CN101854476A - 应用于液氧环境中的摄像系统 - Google Patents

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曹剑中
武力
冯辉
张海峰
闫阿奇
董森
武登山
祝青
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Abstract

本发明提供一种应用于低温液氧环境中的摄像系统，主要解决了现有摄像系统无法在低温高压液氧环境中工作的问题。该应用于液氧环境中的摄像系统包括由光学镜头和图像传感器组成的摄像装置，摄像装置固定于内层保温装置中，内层保温装置包括内层透窗、内层壳体和内层盖板，内层透窗和内层盖板固定设置于内层壳体两侧，内层透窗设置于靠近光学镜头一侧，内层盖板设置于靠近图像传感器一侧；所述内层盖板上设置有图像传感器传输线用的内层出线孔。

Description

应用于液氧环境中的摄像系统
技术领域
本发明涉及一种摄像系统，具体涉及一种可在液氧环境或液氮环境中正常工作的摄像系统，该系统可正常工作的温度范围为-196℃～+60℃，最大工作压力为0.6Mpa。
背景技术
现有摄像机标称的最低温度最低为-40℃，其正常使用的最低极限温度一般在-60～-50℃，受限于此温度的主要原因是电子元器件的最低使用温度要求，低于此温度后电子元器件的故障概率将大大提高，从而导致摄像机无法正常工作。
目前技术条件下，电子元件的使用温度无法产生质变以适应低温环境，而市场上也无相应配套的任何保温装置以达到低温环境工作的目的。
而液氧为浅蓝色液体，并具有强顺磁性，通常气压101.325kPa下密度1.141g/cm3，凝固点-222.65℃，沸点为-182.96℃。由于它的低温特性，液氧会使其接触的物质变得非常脆，现有摄像系统除无法满足该环境的温度要求外，在产生震动时，也将直接导致摄像系统的损坏。
发明内容
本发明提供一种应用于低温液氧环境中的摄像系统，主要解决了现有摄像系统无法在低温高压液氧环境中工作的问题。
本发明的技术解决方案如下：
该应用于液氧环境中的摄像系统包括由光学镜头和图像传感器组成的摄像装置，摄像装置固定于内层保温装置中，内层保温装置包括内层透窗、内层壳体9和内层盖板，内层透窗和内层盖板固定设置于内层壳体两侧，内层透窗设置于靠近光学镜头一侧，内层盖板设置于靠近图像传感器一侧；所述内层盖板上设置有图像传感器传输线用的内层出线孔。
根据具体环境要求，若工作环境温度较低及压力较大时，需采用双层保温装置，这时将内层保温装置固定于外层保温装置中，外层保温装置包括外层透窗、外层壳体和外层盖板，外层透窗和外层盖板固定设置于外层壳体两侧，外层透窗设置于靠近内层透窗一侧，外层盖板设置于靠近内层盖板一侧；所述外层盖板上设置有图像传感器传输线用的外层出线孔。
内层保温装置与摄像装置之间形成的腔体填充聚氨脂或抽真空。内层保温装置与外层保温装置之间形成的腔体填充聚氨脂。
内层壳体和内层盖板之间用铟丝进行密封，内层壳体和内层透窗之间用铟丝进行密封；外层壳体和外层盖板之间用铟丝进行密封，外层壳体和外层透窗之间用铟丝进行密封，该系统内所有接缝处均可用铟丝进行密封，以确保其保温性能。
外层透窗和外层盖板通过螺纹连接固定设置于外层壳体两侧，内层透窗和内层盖板通过螺纹连接固定设置于内层壳体两侧；摄像装置通过螺纹连接固定于内层保温装置内。
外层壳体的螺纹连接用螺钉于外层壳体内外两侧接触部分均设置有聚四氟乙烯隔热密封圈；内层壳体的螺纹连接用螺钉于内层壳体内外两侧接触部分均设置有聚四氟乙烯隔热密封圈；摄像装置靠近内层壳体一侧设置有螺纹孔，螺钉通过内层壳体和螺纹孔将摄像装置固定于内层保温装置中，螺钉靠近螺纹孔一侧设置有线接触绝热机构，螺钉靠近内层壳体两侧设均置有聚四氟乙烯隔热密封圈。
内层盖板和外层盖板可直接选用密封插头。
本发明的优点在于：
该摄像系统将摄像装置设置于采用聚氨脂发泡材料填充形成的双层绝热保温结构内部，有效地解决摄像装置的耐低温问题，拓展了摄像装置的使用环境温度，可于温度为-190～-170℃的极端低温高压环境下正常工作。
附图说明
图1为本发明摄像系统结构示意图；
图2为螺纹连接处具体结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详述：
该应用于液体低温环境中的摄像系统，包括由光学镜头11和图像传感器15组成的摄像装置，摄像装置固定于内层保温装置中，内层保温装置包括内层透窗5、内层壳体9和内层盖板12，内层透窗5和内层盖板12固定设置于内层壳体9两侧，内层透窗5设置于靠近光学镜头11一侧，内层盖板12设置于靠近图像传感器15一侧；内层盖板12上设置有图像传感器15传输线用的内层出线孔。
根据不同工作条件，可在内层保温装置外增设外层保温装置；内层保温装置固定于外层保温装置中，外层保温装置包括外层透窗1、外层壳体4和外层盖板13，外层透窗1和外层盖板13固定设置于外层壳体4两侧，外层透窗1设置于靠近内层透窗5一侧，外层盖板13设置于靠近内层盖板12一侧；外层盖板13上设置有图像传感器15传输线用的外层出线孔。外层盖板13和内层盖板12采用间隙配合，同时为了增大传导热阻，将内层盖板加工成“瓶颈”结构，结构件最小壁厚处为1mm。
外层透窗1和外层盖板13通过螺纹连接固定设置于外层壳体4两侧，外层壳体4的螺纹连接用螺钉3于外层壳体4内外两侧接触部分均设置有聚四氟乙烯隔热密封圈10；内层透窗5和内层盖板12通过螺纹连接固定设置于内层壳体9两侧，内层壳体9的螺纹连接用螺钉3于内层壳体9内外两侧接触部分均设置有聚四氟乙烯隔热密封圈10。
内层保温装置与摄像装置之间形成的腔体2填充聚氨脂或抽真空。内层保温装置与外层保温装置之间形成的腔体8填充聚氨脂。
由于摄像装置工作于低温液氧压力罐中，其结构材料的使用有许多特殊要求。主要考虑以下三个方面性能：结构材料与低温液氧介质的相容性、结构材料耐低温性能和结构材料导热性能。综合上述结构材料的三个性能指标后，在隔热保温结构设计中，选用在低温环境下性能比较好的奥氏体不锈钢作为结构的主体材料，其具有比热容大、热导率小的性能指标，选用非金属材料聚四氟乙烯作为隔热材料；镜头结构材料采用铝合金，其具有比热容小，导热性能好的特点，能迅速将电加热膜产生的热传到内部光学镜片和电路板上。
摄像装置通过螺纹连接固定于内层保温装置内，摄像装置靠近内层壳体9一侧设置有螺纹孔，螺钉3通过内层壳体9和螺纹孔将摄像装置固定于内层保温装置中，螺钉3靠近螺纹孔一侧设置有线接触绝热机构6，螺钉3靠近内层壳体9两侧设均置有聚四氟乙烯隔热密封圈10。在结构设计中采用绝热效果相对较好的非金属材料聚四氟乙烯作为隔热密封圈，并将支撑结构设计成线接触形式，以最大限度地增大摄像系统和内层壳体9间的接触热阻，最大限度地减小由于热传导造成的热量损失。
摄像装置主要指标如下，视场：98°×75.5°(2ω＝116°)；摄像距离：0.2～7m；工作温度：-196℃～+60℃；环境最大压力：0.6Mpa；功耗：10W；外形尺寸：Φ120×140mm。
内层透窗和外层透窗的玻璃采用理化性能最为稳定的光学石英玻璃作为窗口玻璃材料。其中，内层保温装置与摄像装置之间形成的腔体填充聚氨脂或抽真空，抽真空效果较佳，内层保温装置与外层保温装置之间形成的腔体填充聚氨脂。
内层壳体9和内层盖板之间、内层壳体9和内层透窗之间、外层壳体和外层盖板之间用铟丝进行密封、外层壳体和外层透窗之间均用铟丝进行密封，克服了传统的橡胶密封在低温下的老化失效问题。
摄像装置低温防结雾处理
摄像装置工作于极冷的液氧压力罐之中，如果在装配时摄像装置内部干燥不彻底，那么环境温度在零度以下时摄像装置镜头镜片会出现结雾现象，严重时会影响拍摄效果，为了防止出现此情况，在摄像装置内壳体装配阶段的封盖前对其内部进行高温干燥处理，干燥完成后立即对内壳体进行密封。在摄像装置工作时，内部电热膜对光学成像系统进行加热，能有效防止在零度以下时残留空气中的水汽凝结于玻璃表面，产生结雾现象。
摄像系统产品与绝热保温有关的装配关系和实现步骤如下：
1)将由光学镜头11和图像传感器组件15组成的摄像装置成像核心部件(其主要功能是进行光学信息转换和图像输出)安装于内层壳体9内部，其连接方式为螺钉通过聚四氟乙烯隔热密封圈10连接，聚四氟乙烯隔热密封圈10的作用是增大热传导热阻和对聚胺脂发泡材料进行密封；2)对内层保温层进行聚胺脂发泡处理，聚胺脂发泡工艺为成熟公开工艺技术；3)装配内层壳体9和内层盖板12，安装配合面处采用铟丝进行密封，要求配合面粗糙度优于3.2；4)将由内层壳体9和内层盖板12装配形成的内层保温结构安装于外层壳体4内部，外层壳体4和内层壳体9由聚四氟乙烯隔热密封圈7进行隔热设计，聚四氟乙烯隔热密封圈7在隔热的同时起到对聚胺脂发泡剂进行密封的作用，所以在装配时必须采用专用辅助工装使内层壳体9通过聚四氟乙烯隔热密封圈7和外层壳体4完全压紧，且使聚四氟乙烯隔热密封圈7拉紧后产生一定的压缩量来保证良好的密封效果，装配专用工装的使用如图1所示；5)对由外层壳体4、聚四氟乙烯隔热密封圈7和内层壳体9组成的外层保温装置进行聚胺脂发泡处理；6)装配外层壳体4和外层盖板13，安装配合面处采用铟丝进行密封，要求配合面粗糙度优于3.2；7)步骤6)完成后30min，确认聚胺脂发泡剂已经完全发泡后拆卸装配工装；8)安装内层透窗5，内层透窗5和内层壳体9配合端面处用铟丝密封，然后用压板压紧内层透窗5。9)安装外层透窗1，外层透窗1和外层壳体4配合端面处用铟丝密封，然后用压板压紧外层透窗1。
经测试，该摄像系统使用效果可从其经历的低温环境试验数据来说明，低温环境试验条件为：
环境温度：-175℃±10℃
降温速率：从室温降到-175±10℃时间不超过1.5小时
升温速率：从-175±10℃升到室温时间不小于1小时
该摄像系统工作于温度为-190～-170℃的低温液氧压力罐内部，满足压力罐的内部环境为极端低温、高压环境(最高压力0.6MPa)的要求，工作正常。

Claims (8)

1.一种应用于液氧环境中的摄像系统，包括由光学镜头和图像传感器组成的摄像装置，其特征在于：所述摄像装置固定于内层保温装置中，内层保温装置包括内层透窗、内层壳体和内层盖板，内层透窗和内层盖板固定设置于内层壳体两侧，内层透窗设置于靠近光学镜头一侧，内层盖板设置于靠近图像传感器一侧；所述内层盖板上设置有图像传感器传输线用的内层出线孔。
2.根据权利要求1所述的应用于液氧环境中的摄像系统，其特征在于：所述内层保温装置固定于外层保温装置中，外层保温装置包括外层透窗、外层壳体和外层盖板，外层透窗和外层盖板固定设置于外层壳体两侧，外层透窗设置于靠近内层透窗一侧，外层盖板设置于靠近内层盖板一侧；所述外层盖板上设置有图像传感器传输线用的外层出线孔。
3.根据权利要求1或2所述的应用于液氧环境中的摄像系统，其特征在于：所述内层保温装置与摄像装置之间形成的腔体填充聚氨脂或抽真空。
4.根据权利要求3所述的应用于液氧环境中的摄像系统，其特征在于：所述内层保温装置与外层保温装置之间形成的腔体填充聚氨脂。
5.根据权利要求4所述的应用于液氧环境中的摄像系统，其特征在于：所述内层壳体和内层盖板之间用铟丝进行密封，内层壳体和内层透窗之间用铟丝进行密封；所述外层壳体和外层盖板之间用铟丝进行密封，外层壳体和外层透窗之间用铟丝进行密封。
6.根据权利要求5所述的应用于液氧环境中的摄像系统，其特征在于：所述外层透窗和外层盖板通过螺纹连接固定设置于外层壳体两侧，所述内层透窗和内层盖板通过螺纹连接固定设置于内层壳体两侧；所述摄像装置通过螺纹连接固定于内层保温装置内。
7.根据权利要求6所述的应用于液氧环境中的摄像系统，其特征在于：所述外层壳体的螺纹连接用螺钉于外层壳体内外两侧接触部分均设置有聚四氟乙烯隔热密封圈；所述内层壳体的螺纹连接用螺钉于内层壳体内外两侧接触部分均设置有聚四氟乙烯隔热密封圈；所述摄像装置靠近内层壳体一侧设置有螺纹孔，螺钉通过内层壳体和螺纹孔将摄像装置固定于内层保温装置中，所述螺钉靠近螺纹孔一侧设置有线接触绝热机构，螺钉靠近内层壳体两侧设均置有聚四氟乙烯隔热密封圈。
8.根据权利要求7所述的应用于液氧环境中的摄像系统，其特征在于：所述内层盖板是密封插头。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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