CN109373630A - 一种用于图像探测器的大温差小型制冷装置 - Google Patents
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Abstract
为了给CCD传感器提供‑50℃以下的低温工作环境，本发明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***、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***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。
Description
技术领域
本发明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。
背景技术
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。
发明内容
为了给CCD传感器提供-50℃以下的低温工作环境，本发明提供了一种用于图像探测器的大温差小型制冷装置。
本发明的技术方案是：
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***、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***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***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，本发明的优点：
1、本发明设计了一种用于对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是本发明制冷装置结构图。
图2是本发明制冷装置的原理示意图。
图3是本发明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
以下结合附图对本发明作详细说明。
如图1所示，本发明所提供的大温差小型制冷装置，包括电控***、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***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。
本发明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，本发明制冷装置中的电控***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调节，驱动效率高。
3)电流采集电路
由于TEC制冷片的制冷功率与流经其的实时电流有关，因此设置电流采集电路用于采集TEC制冷片的实时电流，将所采集的实时电流信号反馈给AD转换单元，用于电流闭环控制，使得温度控制效果更好；电流采集电路可采用电流采样芯片，例如型号为ACS712的电流采样芯片。
4)电桥测量电路
电桥测量电路采用现有公知电路实现，主要由文氏桥、精密电压源和精密电阻组成，通过检测RTD温度传感器的阻值变化量，将阻值变化量转化为电压变化量，进而通过AD转换单元得到数字化的电压值，通过电压值就可以计算出温度值信息。
6)RTD温度传感器
温度传感器采用RTD电阻，RTD电阻具有对温度敏感、测量温度范围大、成本低、体积小的特点。本发明在制冷单元中每一片TEC的冷端和热端均各设置一套温度传感器，分别测量冷端制冷温度和热端温度，控制器电路可以根据冷热两端的温度实时控制TEC的工作状态。RTD电阻型号为PT100。
本发明的制冷装置工作时，制冷单元将CCD传感器产生的热量转移到其冷面，而热面将转移至冷面的热量以及制冷单元本身的热量通过导热元件传递给散热器，最后通过散热器+风扇主动散热的方式将热量散到空气中。
由于CCD传感器对于电磁场特别敏感，而制冷装置工作时TEC制冷片紧贴CCD传感器，多级TEC制冷片中流过的大电流信号对CCD传感器会造成较严重的干扰，因此本发明采用以下措施减小TEC制冷片对CCD传感器的干扰：
1、在制冷单元的冷端与CCD传感器之间设置屏蔽构件1，该屏蔽构件1将制冷单元的冷端完全包裹，如图1所示；并在制冷单元冷端与屏蔽构件1之间、屏蔽构件1与CCD传感器之间均设置一个厚10mil的导热垫；
屏蔽构件1在设计时需要满足以下要求：1)必须选用导热率高的材料，这是因为该屏蔽构件1需要保证CCD传感器与TEC制冷片之间的热阻小。2)屏蔽构件1的厚度不能太厚，也不能太薄，综合考虑在100mil左右，因为太厚会增大热阻，太薄会影响加工和屏蔽效能。3)屏蔽构件1必须选用磁导率高的材料。TEC制冷片在工作时流过较大的电流，以磁场干扰为主。对于磁场屏蔽，磁导率越高的材料屏蔽效果越好。综合考虑导热与导磁的因素，可以选择黄铜H90，也可以选用银或者铝合金。
2、屏蔽构件1必须就近与图像探测器中CCD传感器的读取电路的功能地通过导线(接地端)相接，并且与制冷装置的壳体保持良好的绝缘(即屏蔽构件1与壳体不接触)。因为，屏蔽构件1紧贴于CCD传感器，相当于一个接收天线，如果不与CCD传感器的功能地相连的话，屏蔽构件1会接收外部的电磁信号进而干扰CCD传感器。
3、控制TEC制冷片中电流的波形，主要包括控制TEC制冷片中电流的波动频率和波动幅值。由于TEC制冷片中电流的波动频率和波动幅值越大，则TEC制冷片产生的干扰信号越强，因此必须对TEC制冷片中电流的波形进行控制。
本发明是通过同步BUCK电路来实现TEC中电流波形的控制，具体地，通过降低同步BUCK电路开关管的开关速度来降低TEC制冷片中电流的波动频率，通过实时采集流过TEC制冷片的电流幅值，并增加一个电流闭环来使电流幅值保持稳定，从而降低电流的波动幅值。
详细的电流控制方法如图3所示。首先，模糊控制器接收到上位机发送的目标温度，利用电桥测量电路采集冷端和热端温度；然后，模糊控制器根据目标温度、冷端温度和热端温度查表(模糊控制表)得到目前所需要的驱动电流，作为电流闭环的输入(即电流反馈值)。最后，电流闭环的PI控制器根据电流反馈值和给定值实时调节同步BUCK电路中开关的占空比，使得TEC制冷片中的电流大小保持稳定。
上述模糊控制表的获得方法：
首先不增加电流闭环，从全温度范围内选择一个目标温度；
其次，按照一个目标温度曲线慢慢地增大TEC制冷片的制冷温度，一旦制冷温度达到目标温度，就可以得到此时通过TEC制冷片的电流值、TEC制冷片冷热两端的温度差；
再次，从全温度范围内依次选择其他温度值作为目标温度，并按照第二步的方法分别得到相应的电流值和温度差，从而可以得到一张模糊控制表。模糊控制表中每个目标温度均对应一个温度差和一个电流值。
Claims (10)
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***、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***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***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。
5.根据权利要求4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：所述驱动电路的主要拓扑是同步BUCK电路。
6.根据权利要求5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：屏蔽构件由黄铜H90、银或者铝合金制成。
7.根据权利要求6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：所述控制器电路采用ARM3单片机。
8.根据权利要求7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：所述电流采集电路采用电流采样芯片。
9.根据权利要求8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：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。
10.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：所述散热器和风扇可用水冷装置替换。
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2018
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