数据。充分显示对现实温度的描述和对历史温度数据的追溯，为加工试验提供温度依据。

中央工作站为空调管理和控制提供简单易用的图形界面，可提供多任务的操作环境以高效地同时执行多种程序。工作站和Windows 2000或Windows XP的多任务环境相结合，提供强大的网络性能，易于使用和管理。

通过该工作站，用户可以做到：

---通过图形显示监测和控制实验室环境

---计划和修改设备的工作

---不同系统条件下运行报告

---搜集和分析趋势数据

---必要时通过扩展应用提高工作站功能

---可与其他的工作站相连接，通过网络进行集中的系统管理

---通过Windows 2000或Windows XP的多任务操作环境可同时、有效地执行多个任务

2.2.4施工过程中的其他因素

（1）需要在激光干涉仪进场后做二次热源隔离处理和可开启风罩设计制作。

（2）原有房间是一个300㎡的5级洁净区域，各种管线交叉分布，高度有限，对送回风管路布局安装和静压空间都有较大影响，需要充分考虑，合理布局。

（3）由于精密温控区围护结构内壁支撑在大区域抗微振筏板基础上，必须同时考虑送回系统振动对原有检测设备和激光干涉仪传导的影响。

3.结论

安装工程完成后，进行初步调试，在激光干涉仪进场安装调试的同时，建立温控系统静态（开机无人）、动态（有人操作）技术状态基线，然后投入自控运行。经过三个月的联动试运行，各项指标均已实现，满足激光干涉仪检测光学元件对环境指标的要求。随着光学工程快速发展，多环境指标、高精度要求的光学检测实验室的需求将会越来越多，因此，通过该工程的实践，不断深化总结，对以后建造类似的实验室工程具有较好参考价值。