[發(fā)明專利]用于科學(xué)級CCD探測器光電性能測試的制冷方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202111504648.9
• 申請日: 2021-12-10
• 公開（公告）號: CN114370991B
• 公開（公告）日: 2023-05-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 姚萍萍;許孫龍;陳懷軍;于新宇;王羿;孫亮;駱冬根;洪津
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院
• 主分類號: G01M11/02
• 分類號: G01M11/02;F25D31/00
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責(zé)任公司 34101
• 代理人: 陸麗莉;何梅生

1.一種用于科學(xué)級CCD探測器光電性能測試的制冷裝置的制冷方法，是應(yīng)用于CCD探測器光電參數(shù)測試系統(tǒng)中，所述CCD探測器光電參數(shù)測試系統(tǒng)包括：積分球(18)、濾光片(19)、圖像采集裝置(16)、被測CCD探測器(13)、六自由度調(diào)整機(jī)構(gòu)(21)和工控機(jī)(22)；所述濾光片(19)放置在所述積分球(18)的球口處用于對積分球光源進(jìn)行濾光處理；所述被測CCD探測器(13)設(shè)置在所述圖像采集裝置(16)上，用于將積分球的光信號轉(zhuǎn)換為電信號；所述圖像采集裝置(16)通過六自由度調(diào)整機(jī)構(gòu)(21)調(diào)整其六個方位，以獲取所述被測CCD探測器(13)的圖像數(shù)據(jù)并傳送至所述工控機(jī)(22)內(nèi)進(jìn)行圖像實(shí)時存儲與顯示；在所述圖像采集裝置(16)上設(shè)置有制冷裝置(20)，并包括：傳熱組件、制冷組件及自動加熱組件；

所述傳熱組件設(shè)置在圖像采集裝置(16)的面板上，并由導(dǎo)熱銅條(15)、導(dǎo)熱銅板(7)、探測器熱敏電阻(14)，鎖緊螺栓(11)和探測器光闌(12)構(gòu)成；

所述制冷組件由低溫循環(huán)機(jī)(1)、固定板(2)、對角螺釘(3)、隔熱層(4)、進(jìn)水出水管(5)和鋁塊換熱器(6)構(gòu)成；

所述自動加熱組件由薄膜電加熱器(8)、電加熱片控制器(9)和銅板熱敏電阻(10)構(gòu)成；

所述被測CCD探測器(13)的背面通過絕緣導(dǎo)熱墊設(shè)置有導(dǎo)熱銅條(15)，所述導(dǎo)熱銅條(15)通過柔性銅帶連接所述導(dǎo)熱銅板(7)；使得所述被測CCD探測器(13)工作時產(chǎn)生的熱量通過導(dǎo)熱銅條(15)傳遞到導(dǎo)熱銅板(7)上；

所述鋁塊換熱器(6)與所述導(dǎo)熱銅板(7)之間涂導(dǎo)熱硅脂以導(dǎo)熱安裝，使得導(dǎo)熱銅板(7)上熱量傳遞至所述鋁塊換熱器(6)；

所述導(dǎo)熱銅條(15)與所述探測器光闌(12)之間通過所述鎖緊螺栓(11)壓緊固定，在所述導(dǎo)熱銅條(15)的中間開槽內(nèi)粘貼有所述探測器熱敏電阻(14)，用于采集被測CCD探測器(13)的工作溫度；

所述圖像采集裝置(16)的上表面通過固定板(2)和對角螺釘(3)安裝有所述隔熱層(4)；所述鋁塊換熱器(6)通過所述隔熱層(4)隔熱安裝在圖像采集裝置(16)的上表面，使得所述圖像采集裝置(16)和被測CCD探測器(13)之間形成溫度隔離；

所述導(dǎo)熱銅板(7)的橫臂上粘貼有所述銅板熱敏電阻(10)，用于采集導(dǎo)熱銅板(7)的溫度；在導(dǎo)熱銅板(7)的表面橫向粘貼有所述薄膜電加熱器(8)并由所述電加熱片控制器(9)控制工作，使得所述薄膜電加熱器(8)能對導(dǎo)熱銅板(7)進(jìn)行溫度補(bǔ)償；

所述鋁塊換熱器(6)通過所述進(jìn)水出水管(5)與所述低溫循環(huán)機(jī)(1)連接，并在所述低溫循環(huán)機(jī)(1)與待控溫的鋁塊換熱器(6)之間形成封閉的循環(huán)水路，用于冷卻鋁塊換熱器(6)上的熱量，使得被測CCD探測器(13)工作在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)；

除所述低溫循環(huán)機(jī)(1)、進(jìn)水出水管(5)和電加熱片控制器(9)外，其余部件均設(shè)置在密閉的屏蔽箱(17)內(nèi)，并在制冷過程中利用高純氮?dú)饩S持所述屏蔽箱(17)中的正壓狀態(tài)，以防止被測CCD探測器(13)結(jié)露，其特征在于，所述制冷方法包括如下步驟：

步驟1：利用所述銅板熱敏電阻(10)采集導(dǎo)熱銅板(7)的當(dāng)前溫度，并與設(shè)定的溫度閾值進(jìn)行比較，若當(dāng)前溫度大于設(shè)定的溫度閾值，則所述薄膜電加熱器(8)不工作，否則，由所述電加熱片控制器(9)控制所述薄膜電加熱器(8)進(jìn)行加熱，以對所述導(dǎo)熱銅板(7)進(jìn)行溫度補(bǔ)償；

步驟2：利用所述探測器熱敏電阻(14)測量所述被測CCD探測器(13)在k時刻的工作溫度；

步驟3：所述低溫循環(huán)機(jī)(1)計算設(shè)定的溫度ε與k時刻的工作溫度之間的偏差e(k)并進(jìn)行判斷，若偏差的絕對值|e(k)|大于設(shè)定的溫度ε時，所述低溫循環(huán)機(jī)(1)利用式(1)進(jìn)行時間最優(yōu)控制，得到k時刻輸出的控制量U(k)，反之，所述低溫循環(huán)機(jī)(1)利用式(2)進(jìn)行PID模糊控制，得到k時刻輸出的控制量U(k)；

式(1)中，u_max為低溫循環(huán)機(jī)(1)輸出的最大控制量；

式(2)中，K_p為比例可調(diào)參數(shù)，T_I為積分可調(diào)參數(shù)，T_d微分可調(diào)參數(shù)；

利用歸一參數(shù)整定法對PID控制表達(dá)式進(jìn)行整定，將式(2)簡化為式(3)：

式(3)中，T₀為采樣時間，e(k-1)為(k-1)時刻的溫度偏差，e(k-2)為(k-2)時刻的溫度偏差；

步驟4：所述低溫循環(huán)機(jī)(1)根據(jù)k時刻輸出的控制量U(k)對鋁塊換熱器(6)進(jìn)行制冷，得到的制冷量通過導(dǎo)熱銅板(7)傳遞至所述導(dǎo)熱銅條(15)再對所述被測CCD探測器(13)進(jìn)行制冷。