阅读说明：本技术 一种高真空低温环境下的光学斩波器 (A kind of optical chopper under high vacuum low temperature environment ) 是由 刘玉芳 李龙飞 于坤 张凯华 赵保林 于 2019-08-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高真空低温环境下的光学斩波器,包括低温斩波片、腔内转轴、双轴输出伺服电机、腔外转轴、常温斩波片、U型光电开关和控制器,经过通光孔的弱辐射光信号被均匀地调制成交变的辐射光信号,此时通过固定在常温斩波片周边的U型光电开关实时读取出常温斩波片的转动频率即低温斩波片的转动频率,并输入控制器转化成能够被锁相放大器识别的交变参考电信号,从而使锁相放大器完成对待测目标辐射信号的识别和放大。本发明可以在高真空低温环境下将微弱的辐射光信号调制为频率已知的交变的辐射光信号,从而进行识别和放大。(The invention discloses the optical choppers under a kind of high vacuum low temperature environment, including low temperature copped wave piece, intracavitary shaft, twin shaft exports servo motor, chamber outer shaft, room temperature copped wave piece, U-shaped optoelectronic switch and controller, the radiation optical signal of alternation is equably modulated by the weak radiation optical signal of light hole, read out the rotational frequency i.e. rotational frequency of low temperature copped wave piece of room temperature copped wave piece in real time by being fixed on the U-shaped optoelectronic switch on room temperature copped wave piece periphery at this time, and input controller is converted to the alternation reference electrical signal that can be phase locked amplifier identification, to make lock-in amplifier complete identification and amplification to target emanation signal to be measured.Faint radiation optical signal modulation can be the radiation optical signal of alternation known to frequency under high vacuum low temperature environment by the present invention, to be identified and be amplified.)

一种高真空低温环境下的光学斩波器

技术领域

本发明属于低温及信号调制技术领域，具体涉及一种高真空低温环境下的光学斩波器。

背景技术

在用直接法测量材料的辐射特性，尤其是测量低温辐射特性时，由于材料自身的热辐射能量比较弱，通常测量信号很容易淹没在噪声信号里，导致无法得到真实有效的测量值。目前实验室在测量过程中一般采用斩波器和锁相放大器将辐射弱信号从噪声信号中提取出来，并做放大处理。这种方法广泛应用于常温和中高温的材料辐射特性测量，然而在温度较低的测量过程中，如果斩波器不处于低温环境下，那么斩波片的温度就会比要测量的目标还要高，此时斩波片本身就成为了一个直接的热干扰源，会严重影响目标辐射的测量精度。想要减小斩波片自身的热辐射对测量信号的影响，目前有两种方法：1、尽可能减小斩波片的发射率；2、降低斩波片的温度，使其在较大程度上低于待测目标的温度。第一种方法实现较为简单，但减小斩波片的发射率就意味着增大其反射率，而反射率的增加会增大杂散光的影响，为测量系统增加多个难以评估的干扰源。第二种方法理论上能够很好地解决低温辐射信号测量的问题，但目前市场上还找不到能够适用于高真空低温的光学斩波器，同时找不到能够在高真空低温环境下高速运行的私服电机，无法搭建低温下的斩波调制系统。

发明内容

本发明在低温辐射测量需求的基础上提出了一种成本低廉且易于实现的高真空低温环境下的光学斩波器。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种高真空低温环境下的光学斩波器，其特征在于包括低温斩波片、腔内转轴、双轴输出伺服电机、腔外转轴、常温斩波片、U型光电开关和控制器，其中低温斩波片处于真空腔内，该低温斩波片与伺服电机一侧输出轴通过腔内转轴同轴连接，低温斩波片安装于两个相对设置的内部布有液氮管道的制冷外壳之间，两个制冷外壳与低温斩波片之间通过热辐射达到热平衡状态，以实现对低温斩波片的降温，相对设置的制冷外壳上设有通光孔，通过制冷外壳通光孔的微弱辐射光信号经旋转的低温斩波片被均匀地调制成交变的辐射光信号；伺服电机、常温斩波片和U型光电开关均处于真空腔外，该常温斩波片与伺服电机另一侧输出轴通过腔外转轴同轴连接，常温斩波片周边设有用于实时监测常温斩波片转动频率的U型光电开关，由于低温斩波片与常温斩波片同轴连接，故低温斩波片与常温斩波片具有相同的转动频率，通过将U型光电开关采集的低温斩波片的转动频率输入控制器并转化成能够被锁相放大器识别的交变参考电信号，从而使得锁相放大器完成对待测目标辐射信号的识别和放大。

进一步优选，所述伺服电机的转速能够达到3000r/s。

进一步优选，所述腔内转轴与高真空腔的连接处通过磁流体密封。

进一步优选，所述低温斩波片与常温斩波片同轴连接且结构一致，其厚度均为1mm，两个制冷外壳的相对侧分别设有与低温斩波片相配的深度为1.5mm的圆形凹槽，低温斩波片设置于两个制冷外壳相对扣合组装形成的厚度为3mm的圆柱型腔体内以实现低温斩波片在圆柱型腔体内自由转动，该低温斩波片的温度低于-100℃。

进一步优选，所述制冷外壳上开有直径为25mm的通光孔，制冷外壳以及低温斩波片上均喷涂有高发射率的黑漆，用于增加制冷外壳与低温斩波片之间的热辐射且不增加杂散光的影响。

本发明现有技术相比的优势在于：

1、本发明提出的高真空低温环境下的光学斩波器可以在高真空低温环境下将微弱的辐射光信号调制为频率已知的交变的辐射光信号，从而进行识别和放大。

2、本发明提出的高真空低温环境下的光学斩波器在调制光信号的同时，低温斩波片温度大幅度低于目标温度，且低温斩波片以及制冷外壳周围都喷涂高发射率涂层，所以不增加杂散光的影响。

3、本发明采用两个完全相同的低温斩波片和常温斩波片同轴连接并实时监测，解决了高真空低温环境下难以监测斩波频率的问题。

4、本发明使用的双轴输出伺服电机放置在常温常压环境下运行，不需要伺服电机达到苛刻的条件，易于实现且成本较低。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中低温斩波片与制冷外壳的组装分解图；

图3是本发明中低温斩波片与制冷外壳组装后的结构示意图。

图中：1-低温斩波片；2-腔内转轴；3-伺服电机；4-腔外转轴；5-常温斩波片；6-U型光电开关；7-控制器，8-制冷外壳，9-通光孔，10-真空腔。

具体实施方式

结合附图详细描述本发明的技术方案，如图1所示，本发明提出的高真空低温环境下的光学斩波器具体包括低温斩波片1、腔内转轴2、双轴输出伺服电机3、腔外转轴4、常温斩波片5、U型光电开关6和控制器7，该高真空低温环境下的光学斩波器能够在高真空腔10内正常工作，且低温斩波片1温度低于-100℃；所述高真空低温环境下的光学斩波器采用的伺服电机3设置在高真空腔10外，其转速能够达到3000r/s；所述高真空低温环境下的光学斩波器具有两个同轴连接且结构相同的斩波片，一个处于高真空低温环境为低温斩波片1，该低温斩波片1与伺服电机3一侧输出轴通过腔内转轴2同轴连接，另一个处于常温常压环境为常温斩波片5，该常温斩波片5与伺服电机3另一侧输出轴通过腔外转轴4同轴连接；所述腔内转轴2与高真空腔10的连接处通过磁流体密封；所述低温斩波片1安装在两个相对设置的内部布有液氮管道的制冷外壳8中间，低温斩波片1的厚度为1mm，两个相对设置的制冷外壳8的相对侧均设有一个深1.5mm且与低温斩波片1相配的圆形凹槽，低温斩波片1可在两个制冷外壳8相对扣合组装形成的厚度为3mm的圆柱型空腔内自由转动；相对设置的制冷外壳8上开设有直径25mm的通光孔9，制冷外壳8以及低温斩波片1上均喷涂有高发射率的黑漆，用于增加制冷外壳8与低温斩波片1之间的热辐射同时不增加杂散光的影响；两个相对设置的制冷外壳8与低温斩波片1之间通过热辐射最终达到热平衡状态，进而实现低温斩波片1的降温，同时由于低温斩波片1在高速转动，尽管通光孔9会在一定程度上影响低温斩波片1温度大小，但不会破坏其温度均匀性；所述低温斩波片1和常温斩波片5同轴连接且结构一致，由于低温斩波片1和常温斩波片5在轴向具有相同的安装位置，故低温斩波片1和常温斩波片5具有相同的转动频率和相位；所述常温斩波片5周边设有用于实时监测常温斩波片5转动频率的U型光电开关6，由于低温斩波片1与常温斩波片5同轴连接，故低温斩波片1与常温斩波片5具有相同的转动频率和相位，通过将U型光电开关6采集的低温斩波片1的转动频率输入控制器7并转化成能够被锁相放大器识别的交变参考电信号，从而使得锁相放大器完成对待测目标辐射信号的识别和放大。

下面结合附图对几个重要组成部分做进一步的说明；如图1和图2所示，所述高真空低温环境下的光学斩波器的低温斩波片及其两侧的制冷外壳均处于高真空腔内，而伺服电机、常温斩波片和U型光电开关均处于高真空腔外，其中低温斩波片和伺服电机一侧输出轴采用腔内转轴同轴连接，常温斩波片和伺服电机另一侧输出轴通过腔外转轴同轴连接，用于实现低温斩波片和常温斩波片的转动频率一致，腔内转轴与高真空腔的连接处采用磁流体密封。

如图2和图3所示，当低温斩波器各部件安装好后，两个制冷外壳连接起来后中间刚好留有一个可以供低温斩波片自由转动的圆柱型空腔。在高真空环境中，制冷外壳与低温斩波片之间只能通过热辐射进行换热，首先，开启伺服电机，使低温斩波片按照预设频率高速转动；其次，向两个制冷外壳内部排列的液氮管道中通入液氮，对制冷外壳降温。由于低温斩波片高速转动，低温斩波片均匀地向制冷外壳进行热辐射降温，同时外界辐射穿过通光孔照射到低温斩波片上，又会在一定程度上使低温斩波片升温，经过一段时间后，低温斩波片最终达到热平衡状态。由于通光孔的口径很小，且低温斩波片在高速转动，外界辐射只会在一定程度上使低温斩波片温度小幅度上升，不会破环低温斩波片的温度均匀性，同时不会因为温度不均匀导致斩波片平面发生形变。

当低温斩波片达到热平衡以后，经过通光孔的微弱辐射光信号被均匀地调制成交变的辐射光信号，此时通过固定在常温斩波片周边的U型光电开关实时读取出常温斩波片的转动频率即低温斩波片的转动频率，并输入控制器转化成能够被锁相放大器识别的交变参考电信号，从而使锁相放大器完成对待测目标辐射信号的识别和放大。

以上显示和描述了本发明的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围。