一、人工气候箱的总体结构设计理念

人工气候箱的设计宗旨是构建一个密闭、稳定、可控的微型气候空间。其核心在于通过科学分区、精准控制，使箱体内部的温度、湿度、光照、空气流动、气体浓度等参数长期稳定运行，达到实验要求的模拟环境。

其结构通常包括以下五大组成部分：

1. 机械结构系统（箱体、门体、搁板等）

2. 环境控制系统（温度、湿度、光照、CO₂控制）

3. 气流循环系统（风机、风道、过滤装置）

4. 控制操作系统（控制器、人机界面、程序设定）

5. 安全与辅助系统（报警、保护、数据记录、接口扩展）

二、机械结构系统（箱体基础）

1. 外壳材料与结构设计

• 通常采用冷轧钢板喷塑处理，耐腐蚀、防锈，具有良好的机械强度。

• 工业级设备会选用不锈钢材质，特别适用于高湿或实验频繁场景。

2. 保温层结构

• 在内外壁之间设有高密度聚氨酯发泡保温层或玻璃纤维棉，起到隔热保温作用，防止热量散失或外部干扰。

3. 内胆材料

• 一般为镜面不锈钢内胆，便于清洁、防腐蚀，同时提高光照反射率，增强箱内照明均匀性。

4. 箱门设计

• 双层玻璃观察窗，内填惰性气体防结露

• 门体密封条采用耐高低温橡胶材质，确保气密性

• 大型箱体采用多点锁紧系统，防止正负压导致门体松动

5. 层架与搁板系统

• 可调式不锈钢托架或镀铬网架，支持样品多层分布

• 特殊需求下配有托盘滑轨、样品抽屉或定制装夹装置

三、环境控制系统（核心模拟系统）

1. 温度控制系统

• 加热方式：电加热管或PTC陶瓷加热元件，位于风道中

• 制冷方式：压缩机制冷（风冷/直冷），搭配蒸发器、冷凝器

• 控温原理：PID控制算法配合NTC/PT100传感器，自动调节加热/制冷比

2. 湿度控制系统

• 加湿方式：超声波加湿器、蒸汽加湿器或表面蒸发式

• 除湿方式：冷凝除湿或吸附除湿模块

• 湿度传感器：常用电容式或干湿球差值感应器

• 精度控制一般在±5%RH范围内

3. 光照系统

• 光源类型：LED、荧光灯、高压钠灯、金卤灯等

• 控制方式：分段开关、PWM调光、恒流驱动

• 可设置昼夜周期、日出日落模拟等程序化模式

• 照度范围：2000～30000 lux（μmol·m⁻²·s⁻¹）

4. 气体浓度控制系统（选配）

• CO₂浓度自动监测与调节，适用于植物光合研究

• 采用红外CO₂传感器与电磁阀控制配套钢瓶注入

四、气流循环系统（均匀性保障）

1. 风道结构

• 顶送底回、后送前回或四角环绕式风道设计

• 避免箱内形成死角，保持温湿度分布均匀

2. 风机系统

• 配备变频离心风机或静音轴流风扇

• 多档风速调节，满足不同实验需求（如植物 vs 微生物）

3. 空气过滤模块

• 高效初效/中效过滤棉或HEPA滤网

• 减少灰尘、菌落进入系统，保护样品洁净性

4. 空气加热与冷却交换器

• 加热管、蒸发器安装于风道内部

• 与气流直接接触，提高换热效率

五、控制操作系统（人机交互与逻辑执行）

1. 控制器类型

• 单片机式数字控制器

• PLC+HMI触摸屏组合控制系统

• 支持多段程序、曲线控制与远程操控功能

2. 人机交互界面

• LED数字显示器或彩色液晶触摸屏

• 可显示温湿度、光照、CO₂、运行状态、历史曲线等

• 支持中英文切换、多用户权限管理

3. 编程功能

• 支持设定24小时周期、昼夜交替、断电记忆、启动延时等

• 高端型号可存储30组以上多段程序（每组10段以上）

4. 数据采集与通信接口

• RS485/USB/以太网等通信口

• 可连接实验室管理系统（LIMS）或云平台远程监控系统

• 输出环境数据至U盘或PC端，便于长期记录与溯源

六、安全与辅助系统（保障稳定运行）

1. 报警与保护系统

• 超温、低温、湿度异常、传感器故障、电机故障报警

• 声光报警配合LCD信息提示，自动停机保护

2. 电气安全保护

• 漏电保护器、短路保护、电源欠压/过压检测模块

• 高功率系统配有过热断电保护器件

3. 照明与观察系统

• LED箱内照明，便于观察样品

• 内置摄像监控模块（高端型号）支持远程图像查看

4. 自动补水系统（湿控型）

• 连接纯水机或外接水源，维持加湿系统水位

• 自动水位探测与缺水报警功能

七、模块化与拓展性设计

为满足不同研究需求，现代人工气候箱普遍采用模块化设计理念：

• 可更换光源模组（蓝光、红光、紫外）

• 加装CO₂系统、臭氧模块、挥发性气体控制系统

• 配置Wi-Fi远程控制、APP管理平台

• 拓展数据采集终端与环境闭环控制网络

八、人工气候箱结构设计优化趋势

1. 微环境分区控制

支持箱内多区域独立设定参数，进行对照实验或梯度实验

2. 高能效低噪音结构

采用节能压缩机、直流变频风机、环保冷媒，实现低碳运行

3. 工业设计美学与功能融合

强化用户界面体验与箱体整洁外观，提高操作舒适度

4. 智能化与云平台融合

实现远程控制、设备互联、实验进度可视化、远程报警与数据备份

九、结语

人工气候箱作为实验室与生产线中不可或缺的环境控制平台，其结构设计决定了设备的运行质量、模拟能力与实验适应性。从最基础的箱体结构到复杂的智能控制系统，每一个模块都围绕着“精确、稳定、灵活”三个核心目标展开。

了解人工气候箱的结构组成，不仅有助于用户在使用中做出科学配置和正确操作，也为研发者提供持续优化设计的理论支撑。随着材料、控制技术、传感器与AI算法的发展，未来的人工气候箱将更趋智能化、定制化、高效能，成为“数字生态实验室”的重要核心。