空间相机快速反射镜的两轴柔性支撑结构设计

快速反射镜是空间相机中常用的像移补偿装置,而支撑结构的机械特性将直接影响快速反射镜系统的响应速度及闭环带宽。以某近地轨道空间相机中的音圈电机驱动型快速反射镜为研究对象,设计了基于十字型柔性铰链的两轴柔性支撑结构,该结构具有空间利用率高、中心漂移小等优点。根据悬臂梁的挠曲线近似微分方程,建立了柔性支撑结构两轴转动刚度的数学模型,针对快速反射镜机构的谐振频率要求,选择了柔性铰链的主要结构参数,并利用有限元软件MSC.Patran对机构进行了模态分析,分析结果表明,快速反射镜机构在两个工作方向上的谐振频率分别为18.6 Hz和18.7 Hz,而其他非工作方向上的谐振频率均在292.2 Hz以上,证明了柔性铰链结构参数的选择具有合理性。为了检验理论模型的准确性,加工了快速反射镜的样机并搭建实验平台,对机构的转动刚度和谐振频率进行了检测,检测结果与理论分析得到的结果在允许的误差范围内具有一致性。     

2 m 望远镜K 镜支撑结构优化设计

为了使得某2m望远镜消旋K镜在重力环境温度变化的影响下镜面面形和结构刚度满足要求,设计了一种柔性支撑结构。KM1 支撑方式采用背部三点支撑,通过有限元软件ANSYS 对支撑位置进行优化。并基于伴随变换建立了柔性支撑杆的柔度矩阵,对柔性铰链的厚度、长度和宽度进行优化,使反射镜支撑刚度满足需求,并减轻热应力和装配应力面形的影响。KM2 采用周边三点支撑,间隔120均匀分布,支撑杆结构与KM1 相同。在重力和均匀温降的联合工况下,KM1 和KM2 的有限元仿真结果达到了设计要求,KM1 镜面面形RMS 低于/40,KM2 镜面面形RMS 低于/60,一阶谐振频率均高于100 Hz。     

压电陶瓷频率响应及振动面幅值激光外差测量

压电陶瓷已广泛应用于检测、通讯等各个领域。该文采用外差式激光干涉测量法,开展了压电陶瓷振动特性研究。首先给出了激光外差干涉测振仪测试压电陶瓷振动特性的测量方法,并通过实验测得了压电陶瓷片单点振动的频率响应曲线,同时测量了径向直线上若干点的振动频响曲线,进而进行了整个压电陶瓷圆环表面在其谐振频率点的振动测量。实验结果表明,实测压电陶瓷片的谐振频率为30 710 Hz,与其产品标定值30 000 Hz存在710 Hz偏差。其圆环表面振动的振型具有不对称性,这对压电陶瓷的应用设计提供了指导意义。     

低温反射镜组件结构设计与支撑特性分析

红外光机系统在低温环境工作能够抑制背景噪声提高探测灵敏度,也提高了反射镜组件结构设计难度。低温反射镜支撑结构设计主要问题是由反射镜与连接件热线胀系数不同导致的温度变化工况下的面形变化。对工作于240 K的?450 mm反射镜组件进行结构设计,反射镜材料为SiC,连接件材料为殷钢,采用背部中心单点支撑形式与三角形轻量化形式,并设计柔性连接件提高低温面形表现。对主要设计参数进行优化分析,得到各参数对面形的影响曲线。优化后,反射镜光轴方向重力面形为8.585 nm,径向重力面形3.710 nm,240 K低温面形5.086 nm,一阶模态277 Hz,轻量化率89.4%。     

巨磁致伸缩快速转向反射镜及其谐振频率

快速转向反射镜(FSM)广泛应用于激光束稳定系统、空间光通信系统等领域。采用巨磁致伸缩驱动器(GMA)作为FSM的驱动元件,并对其预压和传动机构进行了一体化优化,设计了一种新型的膜片式柔性上端盖作为预压力施加装置,使其结构更加紧凑的同时增强了位移径向约束;FSM采用四驱动器双驱动轴结构,应用柔性轴方案,对其整体结构进行了优化设计以提高系统谐振频率。建立了FSM有限元模型,对其进行模态分析得到了系统一阶谐振频率及模态振型。对所研制的FSM进行了性能测试,结果表明:系统镜面转角达到±3′,一阶机械谐振频率达到450 Hz,模态分析数值与实验值的误差小于10%。     

宽带化压电陶瓷受话器的设计

从压电陶瓷蜂鸣元件的特性入手 ,根据三自由度振动系统基本原理 ,通过降低压电陶瓷元件的谐振频率 fr,利用其二次共振以及选择适当的声阻材料制成了重放频带宽 (2 0 0～ 40 0 0 Hz)、灵敏度高 (10 8± 3) d B、声压 -频率特性平坦的压电陶瓷受话器。通过压电陶瓷受话器的宽带化设计 ,在较宽的频率范围内实现语音重放功能 ,以适合高质量全球移动通信系统 (GSM)的要求。     

万向柔性铰链连接快速反射镜的设计与仿真

在高能激光武器系统中,快速反射镜作为光束指向控制的核心器件,对提高毁伤效能起到关键作用。针对扩展高能激光武器系统光束指向范围的战术需求,设计了一种万向柔性铰链连接快速反射镜系统。研究了各组成单元对快速反射镜系统性能的影响因素,分析了单自由度单音圈电机驱动反射镜设计方案的可行性。在此基础上给出了音圈电机和光栅测微仪的设计依据,进行参数设计,推导了万向柔性铰链的柔度表达方程,并验证了万向柔性铰链的弯曲强度。仿真结果表明,快速反射镜系统具有3.3的运动行程,一阶谐振频率达到了231.04 Hz,满足了大行程、高带宽的设计要求。     

适用于FSM系统的菱形微位移放大机构设计

为了增加压电陶瓷驱动快速反射镜的偏摆范围,对菱形微位移放大机构进行了研究设计。首先介绍了菱形结构的放大原理并利用变形能法分析了影响菱形结构性能的关键参数,然后建立了快速反射镜系统要求与菱形结构设计要求之间的联系,并根据自行设计的快速反射镜系统选择了菱形结构的关键参数,最后通过有限元仿真对菱形结构和快速反射镜系统进行了模态分析并对快速反射镜的偏摆范围进行了实验测试。仿真与实验结果表明,快速反射镜的偏摆范围大于6',低阶谐振频率约为400 Hz,满足了快速反射镜的系统要求。文中研究得出,菱形结构的位移放大倍率与最大驱动力是此消彼长的两个性能,可以通过合理调整菱形长轴与菱形边夹角以及菱形边宽度使两个性能同时满足系统设计要求。     

倒圆角三角型两轴柔性支撑设计

为提高压电陶瓷驱动的快速反射镜的回转精度,对倒圆角三角型柔性支撑进行研究。首先利用卡氏第二定理推导出倒圆角三角型柔性铰链柔度和回转精度理论计算公式;然后建立倒圆角三角型柔性铰链和两轴柔性支撑的有限元模型,并进行仿真分析得出柔度和回转精度的仿真值。将仿真值与理论值进行比较,其结果表明,最大误差在8%以内,验证了所推导公式的准确性。对比直圆型柔性支撑,在保证柔度的前提下,倒圆角三角型柔性支撑的回转精度提高了40%,具有重要的工程实用价值。     

单相短柱型直线超声电机的设计

提出了一种单相驱动的立式短柱型压电直线超声电机,论述了该电机的动作原理和设计过程。该电机利用纵向振动和横向振动的耦合模态工作。为获得同一驱动频率的一致的双向运动特性,该电机采用对称结构,利用压电陶瓷在短路和开路时弹性模量存在差异的特性,用单相驱动信号实现了纵向和弯曲耦合模态的有效激发。以增大电机弯曲振动模态前后振幅比为目标,利用三自由度集中质量的简化模型,优化了定子的结构。制作了电机的原理样机,对其进行了输出性能测试。实验结果表明,电机的输出性能良好。电机定子长22mm,自重3.3g,0.3N输出推力下最大速度达140mm/s,5N预压力下最大输出推力近1N。     

单轴半蝶形柔性铰链在快速反射镜中的设计与应用

针对提高激光武器系统光束指向控制稳定精度的战术需求,设计了一款适用于光束指向快速反射镜的单轴半蝶形柔性铰链。首先,根据快速反射镜系统运动形式及功能需求,推演单轴半蝶形柔性铰链的物理模型;然后,采用基于卡氏第二定理的卡氏法简化并求解数学模型,并优化模型参数;最后进行有限元仿真与实验测试,并对单轴半蝶形柔性铰链机械谐振频率的理论计算、仿真分析以及实验测试结果进行分析比较。实验结果表明:单轴半蝶形柔性铰链工作方向机械谐振频率为165.29 Hz,满足设计指标要求。理论计算与实验测试结果相差1.3%,有限元仿真与实验测试结果相差3.2%。从而证明了单轴半蝶形柔性铰链结构形式合理,数学建模准确,为提高激光武器系统光束指向控制稳定精度提供了有力的支撑。     

Design and performance test of a two-axis fast steering mirror driven by piezoelectric actuators

A novel design of a two-axis fast steering mirror (FSM) with piezoelectric actuators is proposed for incoherent laser beam combination. The mechanical performance of the FSM is tested. The results show that the tilting range of the mirror is about 4 mrad, and the 1st-order resonance frequency is about 250 Hz. A self-designed grating encoder is taken as the sensor, which ensures the optimal precision of 10 μrad. The novel mechanical design can meet the requirement of engineering in incoherent laser beam combination.     

压电陶瓷圆环径向厚度振动分析

对压电陶瓷圆环的径向厚度振动进行了分析,使用压电理论和机械振动理论推导出压电陶瓷圆环的谐振和反谐振频率方程,采用图像法求解得到谐振频率,与实际测量结果的误差小于1%。该文还应用有限元分析软件对压电陶瓷圆环的振动模态进行了分析,并与理论计算进行了比较,结果吻合。     

应用于快速倾斜镜的压电陶瓷驱动电源

压电陶瓷致动器具有体积小、推力大、高频响和分辨率高等特点,广泛应用于精密制造、光学仪器、振动控制等领域。为提高压电陶瓷型快速倾斜镜的控制精度和稳定性,根据压电陶瓷致动器对其驱动电源的要求,设计了一种基于高压运算放大器PA96的驱动电源。介绍了该电源电路的基本原理,并对放大器的外围电路进行了稳定性设计。最后通过实验测试表明,该电源线性度大于99%、静态纹波小于10mV、动态性能稳定,能够达到自适应光学系统中快速倾斜镜的控制要求。     

压电谐振式矿用甲烷传感器探头设计与研制

设计一种用于甲烷浓度监测的基于压电陶瓷谐振的传感器探头。利用有限元分析软件辅助设计2种具有较大吸附面积的谐振体;分别以5A型沸石分子筛和活性炭修饰谐振体,构成4种传感器敏感探头;利用自行搭建的测试平台在甲烷体积分数为0⁷.6%间对不同敏感探头阻抗谱谐振峰偏移量灵敏度与线性度的对比分析,结果表明,以5A型沸石分子筛与板状谐振体组合得到的探头在爆炸浓度下限谐振峰偏移162Hz,具有较好的灵敏性;由活性炭与环状谐振体组合得到的探头在爆炸浓度下限以下具有良好的线性。     

闪烧技术制备致密钛酸锶钡基陶瓷的研究

通过闪烧法制备Na离子掺杂钛酸锶钡基陶瓷,研究了外加不同直流电场强度条件下钛酸锶钡基陶瓷的相结构、微观形貌和快速烧结致密化原因。结果表明,在330 V/cm、440 V/cm、550 V/cm和660 V/cm不同电场强度下,相结构均为纯钙钛矿结构,平均晶粒尺寸随电场的增加而减小,闪烧起始温度随电场的升高而降低,当电场强度达到660 V/cm时,其烧结温度为800℃。