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红外探测器组件制冷参数分析
发布时间:2020-02-09 17:58

  摘要:总共长远体会红外探测器组件制冷需求对鼓励红外探测器组件应器具有紧急旨趣。本文精确说明了红外探测器组件行使中和斯特林制冷陷阱系的手艺参数,要紧有红外探测器组件外形尺寸、重量、红外探测器职责温度、制冷时辰、输入功率、控温精度、死板噪声、处境适当性和牢靠性等,并连合工程本质行使,指出了红外探测器组件行使中斯特林制冷机选型要中心合怀的题目以及红外探测器组件制冷参数策画本事,为更好地行使红外探测器组件供给参考。

  红外探测手艺具有荫蔽性好、抗滋扰才华强、诀别率高和可日夜职责等便宜,其紧急性变得日益明显。行动红外探测手艺的重心光电器件逐一红外焦平面探测器组件起到越来越紧急的感化,成为众年来天下各邦邦防手艺范畴中心兴盛的热门手艺之一,并正在观察告警、预警看管、精准制导、火控、夜视、光电对立及中高空长途防空等军事范畴获得遍及行使。

  红外探测器通常需求正在低温处境下职责,低温处境可能低落红外探测器噪声,进步红外探测器的生动度和诀别率。红外探测器组件制冷体例要紧有斯特林制冷、J-T制冷、脉管制冷、半导体例冷和辐射制冷等。斯特林制冷是红外探测器组件军事行使中最遍及采用的制冷体例,本文要紧探究基于运用斯特林制冷机的红外探测器组件的制冷参数,并连合片面红外探测器组件行使举行说明,以便更好地进步红外探测器组件工程化行使程度。

  斯特林制冷机是红外探测器组件的紧急构成片面,其要紧手艺目标对红外探测器组件行使有着紧急影响。对付区别的红外探测器组件行使,需求明了制冷机需求以便杀青体系级的最佳本能。正在红外探测器组件要紧手艺参数策画或制冷机选型时,要充沛思虑制冷机要素。外征红外探测器组件的手艺目标良众,如均匀峰值探测率、有用像元率、呼应率不匀称性和噪声等效温差(NETD)等。《GJB7247-2011红外探测器组件通用模范》精确列出了红外探测器组件要紧手艺参数及检测本事。其余,《GJB5029A-2015斯特林制冷机通用模范》也精确列出了斯特林制冷机要紧手艺参数和检测本事。正在本质行使中,总体用户对红外探测器组件提出的手艺目标央浼要紧参考通用模范央浼,同时连合红外探测器组件本质工程行使,针对性地提出少少新央浼,涵盖边界可以更遍及些。本文将中心说明和斯特林制冷陷阱系的手艺目标,要紧有红外探测器组件外形尺寸、重量、红外探测器职责温度、制冷时辰、输入功率、控温精度、死板噪声、处境适当性和牢靠性等。下文将对这些手艺目标举行精确说明。

  红外探测器组件手艺目标通常城市包罗外形尺寸和重量央浼,这两个目标有必然干系性,本文将一并解释。近年来,制冷型红外探测器组件兴盛的一个紧急目标即是减小组件的体积、重量和功耗。如手持热像仪通常用电池供电,对红外探测器组件的体积和重量央浼较高,某些小型化手持热像仪对红外探测器组件重量央浼到克级。再如片面红外制导行使受空间行使控制,对红外探测器组件外形尺寸和重量央浼异常苛酷。况且,通常红外探测器组件的死板装配接口策画正在制冷机上。因而,正在思虑红外探测器组件行使时,要对制冷机体积、重量举行解析。制冷机尺寸的减小稀奇是回热器目标尺寸的减小会导致制冷机本能和制冷成果低重。因而,正在做减重策画时,必然要两全制冷机的本能、处境适当性和牢靠性。正在红外探测器组件本质行使时,依据区别类型斯特林制冷机布局特质举行相应抉择。挽救集成式斯特林制冷机具有体积小,重量轻、布局紧凑的特质。线性分置式斯特林制冷机相对体积、重量要大些,但因为制冷机连管可能弯曲,为红外探测器组件正在整机空间组织策画带来必然的活络性。

  对付无论是碲镉汞、锑化铟仍然其他类型的制冷型红外探测器来说,红外探测器职责温度是一个紧急参数。碲镉汞、锑化铟是行使万分遍及的红外探测对象料,该类资料属于窄带半导体,其资料性子决计它需求职责正在低温处境下,范例职责温度正在77K足下,红外探测器组件职责温度与探测器呼应波段相合。通常情景下,正在保障探测器本能和运用央浼的条件下,红外探测器波长越长,所需职责温度越低,对制冷机的央浼也就越高。正在本质工程行使中,通常总体用户对红外探测器职责温度不做明了央浼,而是通过均匀峰值探测率、盲元率和噪声等效温差等目标间接对红外探测器做出了央浼,片面长波组件行使会明了红外探测器职责温度,加强手艺目标央浼。

  正在举行红外探测器组件制冷机选型和制冷目标解析时,必然要明了红外探测器职责温度。由于红外探测器组件均匀峰值探测率、盲元率、噪声等效温差、牢靠性以及制冷机制冷量、制冷时辰和输入功率等目标都与红外探测器职责温度相合。跟着红外探测器职责温度的进步,斯特林型制冷机的热力学轮回成果将获得明显改正,同时因为沿杜瓦轴向温度梯度减小,杜瓦热负载也将大幅低落,有利于低落制冷组件功耗、体积和重量,进步组件牢靠性。通常情景下,对统一红外探测器组件而言,红外探测器职责温度越高,制冷机制冷量越高、制冷时辰越短、输入功率越小、牢靠性越高。但对红外探测器而言,制冷职责温度越高,均匀峰值探测率越低、盲元率越高、噪声等效温差越大。正在本质工程行使中,需求平均制冷目标与红外探测器目标的相合,寻找红外探测器职责温度的最佳平均点。

  华北光电手艺探究所临盆的320×256中波红外探测器组件要紧用于手持热像仪、车载、机载和制导等范畴,组件照片如图1所示,要紧本能目标睹外1。

  制冷时辰是红外探测器组件紧急手艺目标之一,正在某种水平上决计了红外兵器体系的作战响合时间。正在红外探测器职责温度确定的情景下,红外探测器组件制冷时辰要紧取决于制冷机的制冷量和杜瓦组件的热容量。正在制冷时辰策画上,可用下述简化本事举行策画:

  式中:C为积分常数,通过输入合系界线要求可能得出,将常数代入,可能揣度出红外探测器组件制冷时辰。

  通过上述说明可知,要念减小制冷时辰,就需求进步制冷机制冷量和低落杜瓦组件热容量。而斯特林制冷机通常可能通过进步制冷机充气压力、增大活塞行程和进步制冷机电机运转频率等要领来杀青制冷机冷量擢升。低落杜瓦组件热容量的要紧要领是要紧优化冷屏布局、改造冷屏厚度、削减布局件层数和厚度以及优化杜瓦冷头布局策画等。

  红外探测器组件输入功率通常包含最大输入功率和稳态功率,最大输入功率是指组件正在降温历程中的最大功耗,稳态功率是指组件控温正在红外探测器职责温度时的功耗,显示红外探测器组件长时辰职责的才华。输入功率是红外探测器组件最常睹的手艺目标之一,其影响要素较众,它要紧与制冷机制冷才华、杜瓦组件热负载、红外探测器电功耗、红外探测器组件职责温度和处境温度等要素相合。红外探测器组件向低功耗目标兴盛,借使要低落红外探测器组件输入功率,需求进一步进步制冷机制冷成果、低落杜瓦组件热负载和红外探测器电功耗、进步红外探测器职责温度。输入功率与组件职责处境温度是亲昵合系的,通常跟着处境温度的升高,组件输入功率增大。正在举行红外探测器组件输入功率策画时,需充沛思虑全温区输入功率。

  红外探测器组件对红外探测器职责温度万分敏锐,微细的职责温度转化都可以带来对探测器噪声的影响,进而影响红外探测器本能。通常用控温精度来外征红外探测器组件职责温度的安谧性。温度转化对红外探测器本能影响水平与波长相合,以碲镉汞红外探测器为例,长波红外探测器组件本能对温度转化异常敏锐,而中、短波组件对温度转化央浼就相对低些。由于跟着波长的耽误,其暗电流大幅度增进,通常长波探测器暗电流程度比中波暗电流大3个量级足下。同时暗电流幅值与器件职责温度相合。因而,对付长波探测器而言,因为温度震动带来的暗电流转化更强烈。

  由于红外探测器组件正在绝大大批工程行使中无法做到及时校正,可以会变成因为处境温度的转化惹起红外探测器职责温度点漂移,进而影响到组件成像。因而,通常红外探测器组件控温精度央浼既包罗简单处境温度下的控温精度,同时也央浼全温区控温精度。

  红外探测器组件控温精度要紧取决于制冷机驱动独揽器控温才华,这与驱动独揽器的策画以及驱动元器件的温度性子都精密相连。数字化驱动具有功耗低、抗滋扰才华强和参数秩序调控等便宜,目前被遍及行使。以色列Ricor公司的研制的制冷机数字化驱动独揽器正在-40℃~+71℃全职责温区控温精度到达±0.1K。其余,制冷机控温精度与制冷机自己死板布局性子也精密相连,需求优化制冷机布局策画。

  红外探测器组件死板噪声目标要紧是提给斯特林制冷机的。由于斯特林制冷机是一种小型严紧死板布局,制冷机内有良众运动部件,正在制冷机职责历程中,不成避免地会发出少少声响。低落噪声对红外探测器组件稀奇是手持热像仪、车载红外观察等范畴的红外探测器组件应器具有紧急旨趣。正在思虑死板噪声目标时,除了解析到制冷机自己的目标,同时要合怀红外探测器组件正在体系中的装配运用情景,不然因为不对理的装配可以惹起共振进而加大制冷机的死板噪声,最终导致红外探测器组件无法行使。华北光电手艺探究所临盆的小型化640×512中波红外探测器组件要紧用于手持热像仪、车载或机载红外体系,组件照片如图2所示。

  小型化640×512中波红外探测器组件选用XD-2A型挽救集成式斯特林制冷机,通过优化策画制冷机运动部件配合间隙,同时选用径向承载才华更大的轴承,制冷机噪声彰着低落。用声级计丈量小型化640×512中波红外探测器组件统一平面内4个相距900职位并距组件1.5m处的声压,取4个丈量点最大值记为红外探测器组件的死板噪声。上述丈量本事可用于红外探测器组件工程化批量临盆的噪声独揽参考。小型化640×512中波红外探测器组件死板噪声测试全体情景睹外2。

  参考《GJB7247-2011红外焦平面探测器制冷组件通用模范》,连合红外探测器组件本质行使,红外探测器组件处境适当性要紧包含高温储存、高温动态、低温储存、低温动态、温度冲锋、低气压、振动、冲锋、加快率和电磁兼容性等。其余,对付少少航天行使,通常还会有热真空和抗辐射试验等。

  对付温度应力要求,中心合怀高、低温职责要求。正在某些密闭体系或机载要求下,红外探测器组件处境职责温度央浼可达95℃。红外探测器组件正在高温职责时,制冷机制冷量低落,杜瓦组件热耗增大,因而需求中心思虑高温动态要求下的降温时辰、输入功率等能否满意目标;红外探测器组件正在低温职责时,需求思虑制冷机低温下负载情景,中心合怀制冷性能否正在极限温度下启动,制冷机驱动元器件能否低温下平常职责以及内部所用胶等的低温运用下限情景,片面机载用户低温职责温度手艺目标央浼-55℃。以色列RICOR公司针对红外导弹告警体系行使,拓荒了处境温度110℃平常职责的制冷机,中心从制冷量优化、降温时辰优化、冷指策画、驱动独揽器策画和制冷机死板接口策画及热约束等方面举行精确策画。

  低气压试验要紧审核产物正在储存、运输和运用中对低气压处境的适当性。通常红外探测器组件用于机载、弹载等范畴,会有低气压目标央浼。解析到制冷机时,中心思虑低气压对斯特林制冷机驱动独揽元器件职责性子的影响以及制冷机要封本能。

  对付红外探测器组件力学试验要求,需求对制冷机举行力学目标解析。稀奇对付少少弹用红外探测器组件,需中心合怀红外探测器组件力学要求下的动态适当性。以色列RICOR公司为进步制冷机力学要求下的处境适当性,选取了一系列布局优化要领,并得到较好功效:如K508N制冷机比拟K508制冷机增进了制冷机装配面的厚度,进而将红外探测器组件固有频率进步300 Hz以上;K544N制冷机比拟K543制冷机,改用4颗螺钉直接将电机固定正在压缩机外壳上的体例代庖1颗螺钉固定正在薄壁外壳上,进步苛刻力学要求下的适当性;优化“C”型金属密封圈策画,进步制冷机要封性。

  电磁兼容性是红外探测器组件行使的一个紧急目标。红外探测器组件的电磁滋扰要紧由来于斯特林制冷机,一方面由来于斯特林制冷机驱动独揽器自己对红外探测器的滋扰,另一方面斯特林制冷机电机定子或转子由永磁体组成,对红外探测器也可以变成必然滋扰。其余,红外探测器组件正在行使时,也要思虑整机体系对红外探测器的滋扰。针对红外探测器组件电磁兼容性目标,起初要说明判决电磁滋扰由来,中心做好斯特林制冷机驱动独揽器和电机电磁樊篱职责,可参考《GJB151B-2013军用配置和分体系电磁发射和敏锐度央浼与丈量》央浼举行合系试验验证,并做好相应更始优化策画。

  针对航天行使通常需求举行热真空试验,需中心思虑斯特林制冷机散热,中心是制冷机压缩机、膨胀机热端或直流无刷电机及驱动独揽器片面,需要时举行热管散热。

  抗辐照常睹手艺目标要紧有中子辐射、剂量率试验和总剂量试验等。解析到斯特林制冷机,红外探测器组件抗辐射目标要紧与制冷机驱动独揽器合系。因而,需求对斯特林制冷机驱动元器件举行抗辐照加固策画。

  牢靠性是外征红外探测器杜瓦制冷组件(IDDCA组件)本能的要紧参数之一,而且慢慢成为红外产物策画的要紧合节参数。通常风俗上用MTBF或MTTF来外征。当时辰无穷长时,MTBF到达了MTTF。红外探测器杜瓦制冷组件要紧由以下3个合节部件构成:斯特林制冷机、真空杜瓦和红外焦平面阵列构成,图3显示为牢靠性方图,是一种串联模子。红外探测器杜瓦制冷组件牢靠性的数学模子为:

  :λi= 1/MTBFi;MTBF为IDDCA组件的均匀失效前时辰;MTBFi为IDDCA组件中第i个子体系的均匀失效前时辰;λ为IDDCA组件的总失成果;λi为IDDCA组件中第i个子体系的失成果。

  红外焦平面阵列由读出电道与探测器芯片互连而成,它的要紧失效体例是该布局正在长时辰温度应力冲锋(通常常温到77K之间)情景下盲元增加进而导致探测器本能无法满意产物运用央浼失效。通过红外探测器缔制工艺优化,可有用办理此题目。以华北光电手艺探究所临盆的中波320×256红外探测器组件为例,开合机试验15000次,红外探测器要紧本能基础没有转化,测试结果睹外3。

  真空杜瓦失效体例要紧是真空寿命失效,真空寿命失效又包含微杜瓦漏气和内轮廓放气,现有杜瓦真空寿命工艺起码可能支柱10年以上。相对来说,制冷机是红外探测器组件的衰弱合键。因而,正在牢靠性目标分派时,需中心思虑制冷机失效的要素,并选取有用要领,进而确保IDDCA组件的牢靠性。

  斯特林制冷机要紧失效形式有气体泄露、工质污染和运动部件磨损等。通过加强密封、加紧烘烤除气和进步运动部件耐磨性等要领可能进步斯特林制冷机牢靠性。正在制冷机选定同时保障红外探测器组件本能够满意运用央浼的情景下,通过低落杜瓦热耗、进步探测器组件职责温度进步IDDCA组件牢靠性。法邦Sofradir公司通过进步红外探测器职责温度来增进红外探测器组件的牢靠性,如图4所示,SCORPIO组件探测器职责温度由80K进步到100K,组件寿命增进50%以上。

  结论文中注意地阐明了红外探测器组件行使中与斯特林制冷陷阱系的手艺参数,并连合工程本质行使,指出了红外探测器组件行使中斯特林制冷机选型要中心合怀的题目以及红外探测器组件制冷参数策画本事,为更好地行使红外探测器组件供给参考。

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