CN114370991B - 用于科学级ccd探测器光电性能测试的制冷方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于科学级CCD探测器光电性能测试的制冷装置及方法，包括：传热组件、制冷组件及自动加热组件，传热组件由导热铜条，导热铜板和探测器热敏电阻构成；制冷组件由低温循环机、固定板、对角螺钉、隔热层、进水出水管和铝块换热器构成；自动加热组件由薄膜电加热器、电加热片控制器和铜板热敏电阻构成；导热铜条通过柔性铜带连接导热铜板；铝块换热器与导热铜板间涂导热硅脂以导热安装；铝块换热器通过进出水管与低温循环机连接。本发明能实现科学级CCD器件光电性能测试过程中的探测器精密控温，并保证探测器工作在较低且稳定的温度环境下，从而降低探测器的热噪声和暗电流。

Description

用于科学级CCD探测器光电性能测试的制冷方法
技术领域
本发明涉及一种用于科学级CCD探测器光电性能测试的制冷装置及制冷方法。
背景技术
目前，对于科学级CCD探测器进行光电性能测试的精密控温在国内还没有相关的制冷装置，只有在一些生产厂家对CCD器件进行性能标定时对探测器进行制冷，但是生产厂家一般在-30℃环境下对CCD器件进行性能标定。实际应用中一般对CCD器件在室温下进行光电性能测试，且整个测试过程中也无法控制探测器工作温度。
目前应用于CCD相机的制冷技术包括经典杜瓦瓶制冷和半导体制冷，半导体制冷主要利用依据帕尔贴效应工作的热电制冷器，其优点是无活动部件，结构简单，无噪声，重量轻等，但要求在CCD器件内部封装半导体制冷器，否则无法使用该制冷方式。经典杜瓦瓶制冷采用液氮进行制冷，并采用透光窗口进行密封真空室，可将CCD器件制冷到-120℃～-20℃，但是杜瓦瓶真空室随时间增加而变坏，真空环境保持时间不断变短，必须及时重新抽真空，且杜瓦瓶内部只能放置CCD芯片，其驱动成像电路通过线缆与CCD芯片连接，增加CCD图像噪声。由此可见，现有技术中的CCD器件光电性能测试时需要的制冷装置和制冷方法需要改进。
发明内容
本发明为解决上述现有技术存在的问题，提供一种稳定可靠，易于安装固定的用于科学级CCD探测器光电性能测试的制冷方法，以期能实现科学级CCD器件光电性能测试过程中的探测器精密控温，并保证探测器工作在较低且稳定的温度环境下，从而能降低探测器的热噪声和暗电流。
本发明为上述目的，采用如下技术方案：
本发明一种用于科学级CCD探测器光电性能测试的制冷装置，是应用于CCD探测器光电参数测试系统中，所述CCD探测器光电参数测试系统包括：积分球、滤光片、图像采集装置、被测CCD探测器、六自由度调整机构和工控机；所述滤光片放置在所述积分球的球口处用于对积分球光源进行滤光处理；所述被测CCD探测器设置在所述图像采集装置上，用于将积分球的光信号转换为电信号；所述图像采集装置通过六自由度调整机构调整其六个方位，以获取所述被测CCD探测器的图像数据并传送至所述工控机内进行图像实时存储与显示；其特点是，在所述图像采集装置上设置有制冷装置，并包括：传热组件、制冷组件及自动加热组件；
所述传热组件设置在图像采集装置的面板上，并由导热铜条、导热铜板、探测器热敏电阻，锁紧螺栓和探测器光阑构成；
所述制冷组件由低温循环机、固定板、对角螺钉、隔热层、进水出水管和铝块换热器构成；
所述自动加热组件由薄膜电加热器、电加热片控制器和铜板热敏电阻构成；
所述被测CCD探测器的背面通过绝缘导热垫设置有导热铜条，所述导热铜条通过柔性铜带连接所述导热铜板；使得所述被测CCD探测器工作时产生的热量通过导热铜条传递到导热铜板上；
所述铝块换热器与所述导热铜板之间涂导热硅脂以导热安装，使得导热铜板上热量传递至所述铝块换热器；
所述导热铜条与所述探测器光阑之间通过所述锁紧螺栓压紧固定，在所述导热铜条的中间开槽内粘贴有所述探测器热敏电阻，用于采集被测CCD探测器的工作温度；
所述图像采集装置的上表面通过固定板和对角螺钉安装有所述隔热层；所述铝块换热器通过所述隔热层隔热安装在图像采集装置的上表面，使得所述图像采集装置和被测CCD探测器之间形成温度隔离；
所述导热铜板的横臂上粘贴有所述铜板热敏电阻，用于采集导热铜板的温度；在导热铜板的表面横向粘贴有所述薄膜电加热器并由所述电加热片控制器控制工作，使得所述薄膜电加热器能对导热铜板进行温度补偿；
所述铝块换热器通过所述进水出水管与所述低温循环机连接，并在所述低温循环机与待控温的铝块换热器之间形成封闭的循环水路，用于冷却铝块换热器上的热量，使得被测CCD探测器工作在设定的温度范围内。
本发明所述的制冷装置的特点也在于，除所述低温循环机、进水出水管和电加热片控制器外，其余部件均设置在密闭的屏蔽箱内，并在制冷过程中利用高纯氮气维持所述屏蔽箱中的正压状态，以防止被测CCD探测器结露。
本发明一种基于所述的制冷装置的制冷方法的特点包括如下步骤：
步骤1：利用所述铜板热敏电阻采集导热铜板的当前温度，并与设定的温度阈值进行比较，若当前温度大于设定的温度阈值，则所述薄膜电加热器不工作，否则，由所述电加热片控制器控制所述薄膜电加热器进行加热，以对所述导热铜板进行温度补偿；
步骤2：利用所述探测器热敏电阻测量所述被测CCD探测器在k时刻的工作温度；
步骤3：所述低温循环机计算设定的温度ε与k时刻的工作温度之间的偏差e(k)并进行判断，若偏差的绝对值|e(k)|大于设定的温度ε时，所述低温循环机利用式(1)进行时间最优控制，得到k时刻输出的控制量U(k)，反之，所述低温循环机利用式(2)进行PID模糊控制，得到k时刻输出的控制量U(k)；
Figure GDA0004134851370000031
式(1)中，umax为低温循环机输出的最大控制量；
Figure GDA0004134851370000032
式(2)中，Kp为比例可调参数，TI为积分可调参数，Td微分可调参数；
步骤4：所述低温循环机根据k时刻输出的控制量U(k)对铝块换热器进行制冷，得到的制冷量通过导热铜板传递至所述导热铜条再对所述被测CCD探测器进行制冷。
与已有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明采用低温循环机为主，薄膜电加热器为辅的组合制冷系统对科学级CCD探测器进行制冷控制，适用于内部没有封装半导体制冷器的面阵CCD成像器件，考虑科学级探测器价格昂贵且容易损坏，该制冷装置在满足整体控温要求前提下，尽量减少制冷装置与探测器的应力接触，避免损坏昂贵的科学级探测器，且能灵活设置探测器的工作温度，使探测器稳定的工作在-10℃～25℃温度范围内，制冷系统降温速率不大于0.6℃/min，温控精度优于±0.08℃，从而为面阵CCD器件使用者和生产者提供精密控温，并具有性能稳定、结构紧凑、使用方便，便于推广的优点。
附图说明
图1是CCD探测器光电参数测试时的整体构造示意图；
图2是本发明中用于面阵CCD探测器的制冷装置原理图；
图3是本发明中的制冷算法控制流程图；
图中标号：1.低温循环机，2.固定板，3.对角螺钉，4.隔热层，5.进水出水管，6.铝块换热器，7.导热铜板，8.薄膜电加热器，9.电加热片控制器，10.铜板热敏电阻，11.锁紧螺栓12.光阑，13.被测CCD探测器，14.探测器热敏电阻，15.导热铜条，16.CCD图像采集装置，17.屏蔽箱，18.积分球，19.滤光片，20.制冷装置，21.六自由度调整机构，22.工控机。
具体实施方式
下面结合附图，通过实例对本发明作进一步说明。
本实施例中，如图1所示，一种用于科学级CCD探测器光电性能测试的制冷装置，是应用于CCD探测器光电参数测试系统中，CCD探测器光电参数测试系统包括：积分球18、滤光片19、图像采集装置16、被测CCD探测器13、六自由度调整机构21和工控机22；滤光片19放置在积分球18的球口处用于对积分球光源进行滤光处理；被测CCD探测器13设置在图像采集装置16上，用于将积分球的光信号转换为电信号；图像采集装置16通过六自由度调整机构21调整其六个方位，以获取被测CCD探测器13的图像数据并传送至工控机22内进行图像实时存储与显示；
如图1所示，在图像采集装置16上设置有制冷装置20，并包括：传热组件、制冷组件及自动加热组件；
如图2所示，传热组件由导热铜条15，导热铜板7和探测器热敏电阻14，锁紧螺栓11和探测器光阑12构成，并设置在图像采集装置16的面板上；
制冷组件由低温循环机1、固定板2、对角螺钉3、隔热层4、进水出水管5和铝块换热器6构成；
自动加热组件由薄膜电加热器8、电加热片控制器9和铜板热敏电阻10构成；
在被测CCD探测器13的背面通过导热绝缘垫设置有导热铜条15，导热铜条15通过柔性铜带连接导热铜板7，使得被测CCD探测器13工作时产生的热量通过导热铜条15传递到导热铜板7上；
铝块换热器6与导热铜板7之间涂导热硅脂以导热安装，使得导热铜板(7)上热量传递至铝块换热器6上，以提高热传导效果；
导热铜条15与探测器光阑12之间通过锁紧螺栓11压紧固定，在导热铜条15的中间开槽内粘贴有探测器热敏电阻14，用于采集被测CCD探测器13的工作温度；
在图像采集装置16的上表面通过固定板2和对角螺钉3安装有隔热层4，铝块换热器6通过隔热层4隔热安装在图像采集装置16的上表面，使得图像采集装置16和被测CCD探测器13之间形成温度隔离；
在导热铜板7的横臂上粘贴有铜板热敏电阻10，用于采集导热铜板7的温度；在导热铜板7的表面横向粘贴有薄膜电加热器8并由电加热片控制器9控制工作，当导热铜板7低于设定温度则薄膜电加热器8对其加热，高于设定温度则停止加热，从而对导热铜板7进行温度补偿；
铝块换热器6通过进水出水管5与低温循环机1连接，并在低温循环机1与待控温的铝块换热器6之间形成封闭的循环水路，通过水管内的冷却液体进行热交换，用于冷却铝块换热器6上的热量；被测CCD探测器13工作时产生的热量通过导热铜条15传递到导热铜板7上，再传递至铝块换热器6，热量最后由冷却液体带走，使得被测CCD探测器13工作在设定的温度范围内。
具体实施中，整个传热组件，制冷组件的铝块换热器6、固定板2、对角螺钉3和隔热层4，自动加热组件的薄膜电加热器8和铜板热敏电阻10一起设置在密闭的屏蔽箱17内，并在制冷过程中利用高纯氮气维持屏蔽箱17中的正压状态，以防止被测CCD探测器13结露，同时隔绝周围环境的杂光影响。
结合图3所示，一种用于科学级CCD探测器光电性能测试的制冷方法包括如下步骤：
步骤1：利用铜板热敏电阻10采集导热铜板7的当前温度，并与导热铜板7所设定的温度阈值进行比较，若当前温度大于设定的温度阈值，则薄膜电加热器8不工作，否则由电加热片控制器9控制薄膜电加热器8进行加热，对导热铜板7进行温度补偿；
步骤2：利用探测器热敏电阻14测量被测CCD探测器13在k时刻的工作温度；
步骤3：低温循环机1计算设定的温度ε与k时刻的工作温度之间的偏差e(k)并进行判断，若偏差的绝对值|e(k)|大于设定的温度ε时，低温循环机1执行步骤4的时间最优控制方法，得到k时刻输出的控制量U(k)，反之，低温循环机1执行步骤5的PID模糊控制方法，得到k时刻输出的控制量U(k)；
步骤4：利用式(1)建立时间最优控制控制表达式：
Figure GDA0004134851370000051
式(1)中，umax为低温循环机1输出的最大控制量；
步骤5：利用式(2)建立PID模糊控制表达式：
Figure GDA0004134851370000052
式(2)中，Kp为比例可调参数，TI为积分可调参数，Td微分可调参数。
利用归一参数整定法对PID控制表达式进行整定，将式(2)简化为式(3)：
Figure GDA0004134851370000053
式(3)中，T0为采样时间，e(k-1)为(k-1)时刻的温度偏差，e(k-2)为(k-2)时刻的温度偏差。
本实施例中，为了简化工程实现，令T0＝0.1Tk；T1＝0.5Tk；TD＝0.125Tk，其中，Tk为纯比例环节的临界震荡周期，PID控制表达式简化为式(4)：
U(k)＝Kp×[2.25e(k)-3.3e(k-1)+1.25e(k-2)] (4)
由式(4)可知，本实施例中，通过不断调整参数Kp可获取最佳控制效果。
步骤6、低温循环机1根据k时刻输出的控制量U(k)对铝块换热器6进行制冷，得到的制冷量通过导热铜板7传递至导热铜条15再对被测CCD探测器13进行制冷。
本实施例中，CCD探测器制冷装置的组装过程如下：
步骤一：薄膜电加热器8通过导热硅胶粘贴在在导热铜板7表面，铜板热敏电阻10粘贴在导热铜板横臂上；通过线缆将薄膜电加热器和铜板热敏电阻与电加热片控制器9进行连接。
步骤二：铝块换热器6与导热铜板7之间涂导热硅脂以导热安装，铝块换热器6通过隔热层4安装在固定板2上，固定板2通过对角螺钉3安装在图像采集装置16的上表面；
步骤三：进水出水管5旋转拧紧在铝块换热器6的进出水槽上，进水出水管5和铝块换热器6外表面用海绵包裹防止漏热。
步骤四：探测器热敏电阻14粘贴在被测CCD探测器13的背面，并将其引线从导热铜条15的中间开槽内穿出来，导热铜条15通过导热绝缘垫贴合安装在被测CCD探测器13的背面，通过锁紧螺栓11与探测器光阑12压紧固定。

Claims (1)

1.一种用于科学级CCD探测器光电性能测试的制冷装置的制冷方法，是应用于CCD探测器光电参数测试系统中，所述CCD探测器光电参数测试系统包括：积分球(18)、滤光片(19)、图像采集装置(16)、被测CCD探测器(13)、六自由度调整机构(21)和工控机(22)；所述滤光片(19)放置在所述积分球(18)的球口处用于对积分球光源进行滤光处理；所述被测CCD探测器(13)设置在所述图像采集装置(16)上，用于将积分球的光信号转换为电信号；所述图像采集装置(16)通过六自由度调整机构(21)调整其六个方位，以获取所述被测CCD探测器(13)的图像数据并传送至所述工控机(22)内进行图像实时存储与显示；在所述图像采集装置(16)上设置有制冷装置(20)，并包括：传热组件、制冷组件及自动加热组件；
所述传热组件设置在图像采集装置(16)的面板上，并由导热铜条(15)、导热铜板(7)、探测器热敏电阻(14)，锁紧螺栓(11)和探测器光阑(12)构成；
所述制冷组件由低温循环机(1)、固定板(2)、对角螺钉(3)、隔热层(4)、进水出水管(5)和铝块换热器(6)构成；
所述自动加热组件由薄膜电加热器(8)、电加热片控制器(9)和铜板热敏电阻(10)构成；
所述被测CCD探测器(13)的背面通过绝缘导热垫设置有导热铜条(15)，所述导热铜条(15)通过柔性铜带连接所述导热铜板(7)；使得所述被测CCD探测器(13)工作时产生的热量通过导热铜条(15)传递到导热铜板(7)上；
所述铝块换热器(6)与所述导热铜板(7)之间涂导热硅脂以导热安装，使得导热铜板(7)上热量传递至所述铝块换热器(6)；
所述导热铜条(15)与所述探测器光阑(12)之间通过所述锁紧螺栓(11)压紧固定，在所述导热铜条(15)的中间开槽内粘贴有所述探测器热敏电阻(14)，用于采集被测CCD探测器(13)的工作温度；
所述图像采集装置(16)的上表面通过固定板(2)和对角螺钉(3)安装有所述隔热层(4)；所述铝块换热器(6)通过所述隔热层(4)隔热安装在图像采集装置(16)的上表面，使得所述图像采集装置(16)和被测CCD探测器(13)之间形成温度隔离；
所述导热铜板(7)的横臂上粘贴有所述铜板热敏电阻(10)，用于采集导热铜板(7)的温度；在导热铜板(7)的表面横向粘贴有所述薄膜电加热器(8)并由所述电加热片控制器(9)控制工作，使得所述薄膜电加热器(8)能对导热铜板(7)进行温度补偿；
所述铝块换热器(6)通过所述进水出水管(5)与所述低温循环机(1)连接，并在所述低温循环机(1)与待控温的铝块换热器(6)之间形成封闭的循环水路，用于冷却铝块换热器(6)上的热量，使得被测CCD探测器(13)工作在设定的温度范围内；
除所述低温循环机(1)、进水出水管(5)和电加热片控制器(9)外，其余部件均设置在密闭的屏蔽箱(17)内，并在制冷过程中利用高纯氮气维持所述屏蔽箱(17)中的正压状态，以防止被测CCD探测器(13)结露，其特征在于，所述制冷方法包括如下步骤：
步骤1：利用所述铜板热敏电阻(10)采集导热铜板(7)的当前温度，并与设定的温度阈值进行比较，若当前温度大于设定的温度阈值，则所述薄膜电加热器(8)不工作，否则，由所述电加热片控制器(9)控制所述薄膜电加热器(8)进行加热，以对所述导热铜板(7)进行温度补偿；
步骤2：利用所述探测器热敏电阻(14)测量所述被测CCD探测器(13)在k时刻的工作温度；
步骤3：所述低温循环机(1)计算设定的温度ε与k时刻的工作温度之间的偏差e(k)并进行判断，若偏差的绝对值|e(k)|大于设定的温度ε时，所述低温循环机(1)利用式(1)进行时间最优控制，得到k时刻输出的控制量U(k)，反之，所述低温循环机(1)利用式(2)进行PID模糊控制，得到k时刻输出的控制量U(k)；
Figure FDA0004134851360000021
式(1)中，umax为低温循环机(1)输出的最大控制量；
Figure FDA0004134851360000022
式(2)中，Kp为比例可调参数，TI为积分可调参数，Td微分可调参数；
利用归一参数整定法对PID控制表达式进行整定，将式(2)简化为式(3)：
Figure FDA0004134851360000023
式(3)中，T0为采样时间，e(k-1)为(k-1)时刻的温度偏差，e(k-2)为(k-2)时刻的温度偏差；
步骤4：所述低温循环机(1)根据k时刻输出的控制量U(k)对铝块换热器(6)进行制冷，得到的制冷量通过导热铜板(7)传递至所述导热铜条(15)再对所述被测CCD探测器(13)进行制冷。
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