CN102981243B - 一种二维快速控制反射镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了二维快速控制反射镜，包括反射镜片，第一、第二支架，第一柔性铰链，第一至第三压电驱动器，一级倾斜平台，底座，以及控制驱动系统；二支架对称固定在底座的一条中轴线上，一级倾斜平台位于二支架之间的下方，三个压电驱动器依次排列在一级倾斜平台和第一支架、第二支架所包围的空间内，驱动器通过第一柔性铰链与一级倾斜平台顶部连接，反射镜片固定在第一柔性铰链上；控制驱动系统实现对反射镜片偏转角度的闭环控制。本发明具有驱动速度快，控制精度高，没有机械磨损，机构紧凑，空间利用率高，无轴间干扰，稳定性好的特点，并且体积小，重量轻，刚度高，可实现单镜面二维扫描。
Description
技术领域
本发明属于光束控制领域，具体涉及一种二维快速控制反射镜。
背景技术
空间激光通信是指利用激光作为信息载体进行空间包括大气、低轨道、中轨道、同步轨道、星际间、太空间通信。激光空间通信与传统的微波空间通信相比，波长更短，具有高度的想干性和空间定向性，这使得空间激光通信具有信号方向性强、能量集中、没有同频干扰和临近波段的串扰、传输协议容易叠加、简便性、宽带性、无干扰、无需频率审批、通信保密性好等优势，同时也使得光束抖动对于通信链路的影响更为显著。在实际的空间通信系统中，由于大气湍流和通信载体姿态抖动的影响，使得空间通信激光经常偏离接收探测器，严重影响通信效率。二维快速控制反射镜可以通过对光束的实时调整和控制，保证激光通信链路的稳定，是空间激光通信系统的关键器件。传统的二维快速控制反射镜基于音圈电机或者二维转台设计，响应速度不高，机架的谐振频率低，容易引起谐振。
望远镜大大提高了人类观察遥远目标的能力，但是望远镜发明后不久，人们就发现大气湍流的动态干扰对光学观测有影响。大气湍流的动态扰动会使大口径望远镜所观测到的星像不断抖动而且不断改变成像光斑的形状。快速控制反射镜也是自适应技术中的一个重要器件，采用自适应光学技术可以使光学系统具有自动适应外界条件变化、始终保持良好工作状态的能力，从而有效改善成像质量。
现有的快速控制反射镜主要有音圈电机和压电陶瓷两种驱动方式。一般来说，前者扫描角度较大但谐振频率较低，后者扫描角度较小但是扫描频率高。现有的压电驱动快速控制反射镜设计遇到的难点和不足主要包括：该类型快速控制反射镜需要预加一个中心电压，反射镜和支撑方式无法采用固定方式装配，限制了柔性支撑方式的设计；对称式的二维结构没有充分利用空间，会增加系统的尺寸；二维柔性铰链的联接方式往往会引入X轴和Y轴之间的干扰，影响光束控制的精度。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种二维快速控制反射镜，该反射镜具有驱动速度快，控制精度高，没有机械磨损，机构紧凑，空间利用率高，无轴间干扰，稳定性好的特点，并且体积小，重量轻，刚度高，可实现单镜面二维扫描。
本发明提供的二维快速控制反射镜，其特征在于，它包括反射镜片，第一、第二支架，第一柔性铰链，第一至第三压电驱动器，一级倾斜平台，底座，以及控制驱动系统；
第一支架和第二支架对称固定在底座的一条中轴线上，一级倾斜平台位于第一支架和第二支架之间的下方，三个压电驱动器依次排列在一级倾斜平台和第一支架、第二支架所包围的空间内，其中，第一驱动器的上端与第一支架固定连接，第三驱动器的上端与第二支架固定连接，第一驱动器和第三驱动器的下端均与一级倾斜平台相连；第二驱动器下端固定在一级倾斜平台的底部，上端通过第一柔性铰链与一级倾斜平台顶部连接，反射镜片固定在第一柔性铰链上；所述控制驱动系统与第一至第三压电驱动器电连接，用于实现对反射镜片偏转角度的闭环控制。
本发明的技术效果体现在：本发明提供的二维快速控制反射镜，相对于同类产品，谐振频率和控制带宽高，角度控制精确，结构紧凑，轴间干扰极低。由于使用了弹性铰链结构，反射镜在偏转运动中无摩擦损耗，使其工作寿命长，无需润滑，可免维护。本发明装置能够满足自由空间光通信、自适应光学补偿、和激光雷达的要求。
附图说明
图1为发明实施例整体结构示意图(控制驱动系统在图1中省略)；
图2为压电驱动器结构示意图；
图3为位移放大机构原理图(左边是正视图，右边是侧视图)；
图4为一级倾斜平台结构示意图；
图5为第一级倾斜结构示意图；
图6为第一级倾斜结构的等轴测图；
图7为第二级倾斜结构示意图；
图8为发明控制驱动系统及算法实现示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参照图1，本实例提供的反射镜包括反射镜片1，第一、第二支架2、3，第一柔性铰链4，第一至第三压电驱动器5、6、7，一级倾斜平台8，底座9，以及控制驱动系统。
第一支架2和第二支架3对称固定在底座9两条中轴线其中之一上，一级倾斜平台8位于第一支架2和第二支架3之间的下方，三个压电驱动器5、6、7依次排列在一级倾斜平台8和第一支架2、第二支架3的之间空间内，其中，第一驱动器5的上端与第一支架2固定连接，第三驱动器7的上端与第二支架3固定连接，第一驱动器5和第三驱动器7的下端均与一级倾斜平台8相连。第二驱动器6下端固定在一级倾斜平台8的底部，上端通过第一柔性铰链4与一级倾斜平台8顶部连接，反射镜片1固定在第一柔性铰链4上。
控制驱动系统与第一至第三压电驱动器电连接，用于实现对反射镜偏转角度的闭环控制。
如图2所示，三个压电驱动器5、6、7结构相同，现以第一压电驱动器5为例说明其结构。第一压电驱动器5由位移放大机构5a，电阻应变片5b，压电陶瓷5c组成。参照图3，位移放大机构5a采用三角放大原理，具体表现为一个椭圆形的弹性圈，当弹性圈左右两端伸长时，其上下两端会收缩，且这种收缩位移正比于两端的伸长位移，位移放大机构的放大倍数主要由仰角，弹性圈最小厚度d，拐角处圆弧半径r和放大机构宽度t决定，理论上放大倍数
电阻应变片5b紧密粘在压电陶瓷5c上，压电陶瓷5c紧密嵌入位移放大机构5a中空部分。给压电陶瓷5c两端输入电压，压电陶瓷5c就会有轴向伸长位移(图2箭头所示)，这种伸长作用在位移放大机构5a上，就会产生竖直方向经过放大的收缩位移，电阻应变片5b会随着压电陶瓷5c的轴向伸长产生相应的电阻变化，通过控制驱动系统可以探测压电陶瓷5c的位移变化进而得出反射镜片1的偏转状态(反射镜片1的偏转状态也是所述快速控制反射镜的偏转状态)。
如图4所示，一级倾斜平台8由连接杆8a，一对第二柔性铰链8b和底面板8c组成。底面板8c为长条形平面板，一对第二柔性铰链8b对称位于底面板8c两边，且靠近底面板8c的一端，连接杆8a固定在底面板8c另一端，是由一竖直长条形平面板和水平长条形平面板组成，固定后，连接杆8a的水平长条形平面部分平行的位于底面板8c正上方。
本发明采用两级交错倾斜的方式来消除二维偏转的轴间干扰。图5为第一级倾斜(x轴)的正视图，图6为图5的等轴测图，图7为第二级倾斜(y轴)结构示意图。图中，第二压电驱动器6中的位移放大机构、电阻应变片、压电陶瓷分别标示为6a、6b和6c。
第一级倾斜原理为：给第一、第三压电驱动器的两个压电陶瓷加上不同电压时，第一、第三压电驱动器的位移放大机构会向上有不同的位移，一级倾斜平台8就发生倾斜，如图6所示。如图7所示，第二压电驱动器6底端固定在一级倾斜平台底面板8c上，上端通过第一柔性铰链4与一级倾斜平台8的连接杆8a相连，反射镜片1固定在第一柔性铰链4上端。一维倾斜平台8发生倾斜时，压电驱动器6，第一柔性铰链4，反射镜片1都发生倾斜，此时为X轴倾斜。第二级倾斜原理为：给压电陶瓷6c加上电压时，位移放大机构6a会向下运动，作用在第一柔性铰链4和反射镜片1上，使得反射镜片1发生Y轴倾斜。将两级倾斜结合起来，同时给三个压电陶瓷通上不同电压时，反射镜片1就会产生二维倾斜，实现二维光束反射。由于Y轴倾斜属于一级倾斜平台8和其上各部件之间(压电驱动器6，第一柔性铰链4)的内力，对X轴倾斜完全没有影响，因此该发明几乎没有轴间干扰。同时采用三个压电驱动器驱动，排列紧凑，进一步节约空间，提高空间利用率。
如图8所示，控制驱动系统包括信号处理电路、模数转换电路、DSP控制器、PID控制器、数模转换电路和驱动电路。
信号处理电路用于接收压电驱动器5，6，7(电阻应变片)的信号，并提供给模数转换电路。
模数转换电路的功能是将接收的模拟信号转换为数字信号，提供给DSP控制器。
DSP控制器用于通过编程实现控制算法。它对接收信号进行处理，得到偏转角度误差，进行数字PID控制，得到控制信号，经数模转换电路提供给驱动电路。
驱动电路将接收信号进行功率放大，驱动三个压电陶瓷。
本发明装置工作时，同时给三个压电陶瓷通上不同电压，通过压电陶瓷与机械结构(主要涉及第一柔性铰链4，三个位移放大机构，一级倾斜平台8)相互作用，使得反射镜片1发生二维倾斜。三个电阻应变片会随着三个压电陶瓷的伸长产生电阻变化，信号处理电路探测这种电阻变化，并利用三个电阻变化量得到反射镜片1的偏转角度y(t)，再提供给模数转换电路。通用测量方式同时测定反射镜片1的偏转角度和三个电阻应变片的电阻变化量，即可得到x轴的偏转角度与第一、第三压电驱动器的电阻应变片电阻变化差值以及y轴偏转角度与第二压电驱动器的电阻应变片电阻变化量的比例关系。信号处理电路的信号经过模数转换电路到达DSP控制器，根据先前实验测得的比例关系算出反射镜片1的偏转角度y(t),将算出的偏转角度y(t)与需要的目标偏转角度r(t)(如需要将扫描工作在x轴偏转θx角度，y轴偏转θy角度，则目标偏转角度r(t)＝[θx θy])进行对比，对其角度误差经PID控制器进行数字PID(比例积分微分)控制，再将控制输出信号经数模转换电路，再提供给驱动电路施加到压电驱动器上，实现对反射镜偏转角度的闭环控制。该发明实施例所述控制系统，只是一种典型实例，并非唯一实例。
实例：
按照本发明实施例所述，压电陶瓷采用PI公司的P885.91型号压电陶瓷，位移放大机构最小厚度d取1mm，仰角取8°，拐角处圆弧取0.6mm，宽度t取7mm，电阻应变片采用济南精钟衡电子BA350型号电阻应变片，再配合其他结构建成的二维快速控制反射镜，其一阶谐振频率可达到700KHz，闭环控制带宽超过1000KHz，二维方向的光学偏转角度可达到±1.5°，系统的角控制精度可达4μrad，轴间影响几乎没有。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
Claims (2)
1.一种二维反射镜，其特征在于，它包括反射镜片(1)，第一、第二支架(2、3)，第一柔性铰链(4)，第一至第三压电驱动器(5、6、7)，一级倾斜平台(8)，底座(9)，以及控制驱动系统；
第一支架(2)和第二支架(3)对称固定在底座(9)的一条中轴线上，一级倾斜平台(8)位于第一支架(2)和第二支架(3)之间的下方，三个压电驱动器(5、6、7)依次排列在一级倾斜平台(8)和第一支架(2)、第二支架(3)所包围的空间内，其中，第一驱动器(5)的上端与第一支架(2)固定连接，第三驱动器(7)的上端与第二支架(3)固定连接，第一驱动器(5)和第三驱动器(7)的下端均与一级倾斜平台(8)相连；第二驱动器(6)下端固定在一级倾斜平台(8)的底部，上端通过第一柔性铰链(4)与一级倾斜平台(8)顶部连接，反射镜片(1)固定在第一柔性铰链(4)上；所述控制驱动系统与第一至第三压电驱动器(5、6、7)电连接，用于实现对反射镜片(1)偏转角度的闭环控制；
一级倾斜平台(8)由连接杆(8a)，一对第二柔性铰链(8b)和底面板(8c)组成；底面板(8c)为长条形平面板，一对第二柔性铰链(8b)对称位于底面板(8c)两边，且靠近底面板(8c)的一端，连接杆(8a)固定在底面板(8c)另一端，由一竖直长条形平面板和水平长条形平面板组成，连接杆(8a)的水平长条形平面部分平行的位于底面板(8c)正上方；
第二压电驱动器(6)底端固定在一级倾斜平台底面板(8c)上，上端通过第一柔性铰链(4)与一级倾斜平台(8)的连接杆(8a)相连，反射镜片(1)固定在第一柔性铰链(4)上端；一维倾斜平台(8)发生倾斜时，第二压电驱动器(6)，第一柔性铰链(4)，反射镜片(1)都发生倾斜，此时为X轴倾斜即第一级倾斜；给第二压电驱动器(6)中的压电陶瓷加上电压时，第二压电驱动器(6)中的位移放大机构会向下运动，作用在第一柔性铰链(4)和反射镜片(1)上，使得反射镜片(1)发生Y轴倾斜即第二级倾斜；将两级倾斜结合起来，同时给第一至第三压电驱动器(5、6、7)通上不同电压时，反射镜片(1)就会产生二维倾斜，实现二维光束反射。
2.根据权利要求1所述的二维反射镜，其特征在于，第一至第三压电驱动器(5、6、7)结构相同，压电驱动器均由位移放大机构、电阻应变片和压电陶瓷组成；电阻应变片紧密粘在压电陶瓷上，压电陶瓷紧密嵌入位移放大机构中空部分；
所述控制驱动系统包括信号处理电路、模数转换电路、DSP控制器、PID控制器、数模转换电路和驱动电路；
信号处理电路用于接收第一至第三压电驱动器里电阻应变片的信号，并提供给模数转换电路；
模数转换电路的功能是将接收的模拟信号转换为数字信号，提供给DSP控制器；
DSP控制器用对接收信号进行处理，根据比例关系算出反射镜片(1)的偏转角度y(t)，并将算出的偏转角度y(t)与需要的目标偏转角度r(t)进行对比，得到偏转角度误差，进行数字PID控制，得到控制信号，经数模转换电路提供给驱动电路；所述比例关系是指x轴的偏转角度与第一、第三压电驱动器的电阻应变片电阻变化差值以及y轴偏转角度与第二压电驱动器的电阻应变片电阻变化量的比例关系；目标偏转角度r(t)＝[θx θy]，其中，θx为在x轴需要的偏转角度，θy为在y轴需要的偏转角度；驱动电路将接收信号进行功率放大，用于驱动三个压电陶瓷。
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