红外热成像仪的热特性分析及热控设计

发布时间：2020-08-19 17:15

【摘要】：随着红外热成像技术的不断发展,红外热成像仪已经广泛的应用于各行各业中。对于安防用红外热成像仪,由于其常年工作在室外,环境温度的扰动将对引起其内部红外光学系统成像质量发生变化。因此,需要研究红外热成像仪在环境温度与其内部热源叠加时其内部的温度场的分布情况,以及由此引起的光机元件的热变形及热应力对红外光学系统成像质量的影响。根据分析结果为红外热成像仪设计相应的热控措施,对提高红外热成像仪的工作稳定性具有重要意义。本文主要利用光机热集成分析方法对处于各环境温度场下的红外热成像仪整机进行分析。首先建立了红外热成像仪整机有限元模型,并利用热分析软件ANSYS ICEPAK分析得到了红外热成像仪在各环境温度下的温度分布。利用分析得到的结果,在ANSYS WORKBENCH中对红外热成像仪进行了热—结构耦合分析,分析得到了红外热成像仪在非均匀温度场下光机元件的热变形及热应力,以及光学系统中镜片中心厚度、镜片间隔的变化。其次,为了分析红外镜头中镜片面形的变化对红外光学系统成像质量的影响,利用Zernike多项式作为有限元软件与光学软件的接口。在有限元分析结果中提取了镜面节点数据,通过Zernike多项式拟合得到了前37项Zernike系数。最后,将得到的镜片中心厚度、间隔变化以及各面的Zernike系数带入到光学设计软件ZEMAX中对红外光学系统的成像质量变化进行了分析。根据成像质量分析的结果,有针对性的对红外热像仪进行了热控设计,保证了红外热成像仪在外界环境温度变化时内部的温度。为了验证分析结果的准确性,对红外光热成像仪进行了整机高低温成像实验。实验结果表明,红外热成像仪在高低温情况下的成像质量与仿真分析得到的结果相一致,证明了分析方法的准确性。
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH744.1
【图文】：

电磁波谱

波段为 0.38~0.78μm。波长小于 0.38μm的电磁波称为紫外线，波长电磁波称为红外线，这两种光线人眼都无法感知。红外线又称为红在 0.75~1000μm的电磁波。红外电磁波谱的发现是从近红外(0.78(1~2.5μm)逐步扩展到中波红外(3~5μm)、长波红外(8~14μm)的[7]。着三个重要的红外“窗口”，分别为 1~3μm、3~5μm 和 8~13μm 三也就是说这三个波段的红外辐射光线不会被大气吸收[8]。 1800 年英国天文学家郝谢耳(Herschel)发现红外线的热效应以来，射做了大量研究。一般而言，温度高于绝对零度(-273℃)的物体，其空间中不停的向外辐射着红外线。在我们生活的环境中，天空、太等都是红外辐射源，道路上行驶的汽车、海上的船舶等同样也是红类自身以及其它动物也是红外辐射源。总之，红外辐射无处不在，间[9]。

示意图,整机,示意图,支撑板

建立红外热成像仪的三维模型，然后通过集成在PRO/E 与 ANSYS Workbench的接口将三维模型导入到 ANSYS Workbench中进行热分析和结构静力学分析。红外热成像仪的整机三维模型如图3.1 所示，其外形尺寸约为360 × φ172，其防水防尘等级为 IP66，整机密封。红外热成像仪的内部结构如图 3.2 所示。红外热成像仪主要由法兰盘、红外镜头组件、红外探测器、内部电路组件、支撑板、壳体、后板、顶板、安装座以及航空插头组成。红外镜头以及内部电路组件安装在支撑板上，再将支撑板放入壳体中。红外热成像仪前端通过密封垫和法兰盘进29

内部结构,导钉,镜片,压圈

红外热成像仪中红外镜头二维结构如图3.3所示。光学元件为镜片1和镜片2，机械元件主要为压圈、镜筒、电机、电机座、导钉、调焦环、调焦筒、探测器接口等。压圈 1 通过压紧密封圈使镜片 1 紧靠在镜筒上，密封圈可以起到防水防尘的作用，镜片 2 由压圈直接压紧与调焦筒中。调焦环和调焦筒之间通过导钉连接，当电机转动时，调焦环转动带动导钉在镜筒的凸轮槽移动，从而使调焦筒实现沿轴向的往复运动。接口主要用于与红外探测器相连接。该红外镜头属于定焦红外镜头，其光学系统如图 3.4 所示，其光学性能如表 3.1 所示。该红外光学系统有两30

【参考文献】