一种用于图像探测器的大温差小型制冷装置制造方法及图纸

为了给CCD传感器提供‑50℃以下的低温工作环境，本实用新型专利技术提供了一种用于图像探测器的大温差小型制冷装置，包括电控系统、前壳体、真空法兰、后壳体及依次设置的屏蔽构件、制冷单元、导热元件、散热器和风扇；电控系统与制冷单元相连；制冷单元设置在前壳体与真空法兰构成的真空腔体内；制冷单元由多个TEC制冷片串联构成，冷面用于支撑、固定CCD传感器；导热元件一端位于后壳体与真空法兰构成的腔体内与散热器相连，另一端穿过真空法兰后与制冷单元的热端相连；屏蔽构件将制冷单元的冷面包裹；屏蔽构件与CCD传感器的功能地相接，且与前壳体保持绝缘；屏蔽构件采用导热、导磁材料制成；风扇与散热器间距设置，均位于后壳体与真空法兰构成的腔体内。

A Small Refrigeration Device with Large Temperature Difference for Image Detector

【技术实现步骤摘要】
一种用于图像探测器的大温差小型制冷装置
本技术涉及一种小型制冷装置，特别适用于传感器需要在低温环境下工作的图像探测器。
技术介绍
在激光远场测量时需要得到高质量的图像信息，从而进行各种参数测量和计算，此时就需要探测装置的输出图像具有高信噪比，因为低信噪比的图像中混入的噪声会对探测目标产生非常恶劣的影响甚至淹没有效信号。高信噪比探测装置一般采用CCD传感器，而CCD传感器对温度比较敏感，其本底噪声与温度正相关，因此想要获得高信噪比的图像，就必须为CCD传感器的靶面提供低温工作环境。现有制冷装置主要采用压缩机制冷和半导体制冷(缩写：TEC)两种方式。采用压缩机制冷的制冷装置体积大、功耗大，噪声大，无法应用于CCD传感器的场合。TEC制冷利用帕尔贴效应，不使用任何介质，非常适合于小型制冷装置。但是，现有采用TEC制冷的制冷装置为单级TEC制冷，在温差增大的情况下，制冷效率降低很快；因制冷功率很小，一般应用于制冷温差不大的场合，无法满足CCD传感器需要-50℃以下低温的要求。
技术实现思路
为了给CCD传感器提供-50℃以下的低温工作环境，本技术提供了一种用于图像探测器的大温差小型制冷装置。本技术的技术方案是：一种用于图像探测器的大温差小型制冷装置，其特殊之处在于：包括电控系统、前壳体、真空法兰、后壳体以及依次设置的屏蔽构件、制冷单元、导热元件、散热器和风扇；电控系统与制冷单元相连，用于控制调节其制冷温度；制冷单元设置在前壳体与真空法兰构成的真空腔体内；制冷单元由多个TEC制冷片串联构成；首个TEC制冷片的冷面为制冷单元的冷面，用于支撑、固定图像探测器的CCD传感器；最后一个TEC制冷片的热面为制冷单元的热面；导热元件一端位于后壳体与真空法兰构成的腔体内与散热器相连，导热元件的另一端穿过真空法兰后与制冷单元的热端相连；屏蔽构件将制冷单元的冷面完全包裹；屏蔽构件与所述CCD传感器的功能地相接，并且与前壳体保持绝缘；屏蔽构件采用导热、导磁材料制成；风扇与散热器间距设置，且均位于后壳体与真空法兰构成的腔体内。进一步地，散热器与导热元件的接触界面，导热元件与制冷单元热端的接触界面，制冷元件冷端与屏蔽构件的接触界面，屏蔽构件与CCD传感器的接触界面之间均设置有导热垫。进一步地，屏蔽构件的厚度为100mil。进一步地，电控系统包括RTD温度传感器、电流采集电路、AD转换单元、控制器电路、驱动电路和电桥测量电路；RTD温度传感器采用RTD电阻；RTD温度传感器有两套，分别设置在制冷单元的冷端和热端；电流采集电路用于采集流经所述TEC制冷片的实时电流，并将所述实时电流反馈给AD转换单元；电桥测量电路用于检测RTD温度传感器的阻值变化量，并将阻值变化量转化为电压变化量后发送给AD转换单元；AD转换单元用于将所述电压变化量转换为数字信号，发送给所述控制器电路；控制器电路用于根据所述数字信号生成用于控制驱动电路的控制信号；控制器电路还包括用于与制冷装置外部控制器通讯的通讯串口；驱动电路用于根据所述控制信号控制TEC制冷片工作，为CCD传感器提供设定工作温度。进一步地，所述驱动电路的主要拓扑是同步BUCK电路。进一步地，屏蔽构件由黄铜H90、银或者铝合金制成。进一步地，所述控制器电路采用ARM3单片机。进一步地，所述电流采集电路采用电流采样芯片。进一步地，所述电桥测量电路主要由文氏桥、精密电压源和精密电阻组成。进一步地，所述散热器和风扇可用水冷装置替换。与现有技术相比，本技术的优点：1、本技术设计了一种用于对CCD传感器进行制冷的专用制冷装置；该制冷装置中的制冷单元采用多级制冷的TEC串联而成，使得制冷装置结构紧凑、体积小，制冷效率高，能够为CCD传感器提供-50℃以下的温度环境。同时，所设计的结构能够保持长时间的真空环境(>1年)。该结构在没有复杂装置的情况下，能实现CCD传感器在要求的低温环境下工作。2、提出了一种解决TEC工作时对CCD传感器造成干扰的方案，解决了制冷装置对CCD传感器的干扰问题。附图说明图1是本技术制冷装置结构图。图2是本技术制冷装置的原理示意图。图3是本技术中电流控制方法的框图。1-屏蔽构件，2-前壳体，3-真空法兰，4-封闭玻璃，5-导热元件，6-后壳体，7-散热器，8-TEC制冷片。具体实施方式以下结合附图对本技术作详细说明。如图1所示，本技术所提供的大温差小型制冷装置，包括电控系统、前壳体2、真空法兰3、后壳体6以及依次设置的制冷单元、导热元件5、散热器7和风扇；电控系统与制冷单元相连，用于控制调节制冷温度。制冷单元设置在前壳体2与真空法兰3构成的真空腔体内，制冷单元的冷面用于支撑固定CCD传感器；导热元件5一端位于后壳体6与真空法兰3构成的腔体内与散热器相连，另一端穿过真空法兰3后与制冷单元的热端相连；散热器7和风扇间距设置，且均位于后壳体6与真空法兰3构成的腔体内。当需要的制冷温度更低时，可以将散热器+风扇用水冷装置替换。本技术制冷装置结构上具有以下特点：1)具有能长期密封的小型真空腔体真空法兰3与前壳体2构造了一个小型真空腔体。为了使密封长期有效，采取以下措施：真空法兰3与前壳体2均使用不锈钢材料制成；真空法兰3与前壳体2之间采用刀口密封；在真空腔体中放置干燥剂以保持腔体干燥，防止CCD传感器结雾。2)CCD传感器透光设计前壳体2上与CCD传感器同轴线的方向安装了一块比CCD传感器的感光面略大的镀有增透膜的玻璃4，保证良好的透光性能。玻璃4与前壳体2之间通过强力胶粘接；同时，玻璃4外表面可以与多种光学接口相连，例如玻璃4外表面可以与光纤耦合器相焊接。3)在真空法兰3中设置导热元件5(例如铜构件)，以解决制冷元件的热端散热问题。导热元件5直接与制冷元件的热端相连接，使得制冷元件热端温度及时导出。导热元件5上与真空法兰3的接触界面电镀有可伐合金层，这样就可以将导热元件5良好地焊接到真空法兰5上。4)在所有导热界面处均设置厚度小于30mil的导热垫，增大接触面积，减小热阻，增加导热能力；导热界面包括：散热器7与导热元件5的接触界面，导热元件5与TEC热端的接触界面，TEC冷端与屏蔽构件1的接触界面，屏蔽构件1与CCD传感器的接触界面。5)制冷单元采用多级级联式制冷单元由至少三个TEC制冷片串联构成，体积小，温差大(在CCD传感器满载的情况下，最大温差可以达到100℃)，只需要一套驱动电路，控制驱动简单；TEC制冷片型号为SP2402。参见图2，本技术制冷装置中的电控系统主要包括控制器电路、AD转换单元、驱动电路、电流采集电路、电桥测量电路和RTD温度传感器，各个部分的主要构成如下：1)控制器电路控制器电路是整个制冷装置的控制核心，通过控制AD转换单元采集温度信息，然后根据制冷需达到的目标温度和模糊控制算法生成控制信号，进而控制驱动电路；控制器电路通过串口与外部控制器进行通讯，实时接收指令或者发送温度信息；控制器电路可以采用ARM3单片机，例如型号为STM32F103RCT6的单片机。2)驱动电路驱动电路主要作用是控制主动制冷元件TEC工作，为CCD传感器提供设定工作温度；驱动电路主要拓扑是同步BUCK电路，主要特点是对电压电流进行灵活本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于图像探测器的大温差小型制冷装置，其特征在于：包括电控系统、前壳体、真空法兰、后壳体以及依次设置的屏蔽构件、制冷单元、导热元件、散热器和风扇；电控系统与制冷单元相连，用于控制调节其制冷温度；制冷单元设置在前壳体与真空法兰构成的真空腔体内；制冷单元由多个TEC制冷片串联构成；首个TEC制冷片的冷面为制冷单元的冷面，用于支撑、固定图像探测器的CCD传感器；最后一个TEC制冷片的热面为制冷单元的热面；导热元件一端位于后壳体与真空法兰构成的腔体内与散热器相连，导热元件的另一端穿过真空法兰后与制冷单元的热端相连；屏蔽构件将制冷单元的冷面完全包裹；屏蔽构件与所述CCD传感器的功能地相接，并且与前壳体保持绝缘；屏蔽构件采用导热、导磁材料制成；风扇与散热器间距设置，且均位于后壳体与真空法兰构成的腔体内。

【技术特征摘要】
1.一种用于图像探测器的大温差小型制冷装置，其特征在于：包括电控系统、前壳体、真空法兰、后壳体以及依次设置的屏蔽构件、制冷单元、导热元件、散热器和风扇；电控系统与制冷单元相连，用于控制调节其制冷温度；制冷单元设置在前壳体与真空法兰构成的真空腔体内；制冷单元由多个TEC制冷片串联构成；首个TEC制冷片的冷面为制冷单元的冷面，用于支撑、固定图像探测器的CCD传感器；最后一个TEC制冷片的热面为制冷单元的热面；导热元件一端位于后壳体与真空法兰构成的腔体内与散热器相连，导热元件的另一端穿过真空法兰后与制冷单元的热端相连；屏蔽构件将制冷单元的冷面完全包裹；屏蔽构件与所述CCD传感器的功能地相接，并且与前壳体保持绝缘；屏蔽构件采用导热、导磁材料制成；风扇与散热器间距设置，且均位于后壳体与真空法兰构成的腔体内。2.根据权利要求1所述的用于图像探测器的大温差小型制冷装置，其特征在于：散热器与导热元件的接触界面，导热元件与制冷单元热端的接触界面，制冷元件冷端与屏蔽构件的接触界面，屏蔽构件与CCD传感器的接触界面之间均设置有导热垫。3.根据权利要求1或2所述的用于图像探测器的大温差小型制冷装置，其特征在于：屏蔽构件的厚度为100mil。4.根据权利要求3所述的用于图像探测器的大温差小型制冷装置，其特征在于：电控系统包括RTD温度传感器、电流采集电路、AD转换单元、控制器电路、驱动电路和电桥测量电路；RTD温度传感...

【专利技术属性】
技术研发人员：余建成，眭越，张伟刚，寇经纬，王彦超，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：新型
国别省市：陕西,61