CN104133504A - 一种用于极低温度下的相机快门保温装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于极低温度下的相机快门保温装置及方法，由导热率低的金属腔体，保温封窗玻璃，导热率极低的腔体保温层，温度采集模块，加热模块，温度控制模块构成。采用导热率低的金属进行装置的腔体设计，快门固定在此结构里面，使用导热率极低的EPS材料或者聚氨酯发泡剂把整个结构包裹起来，除了保留光路上的空间部分，在快门保温装置的光路入口使用光学玻璃作为保温封窗材料。在快门的上下2个部分分别安装上能在低温工作的加热片，温度传感器根据需要安装在快门附近，通过温度采集模块采集温度，温度控制模块根据温度控制加热模块加热，从而使整个保温装置保温在设定温度。利用本发明，可以在南极或者太空等极端低温环境下使用快门。

Description

一种用于极低温度下的相机快门保温装置及方法

技术领域

本发明涉及保温技术领域，具体涉及使用各种保温材料设计保温结构，利用温度采集模块和加热模块完成相机快门保温装置，适用于小空间的极低温度下需要常温运行设备的场合，特别是科学级相机在南极使用中对快门的保温。

背景技术

随着在极端环境下的科研设备及仪器设备越来越多，特别的在极低温度下的南极和太空，有些设备和部件的运行往往有严格的温度范围的限制，为了使得这些设备或者部件能正常运行就需要一个保温装置，特别对于有空间尺寸的限制，需要进行精心的设计。比如在南极望远镜的设计中，需要使用科学级的相机，一些大幅面的相机需要使用快门系统才能工作，而目前快门的工作条件严格限制在常温范围，而快门作为相机的一个部件，其所在空间有着严格的限制，而且需要把对光学系统的影响减小到最低，比如对成像质量的影响，对调焦系统的影响等。

本发明设计的相机快门保温装置利用不同保温材料的特性进行保温结构设计，利用温度采集系统和加热系统完成相机快门保温装置。已有的保温装置仅仅是一个保温盒，不需要考虑空间的限制，不需要考虑光学系统的影响，而我们的发明就是在这些条件苛刻的情况下设计的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是利用各种保温材料的导热特性、机械特性和光学特性对快门保温装置进行结构设计，利用温度采集模块和加热模块完成保持温度恒定的保温装置。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于极低温度下的相机快门保温装置，该相机快门保温装置由导热率低的金属腔体，保温封窗玻璃，导热率极低的腔体保温层，温度采集模块，加热模块，温度控制模块构成；所述导热率低的金属腔体采用导热率低的金属进行该相机快门保温装置的腔体设计，快门固定在所述导热率低的金属腔体里面，在所述导热率低的金属腔体的外面，使用导热率极低的EPS材料或聚氨酯发泡剂把整个所述导热率低的金属腔体包裹起来；在快门的上下2个部分分别安装上能在低温工作的加热片，温度传感器根据需要安装在快门附近，温度采集电路和加热驱动电路以及温度控制电路构成保温电子系统，并提供计算机接口和可供其他主控设备控制的控制接口，通过这些接口可以获取到保温装置各个温度传感器的值，可以设定腔体目标温度，并通过控制模块中的反馈算法驱动加热系统，使得温度稳定在目标值，整个系统是一个可以闭环工作的保温装置。

一种应用上述极低温度下相机快门保温装置的方法，该方法包括：

步骤(一)快门保温腔体设计

快门保温腔体需要完成快门的固定，具有良好保温性即低热导率，良好的刚性，在光路上尽量减小对光的影响，所以保温腔体的主体结构采用低热导率的金属钛合金，并且钛合金的比重也相对较小，可以减轻整体相机的重量，因此根据快门的结构设计腔体结构，在光路上采用热导率较低的玻璃作为封窗材料，并根据光谱响应的要求进行镀膜；

步骤(二)保温腔体外层保温层设计

虽然腔体采用的是相对热导率比较低的钛合金，但是对于在极低温度下，比如在南极平均温度-60度，极端温度-85度的情况下，金属的热导率还是高了，因此使用导热率极低的材料设计腔体外层保温层，根据腔体的结构，使用导热率极低的EPS材料或者聚氨酯发泡剂作为外部保温层结构设计；

步骤(三)保温电子系统的设计

在快门的上下两边各安装不同厚度的加热片，在腔体内部安装若干温度传感器，温度采集模块对温度进行采集，加热驱动模块对加热片进行加热，控制模块完成对温度到加热功率的闭环控制，同时提供计算机的控制接口和对其他主控设备的控制接口；

步骤(四)通过控制接口控制

通过控制接口提供各种温度查询指令，加热片加热指令，闭环温度控制指令。

本发明与现有技术相比的优点在于：

通过采用不同保温材料的使用以及保温电子系统的设计，本发明的快门保温装置具有结构紧凑，保温效果好，功耗低，提供各种控制接口，可以方便各种设备的集成，方便各种主控设备的控制，能适应像南极极夜情况下的极低温度环境。

附图说明

图1为本发明的结构框图；图中，1为腔体，2为封装玻璃，3为快门，4为加热片一，5为加热片二，6为外层保温层；

图2为本发明的装配示意图；

图3为图1中腔体剖面图；

图4为本发明的保温电子系统示意图；

图5为图4中温度采集模块结构示意图；

图6为本发明的温度控制框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示为本发明的保温装置结构框图，包括腔体1，封窗玻璃2，快门3，加热片一4，加热片二5以及外层保温层6。腔体1采用低热导率的钛合金，上面加热片一4为厚加热片，采用适合于低温的硅橡胶加热片，下面加热片二5为超薄加热片，采用工业级耐高低温聚酰亚胺加热片，外层保温层6采用热导率极低的EPS材料或者聚氨酯发泡剂，封窗玻璃采用热导率低、宽波长、低光衰减的石英玻璃。图2为其装配图，腔体的结构如图3所示，为了增加腔体内的空间，并保证一定的机械强度，壁厚为3mm左右，其他主要尺寸如图3所示，腔体的内径和外径由快门的具体型号决定，包括定位孔，根据快门的机械图来设计。封窗玻璃厚度根据快门的口径来决定，一般为口径的大小除以10，单位为毫米，封窗玻璃通过适合于低温的密封圈固定在腔体上。加热片一和加热片二根据快门的大小选择不同功率的加热片，快门尺寸越大，则需要选择大功率的加热片，快门尺寸小，可以选择小功率的加热片，加热片通过低温胶固定在腔体上，加热片一同时通过固定孔固定在腔体上，确保加热片的良好固定。

保温电子系统设计如图4所示，由温度传感器，加热片，温度采集模块，加热驱动模块，控制模块组成。温度传感器的信号输入到温度采集模块进行温度采集，并传输到控制模块，控制模块根据采集到的温度，控制加热驱动模块驱动加热片发热，并最终维持在一个目标温度上。同时温度数据可以通过控制接口输出给其他主控设备，其他主控设备可以通过指令控制加热片工作，或者设定目标温度，使保温系统闭环工作。温度传感器有pt100或者pt1000组成，并放置在保温装置的不同位置，为了防止加热片过热，在加热片表面放置一个温度传感器；为了防止快门控制线圈部分过热，在快门控制线圈上放置一个温度传感器；为了了解快门整体的工作温度，需要在腔体的空间部分放置一个温度传感器，保温装置的目标温度即为此温度传感器的温度。还可以根据需要，在其他位置的放置温度传感器。

温度采集模块如图5所示，由惠斯通电桥，放大，ADC，温度转化等部分组成。温度传感器接在惠斯通电桥上，对于温度在传感器上引起的电阻变化通过惠斯通电桥转化为电压，电压通过放大，然后经过ADC的模数转化转化为数字量。通过对铂电阻对温度阻值的对应表，采用分段线性方法以及0度温度的校正，获得温度的值并输出。

温度控制框图如图5所示，有温度存储，闭环控制，脉冲宽度调制(PWM)控制，主控，指令解析，接口等组成。接口可以是RS232，也可以是RS485接口，指令通过接口，指令解析到达主控部分，主控部分执行指令，如获取温度指令，则把温度数据返回；闭环控制指令，则根据温度数据，对PWM控制部分进行设定，驱动加热片工作完成闭环温度控制；加热片驱动指令则直接设定PWM控制驱动加热片工作。闭环控制按分段式处理，在距离目标温度差10度前，采用线性加热驱动，即给于加热片恒定的电流，进行温度提升；在达到距离目标温度10度时，采用PID控制算法，使得保温腔能很好的稳定在目标温度附近。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于极低温度下的相机快门保温装置，其特征在于，该相机快门保温装置由导热率低的金属腔体，保温封窗玻璃，导热率极低的腔体保温层，温度采集模块，加热模块，温度控制模块构成；所述导热率低的金属腔体采用导热率低的金属进行该相机快门保温装置的腔体设计，快门固定在所述导热率低的金属腔体里面，在所述导热率低的金属腔体的外面，使用导热率极低的EPS材料或聚氨酯发泡剂把整个所述导热率低的金属腔体包裹起来；在快门的上下2个部分分别安装上能在低温工作的加热片，温度传感器根据需要安装在快门附近，温度采集电路和加热驱动电路以及温度控制电路构成保温电子系统，并提供计算机接口和可供其他主控设备控制的控制接口，通过这些接口可以获取到保温装置各个温度传感器的值，设定目标温度，并通过控制模块中的反馈算法驱动加热系统，使得温度稳定在目标值，整个系统是一个可以闭环工作的保温装置。

2.一种应用权利要求1所述极低温度下相机快门保温装置的方法，其特征在于，该方法包括：

步骤(一)快门保温腔体设计：根据快门的结构设计腔体结构，选择具有满足需要的保温性和刚性的材料完成腔体结构设计；

步骤(二)保温腔体外层保温层设计：在极低温度下，根据腔体的结构，使用导热率极低的材料作为外部保温层结构设计；

步骤(三)保温电子系统的设计：在快门的上下两边各安装不同厚度的加热片，在腔体内部安装若干温度传感器，温度采集模块对温度进行采集，加热驱动模块对加热片进行加热，控制模块完成对温度到加热功率的闭环控制，同时提供计算机的控制接口和对其他主控设备的控制接口；

步骤(四)通过控制接口控制：通过控制接口提供各种温度查询指令，加热片加热指令，闭环温度控制指令。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(一)中所述的保温腔体外层保温层设计具体为：快门保温腔体需要完成快门的固定，具有良好保温性即低热导率，良好的刚性，在光路上尽量减小对光的影响，所以保温腔体的主体结构采用低热导率的金属钛合金，并且钛合金的比重也相对较小，可以减轻整体相机的重量，因此根据快门的结构设计腔体结构，在光路上采用热导率较低的玻璃作为封窗材料，并根据光谱响应的要求进行镀膜。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(二)中所述的保温腔体外层保温层设计具体为：虽然腔体采用的是相对热导率比较低的钛合金，但是对于在极低温度下，比如在南极平均温度-60度，极端温度-85度的情况下，金属的热导率还是高了，因此使用导热率极低的材料设计腔体外层保温层，根据腔体的结构，使用导热率极低的EPS材料或者聚氨酯发泡剂作为外部保温层结构设计。