一种可用于超低温介质环境中的摄像系统的制作方法

1.本实用新型涉及一种摄像系统，具体涉及一种可用于超低温介质环境中的摄像系统。


背景技术：

2.现有摄像系统标称的最低温度一般为-40℃，其正常使用的最低极限温度一般在-60℃～-50℃，最高极限温度为70℃，使用温度受限于此的主要原因是摄像系统内电子元器件的正常使用温度要求，超过此温度范围后电子元器件的故障率将大大提高，从而导致摄像系统无法正常工作。
3.现有技术条件下，电子元器件的使用温度无法适应超低温介质(如液氧、液氮等)环境，而市场上也无相应配套的任何保护装置使其达到在极端环境下工作的目的。液氧的温度为-183℃，液氮为-196℃，由于它们的低温特性，会使与其接触的物质强度下降。现有摄像系统除无法满足该环境的温度要求外，当在超低温环境下发生振动时，更容易导致摄像系统的结构损坏。另外，由于液氧的强氧化性，这也要求所使用的材料与液氧无化学反应，同时也要与液氧有较好的相容性。
4.目前，通过在摄像装置外包覆低导热系数的材料，来降低摄像装置与液氧环境的热量传导，可以保证摄像装置在短时间内正常工作，但由于摄像系统中的电子元器件具有较高的发热功率，随着工作时间的增加，摄像系统内部的温度随之不断升高，亦会导致摄像系统在高温环境下无法正常工作。
5.专利文献cn101854476a公开了一种应用于液氧环境中的摄像系统，所述摄像系统包括光学镜头和图像传感器组成的摄像装置、内层保温装置、外层保温装置。摄像装置固定于内层保温装置中，内层保温装置固定于外层保温装置中。摄像装置与内层保温装置之间，内层保温装置与外层保温装置之间填充聚氨酯，该装置能显著降低摄像系统内部与液氧环境中的热量传导，但该摄像系统长时间工作时，内部电子元器件工作时的热量则无法及时散发，导致摄像系统内部的温度不断升高，最终导致摄像系统无法正常工作。


技术实现要素：

6.本实用新型为解决现有的摄像系统在液氧、液氮等超低温环境下长时间工作时，系统内部电子元器件的热量无法及时导出，而导致摄像系统无法正常工作的技术问题，而提供一种可用于超低温介质环境中的摄像系统，该系统设有单向导热装置，可将系统内的热量单向传导，保证摄像系统能够长时间在常温、高温和超低温环境下正常工作。
7.本实用新型提供的一种可用于超低温介质环境中的摄像系统，包括保温装置和固定于保温装置内的摄像装置，所述摄像装置包括光学镜头及与光学镜头同轴连接的图像传感器，其特殊之处在于：还包括与所述摄像装置连接的单向导热装置，所述单向导热装置固定于保温装置内部，所述图像传感器位于光学镜头和单向导热装置之间；所述光学镜头的一端与保温装置连接；
8.所述单向导热装置包括安装座和设置在安装座内的热双金属片；所述安装座的一端与光学镜头的另一端固连，且与图像传感器上的发热元器件接触，安装座的另一端与保温装置连接；
9.所述热双金属片的一端与安装座连接，另一端与保温装置之间留有间隙，用于在温度达到设定值时与保温装置的侧壁接触，发热元器件的热量通过热传导至安装座上，并在温度达到设定值时通过热双金属片传导至保温装置散热。
10.进一步地，所述保温装置包括壳体，所述光学镜头、图像传感器和单向导热装置依次设置在壳体内，所述光学镜头的一端与壳体连接；壳体靠近光学镜头一端设有第一盖板和透窗，靠近单向导热装置一端设有第二盖板；所述第一盖板和第二盖板分别固定连接于壳体的两端；所述第一盖板为圆环结构，透窗嵌于第一盖板和壳体之间；所述第二盖板的内侧面与安装座的另一端连接，且第二盖板的内侧面与热双金属片之间留有间隙；第二盖板上设置有用于图像传感器的输出引线穿出的出线孔。
11.进一步地，所述安装座为圆环形结构，圆环形结构的中心孔与出线孔对应设置，且中心孔孔径与出线孔的孔径相同；所述圆环形结构一端与图像传感器上的发热元器件接触，圆环形结构另一端的端面上同轴开设有环形槽，所述热双金属片设置在环形槽内，且热双金属片的一端与环形槽的槽底连接；所述环形槽的槽口端面与第二盖板的内侧连接；所述图像传感器的输出引线依次穿过所述中心孔、出线孔引出。
12.进一步地，所述安装座与热双金属片接触的面上涂有导热硅脂，降低了安装座与热双金属片之间的热阻。
13.进一步地，所述安装座与热双金属片的一端通过螺钉固定连接。
14.进一步地，所述壳体与光学镜头连接处设有第一密封圈，第二盖板与安装座连接处设有第二密封圈，以此提升系统整体的密封性。
15.进一步地，所述第一密封圈和第二密封圈为聚四氟乙烯隔热材质，此材质具有良好的液氧相容性、耐低温性能和导热性能。
16.进一步地，所述保温装置与摄像装置和单向导热装置之间形成的空腔填充聚氨酯或抽真空。
17.进一步地，所述第二盖板与安装座之间的环形槽内抽真空。
18.进一步地，所述壳体与第一盖板、透窗及第二盖板之间均用金属材料密封，此方式克服了传统的橡胶密封在低温下的老化失效问题，提高了摄像系统的密封性能，确保电子元器件的工作环境不受影响。
19.与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：
20.1、本实用新型的摄像系统中设置有单向导热装置，单向导热装置包括安装座和设置在安装座内的热双金属片，当摄像系统内部温度低于60℃时，热双金属片与第二盖板之间预留有一定的间隙，避免了外部环境与摄像装置之间的热传导；当温度高于60℃时，热双金属片受热发生形变后与第二盖板紧密接触，可将摄像装置内部电子元器件工作时所产生的热量传至第二盖板，从而实现单向导热，同时，在安装座与热双金属片接触的面上涂有导热硅脂，可进一步提升热量的传递效率，保证摄像系统正常工作。
21.2、本实用新型的摄像系统中，保温装置与摄像装置之间形成的空腔采用聚氨酯发泡材料填充，第二盖板与安装座之间形成的空腔抽真空，以此形成绝热保温的内部结构，有
效地解决了摄像装置的耐低温问题和隔热问题，拓展了摄像装置的使用环境温度。
22.3、本实用新型的摄像系统还可用于常温和瞬时高温等环境下长时间的工作，摄像系统的内部的热量可及时排出，不影响其正常工作，具有很好的市场推广价值。
附图说明
23.图1为本实用新型一种可用于超低温介质环境中的摄像系统实施例的结构示意图；
24.图2为本实用新型一种可用于超低温介质环境中的摄像系统实施例中保温装置结构示意图；
25.图3为本实用新型一种可用于超低温介质环境中的摄像系统实施例中摄像装置结构示意图；
26.图4为本实用新型一种可用于超低温介质环境中的摄像系统实施例中单向导热装置结构示意图。
27.附图标记如下：
28.1-保温装置，11-壳体，12-第一盖板，13-透窗，14-第二盖板，141-出线孔，15-第一密封圈，16-第二密封圈；2-摄像装置，21-光学镜头，22-图像传感器，221-发热元器件；3-单向导热装置，31-安装座，32-热双金属片。
具体实施方式
29.以下结合附图对本实用新型进行详述，附图采用简化的形式且使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实施例的目的，需要说明的是，本实用新型中所用的术语“第一”“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
30.如图1所示，本实用新型提供了一种可用于超低温介质环境中的摄像系统，包括保温装置1和固定于保温装置1内的摄像装置2，摄像装置2包括光学镜头21，及与光学镜头21同轴连接的图像传感器22。
31.结合图1和图4，摄像装置2还连接有单向导热装置3，单向导热装置3固定于保温装置1内部，图像传感器22位于光学镜头21和单向导热装置3之间，光学镜头21的一端与保温装置1连接。
32.单向导热装置3包括安装座31和设置在安装座31内的热双金属片32，安装座31的一端与光学镜头21的另一端固连，且与图像传感器22上的发热元器件221接触，安装座31的另一端与保温装置1连接。热双金属片32为弯曲的双金属片，热双金属片32的一端与安装座31连接，另一端与保温装置1之间留有间隙，用于在温度达到设定值时与保温装置1的侧壁接触，发热元器件221的热量通过热传导至安装座31上，并在温度达到设定值时通过热双金属片32传导至保温装置1散热。
33.结合图1、图2和图3，保温装置1包括壳体11，光学镜头21、图像传感器22和单向导热装置3依次设置在壳体11内，光学镜头21的一端与壳体11连接。壳体11靠近光学镜头21一端设有第一盖板12和透窗13，透窗13采用光学石英玻璃，其理化性能最为稳定，可进一步提高摄像系统的工作稳定性。靠近单向导热装置3一端设有第二盖板14；第一盖板12和第二盖板14分别固定连接于壳体11的两端，第一盖板12和第二盖板14也可直接选用密封插头与壳
体11连接。壳体11与第一盖板12、透窗13及第二盖板14之间均用金属材料密封，本实施例对金属材料的具体材质不做限定，此方式克服了传统的橡胶密封在低温下容易老化失效问题，用金属材料密封将连接处密封，提高了系统的密封性和保温性能，本系统中所有接缝处均可用金属材料密封，以确保系统的保温性能。
34.第一盖板12为圆环结构，透窗13嵌于第一盖板12和壳体11之间；第二盖板14的内侧面与安装座31的另一端连接，且第二盖板14的内侧面与热双金属片32之间留有间隙；第二盖板14上设置有用于图像传感器22的输出引线穿出的出线孔141，确保图像传感器22的输出引线可以通过出线孔141与外接设备连通，从而进行信息的有效传递。
35.结合图1和图4，安装座31为圆环形结构，圆环形结构的中心孔与出线孔141对应设置，且中心孔孔径与出线孔141的孔径相同，圆环形结构一端与图像传感器22上的发热元器件221接触，圆环形结构另一端的端面上同轴开设有环形槽，热双金属片32设置在环形槽内，且热双金属片32的一端与环形槽的槽底连接，二者可通过螺钉固定连接。环形槽的槽口端面与第二盖板14的内侧连接，图像传感器22的输出引线依次穿过中心孔、出线孔141引出。安装座31与热双金属片32接触的面上还涂有导热硅脂，以此降低安装座31与热双金属片32之间的热阻，使得安装座31上的热量快速地传递至热双金属片32上，进而通过第二盖板14顺利散出。
36.本实用新型摄像系统的工作原理是：当摄像系统内部的温度升高时(一般升至60℃及以上时)，摄像装置2中发热电子元器件221散发的热量传至安装座31上，进而传至热双金属片32，热双金属片32受热发生形变与第二盖板14紧密接触，将热量通过第二盖板14散出；当温度降低到60℃以下时，热双金属片32则发生收缩，且与第二盖板14断开接触，以此实现了热量的单向传导，保证摄像系统在正常的温度范围内工作。
37.同时，为了适应低温环境，保温装置1与摄像装置2和单向导热装置3之间形成的空腔填充聚氨酯或抽真空，第二盖板14与安装座31的环形槽之间形成的空腔抽真空，真空状态下没有热传导，而填充的聚氨酯的导热系数极低，类似于抽真空，以此保证摄像系统可在-190～-170℃的极端低温高压环境下正常工作。除此之外，本实施例的摄像系统还可应用于常温或瞬时高温的环境中，其内部热量可及时排出，不影响系统的工作性能。
38.如图1所示，为了提高摄像系统整体的密封性，壳体11与光学镜头21固定部分设有第一密封圈15，与安装座31固定部分设有第二密封圈16，第一密封圈15和第二密封圈16为聚四氟乙烯隔热材质，此材质比热容大、热导率小，可显著降低液氧环境与摄像系统之间的热传导。
39.本实施例中，壳体11、第一盖板12及第二盖板14选择隔热保温材料，一般选用低温环境下性能比较好的奥氏体不锈钢作为结构的主体材料，其具有比热容大、热导率小的特点。光学镜头21结构材料一般选用铝合金，其具有比热容小、导热性能好的特点，同时也具有良好的液氧相容性、耐低温性能和导热性能。
40.本实施例一种可用于超低温介质环境中的摄像系统的装配步骤如下：
41.(1)连接摄像装置2与单向导热装置3，在此之前需先将光学镜头21与图像传感器22固定连接，将安装座31与热双金属片32固定连接，接着将安装座31通过螺纹固定在光学镜头21上，使得图像传感器22的发热元器件221与安装座31的内侧壁面紧密接触，同时，将图像传感器22的输出线通过出线孔141引出。
42.(2)将摄像装置2与单向导热装置3固定安装于保温装置1的壳体11内部，其连接方式为通过螺钉将壳体11与光学镜头21的一端连接，二者连接处垫有第一密封圈15，第一密封圈15选用聚四氟乙烯隔热材质。
43.(3)对壳体11与摄像装置2和单向导热装置3之间形成的空腔填充聚氨酯进行发泡处理。
44.(4)安装透窗13，将透窗13与壳体11固连，安装配合面采用金属材料密封。
45.(5)安装第一盖板12，第一盖板12与壳体11通过螺钉固接，第一盖板12和透窗13的配合面采用金属材料密封。
46.(6)安装第二盖板14，第二盖板14与壳体11之间通过螺钉固连，安装配合面用金属材料密封；第二盖板14与安装座31外侧面之间用第二密封圈16隔热，安装配合面用金属材料密封。
47.(7)安装完成后，安装座31与第二盖板14之间形成的空腔抽真空处理，即可完成摄像系统的整体装配。
48.经测试，该摄像系统使用效果可从其经历的高温和低温环境试验数据来说明。
49.环境试验条件为：
50.(1)将摄像系统置于温度箱内，温度箱内温度保持常温，摄像系统开始加电工作，工作约45min后摄像系统内部温度传感器示数为60℃，此后4h温度传感器示数一直在60℃附近波动；
51.(2)将温度箱以20℃/min的温变速率升至100℃，保持5min后，再以20℃/min的温变速率回至常温，摄像系统内部温度传感器示数略有升高，但未超过70℃，且温度上升有明显延迟；
52.(3)将摄像系统放入杜瓦中进行试验，开始加注液氮直至被浸没，3h后温度平衡于-40℃左右。
53.该摄像系统可工作于温度为-190℃～-170℃的低温液氧压力罐内部，满足压力罐内部0.6mpa的高压要求，也可工作于常温和瞬时高温环境。
54.本实用新型的摄像系统所采用的材料均与液氧有较好的相容性，且结构强度可靠、工作稳定性较高。当摄像系统内部温度低于60℃时，热双金属片32与第二盖板14之间留有间隙，有效降低了液氧环境与摄像系统之间的热传导；当温度高于60℃时，热双金属片32受热发现形变与第二盖板14紧密接触，可快速将摄像装置2中发热电子元器件221散发的热量导出，从而实现单向导热，同时，在安装座31与热双金属片32接触的面上涂有导热硅脂，可进一步提升热量的传递效率，保证摄像系统正常工作。该结构的改进有效解决了摄像系统在液氧、液氮等超低温、高压密闭环境下摄像系统长时间工作的问题，同时也有效解决了摄像系统在常温和瞬时高温环境下工作时，由于内部采用了隔热材料而导致的系统内部电子元器件的热量无法及时导出，从而导致摄像系统在常温和瞬时高温环境下无法长时间工作的问题，具有较高的使用价值。
55.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下，对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型均属于本实用新型的保护范围。