無基底焦平面陣列性能分析與研究.pdf

1、光學(xué)讀出非制冷紅外成像技術(shù)因其低成本和高性能近年來廣泛受到關(guān)注?；谠摷夹g(shù)，本課題組提出并成功設(shè)計(jì)制作出的無基底焦平面陣列結(jié)構(gòu)(Focal PlaneArray,FPA)，不僅簡化了制作工藝，而且大幅度提升了成像性能。在課題組已有工作基礎(chǔ)上，本文在無基底FPA的熱機(jī)械振動(dòng)噪聲、熱學(xué)性能與熱機(jī)械性能方面進(jìn)行了學(xué)習(xí)和研究。
　　 因無基底FPA為單層膜結(jié)構(gòu)，固有頻率值低，可能會(huì)引起熱機(jī)械振動(dòng)噪聲(NETDTM)，導(dǎo)致噪聲等效溫度差(

2、NETD)上升。為解決這一問題，本文提出區(qū)域加強(qiáng)、框架加強(qiáng)和混合加強(qiáng)這三種改進(jìn)的加強(qiáng)梁結(jié)構(gòu)，借助有限元簡化模型和激光位移傳感器，通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證實(shí)這三種結(jié)構(gòu)可以大幅度提升FPA固有頻率值(從74Hz提升至835Hz，404Hz和1120Hz)，NETDTM降低約兩個(gè)數(shù)量級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)了對FPA的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　 為獲得較為準(zhǔn)確的FPA固有頻率，解決計(jì)算機(jī)性能方面的限制，本文提出了一種簡潔的FPA有限元簡化模型。并通過實(shí)驗(yàn)

3、結(jié)果與有限元結(jié)果的比較，驗(yàn)證了簡化模型的有效性。此模型極大地縮短了模擬計(jì)算所需的時(shí)間，為FPA進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)的探討分析提供了便利。
　　 本文還利用有限元法熱應(yīng)力分析功能，發(fā)現(xiàn)了無基底FPA比傳統(tǒng)的有基底FPA在熱轉(zhuǎn)化效率、熱機(jī)械響應(yīng)上的巨大優(yōu)勢，并據(jù)此修正了基于恒溫基底假設(shè)的物理分析模型，包括感熱單元的總熱導(dǎo)和熱機(jī)械響應(yīng)公式。
　　 在熱學(xué)性能方面，由于無基底FPA的框架熱導(dǎo)和梁熱導(dǎo)皆在10-8W/K這一數(shù)量級(jí)上，與有

4、基底模型的無窮大熱導(dǎo)相比，其框架熱導(dǎo)大幅度減小，因而不能忽略支撐框架的熱導(dǎo)在無基底FPA中的作用。此時(shí)，框架可等效于一段與熱隔離梁串聯(lián)的熱阻，它有效降低了感熱單元的總熱導(dǎo)，提高了感熱單元的溫升效果。另外，框架還通過熱擴(kuò)散使相鄰單元產(chǎn)生了“預(yù)溫升”現(xiàn)象，它通過線性疊加大幅度提高了感熱單元的溫升。這些特性使得無基底FPA的熱轉(zhuǎn)化效率大幅度得到提升，約為有基底FPA的兩倍之多。
　　 在熱機(jī)械性能方面，由于無基底FPA的支撐框架是變溫