CN110913665A - 一种星载探测器的精密温控系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种星载探测器的精密温控系统，包括探测器组件，所述探测器组件包括用于安装红外探测器本体的制冷框，所述制冷框外端连接有热沉铜块；所述探测器组件通过热沉铜块与热管的一端连接，热管的另一端与辐射冷板连接。本系统采用了辐射冷板+热电制冷器的组合方式来实现制冷。热电制冷器采用的是直流驱动的方式，保证探测器光敏面具有较高的温度稳定性，同时避免制冷驱动电路引入噪声干扰。本系统能够保证探测器光敏面工作于较低温度，同时具有较高的温度稳定性，满足红外波段高精度微弱信号测量应用需求；另外，本系统结构紧凑、工艺简单、易于实现、可靠性高。

Description

一种星载探测器的精密温控系统
技术领域
本发明涉及一种温控系统，具体涉及一种星载探测器的精密温控系统。
背景技术
短波红外波段的偏振探测目前已广泛应用于云气溶胶粒子状态探测、地表偏振反射率探测以及环境监测等领域。红外探测器作为短波红外偏振信息获取的核心部件，负责完成红外波段光谱和偏振信息的测量。探测器热噪声、暗电流及其温漂直接影响红外探测器的应用性能，尤其是在探测信号极其微弱的应用场合，暗电流及其温漂是影响红外探测器测量精度的重要因素之一，其中暗电流的波动将作为测量误差引入红外探测波段数据产品中，影响辐射和偏振测量精度，造成大气参数探测精度和图像校正精度损失。通过红外探测器控温系统的设计，完成红外探测器精密温度控制，在保证光敏面工作在较低温度的同时，还具有较高的温度稳定性，有效提高系统测量精度。
目前在轨应用探测器的控温系统，可达到较低的控温目标，但难以实现较高的控温精度，对于某些微弱光辐射测量应用场合，光电流信号在几十个pA量级，对于暗电流水平以及其随温度波动水平均有较高的要求，短时间温度稳定性需优于±0.05℃/s。部分商业级探测器控温系统可以达到较低的制冷温度以及较高的温度稳定性，但是在资源消耗、应用可靠性等方面难以满足空间应用要求。
为满足空间微弱光信号测量应用要求，本发明提出了一种主动、被动控温相结合的控温装置，保证红外探测器工作于低且稳定的温度环境，在满足控温精度需求的同时，有效节约系统资源，尤其是对资源消耗比较敏感的航天载荷应用场合，具有明显的优势。
发明内容
本发明的目的在于根据星载红外波段微弱信号探测需求，提出一种精密温控系统，实现红外探测器的精密控温，降低温度波动引入的测量误差，满足空间遥感器微弱光信号高精度测量需求。
一种星载探测器的精密温控系统，包括探测器组件，所述探测器组件包括用于安装红外探测器本体的制冷框，所述制冷框外端连接有热沉铜块；所述探测器通过热沉铜块与导热管的一端连接，导热管的另一端与辐射冷板连接。
进一步方案，所述辐射冷板上安装有热敏电阻和加热器。辐射冷板放置于卫星背阳面，面对深冷空间通过热敏电阻和加热器对其闭环控温，使其处于-20℃（或以下）。
进一步方案，所述制冷框为一端开口的半框体结构，其内部并排对称安装有六只红外探测器本体，制冷框的开口端设置有盖板。
进一步方案，所述红外探测器本体包括探测器壳体，所述探测器壳体内设有光电二极管探测器、热敏电阻和热电制冷器，即光电二极管探测器、热敏电阻和热电制冷器内置于探测器壳体内并密封，所述热电制冷器通过线缆与制冷器驱动器连接进行驱动。
制冷器驱动器实际上为一个直流驱动电流源，热电制冷器在电流驱动下后，可实现对探测器的制冷。采用直流电源驱动热电制冷器工作，降低温度波动以及避免驱动电路引入噪声，进而降低红外光信号测量误差。
进一步方案，位于探测器壳体外端的制冷框上安装有冷屏，所述冷屏通过螺钉固定在制冷框上，即探测器壳体、冷屏均与制冷框可靠连接，且处于较低温度，能有效降低背景辐射的影响。
进一步方案，所述辐射冷板和导热管的外周包覆有隔热组件；所述辐射冷板的四周固设有用于安装的绝缘垫，导热管通过支架进行支撑安装。
进一步方案，所述隔热组件为面膜和锦纶丝网构成，所述面膜为聚酰亚胺镀铝二次表面镜热控涂层。
其中酰亚胺镀铝二次表面镜热控涂层为中国科学院特种无机涂层重点实验室研制的航天特种无机材料中的一种，是现有产品，其红外半球发射率为0.69±0.02。
绝缘垫材料为玻璃钢；热敏电阻为MF501控温热敏电阻，加热器为聚酰亚胺康铜箔电加热器，导热管为双孔工字形铝氨热管，热沉铜块的材料为T2纯铜。
为了防止对光学产品产生污染，探测器与热沉铜块、热沉铜块与导热管、导热管与辐射冷板之间均采用了低挥发材料导热安装。
辐射冷板面对冷空间，导热管将其低温传递至热沉铜块，由于探测器组件与热沉铜块连接，制冷框及探测器壳体的温度均低于-15℃，制冷器驱动器驱动热电制冷器工作，将探测器本体的光敏面温度控制于低于-60℃。其中热沉铜块温度由外置热敏电阻MF501进行检测。探测器光敏面温度由内置热敏电阻进行检测。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为探测器的结构示意图；
图中：1-辐射冷板，2-导热管，3-支架，4-探测器组件，41-热沉铜块，42-制冷框，43-盖板，44-红外探测器本体，45-冷屏；5-制冷器驱动器，6-绝缘垫，7-热敏电阻，8-加热器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-2所示，一种星载探测器的精密温控系统，包括探测器组件4，所述探测器组件4包括用于安装红外探测器本体44的制冷框42，所述制冷框42外端连接有热沉铜块41；所述探测器4通过热沉铜块41与导热管2的一端连接，导热管2的另一端与辐射冷板1连接。
进一步方案，所述辐射冷板1上安装有热敏电阻7和加热器8。
进一步方案，所述制冷框42为一端开口的半框体结构，其内部并排对称安装有六只红外探测器本体44，制冷框42的开口端连接有盖板43。
进一步方案，所述红外探测器本体44包括探测器壳体，探测器壳体内置有光电二极管探测器、热敏电阻和热电制冷器，即所述光电二极管探测器、热敏电阻和热电制冷器内置于探测器壳体内并密封，所述热电制冷器通过线缆与制冷器驱动器5连接进行驱动。
进一步方案，位于探测器壳体外端的制冷框42上安装有冷屏45，冷屏45通过螺钉固定在制冷框42上的，探测器壳体、冷屏均与制冷框可靠连接，且处于较低温度，有效降低背景辐射的影响。
进一步方案，所述辐射冷板1和导热管2的外周包覆有隔热组件；所述辐射冷板1的四周固设有用于安装的绝缘垫6，导热管2通过支架3进行支撑安装。
进一步方案，所述隔热组件为面膜和锦纶丝网构成，所述面膜为聚酰亚胺镀铝二次表面镜热控涂层。
其中酰亚胺镀铝二次表面镜热控涂层为中国科学院特种无机涂层重点实验室研制的航天特种无机材料中的一种，是现有产品，其红外半球发射率为0.69±0.02。
绝缘垫材料为玻璃钢；热敏电阻为MF501控温热敏电阻，加热器为聚酰亚胺康铜箔电加热器，导热管为双孔工字形铝氨热管，热沉铜块的材料为T2纯铜。
为了防止对光学产品产生污染，探测器与热沉铜块、热沉铜块与导热管、导热管与辐射冷板之间均采用低挥发材料导热安装。
辐射冷板以吸收红外线的方式制冷，其安装于卫星背阳面，且表面喷覆KS-Z白漆，在轨运行过程中使其温度低于-20℃。
本系统是将辐射冷板1通过绝缘垫6、导热管2通过支架3分别与卫星平台进行绝缘隔热安装，辐射冷板1以吸收红外线的方式制冷，其安装于卫星背阳面，且表面喷覆KS-Z白漆，通过热敏电阻7、加热器8对其进行闭环控温，使其在轨运行过程中温度处于-20℃（或以下）；导热管2将该低温传递至另一端连接的热沉铜块41，温度为-15℃（或以下）；由于红外探测器本体44与热沉铜块41是通过制冷框42连接的，红外探测器本体44与热沉铜块41的温度均为-15℃（或以下），制冷器驱动器5驱动热电制冷器工作，制冷器驱动器在本实施例中为一直流驱动电流源，热电制冷器在电流驱动下后，可实现对探测器的制冷，将红外探测器本体的光敏面温度控制在-60℃（或以下）。
即本系统通过对辐射冷板的控温，通过长热管将温度传递到与探测器组件连接的热沉铜块上，从而间接实现对探测器组件的控温；通过长导热路径的传输以及依靠制冷框大热容效应，综合产生滤波效应，避免了制冷框（含探测器）温度的快速波动，保证探测器组件的温度稳定性。
本系统主要解决两个问题，一个是使目标温度为-60（或以下），另一个是最大化保证温度的波动较小。因此本系统采用了辐射冷板+热电制冷器的组合方式来实现制冷。热电制冷器采用的是直流恒流驱动的方式，保证探测器光敏面具有较高的温度稳定性，同时避免制冷驱动电路引入噪声干扰。本系统能够保证探测器光敏面工作于较低温度，同时具有较高的温度稳定性，满足红外波段高精度微弱信号测量应用需求；另外，本系统结构紧凑、工艺简单、易于实现；所有材料及元件均选用成熟产品，可靠性高。
本申请中的“连接”、“安装”等为紧固、导热胶等将两部件直接连成一体，提高了热传导能力。
虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
故以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用来限定本申请的实施范围；即凡依本申请的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本申请权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种星载探测器的精密温控系统，包括探测器组件（4），其特征在于，所述探测器组件（4）包括用于安装红外探测器本体（44）的制冷框（42），所述制冷框（42）外端连接有热沉铜块（41）；所述探测器组件（4）通过热沉铜块（41）与热管（2）的一端连接，热管（2）的另一端与辐射冷板（1）连接。
2.根据权利要求1所述的一种星载探测器的精密温控系统，其特征在于，所述辐射冷板（1）上安装有热敏电阻（7）和加热器（8）。
3.根据权利要求1所述的一种星载探测器的精密温控系统，其特征在于，所述制冷框（42）为一端开口的半框体结构，其内部并排对称安装有六只红外探测器本体（44），制冷框（42）的开口端设置有盖板（43）。
4.根据权利要求1所述的一种星载探测器的精密温控系统，其特征在于，所述红外探测器本体（44）包括探测器壳体，所述探测器壳体内设有光电二极管探测器、热敏电阻和热电制冷器，所述热电制冷器通过线缆与制冷器驱动器（5）连接进行驱动。
5.根据权利要求4所述的一种星载探测器的精密温控系统，其特征在于，位于探测器壳体外端的制冷框（42）上安装有冷屏（45）。
6.根据权利要求1所述的一种星载探测器的精密温控系统，其特征在于，所述辐射冷板（1）和导热管（2）的外周包覆有隔热组件；所述辐射冷板（1）的四周固设有用于安装的绝缘垫（6），导热管（2）通过支架（3）进行支撑安装。
7.根据权利要求6所述的一种星载探测器的精密温控系统，其特征在于，所述隔热组件为面膜和锦纶丝网构成，所述面膜为聚酰亚胺镀铝二次表面镜热控涂层。
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