阅读说明：本技术 利用半导体制冷的测风激光雷达除湿装置及其工作方法 (Wind measurement laser radar dehumidification device utilizing semiconductor refrigeration and working method thereof ) 是由 郭雨桐 陈新明 陈松涛 吴忠伟 徐超 孟秀俊 詹彪 于 2020-06-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开的一种利用半导体制冷的测风激光雷达除湿装置及其工作方法,属于测风激光雷达内部环境控制技术领域。壳体设在测风激光雷达内部,壳体上部开口,底部设有冷凝水出水口；壳体上部设有中隔板,半导体制冷元件连接在中隔板下部,并与壳体相对的两个侧面连接；半导体制冷元件连接有若干加热面翅片和制冷面翅片；双向风机设在加热面翅片上方；温湿度传感器设在壳体外部,通过控制系统控制双向风机的转向和半导体制冷元件的电流方向。装置结构简单、可靠性高,制造成本低、能耗小,在湿度大和温度低的环境中也能发挥良好的除湿作用,适用范围广；具有良好的应用前景。(The invention discloses a wind-measuring laser radar dehumidifying device utilizing semiconductor refrigeration and a working method thereof, and belongs to the technical field of internal environment control of wind-measuring laser radars. The shell is arranged in the wind measuring laser radar, the upper part of the shell is opened, and the bottom of the shell is provided with a condensed water outlet; the upper part of the shell is provided with a middle clapboard, and the semiconductor refrigeration element is connected to the lower part of the middle clapboard and is connected with two opposite side surfaces of the shell; the semiconductor refrigerating element is connected with a plurality of heating surface fins and refrigerating surface fins; the bidirectional fan is arranged above the heating surface fins; the temperature and humidity sensor is arranged outside the shell, and the steering of the bidirectional fan and the current direction of the semiconductor refrigeration element are controlled by the control system. The device has simple structure, high reliability, low manufacturing cost and low energy consumption, can play a good role in dehumidification in the environment with high humidity and low temperature, and has wide application range; has good application prospect.)

利用半导体制冷的测风激光雷达除湿装置及其工作方法

技术领域

本发明属于测风激光雷达内部环境控制技术领域，具体涉及一种利用半导体制冷的测风激光雷达除湿装置及其工作方法。

背景技术

测风激光雷达作为一种新型的风资源测量装置，具有快速布置、可移动、测量高度可以任意调节等诸多优势，在越来越多的风资源评估过程中发挥着重要的作用。激光雷达内部的激光器、光纤、工控机等精密设备对激光雷达腔体内的温湿度要求极高。温湿度超出固定范围，会对精密设备造成不可逆损伤。同时，在我国西南山区，秋冬季空气湿度大，温度较低，在腔体密闭性不佳的情况下，容易出现激光测量头内部结露的现象。

目前调节激光雷达腔体内温湿度的方法主要是通过加热除湿和制冷除湿两种措施。其中，加热除湿的主要技术途径为，通过加热，使液态的水受热发生相变，成为气态，然后再利用风扇等装置，进行腔体内外气体的强制流动，从而实现除湿的目的，在实际应用过程中，若外部空气相对湿度较大，则该方法除湿效果不佳。制冷除湿的原理在于，利用制冷设备，使原本空气中气态的水蒸气达到露点凝结为液态，然后通过导流管流出，达到降低相对湿度的目的。目前激光雷达内部温湿度调节的主流技术还是加热除湿。制冷除湿方面，应用制冷剂循环除湿的技术也有部分应用，但利用制冷剂循环除湿的缺点在于，需要在激光雷达内部加装制冷系统，增加了整体的复杂性和重量，同时也无形中增加了系统发生故障的风险，另外，压缩机工作时的震动，对激光雷达自身测量的精度和准确度也有不利影响。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种利用半导体制冷的测风激光雷达除湿装置及其工作方法，实现测风激光雷达内部温湿度环境的低能耗、高效能、智能化控制。

本发明通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种利用半导体制冷的测风激光雷达除湿装置，包括半导体制冷元件、双向风机、壳体、控制系统和温湿度传感器；壳体设在测风激光雷达内部，壳体上部开口，底部设有冷凝水出水口，冷凝水出水口连接有冷凝水导出管，冷凝水导出管与测风激光雷达外部连通；壳体上部设有中隔板，中隔板两端分别与壳体相对的两个侧面连接；半导体制冷元件连接在中隔板下部，并且长度方向的两端与壳体相对的两个侧面连接；半导体制冷元件的加热面连接有若干加热面翅片，半导体制冷元件的制冷面连接有若干制冷面翅片；半导体制冷元件、制冷面翅片和加热面翅片与壳体底部间存在间隙；双向风机设在加热面翅片上方；温湿度传感器设在壳体外部，半导体制冷元件、温湿度传感器和双向风机分别与控制系统连接，控制系统与外部电源连接，控制系统能够控制双向风机的转向和半导体制冷元件的电流方向。

优选地，壳体底部为漏斗状结构，冷凝水出水口设在壳体底部的最低点。

优选地，壳体底部为弧形，冷凝水出水口设在弧顶。

优选地，壳体上部开口为喇叭状。

优选地，若干制冷面翅片平行设置，若干加热面翅片平行设置。

进一步优选地，制冷面翅片和加热面翅片的数量一致，且制冷面翅片与其相对的加热面翅片位于同一直线上。

优选地，半导体制冷元件的加热面通过导热胶与加热面翅片连接，半导体制冷元件的制冷面通过导热胶与制冷面翅片连接。

优选地，制冷面翅片和加热面翅片为铝翅片。

优选地，壳体内壁设有防结露层。

上述利用半导体制冷的测风激光雷达除湿装置的工作方法，包括：

控制系统内预设有除湿湿度阈值和除霜温度阈值；

当温湿度传感器检测到测风激光雷达内部的湿度达到除湿湿度阈值时，开启除湿模式，控制系统开启双向风机和半导体制冷元件，双向风机正转，将测风激光雷达内部空气输送至壳体内，半导体制冷元件正向制冷，空气流经制冷面翅片时，遇冷凝结为水滴，水滴集聚后经冷凝水出水口进入冷凝水导出管排出；空气经过制冷面翅片后，进入半导体制冷元件、制冷面翅片和加热面翅片与壳体底部的间隙流动，再经加热面翅片，带走加热面热量，最终回到测风激光雷达内部，完成气流循环；该模式持续工作直至温湿度传感器检测除湿湿度小于除湿湿度阈值；

当温湿度传感器检测到测风激光雷达内部的湿度达到除湿湿度阈值，且温度达到除霜温度阈值时，控制系统控制双向风机反转，半导体制冷元件反向制冷，制冷面翅片加热进行除霜，除霜凝结成水滴后经冷凝水出水口进入冷凝水导出管排出，空气将制冷面翅片上的热量带出壳体；该模式持续工作直至温湿度传感器检测除霜温度高于除霜温度阈值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的一种利用半导体制冷的测风激光雷达除湿装置，采用半导体制冷元件对测风激光雷达内部进行冷却除湿，不影响原有的雷达内部布置和测量精准度，便于制造安装和运行维护；通过温湿度传感器实时监测工作环境的温湿度，自动化程度高，方便灵活；双向风机能够使壳体内的气流强制流动，半导体制冷元件将水蒸气冷凝，通过对双向风机的转向和半导体制冷元件电流方向的控制，能够实现除湿和除霜的功能。装置结构简单、可靠性高，制造成本低、能耗小，在湿度大和温度低的环境中也能发挥良好的除湿作用，适用范围广；具有良好的应用前景。

进一步地，壳体底部为漏斗状结构，冷凝水出水口设在壳体底部的最低点，便于冷凝水流出，不在壳体内部淤积。

进一步地，壳体底部为弧形，能够便于内部空气流动，不产生死角；冷凝水出水口设在弧顶，便于冷凝水排出。

进一步地，壳体上部开口为喇叭状，增大进风面积，且空气进入后体积收缩、速度增大，在壳体内部流动顺畅、效率高。

进一步地，若干制冷面翅片平行设置，若干加热面翅片平行设置，使空气能够均匀流过，效率高、效果好。

进一步地，制冷面翅片和加热面翅片的数量一致，且制冷面翅片与其相对的加热面翅片位于同一直线上，使半导体制冷元件两侧的风场对称且分布均匀，利于空气的流动。

进一步地，半导体制冷元件通过导热胶与制冷面翅片和加热面翅片连接，导热效率高。

进一步地，制冷面翅片和加热面翅片为铝翅片，导热效率高。

进一步地，壳体内壁设有防结露层，防止冷凝水淤积。

本发明公开的上述利用半导体制冷的测风激光雷达除湿装置的工作方法，自动化程度高、效率高，可以针对不同的环境切换工作模式，应用范围广。

附图说明

图1为本发明的利用半导体制冷的测风激光雷达除湿装置的整体结构示意图；

图2为半导体制冷元件连接制冷面翅片和加热面翅片的俯视结构示意图；

图3为半导体制冷元件的结构原理示意图。

图中：1为半导体制冷元件，2为制冷面翅片，3为加热面翅片，4为双向风机，5为壳体，6为冷凝水导出管，7为控制系统，8为温湿度感应器，9为制冷电源线，10为送风管段，11为回风管段，12为冷凝水出水口，13为供电线，14为信号传输线，15为N节，16为P节，17为制冷面导流条，18为加热面导流条，19为加热面基板，20为制冷面基板，21为中隔板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：

如图1，本发明的利用半导体制冷的测风激光雷达除湿装置，包括半导体制冷元件1、双向风机4、壳体5、控制系统7和温湿度传感器8。壳体5设在测风激光雷达内部，最好是测风激光雷达内部中间部位，通过安装支架进行固定。壳体5近全封闭，上部开口，优选地，上部开口为喇叭状；底部设有冷凝水出水口12，冷凝水出水口12连接有冷凝水导出管6，冷凝水导出管6与测风激光雷达外部连通；在本发明的一个实施例中，壳体5底部为漏斗状结构，冷凝水出水口12设在壳体5底部的最低点。在本发明的另一个实施例中，壳体5底部为弧形，冷凝水出水口12设在弧顶。优选地，壳体5采用绝缘保温如工程塑料一体成型，壳体5内壁设有防结露层。壳体5上还留有制冷电源线9的进口，方便接入。

壳体5上部设有中隔板21，中隔板21两端分别与壳体5相对的两个侧面连接，阻断气流在壳体5顶部横向流动，从而在壳体内5自然形成送风管段10和回风管段11，气流组织如图1箭头所示；中隔板21也可以与壳体5一体成型；半导体制冷元件1连接在中隔板21下部，并且长度方向的两端与壳体5相对的两个侧面连接；如图2，半导体制冷元件1通过导热胶连接有若干加热面翅片3，半导体制冷元件1的制冷面通过导热胶连接有若干制冷面翅片2，半导体制冷元件1、制冷面翅片2和加热面翅片3粘接后形成整体，共同置入壳体5内，壳体5上下高度及左右宽度均大于粘接后尺寸，前后厚度与粘接后尺寸相同；优选地，若干制冷面翅片2平行设置，若干加热面翅片3平行设置，制冷面翅片2和加热面翅片3的数量一致，且制冷面翅片2与其相对的加热面翅片3位于同一直线上。制冷面翅片2和加热面翅片3优选导热性能好的铝翅片。半导体制冷元件1、制冷面翅片2和加热面翅片3与壳体5底部间存在间隙；双向风机4设在加热面翅片3上方；温湿度传感器8设在壳体5外部，半导体制冷元件1通过制冷电源线9与控制系统7连接，制冷电源线9外包防水性能好的外绝缘材料，温湿度传感器8通过信号传输线14与控制系统7连接，双向风机4通过导线与控制系统7连接，控制系统7通过供电线13与外部电源连接，可以从激光雷达直流电侧接入；控制系统7包括控制器、若干继电器、整流桥和电容，能够控制双向风机4的转向和半导体制冷元件1的电流方向。

如图3，半导体制冷元件1内部包含多个串联的PN结、加热面基板19和制冷面基板20。加热面基板19和制冷面基板20由每个PN结包含N结15、P结16、制冷面导流条17和加热面导流条18。需要注意的是制冷面导流条17同时连接同一个PN结的N结15流出端端和P结16流入端，加热面导流条18不连接同一个PN结内部的N结15和P结16，而是分别连接上个PN结的P结16流出端，以及下一个PN结的N结15流入端。由此，形成多个PN结的串联工作。

上述利用半导体制冷的测风激光雷达除湿装置的工作方法，包括：

控制系统7内预设有除湿湿度阈值和除霜温度阈值；

当温湿度传感器8检测到测风激光雷达内部的湿度达到除湿湿度阈值时，开启除湿模式，控制系统7开启双向风机4和半导体制冷元件1，双向风机4正转，将测风激光雷达内部空气通过送风管段10输送至壳体5内，半导体制冷元件1正向制冷，空气流经制冷面翅片2时，遇冷凝结为水滴，水滴集聚后经冷凝水出水口12进入冷凝水导出管6排出；空气经过制冷面翅片2后，进入半导体制冷元件1、制冷面翅片2和加热面翅片3与壳体5底部的间隙流动，再经加热面翅片3，带走加热面热量，最终通过回风管段10回到测风激光雷达内部，完成气流循环；该模式持续工作一段时间后，温湿度传感器8重新检测环境参数，决定启停。

当温湿度传感器8检测到测风激光雷达内部的湿度达到除湿湿度阈值，且温度达到除霜温度阈值时，控制系统7控制双向风机4反转，半导体制冷元件1反向制冷，制冷面翅片2加热进行除霜，除霜凝结成水滴后经冷凝水出水口12进入冷凝水导出管6排出，空气将制冷面翅片2上的热量带出壳体5；正反向为一个循环，循环完成后，需要温湿度传感器8重新检测环境参数，决定启停和模式。

下面以一个具体实施例来对本发明进行进一步解释：

某型号测风激光雷达高1000mm，长1200mm，宽650mm，功率200W，采用市电220V交流供电，内部变压整流后，使用24V直流电压。该激光雷达长期用于我国西南某地的风资源测量工作，由于该地秋冬季气温较低，空气湿度偏大，导致激光雷达内部湿度调节失效，镜头内部出现结露现象，严重影响了测风的数据完整率和准确性。

针对上述问题，本发明基于帕尔贴效应，利用了半导体制冷的原理，进行冷凝除湿，有效的解决了测风激光雷达腔内湿度过高的问题。具体工作流程介绍如下：

本装置通过胶水加垫片的方式悬挂固定在测风激光雷达腔体内部顶侧，距离腔体四周均留有缝隙，方便气流通过。冷凝水导出管6延伸至腔体底部，腔体底部另设盛水箱，用于收集冷凝水。装置依靠供电线13向控制系统7和温湿度传感器8供电。控制系统7的输入为24VDC，输出为4.5VDC。

当温湿度传感器8检测到周围环境相对湿度大于60％时，且环境温度大于15摄氏度时，通过信号传输线14向控制系统7传输电信号。控制系统7持续检测到该信号5min后，接通正向电源，通过制冷电源线9向半导体制冷元件1和双向风机4供电，双向风机4开始启动，与壳体5的自然结构配合，形成强制流动，气体流动方向依次为，雷达腔体内、送风管段10、制冷面翅片2、壳体5下部、加热面翅片3、回风管段11，最后送回雷达腔体内。双向风机4的功率为5W，半导体制冷元件1的尺寸为40*40*2.4mm，额定电压4.5V，双向风机4开启的同时，半导体制冷元件1同时开启制冷功能，电流从N结15流向P结16，在两者连接的位置形成冷效应，多个PN结串联，增加冷效应，使制冷面基板20温度降低，同时，加热面基板19温度升高，为加强热传导，制冷面基板20和加热面基板19外侧分别通过导热胶与制冷面翅片2和加热面翅片3连接。制冷面翅片2和加热面翅片3的尺寸均为40*40*1mm，粘接方向均为竖向，翅片平行于纸面，各级翅片前后均匀分布，顶部视图如图2所示，本实施例中，每面翅片数量均为9片。气流通过制冷面翅片2时被冷却，降至露点以下，气态水蒸气凝结为水，通过制冷面翅片2滴下至壳体5下部，壳体5下部开有冷凝水出口12，并与冷凝水导出管6连接，用于导出冷凝水。值得注意的是，为了方便冷凝水导出，冷凝水出口12附近的壳体5略向下凹陷。气流通过制冷面翅片2后，沿壳体5内部下方空间从右向左流动，在沿壳体5左侧上升，通过加热面翅片3，带走加热面的热量，然后通过回风管段11，回到激光雷达腔体内。整个装置工作120min后，重新依靠温湿度传感器8检测环境温湿度决定是否再次开启。

由于西南山区秋冬季，空气湿度较大的同时，温度也较低，故在上述正常模式之外，还需要有低温模式。在低温模式下，制冷面翅片2存在结霜现象，故需要进行化霜操作。低温模式的逻辑如下：当温湿度传感器8检测到腔体内相对湿度高于60％且温度低于15摄氏度时，低温模式开启，通过信号传输线14向控制系统7传输温度和湿度双重电信号，控制系统7持续检测到双重信号5min后，接通正向电源，使得装置启动，装置正向工作120min后，控制系统7接通反向电源10min，使得双向风机4反转，同时半导体制冷元件1电流反向，冷热面交换，使得原制冷面翅片2受热融霜。整个装置工作完成一个循环后，重新依靠温湿度传感器8检测环境温湿度决定是否再次开启。

该装置的控制逻辑可以采用如实施例的设定每个工作模式固定的运行周期，周期结束后根据温湿度传感器8的检测数值决定是否开始下个周期，或者切换工作模式或停止运行。也可以由温湿度传感器8实时监控温湿度数值，根据实测数据决定工作模式或停止运行。具体可以根据实际需要进行选择。

需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式的一部分，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。