某TMA遥感器桁架支撑结构动态特性研究

空间遥感器中,支撑结构是保证光学元件结构位置精度及成像质量的关键.为了提高支撑结构的设计性能,确保结构的稳定性,利用CAE技术考核动态特性是遥感器研制过程中的一个重要环节.利用有限元平台,运用大质量法,建立了某TMA遥感器桁架支撑结构的动力学模型,进行了动态特性的仿真分析.依据动态特性仿真结果,发现了支撑结构中的薄弱环节,并进行了优化设计.仿真分析结果表明,优化后的遥感器桁架支撑结构固有频率明显提高,第一阶固有频率达到122.1Hz,保证了遥感器桁架支撑结构在外界动态载荷作用下的动力学响应.     

长条形反射镜背部支撑方案研究

在空间微重力和温度载荷的作用下,反射镜及其支撑结构的变形会影响或破坏光学系统的成像质量.从保证反射镜成像质量及功能的角度出发,介绍了某种光学遥感器反射镜及其支撑结构材料的选取原则;探讨厂反射镜的支撑方式,提出了背部单点支撑与两点支撑两种方案;针对面型精度要求较高的反射镜,提出了柔性支撑结构的设计思想.采用有限元方法,埘反射镜结构进行分析,并对采用柔性支撑结构后的反射镜进行静力学分析和模态分析.分析结果表明:两种支撑方案均满足面型要求,且前者优于后者.     

超光谱成像仪指向镜热光学特性描述方法研究

超光谱成像仪是"图谱合一"的光学遥感器,其指向反射镜位于超光谱成像仪最前端,尺寸大,热流复杂,容易受到热影响.指向反射镜的热光学特性反映指向反射镜的热适应性和热尺寸稳定性,是结构设计人员以及热设计人员关注的重要性能.分析了指向反射镜的工作环境,论述了指向反射镜热光学特性研究内容及技术路线.针对实例,利用有限元方法和理论公式进行了热光学分析,比较了两种描述指向反射镜热光学特性的方法.结果表明,对于指向反射镜,与基于温差的描述相比,基于热功率的描述更加真实的反映指向镜的热适应性和热尺寸稳定性.     

振动对反射镜胶连接的影响分析与试验

在空间相机反射镜连接优化的研究中,胶连接是空间相机反射镜连接常用的连接方式之一。在相机振动试验、发射等力学环境作用下胶接连接状态、胶接力可能会发生变化。胶连接状态的变化使反射镜镜面面形发生变化,导致相机成像质量变差。目前尚无直接测量反射镜胶接力在振动力学试验前后变化的方法,直接采用完成镜面加工的反射镜进行振动试验,势必增加了反射镜研制风险。为了研究振动对反射镜胶连接的影响,采用设计胶接试验件的验证方法,将检测胶连接状态的变化转换为光学测量镜面面形的变化,解决了直接测量的胶连接变化难的问题。振动试验前通过有限元的方法仿真分析了力胶接试验件的动力学特性,为力学试验条件制定提供了参考。通过对比振动试验前后胶接试验件面形RMS值,胶接试验件面形最大变化为1.26nm,在设计和光学测量误差变化允许范围内,表明改进的反射镜胶连接方法有一定可行性,为验证振动对胶连接的影响提供一种新方法。     

空间光学遥感器的热设计实例及其仿真分析

针对结构非对称、载荷非对称以及约束非对称的空间光学遥感器进行了热设计,应用热分析软件对其进行了计算机仿真.分析了空间光学遥感器各个方向到达的平均外热流,并根据其工作模式与热控制要求,遵循"被动热控为主,主动热控为辅"的热控制策略,对空间光学遥感器进行了热设计.根据采用的热控措施,对热控系统进行了仿真分析,得到了满意的?哪 结果,验证了热设计的正确性.该研究方法对各类空间光学遥感器的热分析和热设计有一定的指导和借鉴作用.     

空间光学遥感器CCD焦面组件的设计与分析

随着空间光学遥感器大视场高分辨力技术指标的不断提高,对CCD焦面组件的结构形式和材料选择提出了越来越高的要求.为了满足指标要求,设计了三片CCD机械交错拼接的焦面组件,阐述了该焦面组件的结构形式和材料的选取过程.应用有限元软件对其进行了均匀温升、模态和静力学分析.结果表明,所设计的焦面组件满足了空间光学遥感器的大视场高分辨力的技术要求,同时也能适应空间微重力、振动和温度变化等环境条件.设计和分析过程为三片以上CCD焦面组件的设计和分析提供了参考.     

某光电经纬仪主镜轻量化设计与研究

为了得到符合主镜镜面变形要求的轻量化结构,利用三维建模软件UG建模,并用有限元分析软件Patran对主镜镜面面形进行分析。应选择微晶玻璃作为主镜材料;接着,对支撑结构进行优化;而且设计轻量化结构,并分别以筋厚以及镜面厚度为变量,分析两者对光轴垂直时的轻量化结构镜面变形量的影响,并最终得到优化后轻量化结构。结果表明,优化后轻量化主镜质量为35.55kg,轻量化率为59.39%,且光轴垂直时,PV=26.24nm,RMS=5.73nm,满足设计要求。     

空间望远镜主镜的主动支撑面形校正分析

大型空间望远镜的主镜由于受重力、温度和装配等因素的影响,会产生面形误差,影响光学系统的成像效果。为了提高空间望远镜主镜对重力、温度的适应性,采用400mm弯月镜进行了主动支撑面形校正研究。主动支撑方案由3个固定支撑和7个主动支撑构成,利用Zernike系数和最小二乘法计算力促动器的校正力大小。使用有限元仿真软件分析了镜子在重力工况和稳态温度工况下,校正前后的面形结果。分析结果显示,采用本文的主动支撑方案,各工况下被校正后的主镜面形精度达到均方根(RMS)值<λ/20的设计指标,面形质量有明显的提高。同时,在重力工况中引入了实际装调中可能存在的安装误差等因素,仿真结果显示装配误差对校正结果影响较小,说明主动支撑系统具有较高稳定性。     

基于有限元法的空间遥感器主镜支撑位置优化

为更准确地设计空间遥感器主镜,以有限元法为基础,研究空间遥感器主镜在自重情况下引起的镜面面形变化情况,在主镜镜面面形符合实际工程要求的情况下,通过MSC Nastran进行优化处理并最终确定出主镜的最佳支撑位置,同时确定主镜轻量化结构．以主镜背部3个支撑孔中心坐标为设计变量,以主镜镜面变形最大值作为目标函数进行实例优化分析,并与传统经验法的计算结果进行对比,结果表明所采用的有限元优化方法具有较大的优越性,为某型空间遥感器的成功研制打下艮好基础．     

应用于数字散斑干涉测量的相移器结构设计

针对传统基于压电陶瓷的相移器存在的反射镜偏转和测量误差问题,设计了一种应用于数字散斑干涉测量的相移器结构。通过双夹持臂的结构起到导向作用,能够直接减小相移过程中出现的反射镜偏转问题,进而有效降低了传统相移器由于反射镜偏转导致的相移误差,提高了相移器的工作精度。通过计算反射镜偏转所造成的测量误差,对传统相移器和所设计的相移器进行力学性能仿真分析和试验。试验结果表明,在相同条件下,相对于传统相移器结构,所设计的相移器结构可减少30%的相移误差,大幅提高了数字散斑干涉技术的测量精度。在数字散斑干涉测量中,所设计的相移器结构具有很强的实用性。     

基于FBG的机器人柔性触觉传感器

为了满足机器人与外界环境、对象发生接触及交互作用时的触觉感知需求,提出了一种基于光纤布拉格光栅（FBG）的柔性触觉传感器．该传感器采用3×3 FBG阵列作为柔性传感元件,聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料构成双层柔性基体．介绍了传感器的传感原理并采用有限元方法对其弹性体进行力学仿真分析,基于标定实验平台完成该传感器的静态标定实验．传感器的空间分辨率为25mm,在10mm×10mm载荷施加单元下,对力的感知范围为0～7N,且传感器具有较好的线性度和灵敏度,重复性和一致性良好,力灵敏度为0.16nm/N．实验结果和分析研究都证明了柔性触觉传感器的可行性．该传感器与人体皮肤触感及结构极为相似,且布线简单、抗干扰能力强．     

ULTRA‐FINE TRACKING CONTROL ON PIEZOELECTRIC ACTUATED MOTION STAGE USING PIEZOELECTRIC HYSTERETIC MODEL

The tracking control accuracy of the piezoelectric actuator (PEA) is limited due to its inherent hysteresis nonlinearity. A new piezoelectric‐actuator model is synthesized based on two first‐order transfer systems in parallel with two tuned parameters determined from one experiment. Two open‐loop tracking controllers are implemented with the proposed model to compensate the hysteresis of linear positioning. Numerical simulations and experimental tests on the tracking of sinusoidal and triangular waveforms with signal frequencies ranging from 1Hz to 30 Hz are revisited and compared with the conventional Bouc‐Wen and Duhem models. Experimental results reveal that the RMS tracking error can be reduced to less than 2% of the maximum traveling distance without any feedback sensor. When a piezoelectric actuated on a two Degree‐Of‐Freedom (DOF) monolithic motion stage was employed, the RMS tracking error was 50 nm within the measured sensor accuracy.     

新型光学加速度传感器动力学性能设计

针对一种新型光学加速度传感器设计了一种简单实用的微弹性机械结构,它是通过MEMS工艺在硅片上加工出来。通过能量法和有限元模拟法(ANSYS 8.0)对弹性臂的弹性系数和动力学振动系统的一阶固有频率进行了分析与模拟,根据传感器的性能要求选取了微弹性机械结构的参数,并对传感器的性能进行了分析模拟。结果表明:设计是合理可行的,根据参数确定传感器的量程约为±395 m/s2,测量频率约为1~4.5 kHz。     

Design,modeling, and mechanical characterizations of micromachined InP-based actuator for tunable MOEMS applications

A novel InP-based microactuator, which is actuated by electrostatic means, has been proposed, designed, fabricated, and characterized for tuning applications in the 1.5 μm wavelength domains. Its structural design is based on the global optimization method. The tunable device is a big square membrane, which is supported by four identical cantilever beams. The three alternating layers Si₃N₄/SiO₂ as a distributed Bragg reflector (DBR) mirror, which were previously reported, have been formed on the top of the membrane. Based on the optical interferometric measurements, the proposed Fabry–Perot filter has demonstrated a maximum deflection of ∼321 nm with an applied voltage up to 12 V, an average sensitivity of ∼27 nm/V, a pull-in voltage of 12.7 V, and a release voltage of 10.7 V. It is also observed that its natural frequency is 88.4 kHz. This measured frequency implies that the tuning speed of our device is fast for optical operations within 0.01 ms. In addition, our device’s mirror remains so flat with a good planarity of 0.07°, which is strictly required for the filter’s optical performance. This optical performance can be achieved, when the micromachined structure has a tuning displacement up to ∼38 nm with a low tuning voltage up to 5 V. When compared with the finite element models (FEM), which were generated by the commercialized software, Coventor™, our experimental results agree well in terms of the natural frequency, pull-in voltage and deflections. Thus, our tunable filter, which is based on the optimized design, enables better performances including reduced actuation voltages, large pull-in voltage, improved device reliability, and fast switching times. Our device can also quickly snap back to the original position. In addition, the undesired spring-softening effect has been reduced.     

新型体声波传感器读出电路的实验验证

为了实验验证此前通过仿真验证的基于六端口反射计的新型BAW传感器读出电路的方案的可行性,本文制作了新型BAW传感器读出电路并对其进行了测试.以串联谐振频率约为1.5 GHz的薄膜体声波谐振器(FBAR)为待测器件(DUT),设计、制作了一种能够满足该FBAR谐振频率测量带宽(1.3 GHz~1.7 GHz)要求的PCB上微带六端口网络和检波器,配合射频信号发生器和示波器,获得了模拟DUT(50ΩSMA匹配负载)的反射系数-频率(Γ-f)曲线测量结果.与矢量网络分析仪(VNA)的测量结果进行了对比,两者吻合较好,实验验证了"基于六端口反射计的BAW传感器读出电路"可用于FBAR谐振频率的测量.本文工作对实用化BAW传感器的研制和片上矢量网络分析仪(VNA-on-Chip)的设计都有借鉴意义.     

Design and characterization of an integrated multifunction micro sensor

This paper describes the design and characterization of an integrated sensor fabricated on the silicon on insulator wafer by micro electro mechanical systems technology. The integrated sensor is comprised of a tri-axis accelerometer, an absolute pressure sensor and a spreading-resistance temperature (SRT) sensor. The optimal size of the sensor structure, natural frequency and cross interference of these three sensors were simulated and determined by finite element analysis. The accelerometer with the cross structure has high sensitivity, good linearity and high response frequency proved by the static and dynamic experiments. The zero-drift, thermal zero-drift and thermal sensitivity of the accelerometer and absolute pressure sensor were also tested. The arrangement of SRT sensor with the wave structure was designed in detail. The optimal location of the SRT sensor was at the edge of chip to avoid stress interference. The integrated sensor with low cost, low mutual interference, smaller volume and good performance can be applied in mobile device, small military plane without driver and some other situations for environmental monitoring.     

金(Au)/钯(Pd)复合膜表面等离子共振氢敏传感器基因优化

提出了一种新颖的基于波长调制的Au/Pd复合膜SPR氢敏传感器结构,采用遗传基因算法对Au/Pd复合膜氢敏传感器的灵敏度进行了数值计算和优化,优化结果表明:Au(2 nm)/Pd(27 nm)结构的复合膜氢敏传感器可获得最佳的灵敏度,与通常使用的单一纯Pd(20 nm)膜氢敏传感器相比,不仅氢敏传感器的敏感膜的稳定性得到改善,而且灵敏度也提高了近3倍.     

新型水泥基压电传感器的基本性能研究

开发一种可用于土木工程监测的水泥基压电传感器。该传感器是采用特制的封装材料将压电陶瓷片粘结在两个水泥立方体间而制成的。通过频率扫描及幅值扫描两种加载制度对传感器的频率独立性、线性度等基本性能进行测试,并通过复杂荷载、随机荷载及方波荷载对该传感器的性能进行进一步验证。试验结果表明本文提出的水泥基压电传感器在土木工程结构的自振频率范围内具有很好的频率独立性,同时在传感器输出幅值和输入荷载幅值间存在高度的线性关系,能够准确反映各种复杂荷载。由此可知,本文开发的水泥基压电传感器适用于土木工程结构的性能监测。     

Quasi-distributed recirculation fiber-optic temperature sensor

The new structure of the quasi-distributed fiber-optic temperature sensor is offered, based on recirculation frequency registration a single pulse with its periodic regeneration on different wavelengths and allowing simultaneously to spend measurements to ten points. Fiber-roptic sensor was constructed as a closed optoelectronic contour formed by a source of radiation, an optical fiber delay line, spectral reflective elements, photoreceiver and regeneration block. The sensitive element of this device was the optical fiber. The error of temperature measurements does not exceed 0.2°C at measurement time 1 s, thus the maximum length of the fiber-optic measuring converter reaches 15 km at use multimode gradient optical fiber.