CN106500854B - 一种具有隔离与散热结构的热电制冷成像系统及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有隔离与散热结构的热电制冷成像系统及其应用。所述热电制冷成像系统包括独立密封的前腔体组和散热的后腔体组，所述前腔体组的结构为：连接座10固紧连接到镜头座6上，探测器25和镜头7设置在镜头座6上，探测器25置于镜头7的后侧；所述后腔体组的结构为：电源板3连接到支架1的上端面，主处理电路板13设置在支架1的下端面，预处理电路板12设置在主处理电路13的下端，护盖4位于热电制冷成像系统的上端，护盖4的一侧留有出风槽，后盖16上留有进风槽，后盖16的进风槽和护盖4的出风槽里均设置有波导通风窗17。本发明提供的产品结构简单，散热性能可靠，能方便地搜索目标，实现强制风冷散热≥35W。
Description
技术领域
本发明涉及热电制冷式红外焦平面热像仪技术领域，尤其涉及一种具有隔离与散热结构的热电制冷成像系统及其应用。
背景技术
红外热成像是一种新型的光电探测设备。在军事和民用上被用来执行红外观察、搜索、跟踪、火力控制、制导、瞄准、侦查、无损检测、工业多光谱成像分析、资源遥感和医疗等任务。探测器组件是红外系统的核心，是探测、识别和分析物体红外信息的关键部件，在高端军事装备领域，很多红外热成像都采用制冷型探测器，其原理是通过制冷形成一个合适的低温恒温环境，以保证需要在低温下工作的电子器件或系统功能正常，提高器件的灵敏度，屏蔽或减小来自热成像系统带来的热躁声，它的优势在于灵敏度高，能够分辨更细微的温度差别，探测距离较远。
热电制冷(也叫半导体制冷)器件是利用N型半导体与P型半导体组成电偶对，通入直流电后，在两种材料的结点上产生一端吸热、另外一端放热的现象，简称帕尔贴效应。吸热端温度下降，从而实现制冷，放热端温度升高，需要解决散热问题，从而实现冷端的温度恒温。能量堆积和热端温度持续升高将会导致制冷系数降低和制冷量减少，因此在热电制冷中，通过改善传热条件，采用合理的散热方式，在一定条件下，可以提高制冷器的制冷效率，同时增加制冷量。如果将制冷系统设计为多级半导体制冷器，可得到较低的冷端制冷温度，级数越多制冷温度就越低，制冷器的功耗也就越大。由于半导体制冷器的结构简单、体积小、重量轻、低成本和无振动等特点，可以有各种标准的或特殊的尺寸和布局方式可供选择，有效减小整个焦平面探测器组件的体积和重量，为整机设计提供很大的便利；由于全部为固态基构造，热电制冷器具有很高的可靠性，可以大幅提高整个探测器组件的可靠性和使用年限，其持续工作时间一般超过20年，平均故障间隔时间(MTBFs)一般会超过2000，000小时；它在工作过程中不会产生任何电子干扰信号，在运行过程中也不会产生任何噪音；热电制冷器在工作的时候只用到电能，没有任何运动的部件，这样一来，它们基本上不需要维护保养。
目前，制冷型红外焦平面热成像主要采用杜瓦瓶/快速起动节流制冷器和杜瓦瓶/斯特林循环制冷器，其优点是制冷量大和制冷温度较低，缺点是振动大、可靠性低、结构相对复杂、成本也较高和使用寿命不长。
发明内容
本发明的目的是根据4级结构的热电制冷式红外焦平面探测器的性能要求，设计和提供一种结构简单、散热性能好、可靠性高的具有隔离与散热结构的热电制冷成像系统及其应用。
本发明的技术方案如下：一种具有隔离与散热结构的热电制冷成像系统，所述热电制冷成像系统包括独立密封的前腔体组I和散热的后腔体组II，所述前腔体组I包括镜头座6、镜头7、连接座10和探测器25，其中，所述连接座10固紧连接到镜头座6上，探测器25和镜头7设置在镜头座6上，探测器25置于镜头7的后侧；
所述后腔体组II包括支架1、电源板3、护盖4、支板11、预处理电路板12、主处理电路板13、后盖16和波导通风窗17，其中，所述电源板3连接到支架1的上端面，主处理电路板13设置在支架1的下端面，预处理电路板12设置在主处理电路13的下端，支架1连接到支板11上，支板11连接到连接座10上，所述护盖4位于热电制冷成像系统的上端，护盖4的一侧留有出风槽，后盖16上留有进风槽，后盖16的进风槽和护盖4的出风槽里均设置有波导通风窗17。
所述前腔体组I还设有矩形电连接器9和挠板8，所述矩形电连接器9通过与密封垫组合固紧在连接座10上，矩形电连接器9的一端与挠板8的信号线连接，挠板8通过接插件固定插入探测器25上；所述矩形电连接器9另一端通过信号线与预处理电路板12上的接插件连接。
所述后盖16置于护盖4内，同时后盖16通过螺栓连接将护盖4压紧在连接座10上。
所述后盖16上连接有输入输出插座18。
所述后腔体组II还设有散热器组2，散热器组2定位固紧连接到镜头座6上，所述散热器组2包括风机19、散热连接块20、散热器21和连接板24，其中，所述风机19连接在散热连接块20上，散热连接块20固紧在散热器21的外侧，散热器21连接到连接板24的一侧，连接板24的另一侧与探测器25相连。
所述散热器21上置有第一套管22和第二套管23，螺钉依次穿过散热连接块20、散热器21、第一套管22和第二套管23后固定拧紧在连接板24上，两套管起支承作用，当拧紧螺钉固紧时，散热器21不会发生变形。
进一步地，所述散热器的鳍片外形为矩形、圆柱形或椭圆形；所述散热器的鳍片横截面为梯形、矩形、三角形或圆形。
进一步地，所述连接板24采用黄铜材料制成，所述散热器21采用铝材制成。
本发明还提供所述具有隔离与散热结构的热电制冷成像系统在红外成像仪器和CCD摄像机成像系统中的应用。
本发明机理如下：本发明把热电制冷成像系统进行隔离设计，总体结构主要由前腔体组和后腔体组等组成。光学镜头和热电制冷探测器(4级热电制冷式短波碲镉汞320×256红外焦平面探测器)设置在前腔体组，前腔体组独立密封，高温部件和成像电路设置在后腔体组。前、后腔体之间空气不对流，也不会引入高温辐射直接或间接参与成像，以及外部杂散光光线和光能量不会引入镜头里影响成像质量。光学镜头接收远处景物的目标红外辐射，并把目标汇聚成像于探测器的焦平面上，通过探测器完成光电转换，经过预处理电路和主处理电路等进行电信号处理，从输入输出插座输出视频信号，最后把目标景物图像显示在显示器上，进而被处理成可见图像。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明在工作温度稳定性、制冷时间、电磁兼容性、可靠性和散热性能等方面满足该型热像仪的指标要求，产品通过实际使用证明探测器工作良好，产品结构简单和紧凑，散热性能可靠，能方便地搜索目标，本发明的散热系统结构设计实现强制风冷散热≥35W。
附图说明
图1为本发明所提供的热电制冷成像的纵截面结构示意图；
图2为所述热电制冷成像的全剖示意图；
图3为散热器组的结构示意图；
图4为散热器的立体结构简图；
图5为散热器的针状矩形鳍片示意图；
图6为散热器的辐射状圆柱形鳍片示意图；
图中箭头方向表示风向，图中标记：1-支架，2-散热器组，3-电源板，4-护盖，6-镜头座，7-镜头，8-挠板，9-矩形电连接器，10-连接座，11-支板，12-预处理电路板，13-主处理电路板，14-双头螺柱，15-螺杆，16-后盖，17-波导通风窗，18-输入输出插座，19-风机，20-散热连接块，21-散热器，22-第一套管，23-第二套管，24-连接板，25-探测器，26-十字槽沉头螺钉，27-鳍片，28-圆柱销，30-出口槽，31-进口槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。
实施例1
如图1～图4所示，所述具有隔离与散热结构的热电制冷成像系统包括：支架1，散热器组2，电源板3，护盖4，镜头座6，镜头7，挠板8，矩形电连接器9，连接座10，支板11，预处理电路板12，主处理电路板13，双头螺柱14，螺杆15，后盖16，波导通风窗17，输入输出插座18，风机19，散热连接块20，散热器21，第一套管22，第二套管23，连接板24，探测器25，十字槽沉头螺钉26，圆柱销28。
热电制冷成像系统主要由前腔体组Ⅰ和后腔体组Ⅱ等组成；把热电制冷成像光电系统进行隔离设计，光学镜头7和热电制冷探测器25设置在前腔体组Ⅰ，前腔体组Ⅰ独立密封，高温部件和成像电路设置在后腔体组Ⅱ。高温部件有预处理电路板12、主处理电路板13、给产品供电的电源板3和散热器21等，由于供电的电源板是高发热部件，因此把其设置在后腔体顶部位置，通过这种结构布局安排，形成可行的结构方案,这样前、后腔体之间空气不对流，也不会引入高温辐射直接或间接参与成像，以及外部杂散光光线和光能量不会引入镜头里影响成像质量；在多级半导体制冷中，散热系统通过改善传热条件，采用合理的散热方式和结构布局，通过综合运用“热传导”、“热对流”及“热辐射”的三种能量传递，把热电制冷探测器热端的热量源源不断的从产品内部向外部扩散出去，保证探测器的冷端始终处在要求的温度范围内，在一定条件下，提高了制冷器的制冷效率，同时增加制冷量。
参照图1～图4，所述前腔体组I包括镜头座6、镜头7、挠板8、矩形电连接器9和连接座10。散热器组2定位固紧连接到镜头座6上，挠板8通过接插件固定插入到探测器25上，通过螺钉和螺母配合把矩形电连接器9固紧在连接座10槽中，连接座10的槽中还置有密封垫；采用螺钉将连接座10固紧连接到镜头座6上，使前腔体组Ⅰ独立密封。矩形电连接器9的一端与挠板8的信号线连接，矩形电连接器9另一端通过信号线与预处理电路板12上的接插件连接。
后腔体组II包括支架1、电源板3、护盖4、密封垫、支板11、预处理电路板12、主处理电路板13、双头螺柱14、螺杆15、后盖16、波导通风窗17和输入输出插座18等。支板11连接到连接座10上，支架1连接固定到支板11上，在支架1的上部，电源板3连接固定到支架1的上端面，在支架1的下部，通过双头螺柱14将主处理电路板13连接到支架1的下端面，再将预处理电路板12连接固定到双头螺柱14上，预处理电路板12置于主处理电路板13的下侧。护盖4的一侧面留有出风槽30，后盖16的进风槽31和护盖4的出风槽30里设置有波导通风窗17，螺杆15的一端设置有螺孔，将螺杆15的螺杆端通过螺纹配合使其固紧连接在连接座10上，护盖4定位并置于连接座10内，把密封垫放进后盖16的槽中，同时将后盖16定位并置于护盖4内，用十字槽沉头螺钉26将后盖16连接到螺杆15的螺孔一端，拧紧十字槽沉头螺钉26后使后盖16将护盖4压紧在连接座10上，后盖16上连接有输入输出插座18。
参照图1～图4，本发明散热器组2的具体结构是：散热器组2包括密封垫、风机19、散热连接块20、散热器21、第一套管22、第二套管23、连接板24和探测器25等。将连接板24和探测器25的接触面清擦干净后，相接触的两表面之间涂导热介质，要求导热介质必须涂敷均匀，膜层厚度小于0.15mm，探测器25通过圆柱销28定位置于连接板24的孔内，相对位置调好后用螺钉将探测器25拧紧连接到连接板24上，同时控制拧紧力，保证连接板24和探测器25的接触面压力均匀，注意不应残留过大应力。将散热器21和连接板24的配合面清擦干净后，相接触的两表面之间涂导热介质，要求导热介质必须涂敷均匀，膜层厚度小于0.15mm，第一套管22和第二套管23放在散热器21上，螺钉穿过第一套管22、第二套管23将散热连接块20拧紧连接到连接板24螺纹孔中，使散热连接块20将散热器21、第一套管22和第二套管23压紧在连接板24上，同时控制拧紧力，保证接触面压力均匀，注意不应残留过大应力，用螺钉将风机19固紧连接到散热连接块20上，连接板24的槽中置有密封垫，密封垫既作环境密封，又作为导电橡胶进行电磁屏蔽使用。
所述热电制冷成像系统的成像工作原理：镜头7接收远处景物的目标红外辐射，并把目标汇聚成像于探测器25的焦平面上，通过探测器完成光电转换，经过预处理电路和主处理电路等进行电信号处理，从输入输出插座18输出视频信号，最后把目标景物图像显示在显示器上，进而被处理成可见图像。
所述热电制冷成像系统的散热工作原理：探测器25为工作在低温恒定温度下的4级热电制冷式红外焦平面探测器组件，探测器工作状态下，探测器25热端的热量通过热传导方式传导到连接板24，连接板24采用黄铜H62材料制成，传热性能较好，连接板24兼做重要的定位零件，热量再通过连接板24传导到散热器21，散热器21采用铝材制成，散热器的鳍片27外形为矩形(见图5)，散热鳍片27的横截面形状为梯形，传热效率高，散热器21通过散热连接块20与风机19(轴流式)组合，风从后盖16进入扇鳍(风机转动的鳍片)，再从扇鳍的旋转轴方向排出吹向散热器的各个方向，轴流式风机的特点是静压低、风量大、低振动、噪音小，强大的风力使散热器的热量扩散到面积较大的鳍片27上，产生的强气流通过热对流方式将散热器表面的热量带走，这就是散热器的功能，也就是空气自然对流方式传热，热空气从底部往上上升，因此把强发热元件的电路板布置在顶端，弱发热元件的电路板布置在底端，保证了良好的热对流。热像仪制冷方式为强制风冷，为此在后盖16上留有进风槽31，护盖4的一侧面留有出风槽30，二者形成烟囱效应，保持空气对流传热，往上上升的热空气以热对流方式通过护盖4上的一排通风孔将散热器周围空气的热量带走，直至排出到装置外，一部份热量通过涂黑的护盖4壳体向外辐射出装置外，护盖材料采用铸造铝合金，其周边加工出鳍槽，增大与空气接触的面积也就增大了热辐射能量，另一部份热量通过护盖壳体以热对流方式将热量传出装置外。在风口位置设置有波导通风窗进行电磁屏蔽。
本发明的其它实施例：热量通过连接板和散热器传导后热阻较大，把两个零件合成一个零件后热阻减小，散热效果较好，但加工难度会较高，且价格较贵；散热鳍片的横截面形状为梯形，传热效率高，也可以加工成矩形、三角形和圆形形状；散热器鳍片的外型为矩形，也可以做成圆柱形以及椭圆形，有些散热片的顶端设计成长短不一或是弯曲的形状用以导风，但成型比较不易，图5呈针状的矩形鳍片，图6呈辐射状的圆柱形鳍片；常见的强制风冷散热为风机置于散热片上方的下吹方式，也可以采用侧吹的方式，特殊型式的吹风须配合风机特性，以确认散热器鳍片的外型所造成的效应，外壳的进风槽可设置在靠近底端的后背部和两侧面，出风槽可设置在顶部和靠近顶端的两侧面，以充分利用系统风散热和有利于气流的畅通流动进行导风，防止其它零件造成的流阻，注意风的流向、风道，以及配合整体结构设计来节省空间；在图1、2中，通过把热电制冷式红外焦平面探测器25替换为制冷型CCD器件，本发明就可以运用于高分辨率低照度微光摄像机和近红外光电探测系统中，热电制冷型CCD器件完成光-电转换，是光电成像系统的核心，利用该器件提高成像系统的分辨率和灵敏度，使得图像提取过程中噪声得到很好的抑制。
本发明的设计思想可以推广应用到使用多级热电制冷器进行制冷的红外成像仪器和CCD摄像机系统等成像领域，具有广阔的应用前景。
以上所述，仅为本发明较佳的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有隔离与散热结构的热电制冷成像系统，其特征在于，所述热电制冷成像系统包括独立密封的前腔体组(I)和散热的后腔体组(II)，所述前腔体组(I)包括镜头座(6)、镜头(7)、连接座(10)和探测器(25)，其中，所述连接座(10)固紧连接到镜头座(6)上，探测器(25)和镜头(7)设置在镜头座(6)上，探测器(25)置于镜头(7)的后侧；
所述后腔体组(II)包括支架(1)、电源板(3)、护盖(4)、支板(11)、预处理电路板(12)、主处理电路板(13)、后盖(16)和波导通风窗(17)，其中，所述电源板(3)连接到支架(1)的上端，主处理电路板(13)设置在支架(1)的下端，预处理电路板(12)设在主处理电路(13)的下端，支架(1)连接到支板(11)上，支板(11)连接到连接座(10)上；所述护盖(4)位于热电制冷成像系统的上端，护盖(4)的一侧留有出风槽，后盖(16)上留有进风槽，后盖(16)的进风槽和护盖(4)的出风槽里均设置有波导通风窗(17)。
2.如权利要求1所述的具有隔离与散热结构的热电制冷成像系统，其特征在于，所述前腔体组(I)还设有矩形电连接器(9)和挠板(8)，所述矩形电连接器(9)通过与密封垫组合固紧在连接座(10)上，矩形电连接器(9)的一端与挠板(8)的信号线连接，挠板(8)通过接插件固定插入探测器(25)上；所述矩形电连接器(9)另一端通过信号线与预处理电路板(12)上的接插件连接。
3.如权利要求1所述的具有隔离与散热结构的热电制冷成像系统，其特征在于，所述后盖(16)置于护盖(4)内，同时后盖(16)通过螺栓连接将护盖(4)压紧在连接座(10)上。
4.如权利要求1所述的具有隔离与散热结构的热电制冷成像系统，其特征在于，所述后盖(16)上连接有输入输出插座(18)。
5.如权利要求1～4任一所述的具有隔离与散热结构的热电制冷成像系统，其特征在于，所述后腔体组(II)还设有散热器组(2)，所述散热器组(2)包括风机(19)、散热连接块(20)、散热器(21)和连接板(24)，其中，所述风机(19)连接在散热连接块(20)上，散热连接块(20)固紧在散热器(21)的外侧，散热器(21)连接到连接板(24)的一侧，连接板(24)的另一侧与探测器(25)相连。
6.如权利要求5所述的具有隔离与散热结构的热电制冷成像系统，其特征在于，所述散热器(21)上置有第一套管(22)和第二套管(23)，螺钉依次穿过散热连接块(20)、散热器(21)、第一套管(22)和第二套管(23)后固定拧紧在连接板(24)上。
7.如权利要求5所述的具有隔离与散热结构的热电制冷成像系统，其特征在于，所述散热器(21)的鳍片外形为矩形、圆柱形或椭圆形。
8.如权利要求5所述的具有隔离与散热结构的热电制冷成像系统，其特征在于，所述散热器(21)的鳍片横截面为梯形、矩形、三角形或圆形。
9.如权利要求5所述的具有隔离与散热结构的热电制冷成像系统，其特征在于，所述连接板(24)采用黄铜材料制成，所述散热器(21)采用铝材制成。
10.一种如权利要求6～9任一所述的具有隔离与散热结构的热电制冷成像系统在红外成像仪器和CCD摄像机成像系统中的应用。
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