幸运飞艇
红外探测器组件制冷参数分析
作者:admin 发布时间:2019-09-10 23:19

  摘要:全面深入了解红外探测器组件制冷需求对促进红外探测器组件应用具有重要意义。本文详细分析了红外探测器组件应用中和斯特林制冷机相关的技术参数,主要有红外探测器▽•●◆组件外形尺寸、重量、红外探测器工作温度、制冷时间、输入功率、控温精度、机械噪声、环境适应性和可靠性等,并结合工程实际应用,指出了红外探测器组件应用中斯特林制冷机选型要重点关注的问题以及红外探测器组件制冷参数设计方法,为更好地应用红外探测器组件提供参考。

  红外探测技术具有隐蔽性好、抗干扰能力强、分辨率高和可昼夜工作等优点,其重要性变得日益显著。作为红外探测技术的核心光电器件一一红外焦平面探测器组件起到越来越重要的作用,成为多年来世界各国国防技术领域重点发展的热点技术之一,并在侦察告警、预警监视、精确制导、火控、夜视、光电对抗及中高空远程防空等军事领域得到广泛应用。

  红外探测器一般需要在低温环境下工作,低温环境可以降低红外探测器噪声,提高红外探测器的灵敏度和分辨率。红外探测器组件制冷方式主要有斯特林制冷、J-T制冷、脉管制冷、半导体制冷和辐射制冷等。斯特林制冷是红外探测器组件军事应用中最广泛采用的制冷方式,本文主要研究基于使用斯特林制冷机的红外探测器组件的制冷参数,并结合部分红外探测器组件应用进行分析,以便更好地提高红外探测器组件工程化应用水平。

  斯特林制冷机是红外探测器组件的重要组成部分,其主要技术指标对红外探测器组件应用有着重要影响。对于不同的红外探测器组件应用,需要明确制冷机需求以便实现系统级的最佳性能。在红外探测器组件主要技术参数设计或制冷机选型时,要充分考虑制冷机因素。表征红外探测器组件的技术指标很多,如平均峰值探测率、有效像元率、响应率不均匀性和噪声等效温差(NETD)等。《GJB7247-2011红外探测器组件通用规范》详细列出了红外探测器组件主要技术参数及检测方法。另外,《GJB5029A-2015斯特林制冷机通用规范》也详细列出了斯特林制冷机主要技术参数和检测方法。在实际应用中,总体用户对红外探测器组件提出的技术指标要求主要参考通用规范要求,同时结合红外探测器组件实际工程应用,针对性地提出一些新要求,涵盖范围可能更广泛些。本文将重点分析和斯特林制冷机相关的技术指标,主要有红外探测器组件外形尺寸、重量、红外探测器工作温度、制冷时间、输入功率、控温精度、机械噪声、环境适应性和可靠性等。下文将对这些技术指标进行详细分析。

  红外探测器组件技术指标一般都会包含外形尺寸和重量要求,这两个指标有一定关联性,本文将一并说明。近年来,制冷型红外探★-●=•▽测器组件发展的一个重要方向就是减小组件的体积、重量和功耗。如手持热◆●△▼●像仪一般用电池供电,对红外探测器组件的体积和重量要求较高,某些小型化手持热像仪对红外探测器组件重量要求到克级。再如部分红外制导应用受空间应用限制,对红外探测器组件外形尺寸和重量要求十分严格。而且,一般红外探测器组件的机械安装接口设计在制冷机上。因此,在考虑红外探测器组件应用时,要对制冷机体积、重量进行分解。制冷机尺寸的减小特别是回热器方向尺寸的减小会导致制冷机性能和制冷效率下降。因此,在做减重设计时,一定要兼顾制冷机的性能、环境适应性和可靠性。在红外探测器组件实际应用时,根据不同类型斯特林制冷机结构特点进行相应选择。旋转集成式斯特林制冷机具有体积小,重量轻、结构紧凑的特点。线性分置式斯特林制冷机相对体积、重量要大些,但由于制冷机连管可以弯曲,为红外探测器组件在整机空间布局设计带来一定的灵活性。

  对于无论是碲镉汞、锑化铟还是其他类型的制冷型红外探测器来说,红外探测器工作温度是一个重要参数。碲镉汞、锑化铟是应用非常广泛的红外探测器材料,该类材料属于窄带半导体,其材料特性决定它需要工作在低温环境下,典型工作温度在77K左右,红外探测器组件工作温度与探测器响应波段有关。一般情况下,在保证探测器性能和使用要求的前提下,红外探测器波长越长,所需工作温度越低,对制冷机的要求也就越高。在实际工程应用中,一般总体用户对红外探测器工作温度不做明确要求,而是通过平均峰值探测率、盲元率和噪声等效温差等指标间接对红外探测器做出了要求,部分长波组件应用会明确红外探测器工作温度,强化技术指标要求。

  在进行红外探测器组件制冷机选型和制▲=○▼冷指标分解时,一定要明确红外探测器工作温度。因为红外探测器组件平均峰值探测率、盲元率、噪声等效温差、可靠性以及制冷机制冷量、制冷时间和输入功率等指标都与红外探测器工作温度有关。随着红外探测器工作温度的提高,斯特林型制冷机的热力学循环效率将得到显著改▪▲□◁善,同时由于沿杜瓦轴向温度梯度减小,杜瓦热负载也将大幅降低,有利于降低制冷组件功耗、体积和重量,提高◆▼组件可靠性。一般情况下,对同一红外探测器组件而言,红外探测器工作温度越高,制冷机制冷量越高、制冷时间越短、输入功率越小、可靠性越高。但对红外探测器而言,制冷工作温度越高,平均峰值探测率越低、盲元率越高、噪声等效温差越大。在实际工程应用中,需要平衡制冷指标与红外探测器指标的关系,寻找红外探测器工作温度的最佳平衡点。

  华北光电技术研究所生产的320×256中波红外探测器组件主要用于手持热像仪、车载、机载和制导等领域,组件照片如图1所示,主要性能指标见表1。

  制冷时间是红外探测器组件重要技术指标之一,在某种程度上决定了红外武器系统的作战响应时间。在红外探测器工作温度确定的情况下,红外探测器组件制冷时间主要取决于制冷机的制冷量和杜瓦组件的热容量。在制冷时间设计上,可用下述简化方法进行设计:

  式中:C为积分常数,通过输入相关边界条件可以得出,将常数代入,可以计算出红外探测器组件制冷时间。

  通过上述分析可知,要想减小制冷时间,就需要提高制冷机制冷量和降低杜瓦组件热容量。而斯特林制冷机一般可以通过提高制冷机充气压力、增大活塞行程和提高制冷机电机运转频率等措施来实现制冷机冷量提升。降低杜瓦组件热容量的主要措施是主要优化冷屏结构、改变冷屏厚度、减少结构件层数和厚度以及优化杜瓦冷头结构设计等。

  红外探测器组件输入功率一般包括最大输入功率和稳态功率,最大输入功率是指组件在降温过程中的最大功耗,稳态功率是指组件控温在红外探测器工作温度时的功耗,体现红外探测器组件长时间工作的能力。输入功率是红外探测器组件最常见的技术指标之一,其影响因素较多,它主要与制冷机制冷能力、杜瓦组件热负载、红外探测器电功耗、红外探测器组件工作温度和环境温度等因素有关。红外探测器组件向低功耗方向发展,如果要降低红外探测器组件输入功率,需要进一步提高制冷机制冷效率、降低杜瓦组件热负载和红外探测器电功耗、提高红外探测器工作▪•★温度。输入功率与组件工作环境温度是密切相关的,一般随着环境温度的升高,组件输入功率增大。在进行红外探测器组件输入功率设计时,需充分考虑全温区输入功率。

  红外探测器组件对红外探测器工作温度非常敏感,微小的工作温度变化都可能带来对探测器噪声的影响,进而影响红外探测器性能。一般用控温精度来表征红外探测器组件工作温度的稳定性。温度变化对红外探测器性能影响程度与波长有关,以碲镉汞红外探测器为例,长波红外探测器组件性能对温度变化十分敏感,而中、短波组件对温度变化要求就相对低些。因为随着波长的延长,其暗电流大幅度增加,一般长波探测器暗电流水平比中波暗电流大3个量级左右。同时暗电流幅值与器件工作温度有关。因此,对于长波探测▼▼▽●▽●器而言,由于▲★-●温度波动带来的暗电流变化更剧烈。

  因为红外探测器组件在绝大多数工程应用中无法做到实时校正,可能会造成由于环境温度的变化引起红外探测器工作温度点漂移,进而影响到组件成像。因此,一般红外探测器组件控温精度要求既包含单一环境温度下的控温精度,同时也要求全温区控温精度。

  红外探测器组件控温精度主要取决于制冷机驱动控制器控温能力,这与驱动控制器的设计以及驱动元器件的温度特性都紧密相连。数字化驱动具有功耗低、抗干扰能力强和参数程序调控等优点,目前被广泛应用。以色列Ricor公司的研制的制冷机数字化驱动控制器在-40℃~+71℃全工作温区控温精度达到±0.1K。另外,制冷机控温精度与制冷机本身机械结构特性也紧密相连,需要优化制冷机结构设计。

  红外探测器组件机械噪声指标主要是提给斯特林制冷机的。因为斯特林制冷机是一种小型精密机械结构,制冷机内有很多运动部件,在制冷机工作过程中,不可避免地会发出一些声音。降低噪声对红外探测器组件特别是手持热像仪、车载红外侦察等领域的红外探测器组件应用具有重要意义。在考虑机械噪声指标时,除了分解到制冷机本身的指标,同时要关注红外探测器组件在系统中的安装使用情况,否则由于不合理的安装可能引起共振进而加大制冷机的机械噪声,最终导致红外探测器组件无法应用。华北光电技术研究所生产的小型化640×512中波红外探测器组件主要用于手持热像仪、车载或机载红外系统,组件照片如图2所示。

  小型化640×512中波红外探测器组件选用XD-2A型旋转集成式斯特林制冷机,通过优化设计制冷机运动部件配合间隙,同时选用径向承载能力更大的轴承,制冷机噪声明显降低。用声级计测量小型化640×512中波红外探测器组件同一平面内4个相距900位置并距组件1.5m处的声压,取4个测量点最大值记为红外探测器组件的机械噪声。上述测量方法可用于红外探测器组件工程化批量生产的噪声控制参考。小型化640×512中波红外探测器组件机械噪声测试具体情况见表2。

  参考《GJB7247-2011红外焦平面探测器制冷组件通用规范》,结合红外探测器组件实际应用,红外探测器组件环境适应性主要包括高温贮存、高温动态、低温贮存、低温动态、温度冲击、低气压、振动、冲击、加速度和电磁兼容性等。另外,对于一些航天应用,一般还会有热真空和抗辐射试验等。

  对于温度应力条件,重点关注高、低温工作条件。在某些密闭系统或机载条件下,红外探测器组件环境工作温度要求可达95℃。红外探测器组件在高温工作时,制冷机制冷量降低,杜瓦组件热耗增大,因此需要重点考虑高温动态条件下的降温时间、输入功率等能否满足指标;红外探测器组件在低温工作时,需要考虑制冷机低温下负载情况,重点关注制冷机能否在极限温度下启动,制冷机驱动元器件能否低温下正常工作以及内部所用胶等的低温使用下限情况,部分机载用户低温工作温度技术指标要求-55℃。以色列RICOR公司针对红外导弹告警系统应用,开发了环境温度110℃正常工作的制冷机,重点从制冷量优化、降温•□▼◁▼时间优化、冷指设计、驱动控制器设计和制冷机机械接口设计及热管理等方面进行详细设计。

  低气压试验主要考核产品在贮存、运输和使用中对◆◁•低气压环境的适应性。一般红外探测器组件用于机载、弹载等领域,会有低气压指标要求。分解△▪▲□△到制冷机时,重点考虑低气压对斯特林制冷机驱动控制元器件工作特性的影响以及制冷机密封性能。

  对于红外探测器组件力学试验条件,需要对制冷机进行力学指标分解。特别对于一些弹用红外探测器组件,需重点关注●红外探测器组件力学条件下的动态适应性。以色列RICOR公司为提高制冷机力学条件下的环境适应性,采取了一系列结构优化措施,并取得较好效果:如K508N制冷机相比K508制冷机增加了制冷机安装面的厚度,进而将红外探测器组件固有频率提高300 Hz以上;K544N制冷机相比K543制冷机,改用4颗螺钉直接将电机固定在压缩机外壳上的方式代替1颗螺钉固定在薄壁外壳上,提高苛刻力学条件下的适应性;优化“C”型金属密封圈设计,提高制冷机密封性。

  电磁兼容性是红外探测器组件应用的一个重要指标。红外探测器组件的电磁干扰主要来源于斯特林制冷机,一方面来源于斯特林制冷机驱动控制器本身对红外探测器的干扰,另一方面斯特林制冷机电机定子或转子由永磁体构成,对红外探测器也可能造成一定干扰。另外,红外探测器组件在应用时,也要考虑整机系统对红外探测器的干扰。针对红外探测器组件电磁兼容性指标,首先要分析判断电磁干扰来源,重点做好斯特林制冷机驱动控制器和电机电磁屏蔽工作,可参考《GJB151B-2013军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》要求进行相关试验验证,并做好相应改进优化设计。

  针对航天应用一般需要进行热真空试验,需重点考虑斯特林制冷机散热,重点是制冷机压缩机、膨胀机热端或直流无刷电机及驱动控制器部分,必要时进行热管散热。

  抗辐照常见技术指标主要有中子辐射、剂量率试验和总剂量试验等。分解到◇…=▲斯特林制冷机,红外探测器组件抗辐射指标主要与制冷机驱动控制器相关。因此,需要对斯特林制冷机驱动元器件进行抗辐照加固设计。

  可靠性是表征红外探测器杜瓦制冷组件(IDDCA组件)性能的主要参数之一,并且逐渐成为红外产品设计的主要关键参数。一般习惯上用MTBF或MTTF来表征。当时间无限长时,MTBF达到了MTTF。红外探测器杜瓦制冷组件主要由以下3个关键部件组成:斯特林制冷机、真空杜瓦和红外焦平面阵列组成,图3表示为可靠性方图,是一种串联模型。红外探测器杜瓦制冷组件可靠性的数学模型为:

  :λi= 1/MTBFi;MTBF为IDDCA组件的平均失效前时间;MTBFi为IDDCA组件中第i个子系统的平均失效前时间;λ为IDDCA组件的总失效率;λi为IDDCA组件中第i个子系统的失效率。

  红外焦平面阵列由读出电路与探测器芯片互连而成,它的主要失效方式是该结构在长时间温度应力冲击(一般常温到77K之间)情况下盲元增多进而导致探测器性能无法满足产品使用要求失效。通过红外探测器制造工艺优化,可有效解决此问题。以华北光电技术研究所生产的中波320×256红外探测器组件为例,开关机试验▼▲15000次,红外探测器主要性能基本没有变化,测试结果见表3。

  真空杜瓦失效方式主要是真空寿命失效,真空寿命失效又包括微杜瓦漏气和内表面放气,现有杜瓦真空寿命工艺至少可以维持10年以上。相对来说,制冷机是红外探测器◇•■★▼组件的薄弱环节。因此,在可靠性指标分配时,需重点考虑制冷机失效的因▷•●素,并采取有效措施,进而确保IDDCA组件的可靠性。

  斯特林制冷机主要失效模式有气体泄漏、工质污染和运动部件磨损等。通过强化密封、加强烘烤除气和提高运动部件耐磨性等措施可以提高斯特林制冷机可靠性。在制冷机选定同时保证红外探测器组件性能够满足使用要求的情况下,通过降低杜瓦热耗、提高探测器组件工作温度提高IDDCA组件可靠性。法国Sofradir公司通过提高红外探测器工作温度来增加红外探测器组件的可靠性,如图4所示,SCORPIO组件探测器工作温度由80K提高到100K,组件寿命增加50%以上。

  结论文中详尽地论述了红外探测器组件应用中与斯特林制冷机相关的技术参数,并结合工程实际应用,指出了红外探测器组件应用中斯特林制冷机选型要重点关注的问题以及红外探测器组件制冷参★◇▽▼•数设计方法,为更好地应用红外探测器组件提供参考。

  声明:该文观点仅代表作者本人,搜狐号系信息发布平台,搜狐仅提供信息存储空间服务。

幸运飞艇

电话
4008-458-884