太陽敏感器光電探測組件裝配結構及安裝方法

2023-10-26 05:22:02 1

專利名稱：：太陽敏感器光電探測組件裝配結構及安裝方法
技術領域：
：本發明涉及太空飛行器姿態控制技術，尤其涉及太陽敏感器光電探測組件裝配結構及安裝方法。
背景技術：
：太陽敏感器是測量太陽視線與運動載體某一體軸或平面之間夾角的一種姿態敏感器，在太陽能利用、太空飛行器姿態控制中有廣泛的應用。新型數字式太陽敏感器主要由以單個小孔或多個小孔透光的光學掩模、互補式金屬氧化半導體(CMOS)或電荷藕合器件(CCD)圖像傳感器及其信號處理電路組成。其工作原理為太陽光線經光學掩模的小孔透射到CMOS圖像傳感器上形成光斑。太陽光線的入射角度不同，光斑位置就不同，信號處理電路通過對這種光斑圖像的處理和姿態測算，得到衛星相應的姿態角。太陽敏感器光電探測組件的裝配結構要保證設備各項技術指標的實現，同時實現結構簡單可靠，滿足航天惡劣的力學環境(強振動、衝擊和加速度)和熱學環境(極端高、低溫)的要求。具體來說就是要求光學掩模到圖像傳感器成像面的焦距在誤差允許範圍內保持不變，並要求光學掩模不會旋轉移位、光學掩模不能因強振動、衝擊、材料熱脹冷縮特性不一致等情況而破碎、掩模的透光小孔不會被揮發物質所汙染。同時要求光學掩模裝配工藝的可操作性強，光學掩模的鍍膜不會在裝配過程中被劃傷或汙染。現有太陽敏感器光電探測組件的裝配結構有由圖像傳感器生產廠家特定製作的將光學掩模與圖像傳感器做成一體，圖像傳感器本身就帶有具有特定要求的光學掩模。釆用該裝配結構的有荷蘭的TNO—TPD公司，這種裝配結構需要特殊定做，費用極高且靈活性差，更改光學掩模設計參數時需要同時更換圖像傳感器；另一種裝配結構是美國JPL實驗室所釆用的，將光學掩模粘貼在圖像傳感器上方，這種裝配結構可靠性低，且光學掩模與圖像傳感器成像面之間焦距誤差大，從而降低太陽敏感器姿態測量精度。
發明內容有鑑於此，本發明的主要目的在於提供一種太陽敏感器光電探測組件裝配結構，使太陽敏感器滿足惡劣的航天力學和熱學環境要求，以保證太陽敏感器能安全、可靠地工作。本發明的另一目的在於提供一種太陽敏感器光電探測組件裝配結構的安裝方法，以便正確和規範地裝配太陽敏感器光電探測組件，同時，使太陽敏感器的光學掩模不被劃傷或汙染，以保證太陽敏感器性能。為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的一種太陽敏感器光電探測組件裝配結構，該裝配結構包括有殼體、焊有圖像傳感器的電路板、光學掩模和壓蓋，其中，殼體上部設有置放光學掩模的安裝孔，安裝孔底部外側設有四個焦距固定柱，壓蓋設有中心孔，壓蓋外沿設有安裝螺孔；所述壓蓋通過安裝螺孔固定於殼體上，光學掩模通過壓蓋固定，焊有圖像傳感器的電路板安裝於殼體的底部內腔，並通過所述四個焦距固定柱進一步固定，圖像傳感器接收穿過壓蓋中心孔並透過光學掩模的光。上述方案中，所述光學掩模為圓柱狀白寶石材料，且該光學掩模的一面為拋光面，另一面為蝕刻有一個或一個以上透光小孔的鍍膜面。上述方案中，所述光學掩模置放於安裝孔，具體為鍍膜面朝向圖像傳感器一側，拋光面朝外置放。上述方案中，所述殼體上部安裝孔的內徑大於所置放的光學掩模的直徑0.5mmlmm。上述方案中，所述光學掩模與殼體安裝孔的安裝面之間設有粘貼膠，該粘貼膠為型號為GD414的矽橡膠。上述方案中，所述光學掩模與壓蓋之間設有彈性墊圈，該彈性墊圈為真空彈性墊圈。一種太陽敏感器光電探測組件裝配結構的安裝方法，該方法包括如下步驟a、清潔圖像傳感器、電路板、殼體安裝孔及光學掩模；b、標記光學掩模，並將該光學掩模粘貼在安裝位置；c、安裝並固定光學掩模；d、將焊有圖像傳感器的電路板安裝在殼體內部凸臺上，同時將電路板固定在焦距固定柱上。步驟a所述清潔圖像傳感器、電路板、殼體安裝孔及光學掩模，具體為用吹氣球將安裝圖像傳感器的電路板、光學掩模和圖像傳感器上的灰塵、多餘物吹乾淨，並用酒精將安裝孔的安裝面清洗乾淨。步驟b所述標記光學掩模並將該光學掩模粘貼在安裝位置，具體為在殼體安裝孔的安裝面上塗覆厚度小於0.5mm的矽橡膠；使光學掩模鍍膜面朝上放置在擦鏡紙上，然後取少量矽橡膠，沿兩個透光小孔中心連線在光學掩模的側面做兩個標記點；在擦鏡紙上使光學掩模拋光面朝上放置，用鑷子夾緊光學掩模使兩個標記點的連線與太陽敏感器殼體的一條邊保持平行，將光學掩模放在塗有矽橡膠的安裝面上。步驟c所述安裝並固定光學掩模具體為將準備好的彈性墊圈放置在光學掩模上方，並將壓蓋放置在彈性墊圈的上方，放置20分鐘後，將壓蓋的安裝螺釘擰緊固定。本發明所提供的太陽敏感器光學組件裝配結構及裝配方法，具有以下優點1)本發明釆用的粘貼膠，其高強度、粘貼性好的特性有效防止了光學掩模的旋轉移位，同時還起到了防振和密封作用；另外，由於該粘貼膠的無腐蝕、無揮發性的特性保證了光學掩模免受汙染。2)本發明通過彈性墊圈、粘貼膠以及安裝孔內徑0.5mmlmm的位置預留，有效防止了光學掩模因強衝擊、振動和材料熱脹冷縮特性不一致而破碎，提高了太陽敏感器的可靠性。3)本發明通過分布在圖像傳感器四周的四個焦距固定柱，保證了光學掩模與圖像傳感器之間焦距的穩定性，有效提高了太陽敏感器的精度性能。4)本發明的裝配結構採用的材料造價低，因而降低了太陽敏感器的成本。5)本發明的裝配結構安裝方法簡單，所用到的工具均為常規工具，因而容易實現，可操作性強。圖1為本發明太陽敏感器光電探測組件裝配結構的剖面示意圖；圖2為本發明實施例的光學掩模示意圖；圖3為本發明實施例的光學掩模結構示意圖；圖4(a)為本發明太陽敏感器光電探測組件裝配結構正視圖示意圖；圖4(b)為本發明太陽敏感器光電探測組件裝配結構底視圖示意圖；圖5為本發明實施例光學掩模的標記位置示意圖。具體實施方式下面結合附圖及實施例對本發明的方法作進一步詳細的說明。圖1為本發明太陽敏感器光電探測組件裝配結構的剖面示意圖，如圖1所示，該光電探測組件裝配結構，包括電路板l、圖像傳感器2、光學掩模4、彈性墊圈5、壓蓋6、太陽敏感器殼體7以及與太陽敏感器殼體7—體的焦距固定柱71。其中，該裝配結構的殼體7由硬鋁LY12材料製成，殼體7的底部是一個帶有凸臺的矩形空腔，殼體7的上部中心設有一圓形安裝孔，該安裝孔用於置放光學掩模4、彈性墊圈5和壓蓋6;殼體7底部空腔內的四個角設有安裝凸臺，用以將電路板1安裝於殼體7上。在空腔底部內側，所述安裝孔的外圍分布有四個焦距固定柱71,所述焦距固定柱71用於進一步固定焊有圖像傳感器2的電路板l，從而保證光學掩模4與圖像傳感器2之間焦距的穩定性；圖像傳感器2可接收光學掩模4的透光孔所透射進來的光，在圖像傳感器2表面形成光斑；所述壓蓋6為一中空壓柱且壓柱的外沿上設有安裝螺孔，所述壓蓋6通過安裝螺孔固定於殼體上，所述光學掩模4通過壓蓋6固定於安裝孔中。所述殼體上部安裝孔的內徑大於所置放的光學掩模的直徑0.5土0.1mm。下面分別對太陽敏感器光電探測組件的裝配結構中的各組件的作用進行分別說明電路板l，用於固定圖像傳感器2和相應的信號處理電路。圖像傳感器2，用於獲取透過掩模4照射在其上形成的太陽光斑圖像。粘貼膠3，用於塗敷在光學掩模4與殼體安裝孔的安裝面之間，有效地防止了光學掩模旋轉位移，同時還起到了密封和防振作用。所述粘貼膠是型號為GD414的矽橡膠，該矽橡膠是一種高強度、粘貼性好、無腐蝕的單組分室溫硫化矽橡膠，具有優良的電絕緣性能、密封性能和耐老化性能，可在-6(TC20(TC的溫度範圍內長期應用，其硫化時間為10~70分鐘，拉伸強度^3.9Mpa,拉斷伸長率^300%，剪切強度^1.5Mpa，撕裂強度^1.2xl04N/m。由於這種膠無腐蝕、無揮發，保證了掩模透光小孔不被揮發物所汙染。所塗粘貼膠的厚度小於0.5mm，以減小其彈性誤差。光學掩模4，用於選擇性地使特定波長的光透射到下方的圖像傳感器2上,以便於根據圖像傳感器2的圖像信號經過處理電路測算太空飛行器相應的姿態角。圖2為本發明實施例的光學掩模示意圖，如圖2所示，所述光學掩模是由直徑約為12.5士0.1mm、厚度約為0.5mm的圓柱狀的白寶石材料製成的。圖3為本發明實施例的光學掩模結構示意圖，如圖3所示，該光學掩模4的一面是鍍膜面41，其居中蝕刻有兩個透光小孔42,光學掩模4的另一面是經過處理的拋光面43。為防止鍍膜面劃傷或汙染，置放光學掩模，使其鍍膜面朝圖像傳感器，拋光面朝外安裝。彈性墊圈5，用於墊放在光學掩模4的拋光面與壓蓋6之間保護光學掩模4不會因為振動、衝擊等外力而破碎。壓蓋6,用於固定彈性墊圈5、光學掩模4及粘貼膠3，使之相互間保持位置穩定不發生相對位移。殼體7,用於裝配光學掩模等組件及固定電路板l。所述殼體是由金屬材料，如硬鋁LY12製成，其光學掩模安裝孔的安裝面內徑為9土0.1mm,外徑為13土0.1mm,其外徑比光學掩模直徑大0.5±0.1mm，所設計的裝配尺寸能夠有效避免由於機殼材料與光學掩模材料兩者間熱膨脹係數不一致而可能導致光學掩模破碎的危險。焦距固定柱71，用於進一步固定焊接有圖像傳感器的電路板1，從而保證光學掩模與圖像傳感器焦距之間的穩定性。所述焦距固定柱為4個，每個固定柱截面尺寸為5mmx5mm,其均布在圖像傳感器的四周並且離圖像傳感器的距離小於5mm。焊接在電路板上的圖像傳感器通過電路板上的安裝孔和所述4個固定柱，固定在光學掩模的正下方，電路板通過殼體四個角的安裝凸臺安裝於殼體上。固定柱的高度與凸臺的高度一致，均為7mm,其高度由太陽敏感器的視場範圍確定。這樣的裝配結構有效保證了光學掩模與圖像傳感器成像面的焦距在誤差允許範圍內保持不變。圖4(a)為本發明太陽敏感器光電探測組件裝配結構正視圖示意圖，如圖4(a)所示，可以看出，本實施例壓蓋的安裝螺孔是通過呈十字對稱分布的四個十字沉頭螺釘將壓蓋6固定在殼體7上的。圖4(b)為本發明太陽敏感器光電探測組件裝配結構底視圖示意圖，如圖4(b)所示，可以看出，電路板1通過四個螺釘和殼體四個角的安裝凸臺，安裝於殼體底部的空腔內。電路板l中部圖像傳感器四周的四個呈十字對稱的螺釘進一步固定在焦距固定柱71上，從而保證光學掩模到圖像傳感器距離的穩定性。'以上為太陽敏感器光電探測組件裝配結構的描述，下面對所述裝配結構的安裝方法進行說明。太陽敏感器光學掩模屬於光學器件，其鍍膜面很容易被劃傷或汙染，掩模的鍍膜面上居中蝕刻有兩個透光小孔。太陽敏感器在應用中要求兩個小孔的中心連線與太陽敏感器殼體的一邊儘可能平行，因為光學掩模的鍍膜面朝圖像傳感器方向安裝，在拋光面一側又無法看到兩個透光小孔，所以掩模安裝方向的控制有一定難度。考慮上述不利因素，本發明太陽敏感器光電探測組件裝配結構的安裝方法，是通過如下安裝過程實現的步驟501:清潔圖像傳感器、電路板、殼體安裝孔及光學掩模。具體為用吹氣球將安裝圖像傳感器的電路板、光學掩模和圖像傳感器上的灰塵、多餘物吹乾淨，並用酒精將安裝孔的安裝面清洗乾淨。步驟502:標記光學掩模，並將該光學掩模粘貼在指定的安裝位置。所述標記光學掩模，具體為在殼體安裝孔的安裝面上塗適量矽橡膠，要求塗的均勻且厚度小於0.5mm，在擦鏡紙上使光學掩模鍍膜面朝上放置，取很少量的矽橡膠，沿兩個透光小孔中心連線在掩模的側面做兩個標記點，圖5為本發明實施例光學掩模的標記位置示意圖，如圖5所示，標記點51和標記點52的位置。所述放入指定安裝位置，具體為在擦鏡紙上使光學掩模拋光面朝上放置，用鑷子夾緊掩模使兩個標記點的連線與太陽敏感器殼體的一邊保持平行，將其放在塗有適量矽橡膠的安裝孔安裝面上。步驟503:安裝並固定光學掩模。具體為將準備好的彈性墊圏放置在圖像傳感器上方，將壓蓋放置在彈性墊圈的上方，放置20分鐘左右後，將壓蓋的安裝螺釘擰緊固定。步驟504:安裝焊有圖像傳感器的電路板。具體為通過電路板四個角的安裝螺孔和殼體上的安裝凸臺，用十字螺釘將電路板安裝在殼體上，並通過電路板中部圖像傳感器四周均勻分布的安裝螺孔用十字螺釘進一步固定在四個焦距固定柱上。釆用上述光電探測組件裝配結構和工藝的太陽敏感器，在煙臺航天513所通過了隨機振動、正弦振動、衝擊、加速度、常壓熱循環和真空熱循環的航天環境實驗，具體實驗條件如下表1隨機振動試驗條件tableseeoriginaldocumentpage11表3衝擊響應試驗條件tableseeoriginaldocumentpage112表4加速度試驗條件tableseeoriginaldocumentpage11表5常壓熱循環試驗條件tableseeoriginaldocumentpage12經過上述力學和熱學環境後的測試後，光學掩模無破碎、無旋轉移位，經測量光學掩模與圖像傳感器之間距離變化小於lOpm,光學掩模的透光小孔沒有被汙染。以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。權利要求1、一種太陽敏感器光電探測組件裝配結構，其特徵在於，該裝配結構包括有殼體、焊有圖像傳感器的電路板、光學掩模和壓蓋，其中，殼體上部設有置放光學掩模的安裝孔，安裝孔底部外側設有四個焦距固定柱，壓蓋設有中心孔，壓蓋外沿設有安裝螺孔；所述壓蓋通過安裝螺孔固定於殼體上，光學掩模通過壓蓋固定，焊有圖像傳感器的電路板安裝於殼體的底部內腔，並通過所述四個焦距固定柱進一步固定，圖像傳感器接收穿過壓蓋中心孔並透過光學掩模的光。2、根據權利要求l所述的裝配結構，其特徵在於，所述光學掩模為圓柱狀白寶石材料，且該光學掩模的一面為拋光面，另一面為蝕刻有一個或一個以上透光小孔的鍍膜面。3、根據權利要求1或2所述的裝配結構，其特徵在於，所述光學掩模置放於安裝孔，具體為鍍膜面朝向圖像傳感器一側，拋光面朝外置放。4、根據權利要求1或2所述的裝配結構，其特徵在於，所述殼體上部安裝孔的內徑大於所置放的光學掩模的直徑0.5mmlmm。5、根據權利要求1或2所述的裝配結構，其特徵在於，所述光學掩模與殼體安裝孔的安裝面之間設有粘貼膠，該粘貼膠為型號為GD414的矽橡膠。6、根據權利要求l或2所述的裝配結構，其特徵在於，所述光學掩模與壓蓋之間設有彈性墊圈，該彈性墊圈為真空彈性墊圏。7、一種太陽敏感器光電探測組件裝配結構的安裝方法，其特徵在於，該方法包括如下步驟a、清潔圖像傳感器、電路板、殼體安裝孔及光學掩模；b、標記光學掩模，並將該光學掩模粘貼在安裝位置；c、安裝並固定光學掩模；d、將焊有圖像傳感器的電路板安裝在殼體內部凸臺上，同時將電路板固定在焦距固定柱上。8、根據權利要求7所述裝配結構的安裝方法，其特徵在於，步驟a所述清潔圖像傳感器、電路板、殼體安裝孔及光學掩模，具體為用吹氣球將安裝圖像傳感器的電路板、光學掩模和圖像傳感器上的灰塵、多餘物吹乾淨，並用酒精將安裝孔的安裝面清洗乾淨。9、根據權利要求7所述裝配結構的安裝方法，其特徵在於，步驟b所述標記光學掩模並將該光學掩模粘貼在安裝位置，具體為在殼體安裝孔的安裝面上塗覆厚度小於0.5mm的矽橡膠；使光學掩模鍍膜面朝上放置在擦鏡紙上，然後取少量矽橡膠，沿兩個透光小孔中心連線在光學掩模的惻面做兩個標記點；在擦鏡紙上使光學掩模拋光面朝上放置，用鑷子夾緊光學掩模使兩個標記點的連線與太陽敏感器殼體的一條邊保持平行，將光學掩模放在塗有矽橡膠的安裝面上。10、根據權利要求7所述裝配結構的安裝方法，其特徵在於，步驟c所述安裝並固定光學掩模具體為將準備好的彈性墊圈放置在光學掩模上方，並將壓蓋放置在彈性墊圈的上方，放置20分鐘後，將壓蓋的安裝螺釘擰緊固定。全文摘要本發明公開了一種太陽敏感器光電探測組件裝配結構，涉及太空飛行器姿態控制技術。該裝配結構包括殼體(7)、焊有圖像傳感器(2)的電路板(1)、光學掩模(4)和壓蓋(6)；其中，殼體(7)上部設有置放光學掩模(4)的安裝孔，安裝孔底部外側設有四個焦距固定柱，壓蓋(6)上設有安裝螺孔；所述壓蓋通過安裝螺孔固定於殼體上，所述光學掩模通過壓蓋固定，焊有圖像傳感器的電路板安裝於殼體凸臺上，並通過所述四個固定柱進一步固定；圖像傳感器接收光學掩模鍍膜面上的透光孔所透過的光，形成太陽像光斑。本發明還公開了一種基於所述裝配結構的安裝方法。該裝配結構可以保證太陽敏感器能安全、可靠地工作。文檔編號H01L21/52GK101118916SQ20071012114公開日2008年2月6日申請日期2007年8月30日優先權日2007年8月30日發明者孫華濤,張廣軍,張曉敏,樊巧雲,潔江,魏新國申請人:北京航空航天大學