-196-+100℃高低温摄像装置低温性能实验研究

    1 引 言

    由于最终要暴露在太空恶劣的环境中长期工作，经历剧烈的冷热交变冲击，航天装置被发射升空前需在地面环境模拟实验室内进行运动性能测试。另外如低温医学系统中工作于液氮环境中的仪器设备，也必须耐受 －196 ℃ 的恶劣工况场合。为了实时观测目标空间内部工作设备或者被测运动装置的运行状况，需要在舱室内部安装可视化监控装置。通常的摄像监视装置及照明设备无法在高温、低温或者高低温交变的恶劣环境中工作，特别是摄像机的 CCD 或CMOS 成像感光元件无法在 － 40 ℃ 以下或 55 ℃ 以上工作，电路及焊点在高低温环境下易出现故障等。传统的做法是，采用在目标试验室或杜瓦上开设观察窗，如 Jin 等［1］用置于常温大气空间的 CMOS 相机透过观察窗记录液氮沸腾的气泡分离率; Rousset［2］等利用光学纤维照明试验器件并特制低温内窥镜传递图像到常温的摄像装置，但一般适合小型装置，如观测液氮、液氦等小尺度流道内流动及沸腾状况。对于空间内较大尺寸的设备运行情况监控应用有一定困难。

    本研究的可视化装置可在高低温环境模拟试验室内部工作，不仅有利于观察隐蔽区域( 观察窗的死角) 的目标，大大扩展视野，而且可基本消除因观察窗开孔引起的漏热及气密性问题，从而对内部系统造成尽量小的影响; 而且可有效地提高试验系统的安全性，对内部情况进行实时实地的连续跟踪。空间模拟环境试验室为高低温交变环境，从液氮温度 －196 ℃到 +100 ℃。这就要求可视化监视装置既能满足高温工况的隔热条件，又能满足低温工况下的绝热保温要求，保证内部感光元件及照明设备处于 － 30—+ 50 ℃ ，并正常工作。

    2 实验装置设计

    本研究设计并加工了 －196 ℃至 +100 ℃环境下耐高低温摄像监视装置，结构形式如图 1 所示。实验装置由内外筒组成，外筒为薄璧不锈钢圆筒，内筒采用 0． 15 mm 薄璧不锈钢波纹管。相比直管，波纹管可在保证机械强度满足真空度要求的前提下大幅减小传热面积，同时较大地增长传热路径，从而有效减小从外界漏入内腔的热量。内外筒抽真空度至 10－ 4Pa 数量级，形成高真空绝热结构。内外筒体一侧端面均为玻璃法兰视窗，另一侧端面为金属端盖法兰。为了便于安装与拆卸，试镜法兰和端盖法兰均采用螺栓预紧连接方式，并通过无氧铜密封圈实现密封，高真空检漏率小于 10－ 10Pa·m3/ s。摄像器件悬空置于圆柱形绝热装置的内筒内，由三角形聚四氟乙烯板固定，如图 2a 所示，通过 3 个支点与内筒壁面接触，减小漏热。摄像器件采用常规视频摄像头，集成低散热主动 LED 光源，感光器件面向透明试镜玻璃，用于待测区域的成像。内筒装置内部布置两支 PT100 铂电阻温度计，其一位于摄像头壁面上，另一布置于内筒壁，两支温度计径向位置相同，以便具有可比较性地实时观测记录装置内部温场变化情况。将 24 V/80 W 柔性聚酰亚胺电加热膜均匀覆于内筒内壁面，用作主动加热热源。摄像器件电源及信号引线、电加热膜引线由薄璧不锈钢回气通道引出至室温端，并由三通接头通过密性航空接插件与外界测量仪器连接;回气通道也可与真空泵系统连接，对波纹管内筒进行抽真空。为了在高温工况时对波纹管内筒提供冷量，采用进气通道输送常温干燥氮气，进气通道进入内筒腔体后，采用环形散气结构，该结构侧面开设多个出气孔，用于均匀冷却摄像器件。装置工作情况整体图如图 2b 所示。