薄膜反射镜静电成形单电极控制

静电拉伸薄膜反射镜是近年来发展起来的一种新型技术,薄膜反射镜具有质量轻、柔韧性好、可折叠等优点,在航天领域具有广阔的应用前景。静电拉伸薄膜反射镜的原理为利用静电场上库仑力作用使薄膜产生面形变化,生成所需的反射曲面。由于薄膜变形力学,以及静电场理论的复杂性,目前薄膜成形及其面形控制的研究工作都还不完善。本文在薄膜反射镜成形控制机理研究的基础上,设计了单电极式薄膜反射镜的控制试验,详细计算了控制成形所需的主要参数,设计了薄膜反射镜的夹持结构和控制电路,并利用刀口仪测量了形成的反射面的焦距,试验结果表明在10000V的高压下可以行程焦距约为2.1m的反射镜面,面形的PV值达到11.14λ, RMS值为1.86λ,通过改善夹持结构和选取性能优良的薄膜材料控制面形精度可进一步提高。     

静电拉伸薄膜反射镜成形控制方法研究

摘要：目的：针对发射系统承载空间与承载重量的限制与大口径、高分辨率反射镜使用需求之间的矛盾,开展轻质柔性薄膜反射镜地基试验研究,实现静电拉伸式薄膜反射镜精确成形控制。方法: 首先,基于泊松方程的薄膜小变形近似求解,针对口径Φ300mm的三环分布式电极静电拉伸聚酰亚胺镀铝薄膜反射镜,通过确定每环电极对面形的影响函数来确定分布式电极对反射镜薄膜成形的控制距阵,进而利用最小二乘法求得分布式电极对面形精确控制所需的分布电压。并用ANSYS软件有限元分析进行结果对比,分析相关误差因素,总结控制方法。结果：在薄膜中心变形量大约超过2.5mm以后,基于泊松方程的理论求解和ANSY有限元分析结果相差很大,计算面形与理想面形偏差也很大。结论：只有综合运用数值计算、有限元分析方法,通过确定分布式电极对面形的控制矩阵,运用最小二乘法求解分布式电压,才能准确地实现薄膜面形的预知和控制。     

薄膜反射镜的成形控制

针对望远镜发射系统承载空间与承载质量的限制与大口径、高分辨率反射镜使用需求之间的矛盾,开展了轻质柔性薄膜反射镜地基试验研究,实现了静电拉伸式薄膜反射镜的精确成形控制.针对口径为300 mm的同心环分布式电极静电拉伸聚酰亚胺镀铝薄膜反射镜,基于泊松方程的薄膜小变形近似求解.并通过确定每环电极对面形的影响函数来确定分布式电极对反射镜薄膜成形的控制矩阵,进而利用最小二乘法求得了分布式电极对面形精确控制所需的分布电压.用ANSYS有限元分析法对比结果,分析相关误差并总结控制方法.结果显示,在薄膜中心变形量超过2.5 mm以后,基于泊松方程的理论求解和ANSYS有限元分析结果相差很大,计算面形与理想面形偏差也很大;认为只有综合运用数值计算和有限元分析,通过确定分布式电极对面形的控制矩阵,运用最小二乘法求解分布式电压,才能准确地实现薄膜小变形面形的预知和控制.     

静电拉伸薄膜反射镜的多电极成形控制

针对现有薄膜反射镜成形控制方法存在求解复杂,工程实用性差等问题,提出了基于反演求解的半解析成形控制方法.首先,基于Karman方程和静电场理论推导了所要拉伸的抛物面面形与施加压强分布的关系及实验所需的离散电极环电压值;其次,利用有限元软件建模和分析,验证所推导的压强分布;最后,在口径为300 mm的三环电极的静电拉伸反射镜实验平台上进行了验证实验.实验显示,拉伸面形最大变形量与理论值基本吻合,面形误差与传统均匀压强下的相比有所减少,最好的实验结果得到的PV值和RMS值较均匀压强下的值分别减少了9.76％和15.38％.仿真及实验结果表明:所描述的方法可以控制面形并提高面形精度,与传统的成形控制方法相比较具有简单实用等优点.     

薄膜反射镜的单电极控制静电成形

考虑薄膜反射镜具有质量轻、柔韧性好、可折叠等优点,研究了由静电拉伸法制备薄膜反射镜的新技术.介绍了薄膜反射镜的静电成形机理,计算了单电极模式下薄膜所受力场,设计了单电极式薄膜反射镜的控制实验.给出了控制成型所需的主要参数,设计了薄膜反射镜的夹持结构和控制电路,并利用刀口仪测量了形成的反射面的焦距.实验结果显示,未通电时薄膜反射镜面形的PV值达到11.14λ, RMS值为1.86λ,在10 000 V的高压下可以形成焦距约为2.1 m的反射镜面.通过Zernike拟合验证了数据的可靠性,结果表明,通过改善夹持结构精度和选取性能优良的薄膜材料,反射镜面形精度可进一步提高.     

空间薄膜反射镜面形设计及优化

在分析聚酰亚胺薄膜反射镜面形成型理论的基础上,结合光学系统对反射镜面形的要求,用有限元法求解了薄膜反射镜在一定预应力存在的条件下,受均布载荷作用产生变形的数值解,通过数据拟和给出了反射镜面形,并计算了理论面形与计算面形的误差;以反射镜镜面不同区域施加的载荷为设计变量,薄膜的屈服强度为状态变量,理想面形与计算面形的误差为目标函数,用ANSYS软件对薄膜反射镜面形进行了优化;最后以Zernike多项式为接口对反射镜面形进行了波前拟合,给出了优化前后反射镜的像差,证明了通过对薄膜反射镜施加适当的力场可以得到面形精度很好的抛物线面形。结果表明:改变力场可以控制薄膜反射镜面形,并得到需要的面形,为实际设计、构建聚酰亚胺薄膜反射镜提供了理论基础、设计依据和方法。     

新型薄膜反射镜的有限元分析

薄膜反射镜是实现大口径、低面密度空间光学系统的最新方向之一,材料采用柔性薄膜,具有重量超轻、体积小的特点.由于薄膜反射镜的挠度特性,利用传统的方法来获得面形的变化很困难.介绍薄膜反射镜的成形原理,建立符合实际情况的有限元模型,通过施加一定的边界条件,对薄膜反射镜进行非线性分析,得到一系列的挠度值,并和理论值进行比较分析,最大误差为0.07%.所得到的结论对于进一步研究反射镜成形和面形控制,以及薄膜厚度的选择具有一定的指导意义.＃     

膜基反射镜的非线性有限元挠度分析

介绍一种获得较精确的膜基反射镜挠度数值解的方法。通过非线性有限元分析,对三种有限元网格划分方法进行研究比较,建立符合实际情况的有限元模型,给出薄膜分析中施加预应力的方法,分析研究膜基反射镜的挠度特性。首先在简易边界条件下,验证有限元分析结果符合固定支撑圆板挠度弯曲问题的理论值;然后运用此方法分析复杂边界条件下膜基反射镜的表面位移情况,获得膜基反射镜面形特征数据。获得的挠度值相对误差小于0.04%,为深入研究膜基反射镜成型及面形控制做了准备。     

大口径传输反射镜在装配紧固力下的面形误差分析

400mm级通光口径的大型传输反射镜是我国在建的高功率固体激光装置中的关键部件,反射镜的面形精度对最终的激光打靶精度有直接影响。针对反射镜所采用的螺纹紧固型装配固定方式,通过结构有限元分析和波面拟合方法研究了理论螺纹紧固力和反射镜面形变化定量作用规律。考虑零部件的制造误差、材料以及人为操作等变化因素的影响,实际中各个螺钉的紧固力在一定范围内呈随机分布,基于蒙特卡罗模拟仿真方法研究了实际螺钉紧固力的不确定性对反射镜面面形精度的影响,得出了满足面形精度要求的临界紧固力大小,为现场反射镜装配工艺的校准和优化提供了理论借鉴。     

应用条纹投影法测量薄膜反射镜的成形

针对国内外现有薄膜反射镜面形检测方法存在动态测量不便,测量面形单一等问题,提出了基于正弦条纹投影的反射镜面形测量方法.基于此方法搭建了测量平台,分析推导显示,该方法的测量不确定度＜0.385 μm,该平台的测量不确定度＜4.25 μm.在此平台上对标准球面镜进行了测量,验证了此平台的适用性.最后,对优化控制下的Ф300...     

静电力驱动MOEMS可调谐滤波器的数值分析

分析了基于微光机电系统的可调谐滤波器在静电力驱动下的一些特性。介绍了一种自适应算法来解决静电力和结构的耦合问题,用这种算法并借助于有限元分析软件Ansys,计算了200μm×200μm矩形薄板在不同电压驱动下的变形,分析了三维变形对滤波器光学特性的影响。     

电容式微加速度传感器控制电路研究

本文首先阐述了电容式微加速度传感器的一般结构及系统建模方法，然后提出一种静电力反馈平衡控制电路，先通过高频调制信号产生检测电压，再经过ＰＩ反馈控制器产生静电反馈力，以提高传感器的噪声抑制能力、输出线性度和动态响应范围。     

基于静电吸附原理的双履带爬壁机器人设计

研究了基于静电吸附原理的爬壁机器人设计过程。针对静电吸附原理进行分析,对电极与壁面间产生的吸附力解析建模,通过实验验证静电吸附作用。根据静电吸附力的性质,设计履带式爬壁结构,借助Solidworks软件进行三维建模,分析双履带车质量、重心等关键参数。对机器人样机在壁面上发生吸附时的受力情况展开分析,确定提高爬壁机器人安全稳定性的改进措施。最后对机构运动控制系统作简要介绍。     

Highly sensitive,precise, and traceable measurement of force

Force in the micronewton range may be traced to the International System of Units by an electrostatic force balance weight system. However, there is a conflict between range and sensitivity. To solve this problem, a lever-type force metrology system based on the null-balance method is reported. The force is loaded on one end of the lever, causing elastic torsion of the central rod, and an electrostatic force is applied to the other end. With a variety of mass loading positions and standard weights, a wide range of moments may be produced to calibrate the system. The electrostatic force was generated by a pair of coaxial cylindrical capacitors where the applied voltage was converted into electrode displacement. The design of the inner and outer cylindrical capacitors was deduced considering the material and miniaturization requirements, and concentric alignment was ensured by a vision system. The null balance was achieved by a proportion-integration-differentiation control system, so that the external force was compensated by the electrostatic force. A method to increase the center of gravity was used to improve the resolution. The mechanism was analyzed based on stiffness, strength, stability, and frequency. Furthermore, the impact on the capacitance gradient due to the capacitor tilt caused by the applied force was estimated. Standard weights were utilized to evaluate the system performance. The results showed that a stiffness of 0.8 N/m and a force resolution of 10^?8 N were achieved.     

A Study on the Effect of Air on the Dynamic Motion of a MEMS Device and Its Shape Optimization

The authors propose a new design concept for controlling the deflection of a micro-membrane with the aid of its thickness distribution for realizing a prescribed design in the MEMS. As an example, the authors treat a micro air pump that comprises a micro-membrane. The membrane is actuated by an electrostatic force. The membrane deflects and thus the deflection is influenced by the air pressure and the electrostatic field. This is a highly complicated system. To find out a proper thickness distribution, the authors use the genetic algorithm that is appropriate to reduce the searching space of solution.     

高精度薄壁面齿轮制造误差分析及夹具设计

某型号面齿轮为薄壁零件,插齿加工过程中受切削力极易变形。针对面齿轮的结构特点,分析了面齿轮加工过程受力情况,借助于车削力计算公式计算了插齿切削力的大小,利用有限元法计算了加工过程中的变形量,根据计算结果设计了一种面齿轮插齿专用夹具,实践证明该夹具具有结构简单,制造方便,夹紧变形小,加工时能确保满足工件加工精度要求等特点,可推广使用。     

Tip-to-sample distance dependence of an electrostatic force in KFM measurements

In most scanning probe methods like an atomic force microscopy, a cantilever is mechanically vibrated in order to obtain topographies. Therefore, a tip-to-sample distance periodically changes during the scanning. Since the electrostatic force, which is a long-range force, is used for potential feedback in Kelvin probe force microscopy (KFM), such mechanical vibration leads to the fluctuation of the electrostatic force between the tip and the sample. In this study, firstly, we performed two-dimensional simulations of the electric fields between surfaces of the tip and the sample and evaluated the tip-to-sample distance dependence of the electrostatic force. Secondly, we experimentally confirmed the existence of the fluctuation of the electrostatic force and the tip-to-sample distance dependence of the electrostatic force was evaluated. Both the simulations and the experiments on the tip-to-sample distance dependence showed the importance of considering the tip sidewall effect in the KFM potential determination.