红外成像仪的非制冷焦平面阵列的有限元分析及优化

摘要

任何高于绝对零度的物体都会辐射红外线，通过对在8～14μm波谱区段的红外辐射谱的探测，并通过电学和光学等方法处理这些信号，就可形成与景物辐射分布对应的热图像。 红外成像系统按照探测原理的不同，可以把传统的红外辐射探测器大致分为两类：量子型和非制冷热型。目前所有量子型的红外辐射探测装置都配有制冷装置，使得其笨重，且价格昂贵。而非制冷热型红外成像仪检测探测器受热后电阻的变化、电容的变化等，像元下面都有读出电路相对应，但制作难度较大。 鉴于以上原因，我们提出了应用光力学原理的、基于M E M S微悬臂梁结构的非制冷型红外焦平面成像系统。该系统主要由三部分组成：1)红外线集像部分：2)由微悬臂梁结构组成的焦平面阵列(Focal Plane Array-F P A)，它通常置于一个真空腔内，两侧分别为透红外线窗口和透检测光窗口：3)光学检测部分。 由微悬臂梁结构组成的红外焦平面成像阵列是该系统的核心技术，F P A由一系列成像像元组成面阵列，每一个像元是由一个方形微镜面和一条或两条固支微悬臂梁组成。包括镜面和梁在内的整个像元由两种热膨胀系数差别很大的材料构成。当成像单元受到红外辐射照射时，入射的红外能量转化为像元镜面和微悬臂梁的温升，从而引起梁的变形，导致像元的转角发生变化。温升不同，每个像元的转角变化也不同，光学检测部分通过检测方形微镜面输出光谱的变化解读出悬臂梁的转角变化及分布，以光强图像的方式将被测物体的温度场显示出来。这个光学图像可以是通过光学系统聚焦在屏幕上的图像：也可以是利用其它光电转换器接收到的图像，如C C D相机或光电二极管接收到的图像。该系统有以下几点明显优势：成本较低;采用光学读出方法对物体的热辐射信号直接进行读取：无外加制冷装置和光电转换电路使得整机系统体积小、重量轻、功耗低。 本论文的工作：红外焦平面阵列的温度场分析，模态分析，结构优化，误差估计等。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1红外热象仪的发展概况

1.2非制冷红外焦平面热成像技术的进展

1.3表面微机械加工技术[12]

1.3.1表面微机械技术的特点

1.3.2牺牲层技术

1.4有限元方法简介

1.4.1有限元法的发展历史

1.4.2有限元法的基本思想

1.4.3有限元法在工程结构分析中的应用

1.4.4有限元法的新发展

1.5通用有限元分析软件软件

1.6 ANSYS简介

1.7本论文的主要工作

第2章传热学基本知识

2.1符号与单位

2.2传热学经典理论回顾

2.3热传递的方式

2.4热分析材料基本属性

2.5稳态传热

2.6瞬态传热

2.7线性与非线性

2.8边界条件和初始条件

2.9热分析误差估计

第3章FPA的设计原则和性能分析

3.1 FPA设计综述[19]

3.2像素的设计原则

3.2.1红外光学

3.2.2微型悬臂梁中的热传递

3.2.3悬臂梁的热机械性能

3.2.4探测帧频率：像素的时间常数

3.2.5总结

3.3噪声分析

3.3.1噪声源概述

3.3.2系统噪声评估

3.4系统性能总结

第4章FPA结构的优化设计及物理特性有限元模拟

4.1优化前微型悬臂梁的有限元分析

4.1.1建立几何模型

4.1.2选择材料参数并划分网格

4.1.3施加载荷并求解

4.2对FPA的结构进行优化

4.3 FPA的热力学模型

4.3.1热学性能

4.3.2热机械性能

4.3.3结构优化设计

4.4 FPA物理特性的有限元模拟

4.4.1热分析温度场分布

4.4.2热应力耦合场分析

4.4结论

第5章误差分析

5.1模型误差分析

5.1.1理论分析

5.1.2模拟验证

5.2结构误差分析

5.3本章小结

第6章总结与展望

6.1工作总结

6.2展望

致谢

参考文献