实现FTIR光谱仪动镜扫描的全数字控制研究

动镜扫描是导致FTIR光谱仪动态测量误差的主要因素,其运动的平稳性直接制约着测量光谱的信噪比,并影响到后续光谱定性定量分析的精度,对FTIR光谱仪整体性能优劣有举足轻重的作用。针对传统基于模/数混合设计的动镜运动控制系统的复杂性,研究了一种简洁实效的全数字控制方法,将动镜运动产生的正交编码信号A和B送入数字逻辑芯片CPLD,在该芯片内编写相应的位置和速度控制算法,生成两路PWM信号,再通过数字功率芯片驱动挂载动镜的音圈电机完成扫描。实验表明,该控制方法使动镜在匀速阶段的速度平均稳定性优于97.2%,可显著提高测量光谱信噪比,为FTIR光谱仪高精度定量分析提供保障。     

一种便携式干涉仪动镜系统的设计

动镜扫描系统是傅里叶变换红外光谱仪中唯一不断运动的部件,其扫描的精度与行程直接影响仪器的信噪比、重复性与分辨率等指标。在利用立体角镜的光学特性和柔性簧片枢轴的机械特性的基础之上,设计了一种结构紧凑,体积小巧的干涉仪动镜扫描系统,设计了基于模糊控制算法的控制器,对动镜的扫描速度进行精密的控制。实验表明,动镜机构的扫描稳定性优于99.8%,所测得的红外光谱具有较高的信噪比能够满足高精度定量分析的要求。     

一种新型的列阵反射镜调整架

 针对组束激光系统主放大器而设计的一种新型的列阵反射镜调整架, 克服了多个调整架结构松散的缺点, 满足了多路激光束之间间距较小的特殊要求;同时采用了柔性铰链机构及步进电机传动中联轴驱动一体机构,使整套系统具有调整精度高、稳定性好等特点。     

用于地基望远镜的高分辨率倾斜镜设计

根据多镜面地基望远镜在近红外实现共相衍射极限成像的需求,提出了一种基于压电堆栈致动器的高分辨率倾斜镜设计方案。该方案以哑铃型柔性铰链和菱形位移缩小结构(RADS)作为倾斜镜的运动传递元件,压电堆栈致动器(PSA)作为动力元件,并使用电涡流传感器作为角度测量部件。介绍了高分辨倾斜镜的工作原理,并对哑铃型柔性铰链和菱形位移缩小结构进行设计。柔性铰链和位移缩小结构的关键结构参数均采用理论计算、实验和仿真进行优化。建立倾斜镜模型,利用理论计算和有限元仿真软件分别计算倾斜镜的倾斜角度和分辨率。实验结果表明:设计的倾斜镜角度分辨率达到0.017″,最大倾斜角度为14.6″,谐振频率为136.97 Hz,与有限元仿真结果相吻合,满足地基望远镜系统衍射极限成像的要求。     

柔性铰链微位移机构在可调谐F-P滤波器中的应用研究

分析了由于反射镜倾斜导致的可调谐F-P(Fabry-Perot)滤波器失谐。设计了一种柔性铰链式微位移机构,由压电陶瓷驱动,采用平行四连杆机构进行传动导向。采用该机构驱动F-P腔镜扫描克服了直接使用压电陶瓷带来的腔镜倾斜问题。该机构已应用于可调谐F-P滤波器中,输出信号多周期峰值幅度均匀,重复性好。     

大口径、高精度二维快速控制平面反射镜系统设计北大核心CSCD

为解决光电跟踪仪跟踪精度测量过程中光束大范围指向的模拟问题,设计了一种大口径、高精度二维快速控制反射镜(fast steering mirror,FSM)。采用微晶材料设计了长、短轴分别为230 mm和160 mm的椭圆形平面反射镜,面形精度优于λ/30。采用音圈电机驱动,通过柔性支撑铰链设计及DSP嵌入式控制系统,运动行程达到±30 mrad,运动控制精度达到5μrad,运动控制线性度优于±0.20%,角分辨率优于1μrad。通过软件控制,实现对入射光束圆形轨迹运动、直线轨迹运动、随机运动等形式的运动模拟。最后,对设计指标进行实际测试,可以满足跟踪精度光束动态模拟的测试需求。     

大型矩形准直镜柔性支撑系统的多目标优化设计和稳定性分析

针对极大望远镜矩形准直镜设计了一种新型柔性支撑系统,即由6根空心圆柱杆为支撑主体的侧面支撑结构。利用多目标优化算法对柔性支撑系统的结构参数和位置参数进行优化设计,并对优化后的柔性支撑系统进行稳定性研究。优化后的准直镜柔性支撑系统在自重条件下镜面最大PV值为168.23 nm,RMS值为30.306 nm,质量为229.21 kg,满足设计要求。当环境温度变化范围在20 ℃～23.7 ℃内,不会对准直镜性能产生影响;此外,地面随机振动不会影响准直镜工作性能和破坏支撑结构。研究结果表明:准直镜柔性支撑机构的多目标优化设计全面考虑了准直镜柔性机构形状参数、机构安全可靠性和光学面形形变等多学科之间耦合问题,设计者可按需选择全局范围内最满意的最优解,这将大幅度降低开发成本和周期。     

傅里叶变换红外光谱仪中动镜系统的设计

为提升傅里叶变换红外光谱仪的整体性能,基于立体角镜与平面镜组合的光学结构,设计了一种柔性支撑机构的摆动型动镜机构.建立和分析该机构控制模型,设计了相适应的反馈控制算法.结果表明:该结构具有无摩擦、抗震性好等优点;光学结构能够很好地补偿动镜摆动造成的倾斜与横移误差,保证仪器的重复性与稳定性;通过对控制算法参量的调整,动镜机构的扫描准确度优于98.4%.在4cm-1的光谱分辨率条件下,使用该动镜机构所测得的红外光谱信噪比优于80000:1,能够满足高准确度定量分析的要求.     

辐射与发光 光辐射与辐射源

O432.1 2006042817同步辐射光束线中柔性铰链的设计=Design of flexurehinge in beamline of synchrotron radiation[刊,中]/陈贵敏(西安电子科技大学机电工程学院.陕西,西安(710071)) ,韩琪…∥光电工程.—2006 ,33(3) .—119-122为同步辐射光束线设计了一种新型的柔性铰链—直圆倒角复合柔性铰链。分析计算并通过实验验证了直圆倒角复合柔性铰链性能。与直圆柔性铰链相比,直圆倒角—2—复合柔性铰链具有柔度大、转动精度高等优点,可在不损失精度的情况下大大提高微调机构的柔性;在要求最大转角一定的情况下,可大大降低对致动器驱动能力的…     

快速高精度电动调整镜研究

高能激光合束系统中反射镜在工作前需要进行快速高精度的指向调整。设计了一种二维电控调整镜,系统主体采用一体化的柔性支撑设计,驱动采用步进电机配合减速机构带动螺杆实现,反射镜偏转角度的精密测量采用电涡流传感器,使用数字信号处理器（DSP）作为主控模块。对系统的工作原理和设计进行了分析,对系统标定方法和控制算法进行了深入研究。为了满足系统调整速度的要求,采用S形加减速算法作为调整镜的控制算法,采用分段线性的系统标定方法。最后对系统进行了实验测试,结果表明,在±500″角度范围内,调整镜到位时间在3 s以内,控制误差小于2″,可以满足系统要求。     

平行双转镜傅里叶变换光谱仪

在时间调制傅里叶变换光谱仪中,直线运动型动镜很难精确驱动,容易引起倾斜和剪切的问题。旋转型动镜可以解决该类问题。介绍了一种转镜式傅里叶变换光谱仪方案,并对其进行了原理分析和光程差公式推导,提出了工程设计约束条件。该光谱仪由一个分束器,两个固定平面镜,两面平行固定在一个转轴上旋转的平面反射镜,前置镜,后置镜及探测器组成。通过原理介绍得出,该光谱仪结构简单,两条分光光线经同一平面镜反射后干涉,使仪器更容易装调;通过光程差推算得出,该光谱仪容易实现大光程差,光谱分辨率高;通过工程设计约束及仿真分析得出,该光谱仪需要在高速旋转的条件下实现高分辨率采样,容易实现精确运动控制,稳定性好,测量速度快。     

激光二维光机扫描系统设计

介绍了一种采用八面体转镜与平面摆镜联合实现激光二维光栅轨迹扫描的扫描器，讨论了光学及机构设计中影响扫描精度的因素，及电机频率／相位稳速控制问题，保证了该扫描器的精度和稳定性。     

滑模动态面控制在快速反射镜系统中的应用

针对快速反射镜系统在捕获、跟踪、瞄准过程中,由于外界环境以及音圈电机机械惯性和电磁惯性所引起的影响跟踪精度以及响应时间的不确定性干扰问题,提出了一种滑模动态面控制器(SMDSC)。此控制器引入跟踪微分器(TD)代替传统动态面控制中的一阶滤波器,改善了一阶惯性环节收敛速度和控制精度不理想的问题,另外控制器将滑模控制和动态面控制相结合,进一步提高了系统的抗干扰能力和跟踪精度。研究表明,设计的SMDSC与传统动态面控制、经典PID控制相比较,上升时间分别提高了62.5%、75%;调节时间分别提高了72%、88%;跟踪精度分别提升了75%、96%。     

FTIR光谱仪中基于定镜调整的动镜运动控制研究

动镜是FTIR光谱仪中唯一不断运动的部件,动镜的匀速运动性能以及动镜与定镜的准直性好坏影响干涉效果和光谱图质量,直接制约着仪器的精度和分辨率,对仪器整体指标起着重要作用。文章围绕FTIR光谱仪中干涉仪动镜运动的匀速性以及其与定镜的准直性展开研究,使用相位检测技术对定镜的姿态作出动态调整以补偿动镜与定镜间的倾斜夹角,并且设计了具有磁悬浮特点的动镜支撑系统。文章采用改进的模糊PID控制算法实现动镜运动速度的精确调节,对该控制方案从硬件设计和算法上实现。结果表明所研发的动镜运动控制系统具有足够的精度和实时性,能够保证FTIR光谱仪中干涉仪所需的准直性及动镜匀速性的要求。     

螺旋天线步进电机控制系统仿真及运行曲线优化

为实现机械相控阵列天线的波束扫描,采用步进电机驱动螺旋天线单元转动来达到预定的辐射相位。为了优化步进电机的开环控制,研究运行曲线对步进电机控制性能的影响,提高步进电机控制速度和精度。根据步进电机及控制系统的工作原理,建立了基于Simulink的步进电机开环控制系统仿真模型,并在此基础上对梯形和抛物线两种运行曲线进行了仿真研究。仿真结果表明,该仿真模型能精确实现两种运行曲线对步进电机的控制,在100 ms的控制周期内,采用梯形运行曲线步进电机的最大无失步转动角度能够达到270°,而采用抛物线运行曲线时其转动角度能够达到360°,抛物线运行曲线在开环控制系统中具有更高的控制速度。     

扫描镜稳定度对TDI CCD测量精度的影响

利用TDI CCD成像数值仿真模型,研究了TDI CCD测量系统的测角精度随扫描镜速度稳定度的变化规律。首先根据TDI CCD推扫成像的物理过程,建立了数值仿真模型,设计了从光学像和扫描镜稳定度到数字图像的仿真链路;然后利用图像重心计算方法求取图像中心坐标并得到目标点的角位置坐标;通过蒙特卡诺法进行海量打靶试验,对结果进行统计得到扫描镜各稳定度水平上的测量精度值;最后将某工程样机的扫描镜速度稳定度带入仿真模型,仿真结果表明：测试误差增大5.67 μrad,达到了像元角分辨率的1/4。在光学测量系统的系统设计时,需要考虑像元分辨率及扫描镜稳定度的综合影响,选用合适的扫描镜稳定度要求,使测量角分辨率满足用户需求。