专利名称：：太阳敏感器光电探测组件装配结构及安装方法
技术领域：
：本发明涉及航天器姿态控制技术，尤其涉及太阳敏感器光电探测组件装配结构及安装方法。
背景技术：
：太阳敏感器是测量太阳视线与运动载体某一体轴或平面之间夹角的一种姿态敏感器，在太阳能利用、航天器姿态控制中有广泛的应用。新型数字式太阳敏感器主要由以单个小孔或多个小孔透光的光学掩模、互补式金属氧化半导体(CMOS)或电荷藕合器件(CCD)图像传感器及其信号处理电路组成。其工作原理为太阳光线经光学掩模的小孔透射到CMOS图像传感器上形成光斑。太阳光线的入射角度不同，光斑位置就不同，信号处理电路通过对这种光斑图像的处理和姿态测算，得到卫星相应的姿态角。太阳敏感器光电探测组件的装配结构要保证设备各项技术指标的实现，同时实现结构简单可靠，满足航天恶劣的力学环境(强振动、冲击和加速度)和热学环境(极端高、低温)的要求。具体来说就是要求光学掩模到图像传感器成像面的焦距在误差允许范围内保持不变，并要求光学掩模不会旋转移位、光学掩模不能因强振动、冲击、材料热胀冷缩特性不一致等情况而破碎、掩模的透光小孔不会被挥发物质所污染。同时要求光学掩模装配工艺的可操作性强，光学掩模的镀膜不会在装配过程中被划伤或污染。现有太阳敏感器光电探测组件的装配结构有由图像传感器生产厂家特定制作的将光学掩模与图像传感器做成一体，图像传感器本身就带有具有特定要求的光学掩模。釆用该装配结构的有荷兰的TNO—TPD公司，这种装配结构需要特殊定做，费用极高且灵活性差，更改光学掩模设计参数时需要同时更换图像传感器；另一种装配结构是美国JPL实验室所釆用的，将光学掩模粘贴在图像传感器上方，这种装配结构可靠性低，且光学掩模与图像传感器成像面之间焦距误差大，从而降低太阳敏感器姿态测量精度。
发明内容有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种太阳敏感器光电探测组件装配结构，使太阳敏感器满足恶劣的航天力学和热学环境要求，以保证太阳敏感器能安全、可靠地工作。本发明的另一目的在于提供一种太阳敏感器光电探测组件装配结构的安装方法，以便正确和规范地装配太阳敏感器光电探测组件，同时，使太阳敏感器的光学掩模不被划伤或污染，以保证太阳敏感器性能。为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的一种太阳敏感器光电探测组件装配结构，该装配结构包括有壳体、焊有图像传感器的电路板、光学掩模和压盖，其中，壳体上部设有置放光学掩模的安装孔，安装孔底部外侧设有四个焦距固定柱，压盖设有中心孔，压盖外沿设有安装螺孔；所述压盖通过安装螺孔固定于壳体上，光学掩模通过压盖固定，焊有图像传感器的电路板安装于壳体的底部内腔，并通过所述四个焦距固定柱进一步固定，图像传感器接收穿过压盖中心孔并透过光学掩模的光。上述方案中，所述光学掩模为圆柱状白宝石材料，且该光学掩模的一面为抛光面，另一面为蚀刻有一个或一个以上透光小孔的镀膜面。上述方案中，所述光学掩模置放于安装孔，具体为镀膜面朝向图像传感器一侧，抛光面朝外置放。上述方案中，所述壳体上部安装孔的内径大于所置放的光学掩模的直径0.5mmlmm。上述方案中，所述光学掩模与壳体安装孔的安装面之间设有粘贴胶，该粘贴胶为型号为GD414的硅橡胶。上述方案中，所述光学掩模与压盖之间设有弹性垫圈，该弹性垫圈为真空弹性垫圈。一种太阳敏感器光电探测组件装配结构的安装方法，该方法包括如下步骤a、清洁图像传感器、电路板、壳体安装孔及光学掩模；b、标记光学掩模，并将该光学掩模粘贴在安装位置；c、安装并固定光学掩模；d、将焊有图像传感器的电路板安装在壳体内部凸台上，同时将电路板固定在焦距固定柱上。步骤a所述清洁图像传感器、电路板、壳体安装孔及光学掩模，具体为用吹气球将安装图像传感器的电路板、光学掩模和图像传感器上的灰尘、多余物吹干净，并用酒精将安装孔的安装面清洗干净。步骤b所述标记光学掩模并将该光学掩模粘贴在安装位置，具体为在壳体安装孔的安装面上涂覆厚度小于0.5mm的硅橡胶；使光学掩模镀膜面朝上放置在擦镜纸上，然后取少量硅橡胶，沿两个透光小孔中心连线在光学掩模的侧面做两个标记点；在擦镜纸上使光学掩模抛光面朝上放置，用镊子夹紧光学掩模使两个标记点的连线与太阳敏感器壳体的一条边保持平行，将光学掩模放在涂有硅橡胶的安装面上。步骤c所述安装并固定光学掩模具体为将准备好的弹性垫圈放置在光学掩模上方，并将压盖放置在弹性垫圈的上方，放置20分钟后，将压盖的安装螺钉拧紧固定。本发明所提供的太阳敏感器光学组件装配结构及装配方法，具有以下优点1)本发明釆用的粘贴胶，其高强度、粘贴性好的特性有效防止了光学掩模的旋转移位，同时还起到了防振和密封作用；另外，由于该粘贴胶的无腐蚀、无挥发性的特性保证了光学掩模免受污染。2)本发明通过弹性垫圈、粘贴胶以及安装孔内径0.5mmlmm的位置预留，有效防止了光学掩模因强冲击、振动和材料热胀冷缩特性不一致而破碎，提高了太阳敏感器的可靠性。3)本发明通过分布在图像传感器四周的四个焦距固定柱，保证了光学掩模与图像传感器之间焦距的稳定性，有效提高了太阳敏感器的精度性能。4)本发明的装配结构采用的材料造价低，因而降低了太阳敏感器的成本。5)本发明的装配结构安装方法简单，所用到的工具均为常规工具，因而容易实现，可操作性强。图1为本发明太阳敏感器光电探测组件装配结构的剖面示意图；图2为本发明实施例的光学掩模示意图；图3为本发明实施例的光学掩模结构示意图；图4(a)为本发明太阳敏感器光电探测组件装配结构正视图示意图；图4(b)为本发明太阳敏感器光电探测组件装配结构底视图示意图；图5为本发明实施例光学掩模的标记位置示意图。具体实施方式下面结合附图及实施例对本发明的方法作进一步详细的说明。图1为本发明太阳敏感器光电探测组件装配结构的剖面示意图，如图1所示，该光电探测组件装配结构，包括电路板l、图像传感器2、光学掩模4、弹性垫圈5、压盖6、太阳敏感器壳体7以及与太阳敏感器壳体7—体的焦距固定柱71。其中，该装配结构的壳体7由硬铝LY12材料制成，壳体7的底部是一个带有凸台的矩形空腔，壳体7的上部中心设有一圆形安装孔，该安装孔用于置放光学掩模4、弹性垫圈5和压盖6;壳体7底部空腔内的四个角设有安装凸台，用以将电路板1安装于壳体7上。在空腔底部内侧，所述安装孔的外围分布有四个焦距固定柱71,所述焦距固定柱71用于进一步固定焊有图像传感器2的电路板l，从而保证光学掩模4与图像传感器2之间焦距的稳定性；图像传感器2可接收光学掩模4的透光孔所透射进来的光，在图像传感器2表面形成光斑；所述压盖6为一中空压柱且压柱的外沿上设有安装螺孔，所述压盖6通过安装螺孔固定于壳体上，所述光学掩模4通过压盖6固定于安装孔中。所述壳体上部安装孔的内径大于所置放的光学掩模的直径0.5土0.1mm。下面分别对太阳敏感器光电探测组件的装配结构中的各组件的作用进行分别说明电路板l，用于固定图像传感器2和相应的信号处理电路。图像传感器2，用于获取透过掩模4照射在其上形成的太阳光斑图像。粘贴胶3，用于涂敷在光学掩模4与壳体安装孔的安装面之间，有效地防止了光学掩模旋转位移，同时还起到了密封和防振作用。所述粘贴胶是型号为GD414的硅橡胶，该硅橡胶是一种高强度、粘贴性好、无腐蚀的单组分室温硫化硅橡胶，具有优良的电绝缘性能、密封性能和耐老化性能，可在-6(TC20(TC的温度范围内长期应用，其硫化时间为10~70分钟，拉伸强度^3.9Mpa,拉断伸长率^300%，剪切强度^1.5Mpa，撕裂强度^1.2xl04N/m。由于这种胶无腐蚀、无挥发，保证了掩模透光小孔不被挥发物所污染。所涂粘贴胶的厚度小于0.5mm，以减小其弹性误差。光学掩模4，用于选择性地使特定波长的光透射到下方的图像传感器2上,以便于根据图像传感器2的图像信号经过处理电路测算航天器相应的姿态角。图2为本发明实施例的光学掩模示意图，如图2所示，所述光学掩模是由直径约为12.5士0.1mm、厚度约为0.5mm的圆柱状的白宝石材料制成的。图3为本发明实施例的光学掩模结构示意图，如图3所示，该光学掩模4的一面是镀膜面41，其居中蚀刻有两个透光小孔42,光学掩模4的另一面是经过处理的抛光面43。为防止镀膜面划伤或污染，置放光学掩模，使其镀膜面朝图像传感器，抛光面朝外安装。弹性垫圈5，用于垫放在光学掩模4的抛光面与压盖6之间保护光学掩模4不会因为振动、冲击等外力而破碎。压盖6,用于固定弹性垫圈5、光学掩模4及粘贴胶3，使之相互间保持位置稳定不发生相对位移。壳体7,用于装配光学掩模等组件及固定电路板l。所述壳体是由金属材料，如硬铝LY12制成，其光学掩模安装孔的安装面内径为9土0.1mm,外径为13土0.1mm,其外径比光学掩模直径大0.5±0.1mm，所设计的装配尺寸能够有效避免由于机壳材料与光学掩模材料两者间热膨胀系数不一致而可能导致光学掩模破碎的危险。焦距固定柱71，用于进一步固定焊接有图像传感器的电路板1，从而保证光学掩模与图像传感器焦距之间的稳定性。所述焦距固定柱为4个，每个固定柱截面尺寸为5mmx5mm,其均布在图像传感器的四周并且离图像传感器的距离小于5mm。焊接在电路板上的图像传感器通过电路板上的安装孔和所述4个固定柱，固定在光学掩模的正下方，电路板通过壳体四个角的安装凸台安装于壳体上。固定柱的高度与凸台的高度一致，均为7mm,其高度由太阳敏感器的视场范围确定。这样的装配结构有效保证了光学掩模与图像传感器成像面的焦距在误差允许范围内保持不变。图4(a)为本发明太阳敏感器光电探测组件装配结构正视图示意图，如图4(a)所示，可以看出，本实施例压盖的安装螺孔是通过呈十字对称分布的四个十字沉头螺钉将压盖6固定在壳体7上的。图4(b)为本发明太阳敏感器光电探测组件装配结构底视图示意图，如图4(b)所示，可以看出，电路板1通过四个螺钉和壳体四个角的安装凸台，安装于壳体底部的空腔内。电路板l中部图像传感器四周的四个呈十字对称的螺钉进一步固定在焦距固定柱71上，从而保证光学掩模到图像传感器距离的稳定性。'以上为太阳敏感器光电探测组件装配结构的描述，下面对所述装配结构的安装方法进行说明。太阳敏感器光学掩模属于光学器件，其镀膜面很容易被划伤或污染，掩模的镀膜面上居中蚀刻有两个透光小孔。太阳敏感器在应用中要求两个小孔的中心连线与太阳敏感器壳体的一边尽可能平行，因为光学掩模的镀膜面朝图像传感器方向安装，在抛光面一侧又无法看到两个透光小孔，所以掩模安装方向的控制有一定难度。考虑上述不利因素，本发明太阳敏感器光电探测组件装配结构的安装方法，是通过如下安装过程实现的步骤501:清洁图像传感器、电路板、壳体安装孔及光学掩模。具体为用吹气球将安装图像传感器的电路板、光学掩模和图像传感器上的灰尘、多余物吹干净，并用酒精将安装孔的安装面清洗干净。步骤502:标记光学掩模，并将该光学掩模粘贴在指定的安装位置。所述标记光学掩模，具体为在壳体安装孔的安装面上涂适量硅橡胶，要求涂的均匀且厚度小于0.5mm，在擦镜纸上使光学掩模镀膜面朝上放置，取很少量的硅橡胶，沿两个透光小孔中心连线在掩模的侧面做两个标记点，图5为本发明实施例光学掩模的标记位置示意图，如图5所示，标记点51和标记点52的位置。所述放入指定安装位置，具体为在擦镜纸上使光学掩模抛光面朝上放置，用镊子夹紧掩模使两个标记点的连线与太阳敏感器壳体的一边保持平行，将其放在涂有适量硅橡胶的安装孔安装面上。步骤503:安装并固定光学掩模。具体为将准备好的弹性垫圏放置在图像传感器上方，将压盖放置在弹性垫圈的上方，放置20分钟左右后，将压盖的安装螺钉拧紧固定。步骤504:安装焊有图像传感器的电路板。具体为通过电路板四个角的安装螺孔和壳体上的安装凸台，用十字螺钉将电路板安装在壳体上，并通过电路板中部图像传感器四周均匀分布的安装螺孔用十字螺钉进一步固定在四个焦距固定柱上。釆用上述光电探测组件装配结构和工艺的太阳敏感器，在烟台航天513所通过了随机振动、正弦振动、冲击、加速度、常压热循环和真空热循环的航天环境实验，具体实验条件如下表1随机振动试验条件<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表3冲击响应试验条件<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>2表4加速度试验条件<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表5常压热循环试验条件<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>经过上述力学和热学环境后的测试后，光学掩模无破碎、无旋转移位，经测量光学掩模与图像传感器之间距离变化小于lOpm,光学掩模的透光小孔没有被污染。以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。权利要求1、一种太阳敏感器光电探测组件装配结构，其特征在于，该装配结构包括有壳体、焊有图像传感器的电路板、光学掩模和压盖，其中，壳体上部设有置放光学掩模的安装孔，安装孔底部外侧设有四个焦距固定柱，压盖设有中心孔，压盖外沿设有安装螺孔；所述压盖通过安装螺孔固定于壳体上，光学掩模通过压盖固定，焊有图像传感器的电路板安装于壳体的底部内腔，并通过所述四个焦距固定柱进一步固定，图像传感器接收穿过压盖中心孔并透过光学掩模的光。2、根据权利要求l所述的装配结构，其特征在于，所述光学掩模为圆柱状白宝石材料，且该光学掩模的一面为抛光面，另一面为蚀刻有一个或一个以上透光小孔的镀膜面。3、根据权利要求1或2所述的装配结构，其特征在于，所述光学掩模置放于安装孔，具体为镀膜面朝向图像传感器一侧，抛光面朝外置放。4、根据权利要求1或2所述的装配结构，其特征在于，所述壳体上部安装孔的内径大于所置放的光学掩模的直径0.5mmlmm。5、根据权利要求1或2所述的装配结构，其特征在于，所述光学掩模与壳体安装孔的安装面之间设有粘贴胶，该粘贴胶为型号为GD414的硅橡胶。6、根据权利要求l或2所述的装配结构，其特征在于，所述光学掩模与压盖之间设有弹性垫圈，该弹性垫圈为真空弹性垫圏。7、一种太阳敏感器光电探测组件装配结构的安装方法，其特征在于，该方法包括如下步骤a、清洁图像传感器、电路板、壳体安装孔及光学掩模；b、标记光学掩模，并将该光学掩模粘贴在安装位置；c、安装并固定光学掩模；d、将焊有图像传感器的电路板安装在壳体内部凸台上，同时将电路板固定在焦距固定柱上。8、根据权利要求7所述装配结构的安装方法，其特征在于，步骤a所述清洁图像传感器、电路板、壳体安装孔及光学掩模，具体为用吹气球将安装图像传感器的电路板、光学掩模和图像传感器上的灰尘、多余物吹干净，并用酒精将安装孔的安装面清洗干净。9、根据权利要求7所述装配结构的安装方法，其特征在于，步骤b所述标记光学掩模并将该光学掩模粘贴在安装位置，具体为在壳体安装孔的安装面上涂覆厚度小于0.5mm的硅橡胶；使光学掩模镀膜面朝上放置在擦镜纸上，然后取少量硅橡胶，沿两个透光小孔中心连线在光学掩模的恻面做两个标记点；在擦镜纸上使光学掩模抛光面朝上放置，用镊子夹紧光学掩模使两个标记点的连线与太阳敏感器壳体的一条边保持平行，将光学掩模放在涂有硅橡胶的安装面上。10、根据权利要求7所述装配结构的安装方法，其特征在于，步骤c所述安装并固定光学掩模具体为将准备好的弹性垫圈放置在光学掩模上方，并将压盖放置在弹性垫圈的上方，放置20分钟后，将压盖的安装螺钉拧紧固定。全文摘要本发明公开了一种太阳敏感器光电探测组件装配结构，涉及航天器姿态控制技术。该装配结构包括壳体(7)、焊有图像传感器(2)的电路板(1)、光学掩模(4)和压盖(6)；其中，壳体(7)上部设有置放光学掩模(4)的安装孔，安装孔底部外侧设有四个焦距固定柱，压盖(6)上设有安装螺孔；所述压盖通过安装螺孔固定于壳体上，所述光学掩模通过压盖固定，焊有图像传感器的电路板安装于壳体凸台上，并通过所述四个固定柱进一步固定；图像传感器接收光学掩模镀膜面上的透光孔所透过的光，形成太阳像光斑。本发明还公开了一种基于所述装配结构的安装方法。该装配结构可以保证太阳敏感器能安全、可靠地工作。文档编号H01L21/52GK101118916SQ20071012114公开日2008年2月6日申请日期2007年8月30日优先权日2007年8月30日发明者孙华涛,张广军,张晓敏,樊巧云,洁江,魏新国申请人:北京航空航天大学