一种恒温光照培养箱、多通道恒温光照培养系统及其控制方法与流程

本发明涉及培养，特别涉及一种恒温光照培养箱、多通道恒温光照培养系统及其控制方法。

背景技术：

1、恒温光照培养箱是实验室常用设备，用于为微生物、细胞、植物等生物样本提供可控的温度和光照环境条件。在微生物学研究中，尤其是对于蓝细菌（蓝藻）、微藻等需光合作用的微生物，温度和光照是两个最关键的培养参数--温度直接影响微生物的代谢速率和生长状态，光照则为光合微生物提供能量来源并调控其生理节律。研究人员通常需要设置多组不同的温度-光照参数组合，通过对照实验确定特定微生物的最适培养条件。因此，培养箱的温度控制精度、光照均匀性与可调性、以及多参数并行实验的支持能力，直接影响研究效率与实验结果的可靠性。

2、现有技术当中的恒温光照培养箱存在如下技术问题：

3、在多通道小型化光照培养箱的设计中，现有技术方案面临以下三个核心技术矛盾：

4、（1）探测器物理遮挡与光场均匀性的矛盾

5、为了实现准确的测量，透射式光强探测方案是将光电传感器布置于光源的正对位置（即培养区域下方），通过测量穿透培养体系后的透射光来标定和反馈光强。在大型培养箱（腔体深度>50cm）中，传感器所占空间相对于整个光路截面可以忽略不计，因此其物理遮挡对光场均匀性的影响可以忽略。

6、然而，当培养箱尺寸缩小至24孔板（单孔直径约16mm，孔深约18mm）或培养皿量级时，情况发生根本变化。在毫米级的狭小空间内，光电传感器探头（通常为3mm×3mm至5mm×5mm）的遮挡面积相对于单个培养孔的受光面积已不可忽略--经仿真计算，传感器遮挡可使对应区域的光强降低15%~30%，并在遮挡边缘产生显著的衍射条纹，导致孔间照度差异增大，严重影响高通量培养实验中各孔之间的数据可比性。

7、（2）光源热场耦合降低温控精度

8、大功率led光源在运行过程中会产生显著的热耗散。以单通道配置总功率4w led为例，光源总发热功率可达2.5w~3.5w（电光转换效率约30%~40%）。现有设备常将led阵列内置或紧贴培养腔体安装，导致持续的led光源废热与培养所需的恒温流体环境发生热场耦合。

9、在大型培养箱中，制冷/制热功率（通常为100w~500w级别）远大于led热功率，因此光源热耗散对整体温控的影响可忽略不计。但在小型化培养箱腔体中（腔体总容积仅500ml~1000ml），led光源对腔体的加热功率可达温控系统热功率的10%~20%。实测数据表明，led持续点亮30分钟后，腔体内靠近光源侧的局部温度可比设定值偏高3°c~10°c，形成不可控的温度梯度，显著降低多孔板各孔位之间的温度一致性，同时缩减了温控系统的有效调节动态范围。

10、（3）培养皿盖内表面结露问题未有效解决

11、带盖培养皿在培养过程中，由于培养基水分蒸发，水蒸气在温度较低的培养皿上盖内表面凝结，形成密集水珠，严重衰减入射光照强度；同时，外部通入的气体若与培养腔体内部存在温差，会引起局部温度波动，干扰培养环境的稳定性。

12、（4）外部气体输入温度冲击

13、外部气体直接进入小型腔体会引起局部温度波动，现有方案多采用独立管路预热器或预热盘管，体积大、集成度低，不适合小型化多通道恒温光照培养箱。气体温度调节与腔体温控为两个独立系统，气体进入腔体时仍可能引起局部温度波动。

技术实现思路

1、根据本发明实施例第一方面，提供了一种恒温光照培养箱，包含：

2、保温壳体，保温壳体的内部设有腔体，作为培养区；

3、温控与气体热交换模块，温控与气体热交换模块设置在保温壳体的底部，用于为腔体进行温度控制及输入至腔体内气体的温度控制；

4、保温盖，保温盖设置在保温壳体的顶部；

5、光照模块，光照模块设置在保温盖的顶部，提供光源；

6、透光保温隔离模块，透光保温隔离模块设置在保温盖的底部内壁，且位于腔体和光照模块之间；

7、主控板，主控板用于恒温光照培养箱的数据处理。

8、进一步，温控与气体热交换模块包含：

9、导热壁，导热壁设置在保温壳体的内壁上；

10、温控单元，温控单元与导热壁相连，用于传导冷量或热量给导热壁，由导热壁将冷量或热量传导至腔体内；

11、气体热交换单元，气体热交换单元设置在导热壁和保温壳体之间，用于将外部的气体输入至腔体内，并在输入的同时，与导热壁进行热交换，让外部的气体温度与腔体内温度一致。

12、进一步，温控单元包含：

13、两块传热块，传热块的一侧与导热壁相连，两块传热块的另一侧贯穿保温壳体；

14、两块半导体制冷片，两块半导体制冷片的一侧分别与两块传热块的另一侧相连；

15、两块散热片，两块散热片分别与两块半导体制冷片的另一侧相连；

16、两块散热风扇，两块散热风扇分别设置在两块散热片上；

17、至少一个数字温度探头，至少一个数字温度探头设置在导热壁的外侧，用于实时检测导热壁的温度。

18、进一步，气体热交换单元包含：

19、上片，上片与导热壁的外侧相连；

20、下片，下片密封在上片上，下片和上片之间形成气体热交换通道，气体热交换通道的输入端与外部的气体连通，气体热交换通道的输出端与腔体连通。

21、气体过滤器，气体过滤器与气体热交换通道的输入端相连，用于外部的气体进行过滤。

22、进一步，光照模块包含：

23、基板，基板设置在保温盖的顶部，基板上安装有led单元和光照探测器，led单元的出光方向及光照探测器的感光面均朝向匀光板设置；

24、散射膜，散射膜设置在导热壁的内壁上；

25、遮光套筒，遮光套筒设置在光照探测器上，并沿垂直于光源基板的方向延伸，遮光套筒的顶部内壁上设有匀光罩；

26、匀光板，匀光板设置在保温盖的内壁上，且位于透光保温隔离模块的顶部；

27、非易失性存储单元，非易失性存储单元设置在光源基板上，非易失性存储单元内存储有光源模块的关键标定数据，关键标定数据包含模块身份标识、光强传递函数标定数据、出厂标定信息以及运行时间累计。

28、进一步，遮光套筒的高度h和开口直径d，满足h/d≥1.5。

29、进一步，透光保温隔离模块包含：

30、双层透光石英玻璃，双层透光石英玻璃设置在保温盖的底部内壁上，且位于腔体的顶部，双层透光石英玻璃之间形成中空夹层。

31、进一步，透光保温隔离模块还包含：透明加热膜，透明加热膜设置在双层透光石英玻璃的底部。

32、根据本发明实施例第二方面，提供了一种多通道恒温光照培养系统，包含：多个第一方面的一种恒温光照培养箱、控制器以及上位机；

33、控制器连接上位机和多个恒温光照培养箱，用于接收上位机的指令，控制多个恒温光照培养箱，并为多个恒温光照培养箱进行供电。

34、根据本发明实施例第三方面，提供了一种多通道恒温光照培养系统的控制方法，包含如下步骤：

35、上位机接收用户为各个恒温光照培养箱分别设定的目标温度序列和目标光照度序列，通过控制器将各个恒温光照培养箱的参数序列分别下发至对应恒温光照培养箱；

36、各个恒温光照培养箱独立执行以下闭环控制循环：

37、a:在每个控制周期，获取恒温光照培养箱的当前温度值，与当前时间节点对应的目标温度比较，根据温度偏差调节温控与气体热交换模块的驱动信号；

38、b:在每个控制周期，获取恒温光照培养箱的当前光照值，与当前时间节点对应的目标光照度比较，根据光照偏差调节光照模块的驱动信号；

39、c:判断当前时间是否到达参数序列中的下一时间节点，若是则自动将目标温度/目标光照度更新为该时间节点对应的参数值；

40、恒温光照培养箱在每个控制周期将当前实际温度、实际光照度和驱动状态上报至上位机，供用户实时监控各单元运行状态。

41、根据本发明实施例的一种恒温光照培养箱、多通道恒温光照培养系统及其控制方法，具备如下有益效果：

42、1、摒弃传统透射式光强探测方案，采用“匀光板背向散射光积分”策略，将光照探测器从培养区光路中移除，与led光源同侧布置于光源基板上。这一架构从物理结构上清除了培养区域上方的任何光路遮挡物，消除了光照探测器遮挡引起的孔位阴影。

43、2、通过“双层透光石英玻璃”的阻隔及光源模块的完全外置化设计，将led光源的发热元件与恒温培养腔体在空间上进行物理分离，切断了大功率led废热向培养腔体内部的传导和对流路径。

44、3、系统性解决培养皿上盖内表面结露问题，通过透明加热膜在培养腔体顶部施加微弱加热，与 tec 温控单元协同在腔体内形成1~2℃的垂直温差（顶部温度高于底部），从物理上消除培养皿上盖内表面的冷凝条件，保证入射光照强度的稳定性和培养效果的可重复性。本方案从根源上消除了冷凝条件，且不需要额外的水盘、加湿器等外围装置。

45、4、消除气体输入温度冲击，在培养腔体容积约0.75升、气体流量10~30ml/min、入口气体温度20~30℃、腔体设定温度20~40℃的全工况范围内，气体经热交换器后进入腔体引起的温度波动<1℃，有效保障了培养环境的温度均匀性和稳定性。尤其对于小型腔体（热容量小，对外部温度扰动更敏感），被动式热交换器的效果更为关键。

46、要理解的是，前面的一般描述和下面的详细描述两者都是示例性的，并且意图在于提供要求保护的技术的进一步说明。