CN106768378A - 实时检测真空度的红外探测器微型杜瓦 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能实时检测真空度的红外探测器微型杜瓦，包括其内带真空腔、真空腔内设内管及吸气剂的管壳，设于管壳上方的其顶部带红外窗片的窗框座，设于管壳与窗框座之间的引线环，引线环上的管脚延伸至管壳外部，窗框座内并位于内管的顶部设有装载基板，装载基板上设有红外探测器，该红外探测器的信号线与引线环及管脚相连，其特征在于真空腔内设有静电驱动‑电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片，该芯片的信号线引出后与管壳外部的检测器相连。定量检测微型杜瓦实际真空度，适时激活吸气剂，并检测各方向的角速度值，控制载具的惯性姿态，确保红外探测器的正常使用。

Description

实时检测真空度的红外探测器微型杜瓦

背景技术

现有红外探测器微型杜瓦主要由其顶部带红外窗片的窗框座，其内设真空腔及内管的管壳，设于窗框座与管壳之间的引线环，设置在引线环上并位于窗框座内的装载基板及红外探测器组成，红外探测器的信号通过装载基板和引线环上的导线引出微型杜瓦外部。因微型杜瓦泄漏或/和真空腔体内零件表面的放气现象，致使微型杜瓦的真空度具有一定的寿命。在红外探测器组件使用和贮存过程中，为了提高微型杜瓦的真空寿命，通常在微型杜瓦真空腔内设置吸气剂，以便在微型杜瓦真空度下降到设定数值后，通电激活吸气剂来吸除真空腔内的气体，或是定期通电激活吸气剂来吸除真空腔内的气体，从而延长微型杜瓦的真空寿命。

受微型杜瓦的用途和体积限制，现有的真空规管或真空计因体积过大，而无法放入红外探测器微型杜瓦真空腔中检测真空度值，只能通过下列主要的两种方式来判断真空度是否下降到需要激活吸气剂的设定值：一是将红外探测器微型杜瓦组件从成像系统中拆下后，通过测量红外探测器的热负载和制冷启动时间等参数，来间接判断真空度是否下降，这样做的弊端是需要使用专门的测量仪器，且技术专业性强、周期长、工作量大；另一种是根据研制前期试验所得到的统计数据或使用过程中的人为经验判断，来定期通电激活吸气剂，这种定期激活吸气剂的方式是在不知道组件内部真实的真空度情况下进行的，并且由于每一只微型杜瓦的泄漏情况、真空腔体内零件表面的放气程度等均各不相同，因此在实际操作上，难以确定激活的周期。为此本领域的现状是：通过缩短吸气剂激活周期的方式来保证微型杜瓦的真空可靠性。另外由于吸气剂激活是一个高温加热的过程，风险极高，稍有不慎将对微型杜瓦组件造成损伤，增加微型杜瓦组件的维护成本。因此，有必要对现有技术加以改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能实时检测真空度的红外探测器微型杜瓦，以解决上述现在技术存在的问题。

本发明的另一个目的在于提供一种实时检测红外探测器微型杜瓦真空度的方法。

本发明通过下列技术方案实现：一种能实时检测真空度的红外探测器微型杜瓦，包括其内带真空腔、真空腔内设内管及吸气剂的管壳，设于管壳上方的其顶部带红外窗片的窗框座，设于管壳与窗框座之间的引线环，引线环上的管脚延伸至管壳外部，窗框座内并位于内管的顶部设有装载基板，装载基板上设有红外探测器，该红外探测器的信号线与引线环及管脚相连，其特征在于真空腔内设有静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片，该芯片的信号线引出后与管壳外部的检测器相连。

所述静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片为常规芯片。

所述静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片设置在窗框座内的装载基板上，其信号线经引线环及管脚向外延伸与管壳外部的检测器相连。

所述静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片设置在管壳壁上，其信号线经管壳壁上的管脚向外延伸与管壳外部的检测器相连。

所述静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片设置在管壳壁的外凸座或内凹座上，其信号线经安装在管壳壁上的管脚向外延伸与管壳外部的检测器相连。

所述静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片在真空腔内或者管壳壁上设置一个，或者在真空腔内和管壳壁的多个方向上设置多个。

所述引线环的管脚数为25针～50针。

所述静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片的安装在管壳壁上的管脚数为3针～12针。

本发明的第二个目的通过下列方法实现：一种实时检测红外探测器微型杜瓦真空度的方法，其特征在于包括下列步骤：

a. 根据需要测量红外探测器组件中的红外探测器微型杜瓦的静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片输出电压或电荷值；

b. 根据预先设定的真空度-静电驱动-电容检测和谐振子芯片或微机械陀螺芯片的输出电荷或电压值对照表或曲线，将步骤a得到的测量值，在对照表中查找出对应的真空度值；

c. 当红外探测器组件微型杜瓦的真空度值在合格范围时，判定组件真空度合格，不需要激活吸气剂；当真空度值在需要激活吸气剂的真空度值范围和不合格真空度值范围时，激活吸气剂；

d.再次测量红外探测器组件微型杜瓦的真空值，当红外探测器组件微型杜瓦的真空值在合格真空值范围时，判定组件真空度合格，当真空度值在需要激活吸气剂的真空度值范围和不合格真空度值范围时，判定杜瓦真空失效，进行另行处理。

所述预先设定真空度-静电驱动-电容检测和谐振子芯片或微机械陀螺芯片的输出电荷或电压值对照表或曲线的方法，包括下列步骤：

A1.将微型杜瓦中相同型号的静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片安装于一个处于静止状态的真空容器中，这个真空容器具有能通过真空规或真空仪检测其内部真空度的功能；

B1.联结静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片与驱动和检测电路，测量芯片输出电压或电荷值，同时记录真空容器的真空值和芯片输出电压或电荷值；

C1.逐点调整真空容器的真空度值，每调整一次真空容器的真空度值，重复B1步骤的操作；真空容器的真空度值的调整范围可根据需要具体确定，包括从合格真空度值范围、需要激活吸气剂的真空度值范围和不合格真空度值范围三个主要的判据区间，真空度测量点之间的调整间隔越小，形成的记录表参数越可靠，曲线精度越高，同样根据精度需要和工作量，确定测量间隔；

D1.整理测量数据，形成真空度-静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片输出电荷或电压值对照表，同时，根据需要，通过数值分析的方法，形成真空度-静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片输出电荷或电压值曲线。

本发明具有下列优点和效果：通过在红外探测器微型杜瓦真空腔体内，安装一个或者多个静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片后，即可利用静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片随真空度下降、空气阻尼增加，而导致振动振幅衰减，进而使输出信号（电压或者电荷）发生变化（减小）的工作原理和特性，获得不同的输出信号值，实现对微型杜瓦实际真空度的定量检测，最终确定吸气剂的激活时间、次数、周期。同时通过多个方向上设置的多个静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片，检测对应方向的角速度值等参数，最终控制载具的惯性姿态，确保红外探测器的正常使用。本发明具有结构简单，检测准确、可靠等特点，可适时根据需要激活吸气剂工作，保持红外探测器微型杜瓦真空度。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明另一结构示意图；

图3为本发明又一结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明提供的能实时检测真空度的红外探测器微型杜瓦，包括其内带真空腔、真空腔内设内管5及吸气剂6的管壳7，设于管壳7上方的其顶部带红外窗片1的窗框座2，设于管壳7与窗框座2之间的引线环4，引线环4上的管脚8向下延伸至管壳7外部，窗框座2内并位于内管5的顶部设有装载基板10，装载基板10上设有红外探测器3，该红外探测器3的信号线9与引线环4及管脚8相连，其中：在窗框座2内的装载基板10上设有静电驱动-电容检测的谐振子芯片12，静电驱动-电容检测的谐振子芯片12的信号线11经引线环4及管脚8向下延伸与管壳7外部的检测器相连，如图1。

在管壳7壁上设有静电驱动-电容检测的微机械陀螺芯片121，其信号线11经管壳7壁上的管脚13向外延伸与管壳7外部的检测器相连，如图2。

在管壳7壁的外凸座14上设有静电驱动-电容检测的谐振子芯片12，其信号线11经安装在管壳7壁外凸座14上的管脚13向外延伸与管壳7外部的检测器相连，如图3。

静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片在真空腔内或者管壳壁上设置一个，如图1、2、3，也可根据需要在真空腔内和管壳壁的多个方向上设置多个。

本发明的真空度测量原理如下：

本发明所用的静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片，分成驱动电极端和检测电极端两个部分，静电驱动是指采用在驱动电极端施加变化电压产生的静电力作为驱动力，电容检测是指通过对检测电极端进行测量引起的电容（电压或者电荷）变化的测量方法。

静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片工作时，在驱动电极端施加一个振幅和频率固定的激励信号，使静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片的驱动电极端作同频率有阻尼受迫振动，这个有阻尼受迫振动耦合到检测电极端，使检测电极端也进行有阻尼受迫振动，通过测量检测端的振动的振幅变化而引起的输出电荷或电压变化，即可实现对信号（如角速度等惯性输入信号）的测量。

本发明将静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片视为一个质量-弹簧-阻尼振动系统，并根据牛顿力学，按下式（1）计算出单自由度质量-弹簧-阻尼的受迫振动系统质点的振幅A：

式（1）中：

A是振动系统的质点振幅；

F₀是驱动电极端耦合到检测电极端激励力的大小；

m是检测电极端质点的等效质量；

ω是激励力的圆频率；

k是检测电极端等效弹簧的刚度系数；

c是系统的粘性阻尼系数。

由式（1）可知，质点振幅A与振动系统的粘性阻尼系数c相关，对于安装在杜瓦内部的静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片，其刚度系数k和质量m已确定，在输入的驱动信号频率和振幅确定的条件下，驱动电极端耦合到检测电极端激励力的大小F₀和激励力的圆频率ω也是确定的，这样，静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片的检测电极端振幅A的大小仅与粘性阻尼系数c相关，粘性阻尼系数c越大，质点的振幅A越小；反之，粘性阻尼系数c越小，质点的振幅A越大。

在本发明的静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片及其安装结构中，其系统的粘性阻尼系数c与材料、结构、安装方式和空气密度ρ相关，在静电驱动-电容检测的谐振子或微机械陀螺芯片完成加工和安装后，系统的材料、结构和安装方式就已经确定，研究表明，在大部分的静电驱动-电容检测的谐振子或微机械陀螺系统中，系统的粘性阻尼系数是影响信号输出的主要因素，且与工作环境的空气密度ρ成正比关系，如（2）所示。

根据公式（2）可知，在本发明中，微型杜瓦的真空度越低（空气密度ρ越大），微型杜瓦内静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片工作时的粘性阻尼系数c越大；微型杜瓦的真空度越高（空气密度ρ越小），微型杜瓦内静电驱动-电容检测的谐振子或微机械陀螺芯片工作时的粘性阻尼系数c越小。

根据公式（1）可知，微型杜瓦内静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片工作时的粘性阻尼系数c越大，静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片检测端的振幅A越小，即输出电荷或电压越小；微型杜瓦内静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片工作时的粘性阻尼系数c越小，静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片检测端的振幅A越大，即输出电荷或电压越大。

因此根据公式（1）和公式（2）的原理和特性，通过测量微型杜瓦内静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片输出信号值（电压或电荷），即可检测出杜瓦内部的空气密度值，即检测出杜瓦内部的真空度值。

本发明所述的红外探测器微型杜瓦真空度测量方法是：对完成真空封装后的微型杜瓦组件，需要预先标定在不同真空度条件下，静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片的输出电荷或电压值，从而形成真空标定记录表或曲线，并以此作为杜瓦组件在贮存及使用过程中，静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片的输出电荷或电压值与微型杜瓦真空腔内部真空度的测量对照表，具体标定方法如下：

a.将微型杜瓦中相同型号的静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片安装于一个处于静止状态的真空容器中，这个真空容器具有能通过真空规或真空仪检测其内部真空度的功能；

b.联结静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片与驱动和检测电路，测量芯片输出信号（电压或者电荷），同时记录真空容器的真空值和芯片输出信号（电压或者电荷）值；

c.逐点调整真空容器的真空度值，每调整一次真空容器的真空度值，重复b步骤的操作；真空容器的真空度值的调整范围可根据需要具体确定，包括从合格真空度值范围、需要激活吸气剂的真空度值范围和不合格真空度值范围三个主要的判据区间，真空度测量点之间的调整间隔越小，形成的记录表参数越可靠（曲线精度越高），同样根据精度需要和工作量，确定测量间隔；

d.整理测量数据，形成真空度-静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片输出信号（电荷或电压）值对照表，同时，根据需要，通过数值分析的方法，形成真空度-静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片输出信号（电荷或电压）值曲线；真空度-静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片输出信号（电荷或电压）值对照表是电子文档或纸质形式；对照表或曲线作为红外探测器组件出厂的随机文件，在红外探测器组件出厂时，与组件一起交付用户。

在红外探测器组件出厂后的使用和贮存的过程中，红外探测器组件微型杜瓦内部真空度的测量和判断吸气剂是否需要激活的方法如下：

a. 定期（如每隔两年）测量红外探测器组件中的红外探测器微型杜瓦的静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片输出信号（电压或者电荷）输出值；

b. 根据真空度-静电驱动-电容检测和谐振子芯片或微机械陀螺芯片输出信号（电荷或电压）值对照表，查找出对应的真空度值；

c. 当红外探测器组件微型杜瓦的真空度值在合格范围时，判定组件真空度合格，不需要激活吸气剂；当真空度值在需要激活吸气剂的真空度值范围和不合格真空度值范围时，激活吸气剂，并再次测量红外探测器组件微型杜瓦的真空值，当红外探测器组件微型杜瓦的真空值在合格真空值范围时，判定组件真空度合格，当真空度值在需要激活吸气剂的真空度值范围和不合格真空度值范围时，判定杜瓦真空失效，需要另行处理。

红外探测器组件微型杜瓦内部真空度的下一次的测量时间可根据前几次的测量结果和对照表进行预估。

通过本发明，可实时检测静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片的输出信号（电压或者电荷）变化，定量的测量红外探测器微型杜瓦的真空度，从而精确确定微型杜瓦真空寿命和吸气剂的激活时间，同时微型杜瓦真空腔体内安装的静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片可以用于测量微型杜瓦所承受的角速度等惯性参数，减小红外探测器微型杜瓦真空维护时间，同时，静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片与红外探测器共用微型杜瓦封装，去除静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片的真空封装冗余和降低维护成本。

Claims (9)

1.一种能实时检测真空度的红外探测器微型杜瓦，包括其内带真空腔、真空腔内设内管及吸气剂的管壳，设于管壳上方的其顶部带红外窗片的窗框座，设于管壳与窗框座之间的引线环，引线环上的管脚延伸至管壳外部，窗框座内并位于内管的顶部设有装载基板，装载基板上设有红外探测器，该红外探测器的信号线与引线环及管脚相连，其特征在于真空腔内设有静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片，该芯片的信号线引出后与管壳外部的检测器相连。

2.根据权利要求1所述的能实时检测真空度的红外探测器微型杜瓦，其特征在于所述静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片为常规芯片。

3.根据权利要求1所述的能实时检测真空度的红外探测器微型杜瓦，其特征在于所述静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片设置在窗框座内的装载基板上，其信号线经引线环及管脚向外延伸与管壳外部的检测器相连。

4.根据权利要求1所述的能实时检测真空度的红外探测器微型杜瓦，其特征在于所述静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片设置在管壳壁上，其信号线经管壳壁上的管脚向外延伸与管壳外部的检测器相连。

5.根据权利要求1所述的能实时检测真空度的红外探测器微型杜瓦，其特征在于所述静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片设置在管壳壁的外凸座或内凹座上，其信号线经安装在管壳壁上的管脚向外延伸与管壳外部的检测器相连。

6.根据权利要求1所述的能实时检测真空度的红外探测器微型杜瓦，其特征在于所述静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片在真空腔内或者管壳壁上设置一个，或者在真空腔内和管壳壁的多个方向上设置多个。

7.根据权利要求1所述的能实时检测真空度的红外探测器微型杜瓦，其特征在于所述引线环的管脚数为25针～50针；所述静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片的安装在管壳壁上的管脚数为3针～12针。

8.一种基于权利要求1所述红外探测器微型杜瓦实时检测该红外探测器微型杜瓦真空度的方法，其特征在于包括下列步骤：

a. 根据需要测量红外探测器组件中的红外探测器微型杜瓦的静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片输出电压或电荷值；

b. 根据预先设定的真空度-静电驱动-电容检测和谐振子芯片或微机械陀螺芯片的输出电荷或电压值对照表或曲线，将步骤a得到的测量值，在对照表中查找出对应的真空度值；

c. 当红外探测器组件微型杜瓦的真空度值在合格范围时，判定组件真空度合格，不需要激活吸气剂；当真空度值在需要激活吸气剂的真空度值范围和不合格真空度值范围时，激活吸气剂；

d.再次测量红外探测器组件微型杜瓦的真空值，当红外探测器组件微型杜瓦的真空值在合格真空值范围时，判定组件真空度合格，当真空度值在需要激活吸气剂的真空度值范围和不合格真空度值范围时，判定杜瓦真空失效，进行另行处理。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述预先设定真空度-静电驱动-电容检测和谐振子芯片或微机械陀螺芯片的输出电荷或电压值对照表或曲线的方法，包括下列步骤：

A1.将微型杜瓦中相同型号的静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片安装于一个处于静止状态的真空容器中，这个真空容器具有能通过真空规或真空仪检测其内部真空度的功能；

B1.联结静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片与驱动和检测电路，测量芯片输出电压或电荷值，同时记录真空容器的真空值和芯片输出电压或电荷值；

C1.逐点调整真空容器的真空度值，每调整一次真空容器的真空度值，重复B1步骤的操作；真空容器的真空度值的调整范围可根据需要具体确定，包括从合格真空度值范围、需要激活吸气剂的真空度值范围和不合格真空度值范围三个主要的判据区间，真空度测量点之间的调整间隔越小，形成的记录表参数越可靠，曲线精度越高，同样根据精度需要和工作量，确定测量间隔；

D1.整理测量数据，形成真空度-静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片输出电荷或电压值对照表，同时，根据需要，通过数值分析的方法，形成真空度-静电驱动-电容检测的谐振子芯片或微机械陀螺芯片输出电荷或电压值曲线。