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。     

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.     

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.     

薄膜反射镜静电成形机理研究

摘要：薄膜反射镜是一种正在发展中的新概念技术,它将解决反射镜孔径与重量相互制约的问题。采用静电拉伸法控制薄膜反射镜面形,具有结构简单、反射镜面形易于控制等优点,其原理为利用静电场上库仑力作用使薄膜产生面形变化,生成所需的光学曲面。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在理论分析上仍未有定量的结果。本文主要从理论上分析了静电场中空间电势分布特性,以单电极静电场中的薄膜反射镜面形为考察因素,通过数值计算的方法得到薄膜反射镜上的静电力分布,运用有限元分析获得该分布下的反射镜面形,并将其与理想面形进行了比较。提出采用多电极闭环控制可获得更高的控制精度,对静电拉伸薄膜的研究工作具有重要的指导意义。     

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...     

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.＃     

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。     

PZT驱动快速控制反射镜的设计与试验

针对望远镜光束对准精确度损失以及光束稳定性难以保持等问题.将快速控制反射镜技术应用到望远镜光路系统中,开展了影响压电陶瓷(PZT)驱动快速控制反射镜性能指标的分析;建立了结构谐振频率、分辨力、通光口径和惯性力等与系统性能之间的关系,根据Rayleigh能量法建立了其基频理论模型,在此基础上建立了有限元模型并对理论模型进行了评价,进行了结构一阶谐振、量程、一致性以及校正能力试验.研究结果表明:与实测结果相比,理论和仿真分析结果误差均小于3％,证明了理论模型简化的合理性与正确性,可以作为后续设计参考;结构双向一致性较好;校正量程大于±4′;校正能力优于0.06″,对于较差视宁(相干长度50 mm,等晕角2”)亦可以满足精度高、响应快的应用要求.     

微光学自适应技术中基于PZT薄膜的微反射镜工艺研究

介绍了微光学自适应技术中基于PZT(PbZrxT i1-xO3)薄膜的微反射镜单元及其制作工艺。该制作过程中用重掺杂硅片作为基底和下电极,采用了钛酸丁脂[(C4H9O)4T i]、乙酸铅[Pb(CH3COO2).3H2O]以及异丙醇锆[Zr(OCH(CH3)2 4.(CH3)2CHOH]为原料,通过溶胶-凝胶法(so l-gel)制作薄膜,薄膜厚度为纳米级。制成的PZT薄膜通过逆压电效应产生形变,对反射镜面局部进行微调,实现波前位相控制。     

Bipod柔性结构在小型反射镜支撑中的应用

设计了一种由3组Bipod组成的柔性支撑结构,用于提高在实际工作条件下小型反射镜的面形精度。首先,利用伴随变换建立了Bipod及由其组成的支撑结构的柔度矩阵;利用MATLAB优化Bipod的结构参数,以满足径向刚度最小时轴向刚度最大的要求。然后,对优化后的支撑结构施加力和热载荷进行了仿真验证。最后,利用zygo干涉仪验证该支撑结构的热稳定性。结果表明,Bipod柔性支撑结构在保证反射镜良好热稳定性的同时,可以有效降低外界动态载荷对反射镜的影响;不仅具有良好的动态特性,且能在力热耦合载荷下保持较好的面形。分析显示其1阶固有频率达到1 781.7Hz,与理论计算相比,相对误差约为1%。     

500m口径球面射电望远镜瞬时抛物面拟合精度的预估与改善

依据500m口径球面射电望远镜(FAST)主动反射面工作原理及相关结构尺寸,基于反射面单元动态面形精度分析研究了FAST瞬时抛物面的拟合精度。首先,以反射面单元为研究对象,自节点开始推导考虑了机构运动的反射面单元动态面形精度计算方法。然后,提取不同区域19块反射面单元的各自9种初始面形工况,给出了分析算例。最后,基于单元动态精度特性,提出瞬时抛物面机械本体拟合精度及考虑馈源照明函数的半光程差拟合精度预估方法,并给出2种改善措施,即扩大可控区至300m抛物面外一层节点靶标,及抛物面周圈节点靶标向球心、中心反向各自偏移4mm。结果表明:反射面单元初始面形应优选面形精度RMS为2mm的波浪式面板。改进控制策略后机械本体拟合精度提高至RMS为3.938mm,优于RMS为5mm的设计指标,此时半光程差拟合精度RMS为0.629mm。该项研究对确定反射面单元初始面形及调节瞬时抛物面拟合精度很有意义。     

反射镜无热装配中胶层厚度的计算及控制

为了实现空间遥感器反射镜无热装配,对反射镜粘接镶嵌件时胶层厚度的计算及控制胶粘厚度的方法进行了研究。首先介绍了工程中常用的计算反射镜无热装配胶层厚度的方法及胶层厚度控制工艺,主要描述了工装保证法、精密测量法和工装测量结合法,给出了各种方法的优缺点及局限性。针对目前胶粘工艺控制胶层厚度存在的问题,提出采用具有不同直径规格的空心玻璃微珠来控制胶层厚度的方法。拉伸试验验证了添加了空心玻璃微珠的光学环氧胶比纯光学环氧胶的力学性能提升了20%;利用平面反射镜粘接镶嵌件的试验表明,依靠填充空心玻璃微珠保证胶层厚度的胶粘工艺方法能够保持反射镜面形值,同时证明了胶层计算方法可以应用于空心玻璃珠的直径选择。提出的胶层厚度计算方法及玻璃微珠胶粘工艺可以实现反射镜无热装配,目前已应用于某在研项目。     

射电望远镜主动反射面系统的控制

针对新疆奇台110m射电望远镜主动反射面控制技术的要求,设计和研制了一种新型的位移促动器和位移控制系统,并采用双频激光干涉仪对多个位移促动器及其控制系统进行了全面检测。位移促动器采用了基于涡轮蜗杆加滚珠丝杆的高精度结构设计方案,控制器系统采用了ARM微处理器。最后选择S曲线加速控制方法,设计了主动反射面控制系统硬件平台和软件算法。基于双频激光干涉仪和光学隔振平台在恒温超洁净条件下进行了系列测试。结果表明:系统实现了行程范围为30mm,控制精度为5μm RMS的快速精密控制;在额定负载300kg,步长2mm,行程30mm范围内,实测结果平均值与理论值偏差为0.04%,标准偏差为3.67μm。最后,采用测量精度为0.25μm的激光传感器对4块四点支撑的四边形子面板进行了验证检测。结果显示:经多次迭代后主动反射面控制闭环系统的控制精度小于5μm RMS,远远优于3mm波段射电望远镜主动反射面控制的技术要求。     

金膜电极微分电位溶出法测定食品中的砷

目的:建立一种测定干制食品中砷的快速测定方法。方法:干制食品经混合酸硝化后,将As(Ⅴ)还原成有电活性的As(Ⅲ),在硫酸介质中,用金膜电极为工作电极进行微分电位溶出分析,依据溶出峰值(dt/dE)与被测离子浓度成正比的关系定量。结果:在2.0mol/L H2SO4介质中砷可在镀金膜电极上得到灵敏的微分电位溶出峰(E=-0.19 V),检测下限为0.1μg/25mL,对样品中的砷进行测定,相对标准差:3.1%~5.6%,加标回收率:96.2%~108.1%。结论:方法灵敏、简便,能用于干制食品中微量砷的快速测定。     

斯托克斯椭偏仪的非线性最小二乘拟合偏振定标

由于传统的斯托克斯椭偏仪定标方法中入射光源的偏振效应、定标单元中光学元件的制造与装调误差都会降低仪器矩阵的定标精度,从而影响偏振态的测量精度,本文提出了基于非线性最小二乘拟合算法的仪器矩阵偏振定标方法.该方法将描述定标单元的参量和仪器矩阵的所有矩阵元一起作为未知参数,根据偏振光学传输理论建立探测光强与未知参数的函数关系式;然后,基于非线性最小二乘拟合方法拟合实际探测光强随定标单元方位角的变化曲线,进而得到斯托克斯椭偏仪的仪器矩阵.实验中使用该方法和传统方法在500～700 nm波段分别定标了KD*P型斯托克斯椭偏仪的仪器矩阵.结果显示,新方法在500～600 nm波段获得的斯托克斯参数的总均方根(RMS)偏差为1.6％,较传统定标方法提高约0.5％;波长大于600 nm时,由于系统信噪比降低使得新方法的测量精度降为2.4％,但仍然远高于传统方法的测量精度.结果表明,提出的方法简单易行,适用于各种斯托克斯椭偏仪的仪器矩阵定标.