專利名稱：一種用于列車軸溫探頭的紅外光子探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測量技術(shù)，涉及對用于列車軸溫探頭的光敏部件的改進(jìn)。
目前已有的采用了光子探測器的一種列車軸溫探頭結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。在探頭殼體8內(nèi)有光學(xué)組件殼體7、電路盒10和電纜接頭9。在光學(xué)組件殼體7中有濾光片5、凸透鏡6和作為光敏部件的光子探測器，它由浸沒透鏡3和粘接在浸沒透鏡3平面中心的光敏元1A組成(參見圖1)。光路設(shè)計(jì)保證光敏元1A位于光學(xué)系統(tǒng)的焦點(diǎn)上。光敏元1A是采用銻化銦或碲鎘汞材料制成的光敏電阻，其兩端各有一個由可閥制成的引腳以便引出信號。這種光子探測器僅有一個光敏元，為了解決溫度漂移的問題，必須采用復(fù)雜的電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償，因而響應(yīng)速度低、溫度補(bǔ)償效果差。對于低速列車的軸溫可以進(jìn)行準(zhǔn)確探測，但不能適應(yīng)高速列車的需要。當(dāng)火車高速運(yùn)行時，由于光敏元的熱遲滯作用，導(dǎo)致響應(yīng)曲線畸變，響應(yīng)靈敏度下降，進(jìn)而導(dǎo)致軸溫測量的誤差增大，對可能存在的事故隱患不能及時、準(zhǔn)確預(yù)告。國外有一種軸溫探測用的光子探測器，適用于高速列車，它采用半導(dǎo)體制冷器穩(wěn)定光敏元的環(huán)境溫度，導(dǎo)致價格高昂，而且可靠性低。
本發(fā)明的目的是，針對僅具有光敏元的單元光子探測器溫度漂移的問題，提供一種具有補(bǔ)償元的雙元光子探測器結(jié)構(gòu)，徹底解決光子探測器的溫度漂移問題，使其適應(yīng)各種速度下列車軸溫的探測需要。同時又具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易推廣的特點(diǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種紅外光子探測器，包括一個浸沒透鏡、一個由銻化銦或碲鎘汞制成的光敏元、該光敏元由浸沒膠固定在浸沒透鏡的中心，光敏元帶有兩個由可閥制成的引腳，其特征在于，在光敏元的附近固定著一個補(bǔ)償元，它與光敏元所用的材料、結(jié)構(gòu)尺寸以及使用的浸沒膠完全相同，補(bǔ)償元與光敏元之間的距離為0.8～3mm，補(bǔ)償元帶有兩個由可閥制成的引腳。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，響應(yīng)速度快，既適用于靜止目標(biāo)也適用于高速運(yùn)行目標(biāo)的測量。具有自補(bǔ)償功能，受環(huán)境溫度變化的影響小，不需制冷，所需的外加電路簡單，易于推廣應(yīng)用。本發(fā)明光子探測器不僅可應(yīng)用于列車軸溫探測，也可應(yīng)用于任何輻射目標(biāo)的溫度實(shí)時測量。


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圖1a是本發(fā)明光子探測器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1b是圖1a的側(cè)視圖。
圖2是安裝了光子探測器的列車軸溫探頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3a、3b、3c是封裝后的光子探測器的外形示意圖，其中圖3b是金屬封裝的光子探測器的剖面圖，圖3a是圖3b的右側(cè)視圖，圖3c是圖3b的左側(cè)視圖。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
參見圖1、圖2、圖3。光子探測器是列車軸溫探頭的核心部件，它由浸沒透鏡3和粘接在透鏡上的光敏元件組成。已有的光子探測器僅有一個光敏元1A，其溫度漂移大。本發(fā)明的光子探測器采用了雙元結(jié)構(gòu)，在光敏元1A的附近設(shè)置了第二個光敏元件即補(bǔ)償元1B。浸沒透鏡采用高折射率的材料，能對目標(biāo)的紅外輻射有較寬的光譜透過范圍。浸沒透鏡的半徑一般為5～8mm，折射率為n＝3～4左右。
光敏元和補(bǔ)償元必須由浸沒膠固定在浸沒透鏡上，所用的浸沒膠(固體介質(zhì))應(yīng)保證兩元芯片與浸沒透鏡有同樣良好的光學(xué)接觸，避免全反射，同時可以使由于環(huán)境溫度變化或通電后自熱引起的應(yīng)力變化對芯片的影響相同。使其阻值以同樣的規(guī)律變化，從而減小測量時的漂移和誤差。浸沒膠的折射率為n＝2.5～3。浸沒膠具有與浸沒透鏡相同的光譜透過范圍。光敏電阻芯片光敏元1A和補(bǔ)償元1B采用光敏的半導(dǎo)體材料做成，可采用的材料如銻化銦、碲鎘汞。光敏元1A和補(bǔ)償元1B最好取自于同一晶片。從而保證電阻具有非常的接近的溫度系數(shù)和電阻率。同時，從尺寸精度上保證其阻值非常的接近。這樣可以減小輸出受環(huán)境溫度變化的漂移。光子探測器的兩元阻抗在70Ω～200Ω之間。不能過大和過小，否則探測器的響應(yīng)率會有所下降。兩元阻抗的差異要小于1％。芯片的形狀可以為正方形或者其他形狀。當(dāng)采用正方形時，邊長為0.1～0.2mm，厚度0.05～0.1mm。對兩元進(jìn)行浸沒時應(yīng)保證光敏元1A在光學(xué)系統(tǒng)的焦點(diǎn)上，保證補(bǔ)償元1B不在焦點(diǎn)上，不能受到光照。兩元之間的距離應(yīng)介于0.8～3mm之間，以便保證浸沒后兩元所受的應(yīng)力相同。
探測器可以采用金屬殼體封裝，用加玻璃絕緣子的可伐作為兩元芯片的引出管腳，把圖1所示的部分封裝于金屬殼體內(nèi)。封裝后的外形如圖3所示。參見圖3b，金屬殼體11封裝著探測器，引出管腳12與金屬殼體11之間有玻璃絕緣子絕緣。殼體11內(nèi)有絕緣填充物13。封裝好的探測器和其他全部光學(xué)組件安裝在光學(xué)組件殼體7中。
對光子探測器的供電電流不能過大，否則會由于自熱的原因，引起阻抗的不穩(wěn)定。一般供電電流為5～10mA。
圖1中補(bǔ)償元1B位于光敏元1A的下方，事實(shí)上它可以在滿足要求的任何方向。因?yàn)楣饷粼酒笮?、浸沒透鏡半徑可根據(jù)目標(biāo)距離的遠(yuǎn)近、前端所加光學(xué)系統(tǒng)的情況和探測點(diǎn)的大小通過嚴(yán)格計(jì)算確定，所以光敏元芯片大小、浸沒透鏡半徑可以根據(jù)實(shí)際情況做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。
在配以適當(dāng)?shù)碾娐泛?，補(bǔ)償元1B能對光敏元1A進(jìn)行非常有效的補(bǔ)償。芯片在加浸沒后，再用金屬殼體封裝，用外加絕緣的可伐作為兩元的引出管腳?？梢酝ㄟ^外加電阻和兩元器件構(gòu)成惠斯登電橋。然后加一恒壓電源，在對電橋的輸出進(jìn)行儀用直流放大輸出，這樣可以降低器件的噪聲，減小器件的溫度漂移。在配以適當(dāng)?shù)姆糯箅娐芬约肮鈱W(xué)系統(tǒng)，更加有效的利用探測器的性能，獲得較高的信噪比。
下面給出一些具體的設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)例。

本發(fā)明光子探測器在7mA偏置電流、500K黑體、800Hz調(diào)制頻率的測試條件下已經(jīng)達(dá)到如下技術(shù)指標(biāo)1.阻抗70～200Ω2.兩元阻抗的差異＜1％3.噪聲＜0.05μV4.響應(yīng)率＞1000V/W
5.歸一化探測率＞5×109cm·Hz1/2·W-1經(jīng)測試，安裝了本發(fā)明的列車軸溫探頭達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如下1.靈敏度(靜態(tài))50mV/℃2.系統(tǒng)噪聲Vp-p≤5mV3.信噪比(溫差5℃時)S/N＞30dB4.零點(diǎn)漂移(10分鐘)≤100mV5.適用車速5-400km/h6.工作溫度范圍-40℃-+70℃7.輸出阻抗R0＜200Ω本發(fā)明的光子探測器完全滿足了各種車速下列車軸溫探測的需要。
權(quán)利要求
1.一種紅外光子探測器，包括一個浸沒透鏡[3]、一個由銻化銦或碲鎘汞制成的光敏元[1A]、該光敏元[1A]由浸沒膠固定在浸沒透鏡[3]的中心，光敏元[1A]帶有兩個由可閥制成的引腳，其特征在于，在光敏元[1A]的附近固定著一個補(bǔ)償元[1B]，它與光敏元[1A]所用的材料、結(jié)構(gòu)尺寸以及使用的浸沒膠完全相同，補(bǔ)償元[1B]與光敏元[1A]之間的距離為0.8～3mm，補(bǔ)償元[1B]帶有兩個由可閥制成的引腳。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外光子探測器，其特征在于，所說的光敏元[1A]和補(bǔ)償元[1B]的形狀均為相同的正方形，邊長為0.1～0.2mm，厚度為0.05～0.1mm。
全文摘要
本發(fā)明屬于測量技術(shù),涉及對用于列車軸溫探頭的光敏部件的改進(jìn)。本發(fā)明包括一個浸沒透鏡、一個由由浸沒膠固定在浸沒透鏡的中心的光敏元、其特征在于,在光敏元的附近固定著一個補(bǔ)償元,它與光敏元所用的材料、結(jié)構(gòu)尺寸以及使用的浸沒膠完全相同。本發(fā)明響應(yīng)速度快,具有自補(bǔ)償功能,受環(huán)境溫度變化的影響小,易于推廣應(yīng)用。
文檔編號B61K9/04GK1370704SQ0110414
公開日2002年9月25日 申請日期2001年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月22日
發(fā)明者馬德軍 申請人:中國空空導(dǎo)彈研究院