低溫紅外目標(biāo)源冷束制冷結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】低溫紅外目標(biāo)源冷束制冷結(jié)構(gòu)，屬于低溫與紅外【技術(shù)領(lǐng)域】。所述低溫紅外目標(biāo)源的制冷結(jié)構(gòu)由制冷板、冷束以及液氮罐組成，冷束的一端排布在制冷板表面，冷束的另一端插入液氮罐的內(nèi)部，通過冷束的熱傳導(dǎo)使制冷板降溫，制冷板同時通過熱傳導(dǎo)作用對黑體面源降溫。將本發(fā)明所設(shè)計的冷束制冷結(jié)構(gòu)用于低溫紅外目標(biāo)源系統(tǒng)，可以使可變溫低溫紅外目標(biāo)源達到125K~300K的寬溫區(qū)的溫控范圍，溫度范圍與現(xiàn)有技術(shù)相比有所增加，為紅外傳感器在低溫環(huán)境中的探測提供了定標(biāo)的基準(zhǔn)，同時也提高了探測器在空間工作的精確性。本發(fā)明所設(shè)計的冷束制冷裝置可以保證黑體面源的溫度場分布十分均勻，溫度均勻性<0.004K。
【專利說明】低溫紅外目標(biāo)源冷束制冷結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于低溫與紅外【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種低溫紅外目標(biāo)源的制冷結(jié)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002] 紅外應(yīng)用產(chǎn)品種類繁多，應(yīng)用廣泛。紅外自1800年被發(fā)現(xiàn)以來，人們對它的研究 從來沒有停止過，目前已經(jīng)開發(fā)出了眾多的應(yīng)用產(chǎn)品，從醫(yī)療、檢測、航空到軍事等領(lǐng)域，幾 乎處處都能看到紅外的身影。紅外技術(shù)的發(fā)展前景十分的廣闊，在軍用和民用領(lǐng)域都有著 極其廣闊的應(yīng)用。按應(yīng)用領(lǐng)域可分為：安防領(lǐng)域、消防領(lǐng)域、電力領(lǐng)域、企業(yè)制程控制領(lǐng)域、 醫(yī)療領(lǐng)域、建筑領(lǐng)域、遙感領(lǐng)域等。為了測試和標(biāo)定傳感器的性能，確定探測器在工作溫度 范圍內(nèi)的輸出信號與標(biāo)準(zhǔn)輻射源之間的函數(shù)關(guān)系，并將探測系統(tǒng)飛行過程中獲取的目標(biāo)信 息反演得到該目標(biāo)的光譜反射特性和光譜輻射特性，必須應(yīng)用具有模擬空間紅外輻射源的 低溫黑體目標(biāo)源對其線性響應(yīng)度和非均勻性進行定標(biāo)校正。
[0003] 目前常用的黑體面源的工作區(qū)域溫度均勻性為±0. 5K，目前研制成熟的低溫黑體 目標(biāo)源一般僅能達到220K的低溫。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種低溫紅外目標(biāo)源冷束制冷裝置，可以控制黑體溫度在 125K?300K之間連續(xù)變化，溫度均勻性〈0. 004K。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的： 一種低溫紅外目標(biāo)源冷束制冷結(jié)構(gòu)，由制冷板、冷束以及液氮罐組成，冷束的一端排布 在制冷板表面，冷束的另一端插入液氮罐的內(nèi)部，通過冷束的熱傳導(dǎo)使制冷板降溫，制冷板 同時通過熱傳導(dǎo)作用對黑體面源降溫。
[0006] 本發(fā)明中，所述液氮入口與液氮出口位于液氮罐的上端，這樣可以方便液氮的填 充以及液氮氣體的排出。
[0007] 低溫紅外目標(biāo)源系統(tǒng)由黑體、加熱板、制冷板三個部分組成，將本發(fā)明設(shè)計的制冷 結(jié)構(gòu)用于低溫紅外目標(biāo)源系統(tǒng)中，所述制冷板與冷束直接相連，制冷板上冷束的不同結(jié)構(gòu) 排布方式直接影響黑體面源的制冷時間及溫度均勻性。本發(fā)明制冷板上的冷束為圓形間隔 排列，液氮通過冷束傳熱到制冷板，制冷板通過熱傳導(dǎo)作用對黑體面源降溫，冷束結(jié)構(gòu)的不 同排列方式可以使在冷束數(shù)量最少的情況下，使制冷時間縮短，溫度均勻性得到明顯提高。
[0008] 本發(fā)明有如下優(yōu)點： 1、將本發(fā)明所設(shè)計的冷束制冷結(jié)構(gòu)用于低溫紅外目標(biāo)源系統(tǒng)，可以使可變溫低溫紅 外目標(biāo)源達到125ΙΓ300Κ的寬溫區(qū)的溫控范圍，溫度范圍與現(xiàn)有技術(shù)相比有所增加，為紅 外傳感器在低溫環(huán)境中的探測提供了定標(biāo)的基準(zhǔn)，同時也提高了探測器在空間工作的精確 性。
[0009] 2、本發(fā)明所設(shè)計的冷束制冷結(jié)構(gòu)將液氮罐從真空罐中分離出來，因此在液氮充足 的情況下，真空系統(tǒng)的持續(xù)工作時間可以維持幾天甚至更久。
[0010] 3、本發(fā)明所設(shè)計的冷束制冷結(jié)構(gòu)可以保證黑體面源的溫度場分布十分均勻，溫度 均勻性〈0. 004K。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 圖1為現(xiàn)有低溫紅外目標(biāo)源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖； 圖2為本發(fā)明的低溫紅外目標(biāo)源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖； 圖3為冷束制冷裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為冷束制冷模型； 圖5為冷束制冷方式的制冷板整體云圖分布圖； 圖6為冷束制冷方式的制冷板側(cè)面云圖分布圖； 圖7為冷束制冷方式黑體面源上云圖分布圖； 圖8為冷束制冷方式的降溫曲線圖； 圖中，1-真空罐；2-液氮罐；3-罐體支架；4-液氮進/出口；5-制冷板；6-加熱板； 7-黑體；8-紅外窗口；9-真空罐底座；10-真空機組；11-冷束。

【具體實施方式】
[0012] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本 發(fā)明技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋 在本發(fā)明的保護范圍中。
[0013] 如圖2所示，本發(fā)明設(shè)計的低溫紅外目標(biāo)源冷束制冷結(jié)構(gòu)由制冷板5、冷束11以 及液氮罐2組成，冷束11的一端排布在制冷板5表面，冷束11的另一端插入液氮罐2的內(nèi) 部。
[0014] 低溫紅外目標(biāo)系統(tǒng)主要由低溫目標(biāo)源系統(tǒng)、測溫控溫系統(tǒng)、真空系統(tǒng)三部分組成。 根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)性能指標(biāo)要求設(shè)計的低溫紅外目標(biāo)源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。將本發(fā) 明設(shè)計的冷束制冷結(jié)構(gòu)應(yīng)用到低溫紅外目標(biāo)源系統(tǒng)中，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。
[0015] 低溫目標(biāo)源系統(tǒng)是低溫紅外目標(biāo)系統(tǒng)的關(guān)鍵和核心，該結(jié)構(gòu)主要由低溫紅外目標(biāo) 源系統(tǒng)和液氮罐2等組成，所述低溫紅外目標(biāo)源系統(tǒng)由黑體面源7、加熱板6、制冷板5三個 部分組成。制冷板5為黑體面源提供均勻制冷冷源，冷束11 一端與制冷板5相連，另一端 插在液氮罐2中，液氮罐2放在室溫環(huán)境下，通過冷束11的熱傳導(dǎo)作用間接對黑體面源7 進行降溫。加熱板6為黑體面源7提供均勻加熱熱源。黑體面源7在制冷板5和加熱板6 的共同作用下，通過調(diào)節(jié)加熱功率，來實現(xiàn)黑體面源7的調(diào)溫和控溫，繼而在不同溫度下的 輻射透過紅外窗口 8傳遞到紅外傳感器，對紅外傳感器進行定標(biāo)校正。應(yīng)當(dāng)說明的是，低溫 紅外目標(biāo)源系統(tǒng)的黑體面源7、加熱板6、制冷板5以及冷束11都是采用熱傳導(dǎo)率較高的紫 銅材料加工制作的，這樣可以保證黑體面源7具有較好的溫度均勻性。本發(fā)明中的底座裝 置采用絕熱材料制作的楔形腳架支撐進行安裝固定，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計可以減少不必要的能量 損失。
[0016] 本發(fā)明的核心部件是低溫面源黑體制冷板的冷束式制冷結(jié)構(gòu)，制冷板5大小為 150父150臟?300\300111111，厚度為10?20111111，冷束11長度為 200?350111111，直徑〇=5?8111111，插在 液氮罐2中的冷束11長度為4(T80mm。
[0017] 現(xiàn)有已知的低溫紅外目標(biāo)源系統(tǒng)液氮罐放置在真空罐內(nèi)部，該結(jié)構(gòu)模型持續(xù)工作 時間最多能夠工作四個小時。在本發(fā)明中所設(shè)計得低溫紅外目標(biāo)系統(tǒng)冷束制冷方式，將液 氮罐2從真空罐1中分離出來，放在室溫環(huán)境下，方便液氮的填充。用冷束11將液氮罐2 和制冷板5連接在一起達到制冷的目的。冷束制冷方式在液氮充足的情況下可以連續(xù)工作 幾天甚至更久。
[0018] 在冷束制冷方式中，最前面的方體為黑體面源7,中間的方體為加熱板6,后側(cè)的 方體為制冷板5。其中：制冷板5與液氮罐2之間用冷束11進行連接，液氮通過冷束11的 熱傳導(dǎo)對制冷板5降溫，進而間接的對黑體面源7降溫。
[0019] 在制冷板5上排列有若干圈冷束11，冷束11在每一圈上間隔排布，并且若干圈冷 束11以半徑Δ R=l〇?20mm遞增排列。最靠近中心的一圈R=20mm排布6根冷束11，R=30?40mm 一圈排布6根冷束11，隨著半徑的遞增，在外圍區(qū)域冷束11密度小的區(qū)域適當(dāng)添加冷束 11，使制冷板5上冷束11分布盡量均勻，在冷束11使用效率最高的情況下，降溫效果以及 溫度均勻性達到最好。冷束制冷模型結(jié)構(gòu)如圖4所示。設(shè)置模型的初始溫度為室溫300K， 分析時間為10800s，時間步長60s，取整體結(jié)構(gòu)模型的1/8部分進行模擬，對該過程進行瞬 態(tài)分析（Transient)。
[0020] 由圖5-7的云圖分布可見，該模型的黑體面源有五個溫度分布，黑體面源中心溫 度最低，紅色區(qū)域溫度最高。面源中心區(qū)域溫度為125. 112K，紅色區(qū)域溫度為125. 116K。該 黑體面源溫度場的溫差為0. 004K，在該冷束模型制冷過程中，冷束均布在制冷板的表面上， 降溫效果較好，由云圖分布可以看出溫差很小。
[0021] 取黑體面源上兩個特征點，給出溫度隨時間變化曲線，如圖8所示，該曲線圖 中，TEMP_2為面源綠色區(qū)域的中心點，TEMP_3為面源紅色區(qū)域的特征點。由該曲線可 見，10800s時刻黑體面源溫度能夠達到平衡，此時這兩個特征點的溫度分別為125. 112K， 125.116K。
[0022] 本發(fā)明采用了冷束制冷方式模型設(shè)計結(jié)構(gòu)，對于溫度均勻性有了很大程度的改 善。
[0023] (1)通過與以往的制冷結(jié)構(gòu)以及制冷方式對比，采用本發(fā)明的冷束制冷方式所得 到的溫度均勻性能夠達到〇. 004K的精度。
[0024] (2)利用本發(fā)明設(shè)計的低溫紅外目標(biāo)源冷束制冷方式，冷束的長度，冷束的直徑均 是在相同環(huán)境下的最佳尺寸。
【權(quán)利要求】
1. 一種低溫紅外目標(biāo)源冷束制冷結(jié)構(gòu)，其特征在于所述制冷結(jié)構(gòu)由制冷板、冷束以及 液氣罐組成，冷束的一端排布在制冷板表面，冷束的另一端插入液氣罐的內(nèi)部。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫紅外目標(biāo)源冷束制冷結(jié)構(gòu)，其特征在于所述液氮罐的上 端設(shè)置有液氮入口與液氮出口。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫紅外目標(biāo)源冷束制冷結(jié)構(gòu)，其特征在于所述制冷板的大 小為 150 X 150mm ?300 X 300mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫紅外目標(biāo)源冷束制冷結(jié)構(gòu)，其特征在于所述制冷板的厚 度為10mm?20mm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫紅外目標(biāo)源冷束制冷結(jié)構(gòu)，其特征在于所述冷束的長度 為20(T350mm，插在液氮罐中的冷束長度為4(T80mm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫紅外目標(biāo)源冷束制冷結(jié)構(gòu)，其特征在于所述冷束的直徑 Φ=5?8mm。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1、3、4、5或6所述的低溫紅外目標(biāo)源冷束制冷結(jié)構(gòu)，其特征在于所述 制冷板的表面排列有若干圈冷束，每一圈上排布有若干個冷束。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的低溫紅外目標(biāo)源冷束制冷結(jié)構(gòu)，其特征在于所述若干圈冷束 以半徑AR=l〇?20mm排列。
【文檔編號】G01J5/02GK104062016SQ201410335728
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月15日
【發(fā)明者】劉振奇, 王興亮, 汪東生, 王超, 胡忠輝 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)