大画幅等待式转镜分幅相机系统设计

采用共轴设计理论和控制离焦的方法,设计了画幅尺寸达30 mm×18 mm的大画幅等待式转镜分幅相机.该相机同时具备相对孔径大和分辨率高的特点,对底片的相对孔径为空间方向1/15,扫描方向1/35;静态目视分辨率为46 lp/mm,动态目视分辨率为35 lp/mm;总画幅数为80,摄影频率为1×104～5×105 frame/s.相机的高速转镜部件采用光纤传感器系统来产生和传输转速信号,避免了高速直流电机对转速信号的干扰,确保了测速准确度.研制的相机已应用于爆轰物理和冲击波物理实验中,并采用2×105 frame/s的拍摄频率对爆轰过程进行了试验记录,得到了高分辨率的图像.试验结果表明:设计的相机画幅尺寸大、空间分辨率高,适用于冲击、爆轰和弹体姿态等试验过程和目标的拍摄.     

基于高速相机的多叶光栅机械性能测试方法研究

基于高速相机搭建了多叶光栅机械性能测试平台,进行了实验测试和数据处理,研究了高速相机图像分辨率、采集速度及图像处理方法对机械性能测试精度的影响。结果表明,采用视野分区的形式,在40 mm×40 mm区域视野中,选用高速相机在单方向图像分辨率4000、帧率500帧/s时,对叶片运动速度不高于250 mm/s的多叶光栅进行机械性能测试,测量精度可以达到0.01 mm。     

高速大扫描范围原子力显微镜系统的设计

针对目前高速扫描型原子力显微镜(AFM)主要是限于物检测且扫描速度和扫描范围均有待提高,提出了一种高速原子力显微镜结构设计方案。在压电陶瓷致动器驱动的柔性铰链结构式位移台的基础上,构建了AFM大范围扫描器,使原子力显微镜在x-y扫描方向的运动范围达到了100μm×100μm。通过傅里叶频谱分析,计算获得了AFM扫描器常用的三角波驱动信号和正弦波驱动信号的高次谐波特性及其对AFM高速扫描成像的影响程度。为了消除在扫描运动过程中的机械自激振荡,提出了将正弦波信号作为高速扫描的驱动信号,行扫速度达到50line/s。在正弦波驱动的基础上提出了一种基于位置采样的图像获取方法,有效地减小了AFM扫描器的非线性误差造成的图像畸变现象。     

纳米磁微粒的双扫描干涉激光散斑实验

设计了研究纳米尺度磁微粒簇运动的双扫描干涉激光散斑实验。采用干涉条纹作为散斑运动的标度测量了磁流体中磁微粒的运动,避免了用传统数字散斑相干方法计算量大、精度依赖亚像素搜索算法的缺点;利用位相延迟扫描补偿横向扫描附加位相带来的干涉条纹变动,提高了动态散斑测量的空间分辨能力。对尺度为30～100nm的磁微粒簇运动进行了实验分析,结果表明,受磁流体磁场变化的非线性、微粒间的碰撞和聚集等复杂因素的影响,磁微粒簇是以湍流,非匀速方式运动的,其运动的平均速度为6.93mm/s。另外,该方法可通过改变条纹间距方便地调节精度以满足不同的测量要求。     

激振源对高频精密物料输送装置性能影响的试验研究

为研究激振源对高频精密物料输送装置性能的影响,对同一压电输送振子采用不同激振源进行驱动,应用ANSYS软件对激振源参数进行分析,并进行试验。试验结果表明:激振源尺寸变化对压电振子输送性能影响较大,激振源尺寸为24 mm×24 mm×1 mm和24 mm×6 mm×1 mm,驱动电压峰峰值为120 V时,激振频率相差188 Hz,且激振源尺寸与输送振幅成线性关系。研究结果可以为高频精密物料输送装置激振源的设计提供依据。     

基于离心力的液滴制备研究

为平衡液滴制备装置的小型化和加工成本的需求，研制一种基于离心力的液滴制备装置。该装置结构简单，仅由压电单晶片和不锈钢毛细管组成。在正弦波信号的激励下，压电单晶片对不锈钢毛细管产生振动激励，于管尖耦合成椭圆轨迹运动，管尖的液滴高速旋转，当离心力克服表面张力时，液滴断裂并脱离管尖，以此制备液滴。对所设计的压电振子进行有限元分析，在此基础上加工实物并搭建实验平台，研究所制备液滴的尺寸、转速与驱动电压的对应关系。结果表明：该液滴制备装置可以制备半径为1.283～0.209 mm的液滴，液滴制备速率最高可达37μL/min，可以通过驱动电压控制所制备液滴的尺寸。     

新型惯性式压电驱动机构的研究

基于控制移动机构和支撑面之间摩擦力的方法,提出了新型惯性冲击式压电陶瓷驱动机构的研究方案.分析了驱动机构的工作原理,驱动电压与驱动力、位移之间的关系,设计、制做了可实现直线往复运动的压电微型驱动器结构,并作了相关的性能测试.实验结果表明,采用简单的对称信号波形能驱动机构运动.直线驱动器最高速度可达1 mm/s,最大步长分辨率为20 nm,最大承载能力为1 000g.     

高速运动测量机的研制与试验

为了对高速运动测量装置进行校准,研制了一种闭环控制的高速运动测量机,该测量机可根据需要设定运动参数,按照正弦波和三角波速度曲线进行高速运动。高速运动测量机采用了花岗岩工作台和空气静压导轨技术,其高速驱动控制系统采用直线电机和PMAC运动控制卡,并以反射式钢带光栅作为位移检测和反馈控制传感器。采用铷原子钟作为控制数据采集的时间基准,通过精密时间间隔发生器同步控制基于现场可编程门阵列(FPGA)的高速数据采集系统,实现对位移的高速数据采集。试验表明,采用正弦波和三角波速度曲线进行高速运动时,高速运动测量机在300mm行程的速度已分别达到5.3m/s和7.6m/s,最大位移跟随误差分别为-1.56～1.01mm和-1.41～2.23mm。该测量机可用于高速运动装置的校准测量。     

基于双平行平面相机模型的钢板尺寸视觉测量

提出基于双平行平面相机模型的视觉测量方法,用于测量生产线上运动钢板的尺寸。该方法采用数据驱动的方式计算像点在标定平面上投影点的世界坐标;采用k近邻(k-NN)方法生成目标在标定平面上的无畸变投影图像,并建立投影图像与世界坐标系的直接关联。提出了双平行平面模型下相机光心位置标定算法,利用线结构光进行板材厚度测量;在无畸变的投影图像上利用钢板边缘间的平行和垂直性进行钢板边缘特征提取,通过边缘直线的世界坐标方程求取长宽尺寸。最后,给出了针对大尺寸钢板测量的多相机测量系统框架。提出的方法为单目视觉测量方法,相比于其他方法具有现场安装简单和标定工作量小的特点。通过图像分辨率为640×480的相机对尺寸为80mm×50mm×15mm的标准铝块进行了测量,结果显示:厚度测量误差为0.1mm,长度和宽度的误差在0.2mm以内。实际应用中测量精度远高于加工精度,能够满足产品计量的要求。     

多级剪叉式新型充电大巴受电弓的设计

首先简单阐述了国内外充电装置的研究现状,然后进行了多级剪叉式新型充电大巴受电弓架的设计,受电弓主要由剪叉支架、上端固定支座、驱动装置、下端工作平台四大部分构成.剪叉支架由四级剪叉臂构成,并简单分析了其运动过程;上端固定支座起到支撑固定的作用;驱动装置采用电动推杆进行驱动;由于下端工作平台主要承受载荷,所以对其进行了强度...     

超高速切线泵扬程系数试验

为获得切线泵在超高工作转速下的扬程系数、摩擦功耗损失、温升特性与工作转速关系,针对外径42 mm的8叶片切线泵开展了试验研究,将切线泵装配至涡轮轴系上,通过高压氦吹驱动涡轮轴系进行超高速运转试验。试验过程中通过控制高压气源压力及切线泵输出流量,获得了切线泵在52.8×10³~80.8×10³ r/min转速范围内的输入轴功率、输出压力、输出流量及温升特性数据。通过对实测数据的分析与计算,取得了外径42 mm的切线泵在超高转速条件下泵扬程系数、功耗损失及工作过程中温升特性试验数据。试验结果表明:外径42 mm的8叶片切线泵在52.8×10³~80.8×10³ r/min转速范围内,转速每增长1000 r/min,功耗损失约增加1.486 kW,所耗功率全部用于泵叶轮搅油摩擦损失,同时转速增加内泄增大,导致扬程系数由0.70缓降至0.66,零输出流量时由摩擦损失导致的液体介质温升速率达2.38 ℃/s,试验结束时油温最高达到274.5 ℃。试验研究提供了一种切线泵特性测试方法,可作为切线泵及涡轮泵设计和分析的依据。     

Fiber-coupled laser-driven flyer plates system

A system for the launch of hypervelocity flyer plates has been developed and characterized. Laser-driven flyers were launched from the substrate backed aluminum-alumina-aluminum sandwiched films. A laser-induced plasma is used to drive flyers with typical thickness of 5.5 μm and diameters of less than 1 mm, to achieve velocities of a few km/s. These flyer plates have many applications, from micrometeorite simulation to laser ignition. The flyer plates considered here have up to three layers: an ablation layer, to form plasma; an insulating layer; and a final, thicker layer that forms the final flyer plates. This technique was developed aiming at improving the energy efficiency of the system. The kinetic energy of flyers launched with the additional layer was found to be enhanced by a factor of near 2 (up to 30%). The optical fiber delivery system governs the output spatial profile of the laser spot and power capacity. Moreover, a technique for coupling high-power laser pulses into an optical fiber has been developed. This fiber optic system has been successfully used to launch flyer plates, and the surface finishing quality of the fiber was found to be an important factor. Importantly, measurements of the flyer performance including the mean velocities and planarity were made by an optical time-of-arrival technique using an optical fiber array probe, demonstrating the good planarity of the flyer and the achievable average velocity of 1.7 km/s with approaching 1 mm diameter. Finally, the relationship between flyer velocities and incident laser pulses energy was also investigated.     

激光聚变冲击波速度测量光学系统设计

针对激光聚变冲击波速度测量的需求,设计了一种集被动式扫描高温计和主动式冲击波速度测量于一体的复合冲击波速度测量系统.通过采用多种耐辐射光学玻璃材料,实现了共用光路的400～700 nm耐辐射消色差设计;通过采用自动控制干涉仪简化了系统操作;主动测速系统通过切换不同焦距的中继成像镜头,实现了不同放大倍率的切换.系统的物方...     

面阵CCD芯片KAI-1010M的高速驱动系统设计(最终版）

CCD芯片的驱动系统是空间数字测绘相机的核心部分之一,它关系到整个相机的性能和技术指标。简要介绍了行间转移面阵CCD芯片KAI-1010M的内部结构和驱动时序,采用新方法和低成本器件设计了该CCD芯片的驱动电路,把电源和电机控制的脉冲宽度调制技术引入到CCD驱动电路,采用超高速运放驱动高速负压信号以减小其上升、下降沿时间,达到高速低成本驱动要求,解决了驱动设计中的技术难点。实验结果表明：此CCD驱动系统采用低成本的器件设计,具有性能好,成本低,能够同时输出两路CCD电压信号,数据输出速率达15 frame/s,满足空间测绘相机系统的设计要求。若进一步改进电路,数据输出速率可达27 frame/ s。     

The techniques of metallic foil electrically exploding driving hypervelocity flyer to more than 10 km/s for shock wave physics experiments

Electrical explosion of metallic foil or wire is widely used to the fields of material science (preparation of nao-meter materials), dynamics of materials, and high energy density physics. In this paper, the techniques of gaining hypervelocity flyer driven by electrical explosion of metallic foil were researched, which are used to study dynamics of materials and hypervelocity impact modeling of space debris. Based on low inductance technologies of pulsed storage energy capacitor, detonator switch and parallel plate transmission lines with solid films insulation, two sets of experimental apparatuses with storage energy of 14.4 kJ and 40 kJ were developed for launching hypervelocity flyer. By means of the diagnostic technologies of velocity interferometer system for any reflectors and fibre-optic pins, the hypervelocity polyester (Mylar) flyers were gained. For the apparatus of 14.4 kJ, flyer of diameter φ6 ~ φ10 mm and thickness of 0.1 ~ 0.2 mm was accelerated to the hypervelocity of 10 ~ 14 km/s. And for the apparatus of 40 kJ, flyer of diameter φ20 ~ 30 mm and thickness of 0.2 mm was launched to the velocity of 5 ~ 8 km/s. The flatness of the flyer is not more than 34 ns for the flyer with diameter of 20 mm, and less than 22 ns for the flyer with diameter of 10 mm. Based on the Lagrange hydrodynamic code, one dimensional simulation was done by introducing database of equation of states, discharging circuit equation and Joule heat equation, and modifying energy equation. The simulation results are well agreed with the experimental results in accelerating processing. The simulation results can provide good advices in designing new experiments and developing new experimental devices. Finally, some experiments of materials dynamics and hypervelocity impact of space debris were done by using the apparatus above. The results show that the apparatus of metallic foil electrically exploding driving hypervelocity flyer is a good and versatile tool for shock dynamics.     

超高速冲击磨削天然大理石磨削机理研究

使用人造金刚石和立方氮化硼（CBN）磨料，以7．62mm子弹为载体，利用81式步枪作为加速装置，对天然大理石进行了720m／s的超高速冲击磨削实验，并对实验结果进行了分析和检测。通过对冲击区形貌的观察，发现了超高速冲击成屑现象；通过对金刚石和CBN在大理石表面所留下的细微划痕的分析，得出了脆性材料在超高速磨削条件下可以获得延性域磨削效果的结论。     

A fast beam switch for controlling the intensity in electron energy loss spectrometry

The fast deflection system described in this paper is suitable for controlling the intensity reaching the detector of a magnetic sector electron spectrometer mounted below an analytical transmission electron microscope. Amongst other things, this allows the low loss region of the spectrum to be recorded with the same electron probe conditions used to record core losses, something that is essential for high spatial resolution studies. The plate assembly restricts the width of the electron distribution reaching the viewing screen to a strip approximately 17 mm wide in the direction approximately normal to the dispersion direction of the spectrometer. The resulting deflection has no detectable effect on the FWHM of the zero-loss peak for exposure times as short as 1 micros. At incident energies up to 300 keV, positioning the deflection plates in the 35 mm camera port above the viewing chamber allows voltages of < +/- 3 kV to deflect the electrons out of the spectrometer and beyond the edge of the annular detector. When the deflection is switched on, the electrons are deflected out of the spectrometer in < 40 ns and when the deflection is switched off, the electrons return to within 10 microm of the undeflected position within 100 ns. Thus, even at an exposure time of 30 micros, the smallest time likely to be used in practice with a GATAN 666 spectrometer, < 1% of the signal in the spectrum is from electrons whose scattering conditions differ from those in the undeflected position. The performance of the deflection system is such that it will also be suitable for use with the new and much faster GATAN ENFINA spectrometer system. At incident energies up to 200 keV and possibly up to 300 keV, deflection voltages of +/- 3 kV are sufficient to deflect the electrons off a 1 k x 1 k charge coupled device (CCD) camera placed below the photographic camera. Thus the deflection system can be used as a very fast, non-mechanical shutter for such a CCD camera.     

转镜式高速摄影机角跟踪精度的检测

为了提高转镜式高速摄影机测量弹丸运动轨迹的精度,本文通过合理假设和理论推导,依据弹丸外弹道飞行运动模型得到了弹丸飞行过程的数学模型。结合室内检测条件,设计了用于转镜式高速摄影机角跟踪精度的检测装置并分析了测试原理。用该设备实测了转镜式高速摄影机的角跟踪精度,并对检测装置的测量不确定度来源进行了分析。结果显示:被测转镜式高速摄影机的角跟踪精度为(0.34±0.06)°,检测装置的相对不确定度为3.0″;不确定度来源主要为角度测量不确定度和焦距测量不确定度。实验结果表明,设计的检测装置具有较高的准确度和可靠性。     

超高速磨削冲击成屑机理试验研究

根据超高速冲击理论,从磨粒与工件材料碰撞的角度研究了超高速磨削现象。为研究在超高速磨削条件下的磨屑形成机理,使用真实的人造金刚石和CBN颗粒作为磨料,将其粘接在7.62 mm的子弹头部,利用81式步枪作为加速、加载装置,分别对碳素钢、天然大理石、弹簧钢和高速工具钢四种材料进行了720 m/s的超高速冲击磨削试验,得到了若干有价值的超高速磨削的试验结果,并对试验结果进行了详细的分析。试验结果表明,在超高速冲击作用下,弹着点会产生瞬间高温,达到或超过材料的熔点,从而使子弹与钢板相接触区域的材料形成流动相,流动物质在磨粒和冲击波的作用下离开基体而形成磨屑。由此发现了超高速磨削冲击成屑现象,从更深的层面研究和揭示了超高速磨削的成屑机理,验证了“超高速磨削准流动相冲击成屑模型”的正确性。