一種用于極低溫度下的相機(jī)快門(mén)保溫裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種用于極低溫度下的相機(jī)快門(mén)保溫裝置及方法，由導(dǎo)熱率低的金屬腔體，保溫封窗玻璃，導(dǎo)熱率極低的腔體保溫層，溫度采集模塊，加熱模塊，溫度控制模塊構(gòu)成。采用導(dǎo)熱率低的金屬進(jìn)行裝置的腔體設(shè)計(jì)，快門(mén)固定在此結(jié)構(gòu)里面，使用導(dǎo)熱率極低的EPS材料或者聚氨酯發(fā)泡劑把整個(gè)結(jié)構(gòu)包裹起來(lái)，除了保留光路上的空間部分，在快門(mén)保溫裝置的光路入口使用光學(xué)玻璃作為保溫封窗材料。在快門(mén)的上下2個(gè)部分分別安裝上能在低溫工作的加熱片，溫度傳感器根據(jù)需要安裝在快門(mén)附近，通過(guò)溫度采集模塊采集溫度，溫度控制模塊根據(jù)溫度控制加熱模塊加熱，從而使整個(gè)保溫裝置保溫在設(shè)定溫度。利用本發(fā)明，可以在南極或者太空等極端低溫環(huán)境下使用快門(mén)。
【專利說(shuō)明】—種用于極低溫度下的相機(jī)快門(mén)保溫裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及保溫【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及使用各種保溫材料設(shè)計(jì)保溫結(jié)構(gòu)，利用溫度采集模塊和加熱模塊完成相機(jī)快門(mén)保溫裝置，適用于小空間的極低溫度下需要常溫運(yùn)行設(shè)備的場(chǎng)合，特別是科學(xué)級(jí)相機(jī)在南極使用中對(duì)快門(mén)的保溫。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著在極端環(huán)境下的科研設(shè)備及儀器設(shè)備越來(lái)越多，特別的在極低溫度下的南極和太空，有些設(shè)備和部件的運(yùn)行往往有嚴(yán)格的溫度范圍的限制，為了使得這些設(shè)備或者部件能正常運(yùn)行就需要一個(gè)保溫裝置，特別對(duì)于有空間尺寸的限制，需要進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)。比如在南極望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)中，需要使用科學(xué)級(jí)的相機(jī)，一些大幅面的相機(jī)需要使用快門(mén)系統(tǒng)才能工作，而目前快門(mén)的工作條件嚴(yán)格限制在常溫范圍，而快門(mén)作為相機(jī)的一個(gè)部件，其所在空間有著嚴(yán)格的限制，而且需要把對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的影響減小到最低，比如對(duì)成像質(zhì)量的影響，對(duì)調(diào)焦系統(tǒng)的影響等。
[0003]本發(fā)明設(shè)計(jì)的相機(jī)快門(mén)保溫裝置利用不同保溫材料的特性進(jìn)行保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用溫度采集系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)完成相機(jī)快門(mén)保溫裝置。已有的保溫裝置僅僅是一個(gè)保溫盒，不需要考慮空間的限制，不需要考慮光學(xué)系統(tǒng)的影響，而我們的發(fā)明就是在這些條件苛刻的情況下設(shè)計(jì)的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題就是利用各種保溫材料的導(dǎo)熱特性、機(jī)械特性和光學(xué)特性對(duì)快門(mén)保溫裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用溫度采集模塊和加熱模塊完成保持溫度恒定的保溫裝置。
[0005]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種用于極低溫度下的相機(jī)快門(mén)保溫裝置，該相機(jī)快門(mén)保溫裝置由導(dǎo)熱率低的金屬腔體，保溫封窗玻璃，導(dǎo)熱率極低的腔體保溫層，溫度采集模塊，加熱模塊，溫度控制模塊構(gòu)成；所述導(dǎo)熱率低的金屬腔體采用導(dǎo)熱率低的金屬進(jìn)行該相機(jī)快門(mén)保溫裝置的腔體設(shè)計(jì)，快門(mén)固定在所述導(dǎo)熱率低的金屬腔體里面，在所述導(dǎo)熱率低的金屬腔體的外面，使用導(dǎo)熱率極低的EPS材料或聚氨酯發(fā)泡劑把整個(gè)所述導(dǎo)熱率低的金屬腔體包裹起來(lái)；在快門(mén)的上下2個(gè)部分分別安裝上能在低溫工作的加熱片，溫度傳感器根據(jù)需要安裝在快門(mén)附近，溫度采集電路和加熱驅(qū)動(dòng)電路以及溫度控制電路構(gòu)成保溫電子系統(tǒng)，并提供計(jì)算機(jī)接口和可供其他主控設(shè)備控制的控制接口，通過(guò)這些接口可以獲取到保溫裝置各個(gè)溫度傳感器的值，可以設(shè)定腔體目標(biāo)溫度，并通過(guò)控制模塊中的反饋算法驅(qū)動(dòng)加熱系統(tǒng)，使得溫度穩(wěn)定在目標(biāo)值，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)可以閉環(huán)工作的保溫裝置。
[0006]一種應(yīng)用上述極低溫度下相機(jī)快門(mén)保溫裝置的方法，該方法包括:
[0007]步驟(一)快門(mén)保溫腔體設(shè)計(jì)
[0008]快門(mén)保溫腔體需要完成快門(mén)的固定，具有良好保溫性即低熱導(dǎo)率，良好的剛性，在光路上盡量減小對(duì)光的影響，所以保溫腔體的主體結(jié)構(gòu)采用低熱導(dǎo)率的金屬鈦合金，并且鈦合金的比重也相對(duì)較小，可以減輕整體相機(jī)的重量，因此根據(jù)快門(mén)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)腔體結(jié)構(gòu)，在光路上采用熱導(dǎo)率較低的玻璃作為封窗材料，并根據(jù)光譜響應(yīng)的要求進(jìn)行鍍膜；
[0009]步驟(二)保溫腔體外層保溫層設(shè)計(jì)
[0010]雖然腔體采用的是相對(duì)熱導(dǎo)率比較低的鈦合金，但是對(duì)于在極低溫度下，比如在南極平均溫度-60度，極端溫度-85度的情況下，金屬的熱導(dǎo)率還是高了，因此使用導(dǎo)熱率極低的材料設(shè)計(jì)腔體外層保溫層，根據(jù)腔體的結(jié)構(gòu)，使用導(dǎo)熱率極低的EPS材料或者聚氨酯發(fā)泡劑作為外部保溫層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
[0011]步驟(三)保溫電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
[0012]在快門(mén)的上下兩邊各安裝不同厚度的加熱片，在腔體內(nèi)部安裝若干溫度傳感器，溫度采集模塊對(duì)溫度進(jìn)行采集，加熱驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)加熱片進(jìn)行加熱，控制模塊完成對(duì)溫度到加熱功率的閉環(huán)控制，同時(shí)提供計(jì)算機(jī)的控制接口和對(duì)其他主控設(shè)備的控制接口 ；
[0013]步驟(四)通過(guò)控制接口控制
[0014]通過(guò)控制接口提供各種溫度查詢指令，加熱片加熱指令，閉環(huán)溫度控制指令。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0016]通過(guò)采用不同保溫材料的使用以及保溫電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本發(fā)明的快門(mén)保溫裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊，保溫效果好，功耗低，提供各種控制接口，可以方便各種設(shè)備的集成，方便各種主控設(shè)備的控制，能適應(yīng)像南極極夜情況下的極低溫度環(huán)境。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；圖中，I為腔體，2為封裝玻璃，3為快門(mén)，4為加熱片一，5為加熱片二，6為外層保溫層；
[0018]圖2為本發(fā)明的裝配示意圖；
[0019]圖3為圖1中腔體剖面圖；
[0020]圖4為本發(fā)明的保溫電子系統(tǒng)示意圖；
[0021]圖5為圖4中溫度采集模塊結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖6為本發(fā)明的溫度控制框圖。

【具體實(shí)施方式】
[0023]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0024]如圖1所示為本發(fā)明的保溫裝置結(jié)構(gòu)框圖，包括腔體I，封窗玻璃2，快門(mén)3，加熱片一4，加熱片二 5以及外層保溫層6。腔體I采用低熱導(dǎo)率的鈦合金，上面加熱片一 4為厚加熱片，采用適合于低溫的硅橡膠加熱片，下面加熱片二 5為超薄加熱片，采用工業(yè)級(jí)耐高低溫聚酰亞胺加熱片，外層保溫層6采用熱導(dǎo)率極低的EPS材料或者聚氨酯發(fā)泡劑，封窗玻璃采用熱導(dǎo)率低、寬波長(zhǎng)、低光衰減的石英玻璃。圖2為其裝配圖，腔體的結(jié)構(gòu)如圖3所示，為了增加腔體內(nèi)的空間，并保證一定的機(jī)械強(qiáng)度，壁厚為3_左右，其他主要尺寸如圖3所示，腔體的內(nèi)徑和外徑由快門(mén)的具體型號(hào)決定，包括定位孔，根據(jù)快門(mén)的機(jī)械圖來(lái)設(shè)計(jì)。封窗玻璃厚度根據(jù)快門(mén)的口徑來(lái)決定，一般為口徑的大小除以10，單位為毫米，封窗玻璃通過(guò)適合于低溫的密封圈固定在腔體上。加熱片一和加熱片二根據(jù)快門(mén)的大小選擇不同功率的加熱片，快門(mén)尺寸越大，則需要選擇大功率的加熱片，快門(mén)尺寸小，可以選擇小功率的加熱片，加熱片通過(guò)低溫膠固定在腔體上，加熱片一同時(shí)通過(guò)固定孔固定在腔體上，確保加熱片的良好固定。
[0025]保溫電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖4所示，由溫度傳感器，加熱片，溫度采集模塊，加熱驅(qū)動(dòng)模塊，控制模塊組成。溫度傳感器的信號(hào)輸入到溫度采集模塊進(jìn)行溫度采集，并傳輸?shù)娇刂颇K，控制模塊根據(jù)采集到的溫度，控制加熱驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)加熱片發(fā)熱，并最終維持在一個(gè)目標(biāo)溫度上。同時(shí)溫度數(shù)據(jù)可以通過(guò)控制接口輸出給其他主控設(shè)備，其他主控設(shè)備可以通過(guò)指令控制加熱片工作，或者設(shè)定目標(biāo)溫度，使保溫系統(tǒng)閉環(huán)工作。溫度傳感器有PtlOO或者ptlOOO組成，并放置在保溫裝置的不同位置，為了防止加熱片過(guò)熱，在加熱片表面放置一個(gè)溫度傳感器；為了防止快門(mén)控制線圈部分過(guò)熱，在快門(mén)控制線圈上放置一個(gè)溫度傳感器；為了了解快門(mén)整體的工作溫度，需要在腔體的空間部分放置一個(gè)溫度傳感器，保溫裝置的目標(biāo)溫度即為此溫度傳感器的溫度。還可以根據(jù)需要，在其他位置的放置溫度傳感器。
[0026]溫度采集模塊如圖5所示，由惠斯通電橋，放大，ADC，溫度轉(zhuǎn)化等部分組成。溫度傳感器接在惠斯通電橋上，對(duì)于溫度在傳感器上引起的電阻變化通過(guò)惠斯通電橋轉(zhuǎn)化為電壓，電壓通過(guò)放大，然后經(jīng)過(guò)ADC的模數(shù)轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。通過(guò)對(duì)鉬電阻對(duì)溫度阻值的對(duì)應(yīng)表，采用分段線性方法以及O度溫度的校正，獲得溫度的值并輸出。
[0027]溫度控制框圖如圖5所示，有溫度存儲(chǔ)，閉環(huán)控制，脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制，主控，指令解析，接口等組成。接口可以是RS232，也可以是RS485接口，指令通過(guò)接口，指令解析到達(dá)主控部分，主控部分執(zhí)行指令，如獲取溫度指令，則把溫度數(shù)據(jù)返回；閉環(huán)控制指令，則根據(jù)溫度數(shù)據(jù)，對(duì)PWM控制部分進(jìn)行設(shè)定，驅(qū)動(dòng)加熱片工作完成閉環(huán)溫度控制；加熱片驅(qū)動(dòng)指令則直接設(shè)定PWM控制驅(qū)動(dòng)加熱片工作。閉環(huán)控制按分段式處理，在距離目標(biāo)溫度差10度前，采用線性加熱驅(qū)動(dòng)，即給于加熱片恒定的電流，進(jìn)行溫度提升；在達(dá)到距離目標(biāo)溫度10度時(shí)，采用PID控制算法，使得保溫腔能很好的穩(wěn)定在目標(biāo)溫度附近。
[0028]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于極低溫度下的相機(jī)快門(mén)保溫裝置，其特征在于，該相機(jī)快門(mén)保溫裝置由導(dǎo)熱率低的金屬腔體，保溫封窗玻璃，導(dǎo)熱率極低的腔體保溫層，溫度采集模塊，加熱模塊，溫度控制模塊構(gòu)成；所述導(dǎo)熱率低的金屬腔體采用導(dǎo)熱率低的金屬進(jìn)行該相機(jī)快門(mén)保溫裝置的腔體設(shè)計(jì)，快門(mén)固定在所述導(dǎo)熱率低的金屬腔體里面，在所述導(dǎo)熱率低的金屬腔體的外面，使用導(dǎo)熱率極低的EPS材料或聚氨酯發(fā)泡劑把整個(gè)所述導(dǎo)熱率低的金屬腔體包裹起來(lái)；在快門(mén)的上下2個(gè)部分分別安裝上能在低溫工作的加熱片，溫度傳感器根據(jù)需要安裝在快門(mén)附近，溫度采集電路和加熱驅(qū)動(dòng)電路以及溫度控制電路構(gòu)成保溫電子系統(tǒng)，并提供計(jì)算機(jī)接口和可供其他主控設(shè)備控制的控制接口，通過(guò)這些接口可以獲取到保溫裝置各個(gè)溫度傳感器的值，設(shè)定目標(biāo)溫度，并通過(guò)控制模塊中的反饋算法驅(qū)動(dòng)加熱系統(tǒng)，使得溫度穩(wěn)定在目標(biāo)值，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)可以閉環(huán)工作的保溫裝置。
2.一種應(yīng)用權(quán)利要求1所述極低溫度下相機(jī)快門(mén)保溫裝置的方法，其特征在于，該方法包括: 步驟(一)快門(mén)保溫腔體設(shè)計(jì):根據(jù)快門(mén)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)腔體結(jié)構(gòu)，選擇具有滿足需要的保溫性和剛性的材料完成腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 步驟(二)保溫腔體外層保溫層設(shè)計(jì):在極低溫度下，根據(jù)腔體的結(jié)構(gòu)，使用導(dǎo)熱率極低的材料作為外部保溫層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 步驟(三)保溫電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì):在快門(mén)的上下兩邊各安裝不同厚度的加熱片，在腔體內(nèi)部安裝若干溫度傳感器，溫度采集模塊對(duì)溫度進(jìn)行采集，加熱驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)加熱片進(jìn)行加熱，控制模塊完成對(duì)溫度到加熱功率的閉環(huán)控制，同時(shí)提供計(jì)算機(jī)的控制接口和對(duì)其他主控設(shè)備的控制接口； 步驟(四)通過(guò)控制接口控制:通過(guò)控制接口提供各種溫度查詢指令，加熱片加熱指令，閉環(huán)溫度控制指令。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，步驟(一)中所述的保溫腔體外層保溫層設(shè)計(jì)具體為:快門(mén)保溫腔體需要完成快門(mén)的固定，具有良好保溫性即低熱導(dǎo)率，良好的剛性，在光路上盡量減小對(duì)光的影響，所以保溫腔體的主體結(jié)構(gòu)采用低熱導(dǎo)率的金屬鈦合金，并且鈦合金的比重也相對(duì)較小，可以減輕整體相機(jī)的重量，因此根據(jù)快門(mén)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)腔體結(jié)構(gòu)，在光路上采用熱導(dǎo)率較低的玻璃作為封窗材料，并根據(jù)光譜響應(yīng)的要求進(jìn)行鍍膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，步驟(二)中所述的保溫腔體外層保溫層設(shè)計(jì)具體為:雖然腔體采用的是相對(duì)熱導(dǎo)率比較低的鈦合金，但是對(duì)于在極低溫度下，比如在南極平均溫度-60度，極端溫度-85度的情況下，金屬的熱導(dǎo)率還是高了，因此使用導(dǎo)熱率極低的材料設(shè)計(jì)腔體外層保溫層，根據(jù)腔體的結(jié)構(gòu)，使用導(dǎo)熱率極低的EPS材料或者聚氨酯發(fā)泡劑作為外部保溫層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
【文檔編號(hào)】G05D23/20GK104133504SQ201410391129
【公開(kāi)日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年8月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月7日
【發(fā)明者】王堅(jiān), 陳杰, 董書(shū)成, 劉新, 張鴻飛 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)