一种用于列车轴温探头的红外光子探测器制造技术

本发明专利技术属于测量技术，涉及对用于列车轴温探头的光敏部件的改进。本发明专利技术包括一个浸没透镜、一个由由浸没胶固定在浸没透镜的中心的光敏元、其特征在于，在光敏元的附近固定着一个补偿元，它与光敏元所用的材料、结构尺寸以及使用的浸没胶完全相同。本发明专利技术响应速度快，具有自补偿功能，受环境温度变化的影响小，易于推广应用。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于测量技术，涉及对用于列车轴温探头的光敏部件的改进。目前已有的采用了光子探测器的一种列车轴温探头结构原理如图2所示。在探头壳体8内有光学组件壳体7、电路盒10和电缆接头9。在光学组件壳体7中有滤光片5、凸透镜6和作为光敏部件的光子探测器，它由浸没透镜3和粘接在浸没透镜3平面中心的光敏元1A组成(参见图1)。光路设计保证光敏元1A位于光学系统的焦点上。光敏元1A是采用锑化铟或碲镉汞材料制成的光敏电阻，其两端各有一个由可阀制成的引脚以便引出信号。这种光子探测器仅有一个光敏元，为了解决温度漂移的问题，必须采用复杂的电路进行温度补偿，因而响应速度低、温度补偿效果差。对于低速列车的轴温可以进行准确探测，但不能适应高速列车的需要。当火车高速运行时，由于光敏元的热迟滞作用，导致响应曲线畸变，响应灵敏度下降，进而导致轴温测量的误差增大，对可能存在的事故隐患不能及时、准确预告。国外有一种轴温探测用的光子探测器，适用于高速列车，它采用半导体制冷器稳定光敏元的环境温度，导致价格高昂，而且可靠性低。本专利技术的目的是，针对仅具有光敏元的单元光子探测器温度漂移的问题，提供一种具有补偿元的双元光子探测器结构，彻底解决光子探测器的温度漂移问题，使其适应各种速度下列车轴温的探测需要。同时又具有结构简单、成本低、易推广的特点。本专利技术的技术方案是，一种红外光子探测器，包括一个浸没透镜、一个由锑化铟或碲镉汞制成的光敏元、该光敏元由浸没胶固定在浸没透镜的中心，光敏元带有两个由可阀制成的引脚，其特征在于，在光敏元的附近固定着一个补偿元，它与光敏元所用的材料、结构尺寸以及使用的浸没胶完全相同，补偿元与光敏元之间的距离为0.8～3mm，补偿元带有两个由可阀制成的引脚。本专利技术的优点是，响应速度快，既适用于静止目标也适用于高速运行目标的测量。具有自补偿功能，受环境温度变化的影响小，不需制冷，所需的外加电路简单，易于推广应用。本专利技术光子探测器不仅可应用于列车轴温探测，也可应用于任何辐射目标的温度实时测量。 附图说明。图1a是本专利技术光子探测器内部结构示意图。图1b是图1a的侧视图。图2是安装了光子探测器的列车轴温探头的结构示意图。图3a、3b、3c是封装后的光子探测器的外形示意图，其中图3b是金属封装的光子探测器的剖面图，图3a是图3b的右侧视图，图3c是图3b的左侧视图。下面结合附图对本专利技术做进一步详细说明。参见图1、图2、图3。光子探测器是列车轴温探头的核心部件，它由浸没透镜3和粘接在透镜上的光敏元件组成。已有的光子探测器仅有一个光敏元1A，其温度漂移大。本专利技术的光子探测器采用了双元结构，在光敏元1A的附近设置了第二个光敏元件即补偿元1B。浸没透镜采用高折射率的材料，能对目标的红外辐射有较宽的光谱透过范围。浸没透镜的半径一般为5～8mm，折射率为n＝3～4左右。光敏元和补偿元必须由浸没胶固定在浸没透镜上，所用的浸没胶(固体介质)应保证两元芯片与浸没透镜有同样良好的光学接触，避免全反射，同时可以使由于环境温度变化或通电后自热引起的应力变化对芯片的影响相同。使其阻值以同样的规律变化，从而减小测量时的漂移和误差。浸没胶的折射率为n＝2.5～3。浸没胶具有与浸没透镜相同的光谱透过范围。光敏电阻芯片光敏元1A和补偿元1B采用光敏的半导体材料做成，可采用的材料如锑化铟、碲镉汞。光敏元1A和补偿元1B最好取自于同一晶片。从而保证电阻具有非常的接近的温度系数和电阻率。同时，从尺寸精度上保证其阻值非常的接近。这样可以减小输出受环境温度变化的漂移。光子探测器的两元阻抗在70Ω～200Ω之间。不能过大和过小，否则探测器的响应率会有所下降。两元阻抗的差异要小于1％。芯片的形状可以为正方形或者其他形状。当采用正方形时，边长为0.1～0.2mm，厚度0.05～0.1mm。对两元进行浸没时应保证光敏元1A在光学系统的焦点上，保证补偿元1B不在焦点上，不能受到光照。两元之间的距离应介于0.8～3mm之间，以便保证浸没后两元所受的应力相同。探测器可以采用金属壳体封装，用加玻璃绝缘子的可伐作为两元芯片的引出管脚，把图1所示的部分封装于金属壳体内。封装后的外形如图3所示。参见图3b，金属壳体11封装着探测器，引出管脚12与金属壳体11之间有玻璃绝缘子绝缘。壳体11内有绝缘填充物13。封装好的探测器和其他全部光学组件安装在光学组件壳体7中。对光子探测器的供电电流不能过大，否则会由于自热的原因，引起阻抗的不稳定。一般供电电流为5～10mA。图1中补偿元1B位于光敏元1A的下方，事实上它可以在满足要求的任何方向。因为光敏元芯片大小、浸没透镜半径可根据目标距离的远近、前端所加光学系统的情况和探测点的大小通过严格计算确定，所以光敏元芯片大小、浸没透镜半径可以根据实际情况做适当的调整。在配以适当的电路后，补偿元1B能对光敏元1A进行非常有效的补偿。芯片在加浸没后，再用金属壳体封装，用外加绝缘的可伐作为两元的引出管脚。可以通过外加电阻和两元器件构成惠斯登电桥。然后加一恒压电源，在对电桥的输出进行仪用直流放大输出，这样可以降低器件的噪声，减小器件的温度漂移。在配以适当的放大电路以及光学系统，更加有效的利用探测器的性能，获得较高的信噪比。下面给出一些具体的设计参数实例。 本专利技术光子探测器在7mA偏置电流、500K黑体、800Hz调制频率的测试条件下已经达到如下技术指标1.阻抗70～200Ω2.两元阻抗的差异＜1％3.噪声＜0.05μV4.响应率＞1000V/W 5.归一化探测率＞5×109cm·Hz1/2·W-1经测试，安装了本专利技术的列车轴温探头达到的技术指标如下1.灵敏度(静态)50mV/℃2.系统噪声Vp-p≤5mV3.信噪比(温差5℃时)S/N＞30dB4.零点漂移(10分钟)≤100mV5.适用车速5-400km/h6.工作温度范围-40℃-+70℃7.输出阻抗R0＜200Ω本专利技术的光子探测器完全满足了各种车速下列车轴温探测的需要。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种红外光子探测器，包括一个浸没透镜［３］、一个由锑化铟或碲镉汞制成的光敏元［１Ａ］、该光敏元［１Ａ］由浸没胶固定在浸没透镜［３］的中心，光敏元［１Ａ］带有两个由可阀制成的引脚，其特征在于，在光敏元［１Ａ］的附近固定着一个补偿元［１Ｂ］，它与光敏元［１Ａ］所用的材料、结构尺寸以及使用的浸没胶完全相同，补偿元［１Ｂ］与光敏元［１Ａ］之间的距离为０．８～３ｍｍ，补偿元［１Ｂ］带有两个由可阀制成的引脚。

【技术特征摘要】
1.一种红外光子探测器，包括一个浸没透镜[3]、一个由锑化铟或碲镉汞制成的光敏元[1A]、该光敏元[1A]由浸没胶固定在浸没透镜[3]的中心，光敏元[1A]带有两个由可阀制成的引脚，其特征在于，在光敏元[1A]的附近固定着一个补偿元[1B]，它与光敏元[1A]所用的材料、结构尺寸以及...

【专利技术属性】
技术研发人员：马德军，
申请(专利权)人：中国空空导弹研究院，
类型：发明
国别省市：41[中国|河南]