CN114812785A - 一种用于测试制冷机低温冷头微振动的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的用于测试制冷机低温冷头微振动的装置，将激光光束入射在四象限探测器上，并采集四个像素上的激光强度进行差和运算得出激光中心的偏移反推出制冷机工作时低温冷头位移偏移，测试其微振动，此测试方法可以解决制冷机低温冷头(40K‑120K)微振动测试的问题，与此同时可以直接测试红外探测器杜瓦与低温冷头耦合后探测器的微位移。
Description
技术领域
本发明涉及低温冷头技术领域，特别涉及一种用于测试制冷机低温冷头微振动的装置。
背景技术
红外成像和高光谱相机由光学、红外探测器、制冷机和采集电路组成，其中红外探测器与制冷机的低温冷头耦合，由制冷机低温冷头为红外探测器提供低温(40K-120K)环境，降低红外探测器暗电流使其正常工作。制冷机一般由压缩机和冷头两部分组成，低温冷头是冷头温度最低并与红外探测器耦合的关键部位。因压缩机压力波或者冷头本身运动部件引起的低温冷头的微小振动是制冷机的固有特性。如果低温冷头将超过一定范围的微振动传递给红外探测器，将导致红外相机成像模糊和光谱分辨率下降。高精度红外相机尤其是星载红外探测器对成像和光谱分辨率的高要求提出尽可能降低制冷机低温冷头微振动的目标，亟待一种高精度可靠的方法测试低温冷头的微振动以评估其微振动水平。
目前制冷机的常温部件采用力和加速度传感器进行测试，低温冷头因固有特点无法采用以上方式进行测试。首先，力传感器需要与被测物体刚性连接，通过反作用力测试被测物体的微振动力；低温冷头为薄壁圆柱形，厚度仅3-10mm且无安装孔，无法与力传感器刚性连接，无法通过反用力测试低温冷头的微振动。其次，无论是压电式、压阻式、线圈式加速度传感器的工作温区为-50℃～85℃，低温冷头的温度为40K-120K(即-233℃～153℃)，加速度传感器在此温度下无法工作或测试结果不准确。
发明内容
鉴于此，有必要提供一种高精度且可靠的测试制冷机低温冷头微振动的装置以评估低温冷头的微振动水平。
为解决上述问题，本发明采用下述技术方案：
一种用于测试制冷机低温冷头微振动的装置，包括：制冷机压缩机(1)、制冷机低温冷头(2)、四象限探测器杜瓦(3)、四象限探测器(4)、光阑(5)、平行光管(6)、准直激光器(7)、三维精密光学调整架(8)、前置放大器(9)、信号处理模块(10)、悬吊架(11)、光学隔振平台(12)及制冷机控制器(13)；其中：所述制冷机压缩机(1)和制冷机低温冷头(2)固定连接共同组成制冷机，并由所述制冷机控制器(13)控制所述制冷机的工作，所述四象限探测器(4)设置于所述四象限探测器杜瓦(3)内，所述四象限探测器杜瓦(3)与所述制冷机低温冷头(2)进行耦合并保持真空，微振动测试时，所述制冷机压缩机(1)和所述制冷机低温冷头(2)分别悬挂于所述悬吊架(11)上呈自由状态，所述光阑(5)、所述平行光管(6)及三维精密光学调整架(8)固定于所述光学隔振平台(12)上，所述准直激光器(7)安装于所述三维精密光学调整架(8)后并放置于平行光管(6)焦点位置；
所述准直激光器(7)出射激光后通过所述平行光管(6)转换为平行光，再通过所述光阑(5)后整形为圆形激光光斑(15)，所述圆形激光光斑(15)透过所述四象限探测器杜瓦(3)的窗口照射于所述四象限探测器(4)，所述四象限探测器(4)探测到激光信号后通过所述前置放大器(9)放大信号后传送至所述信号处理模块(10)进行信号分析处理。
在其中一些实施例中，所述制冷机压缩机(1)和制冷机低温冷头(2)通过焊接工艺固定连接。
在其中一些实施例中，所述四象限探测器杜瓦(3)包括与所述四象限探测器(4)耦合的第一真空部分及与所述制冷机低温冷头(2)插入式耦合的第二真空部分。
在其中一些实施例中，所述四象限探测器(4)通过低温胶粘结于所述四象限探测器杜瓦(3)内，所述四象限探测器杜瓦(3)与所述制冷机低温冷头(2)的耦合面之间填充导热脂。
在其中一些实施例中，还包括弹簧(14)，所述制冷机压缩机1和制冷机低温冷头2分别通过所述弹簧(14)挂于悬吊架(11)上使制冷机呈自由状态。
在其中一些实施例中，所述光阑(5)、所述平行光管(6)及所述三维精密光学调整架(8)通过螺钉固定于所述光学隔振平台(12)上。
在其中一些实施例中，所述四象限探测器(4)为硅四象限探测器，所述四象限探测器分为4个面积相等、形状相同、位置对称的直角扇形硅基光电探测器。
在其中一些实施例中，所述直角扇形硅基光电探测器的响应波长为400nm-1100nm，直径为4mm，十字间隙为20μm。
在其中一些实施例中，所述硅四象限探测器的4个象限分别用A、B、C、D表示，任意一个直角扇形硅基光电探测器相互独立，且分别位于上述4个象限中，每个所述直角扇形硅基光电探测器代表一个象限，所述直角扇形硅基光电探测器可接收一定的光能量，输出一定的光电压，输出电压大小与探测器接收的光功率成比例，对应的输出信号为VA、VB、VC和VD，圆形激光光斑(15)透过四象限探测器杜瓦(3)的窗口照射于四象限探测器(4)光敏面上的光斑被4个象限分为4个部分，对应输出不同幅度的电信号，两个方向的位移变化信号为VX、VY：
采用上述技术方案，本发明实现的技术效果如下：
本发明提供的用于测试制冷机低温冷头微振动的装置，将激光光束入射在四象限探测器上，并采集四个像素上的激光强度进行差和运算得出激光中心的偏移反推出制冷机工作时低温冷头位移偏移，测试其微振动，此测试方法可以解决制冷机低温冷头(40K-120K)微振动测试的问题，与此同时可以直接测试红外探测器杜瓦与低温冷头耦合后探测器的微位移。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的用于测试制冷机低温冷头微振动的装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的用于测试制冷机低温冷头微振动装置的制冷机结构示意图。
图3为本发明实施例提供的用于测试制冷机低温冷头微振动装置的测试原理示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
请参阅图1，为本发明一实施方式提供的用于测试制冷机低温冷头微振动的装置的结构示意图，包括：制冷机压缩机(1)、制冷机低温冷头(2)、四象限探测器杜瓦(3)、四象限探测器(4)、光阑(5)、平行光管(6)、准直激光器(7)、三维精密光学调整架(8)、前置放大器(9)、信号处理模块(10)、悬吊架(11)、光学隔振平台(12)及制冷机控制器(13)。以下详细说明上述各个部件间的连接关系。
所述制冷机压缩机(1)和制冷机低温冷头(2)固定连接共同组成制冷机，并由所述制冷机控制器(13)控制所述制冷机的工作。具体地，所述制冷机压缩机(1)和制冷机低温冷头(2)通过焊接工艺固定连接。
所述四象限探测器(4)设置于所述四象限探测器杜瓦(3)内，所述四象限探测器杜瓦(3)与所述制冷机低温冷头(2)进行耦合并保持真空。具体地，所述四象限探测器杜瓦(3)包括与所述四象限探测器(4)耦合的第一真空部分及与所述制冷机低温冷头(2)插入式耦合的第二真空部分。
进一步地，所述四象限探测器(4)通过低温胶粘结于所述四象限探测器杜瓦(3)内，所述四象限探测器杜瓦(3)与所述制冷机低温冷头(2)的耦合面之间填充导热脂。
请参阅图2，为本发明实施例提供的所述四象限探测器(4)结构示意图，所述四象限探测器(4)为硅四象限探测器，所述四象限探测器分为4个面积相等、形状相同、位置对称的直角扇形硅基光电探测器。
在其中一些实施例中，所述直角扇形硅基光电探测器的响应波长为400nm-1100nm，直径为4mm，十字间隙为20μm。
所述制冷机压缩机(1)和所述制冷机低温冷头(2)分别悬挂于所述悬吊架(11)上呈自由状态。具体地，所述制冷机压缩机1和制冷机低温冷头2分别通过所述弹簧(14)挂于悬吊架(11)上使制冷机呈自由状态。
所述光阑(5)、所述平行光管(6)及三维精密光学调整架(8)固定于所述光学隔振平台(12)上。具体地，所述光阑(5)、所述平行光管(6)及所述三维精密光学调整架(8)通过螺钉固定于所述光学隔振平台(12)上。
所述准直激光器(7)安装于所述三维精密光学调整架(8)后并放置于平行光管(6)焦点位置。
上述用于测试制冷机低温冷头微振动的装置的工作方式如下：
所述准直激光器(7)出射激光后通过所述平行光管(6)转换为平行光，再通过所述光阑(5)后整形为圆形激光光斑(15)，所述圆形激光光斑(15)透过所述四象限探测器杜瓦(3)的窗口照射于所述四象限探测器(4)，所述四象限探测器(4)探测到激光信号后通过所述前置放大器(9)放大信号后传送至所述信号处理模块(10)进行信号分析处理。
进一步地，所述准直激光器(7)出射的激光光束直径为2mm，是四象限探测器直径的一半。
可以理解，圆形激光光斑15透过四象限探测器杜瓦3的窗口照射于四象限探测器4光敏面上，激光光斑被四个象限分为4个部分，对应输出不同幅度的电信号，利用和差电路测定目标相对于光轴的偏移量大小和偏移量方位。
请参阅图3，为本发明实施例提供的用于测试制冷机低温冷头微振动装置的测试原理示意图。
进一步地，所述硅四象限探测器的4个象限分别用A、B、C、D表示，任意一个直角扇形硅基光电探测器相互独立，且分别位于上述4个象限中，每个所述直角扇形硅基光电探测器代表一个象限，所述直角扇形硅基光电探测器可接收一定的光能量，输出一定的光电压，输出电压大小与探测器接收的光功率成比例，对应的输出信号为VA、VB、VC和VD，圆形激光光斑(15)透过四象限探测器杜瓦(3)的窗口照射于四象限探测器(4)光敏面上的光斑被4个象限分为4个部分，对应输出不同幅度的电信号，两个方向的位移变化信号为VX、VY：
本发明提供的用于测试制冷机低温冷头微振动的装置，将激光光束入射在四象限探测器上，并采集四个像素上的激光强度进行差和运算得出激光中心的偏移反推出制冷机工作时低温冷头位移偏移，测试其微振动，此测试方法可以解决制冷机低温冷头(40K-120K)微振动测试的问题，与此同时可以直接测试红外探测器杜瓦与低温冷头耦合后探测器的微位移。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，仅具体描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其他具体实施方式，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于测试制冷机低温冷头微振动的装置，其特征在于，包括：制冷机压缩机(1)、制冷机低温冷头(2)、四象限探测器杜瓦(3)、四象限探测器(4)、光阑(5)、平行光管(6)、准直激光器(7)、三维精密光学调整架(8)、前置放大器(9)、信号处理模块(10)、悬吊架(11)、光学隔振平台(12)及制冷机控制器(13)；其中：
所述制冷机压缩机(1)和制冷机低温冷头(2)固定连接共同组成制冷机，并由所述制冷机控制器(13)控制所述制冷机的工作，所述四象限探测器(4)设置于所述四象限探测器杜瓦(3)内，所述四象限探测器杜瓦(3)与所述制冷机低温冷头(2)进行耦合并保持真空，微振动测试时，所述制冷机压缩机(1)和所述制冷机低温冷头(2)分别悬挂于所述悬吊架(11)上呈自由状态，所述光阑(5)、所述平行光管(6)及三维精密光学调整架(8)固定于所述光学隔振平台(12)上，所述准直激光器(7)安装于所述三维精密光学调整架(8)后并放置于平行光管(6)焦点位置；
所述准直激光器(7)出射激光后通过所述平行光管(6)转换为平行光，再通过所述光阑(5)后整形为圆形激光光斑(15)，所述圆形激光光斑(15)透过所述四象限探测器杜瓦(3)的窗口照射于所述四象限探测器(4)，所述四象限探测器(4)探测到激光信号后通过所述前置放大器(9)放大信号后传送至所述信号处理模块(10)进行信号分析处理。
2.如权利要求1所述的用于测试制冷机低温冷头微振动的装置，其特征在于，所述制冷机压缩机(1)和制冷机低温冷头(2)通过焊接工艺固定连接。
3.如权利要求1所述的用于测试制冷机低温冷头微振动的装置，其特征在于，所述四象限探测器杜瓦(3)包括与所述四象限探测器(4)耦合的第一真空部分及与所述制冷机低温冷头(2)插入式耦合的第二真空部分。
4.如权利要求1所述的用于测试制冷机低温冷头微振动的装置，其特征在于，所述四象限探测器(4)通过低温胶粘结于所述四象限探测器杜瓦(3)内，所述四象限探测器杜瓦(3)与所述制冷机低温冷头(2)的耦合面之间填充导热脂。
5.如权利要求1所述的用于测试制冷机低温冷头微振动的装置，其特征在于，还包括弹簧(14)，所述制冷机压缩机1和制冷机低温冷头2分别通过所述弹簧(14)挂于悬吊架(11)上使制冷机呈自由状态。
6.如权利要求1所述的用于测试制冷机低温冷头微振动的装置，其特征在于，所述光阑(5)、所述平行光管(6)及所述三维精密光学调整架(8)通过螺钉固定于所述光学隔振平台(12)上。
7.如权利要求1所述的用于测试制冷机低温冷头微振动的装置，其特征在于，所述四象限探测器(4)为硅四象限探测器，所述四象限探测器分为4个面积相等、形状相同、位置对称的直角扇形硅基光电探测器。
8.如权利要求7所述的用于测试制冷机低温冷头微振动的装置，其特征在于，所述直角扇形硅基光电探测器的响应波长为400nm-1100nm，直径为4mm，十字间隙为20μm。
9.如权利要求7所述的用于测试制冷机低温冷头微振动的装置，其特征在于，所述硅四象限探测器的4个象限分别用A、B、C、D表示，任意一个直角扇形硅基光电探测器相互独立，且分别位于上述4个象限中，每个所述直角扇形硅基光电探测器代表一个象限，所述直角扇形硅基光电探测器可接收一定的光能量，输出一定的光电压，输出电压大小与探测器接收的光功率成比例，对应的输出信号为VA、VB、VC和VD，圆形激光光斑(15)透过四象限探测器杜瓦(3)的窗口照射于四象限探测器(4)光敏面上的光斑被4个象限分为4个部分，对应输出不同幅度的电信号，两个方向的位移变化信号为VX、VY：
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