CN103852248B - 平面镜干涉仪中动镜支撑机构扭转刚度的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面镜干涉仪中动镜支撑机构扭转刚度的测量方法。把U型电磁铁安置于截面端平行于动镜支撑机构的位置,调节电磁铁的截面与支撑机构的气隙至0.1～0.2mm之间，测量气隙的值s。对电磁铁通电产生电磁吸力为Fe，电磁力的作用点与动镜扭转中心的距离（电磁力臂）已知为l，由此产生的电磁力转矩为：Me=Fel。动镜支撑机构绕系统质心转过倾角θ。通过激光干涉仪测量倾角θ。回复力产生的转矩为：Mr=kτθ，kτ为扭转刚度。整个系统处于转矩平衡状态：Me=Mr，即Fel=kτθ。计算得kτ=Fel/θ。本系统实现了非接触式测量，保证了测量可靠性。

Description

平面镜干涉仪中动镜支撑机构扭转刚度的测量方法

技术领域

本发明涉及一种平面镜干涉仪中动镜支撑机构扭转刚度的测量方法，主要应用于门廊结构的干涉仪中动镜的支撑机构的微小扭转刚度参数的非接触测量。

背景技术

在采用Porch Swing(门廊)结构的干涉仪中采用平面镜作为动镜和定镜，动镜是其中唯一的运动部件。由于动镜的支撑为弹性支撑，动镜即使停止时也在进行自由的微晃动。同时，入射辐射在仪器中的干涉过程对动镜和定镜的准直性要求极高，需要使用动态的校准控制方法对动镜扫描运动过程中的准直性误差进行校准补偿。在制定控制策略前，首先要对动镜及支撑机构的力学特性进行建模，实施控制时需要考虑动镜支撑机构自身的扭转刚度特性，从而精确计算扭转刚度与微角度作用下的恢复力转矩。此外，动镜的装调过程中也需要对动镜支撑机构本身的扭转刚度特性进行测量评估。目前对于非接触式、微小角度变化引起的扭转刚度的测量受到测量方法限制，无法进行直接的精确测量。

在各种机械结构的设计中，经常碰到把电磁铁作为自动控制元件，以实现各种自动控制功能，电磁铁的磁性随线圈通入电流的大小变化而变化，在通有直流电压的情况下，线圈电流i等于电压V和线圈直流电阻R的比值。在电磁线圈的匝数N、真空磁导率μ₀、电磁铁磁路与支撑结构的作用面积A已知的条件下，把U型电磁铁安置于截面端平行于动镜支撑机构的位置,为简化电磁吸力的分析，减小气隙的边缘效应引入的电磁力计算误差(参见《电机原理与设计的MATLAB分析》，戴文进译，电子工业出版社，2006，7)，调节电磁铁的截面与支撑机构的气隙至0.1～0.2mm之间，测量并记录该气隙的值s。则此时的电磁力F_e为：

$F_e=\frac{1}{4}{\mathrm{\μ}}_0{N}^{2}A{\left(\frac{V}{Rs}\right)}^2---\left(1\right)$

测量并记录电磁铁的直流电阻值R和所加电压V，则此时电磁铁的电流i为：

i＝V/R (2)

令则电磁力F_e表示为：

F_e＝KV² (3)

测量电磁力的力臂即作用点与动镜扭转中心的距离为由此产生的相应的电磁力转矩Me计算为：

动镜支撑机构在电磁力矩的作用下绕系统质心发生扭转，转过微小倾角。通过激光干涉仪测量该倾角值(参见《Detection of Moving Mirror Tilt in FourierTransform Infrared Spectrometer》，Sun Xiaojie，etc，Proc.of SPIE Vol.8417,841724，2012)为θ。设扭转刚度为kτ，当θ很小(微弧量级)时，支撑机构的回复力特性近似为线性。回复力作用于动镜支撑结构产生的恢复力转矩Mr为：

M_r＝k_τθ (5)

其中扭转刚度k_τ的量纲为(牛顿×厘米/微弧度)。整个系统处于转矩平衡状态时有M_e＝M_r，即

从而可以算得扭转刚度kτ：

kτ＝Me/θ (7)

发明内容

本发明提供一种动镜支撑机构的微小扭转刚度的测量方法。采用电磁力产生转矩，利用激光干涉仪测量动镜在电磁转矩作用下产生的微倾角，通过电压产生的电磁力、作用力臂和动镜支撑机构的微倾角间接测量出扭转刚度。本系统实现了非接触式测量，保证了测量可靠性。

为实现这样的目的，在电磁线圈的匝数N、真空磁导率μ₀、电磁铁磁路与支撑结构的作用面积A已知的条件下，把U型电磁铁安置于截面端平行于动镜支撑机构的位置，调节电磁铁的截面与支撑机构的气隙至0.1～0.2mm之间，测量并记录该气隙的值s。此时的电磁力Fe为：

$F_e=\frac{1}{4}{\mathrm{\μ}}_0{N}^{2}A{\left(\frac{V}{Rs}\right)}^2---\left(1\right)$

测量并记录电磁铁的直流电阻值R和所加电压V，则此时电磁铁的电流i为：

i＝V/R (2)

令则电磁力Fe表示为：

Fe＝KV² (3)

测量电磁力的力臂即作用点与动镜扭转中心的距离为由此产生的相应的电磁力转矩Me计算为：

动镜支撑机构在电磁力矩的作用下绕系统质心发生扭转，转过微小倾角。通过激光干涉仪测量(参见)并记录该倾角值为θ。设扭转刚度为kτ，当θ很小(微弧量级)时，支撑机构的回复力特性近似为线性。回复力作用于动镜支撑结构产生的恢复力转矩Mr为：

Mr＝kτθ (5)

其中扭转刚度kτ的量纲为(牛顿×厘米/微弧度)。整个系统处于转矩平衡状态时有Me＝Mr，即

从而可以算得扭转刚度kτ：

附图说明

图1为本发明所采用的电磁力产生转矩和动镜角度测量示意图。

具体实施方式

把U型电磁铁安置于截面端平行于动镜支撑机构的位置,调节电磁铁的截面与支撑机构的气隙至0.1～0.2mm之间，测量并记录该气隙的值s；

测量并记录电磁铁的直流电阻值R；

对电磁线圈施加驱动电压V时，产生电磁吸力为Fe(Fe正比于V²)，设Fe＝KV²，K为已知常数，记录V的值；

测量电磁力的力臂即作用点与动镜扭转中心的距离为由此产生的相应的电磁力转矩Me，计算为：

动镜支撑机构在电磁力矩的作用下绕系统质心发生扭转，转过微小倾角θ。通过激光干涉仪测量并记录倾角θ；

设扭转刚度为kτ，当θ很小(微弧量级)时，支撑机构的回复力特性近似为线性。回复力作用于动镜支撑结构产生的转矩Mr为：Mr＝kτθ。其中扭转刚度kτ的量纲为(牛顿×厘米/微弧度)。整个系统处于转矩平衡状态时有Me＝Mr，即计算得

实施案例：

本发明在激光干涉仪中的应用，在电磁线圈的匝数N＝500、真空磁导率μ0＝4πe10-7H/m、电磁铁磁路与支撑结构的作用面积A＝32mm²，气隙的值s＝0.15mm的条件下，测量电磁线圈的电阻R＝21.2Ω，此时由：

$K=\frac{1}{4}{\mathrm{\μ}}_0{N}^{2}A{\left(\frac{1}{Rs}\right)}^2---\left(8\right)$

得到K＝0.249，电磁铁的控制电压V＝2V时，电磁力Fe＝KV²＝0.994N。测量得到电磁作用力的力臂电磁力的转矩为经过激光干涉仪测得动镜支撑机构的倾角θ＝13.8μrad。由kτ＝Me/θ算出的动镜支撑机构的扭转刚度kτ＝0.468Ncm/μrad(牛顿×厘米/微弧度)。

Claims (1)

1.一种平面镜干涉仪中动镜支撑机构扭转刚度的测量方法，其特征在于包括如下步骤：

1)把U型电磁铁安置于截面端平行于动镜支撑机构的位置,调节电磁铁的截面与支撑机构的气隙至0.1～0.2mm之间，测量并记录该气隙的值s；

2)测量并记录电磁铁的直流电阻值R；

3)对电磁线圈施加驱动电压V时，产生电磁吸力为Fe，Fe正比于V²，设Fe＝KV²，K为已知常数，记录V的值；

4)测量电磁力的力臂即作用点与动镜扭转中心的距离为l，由此产生的相应的电磁力转矩为Me，计算为：Me＝Fel；

5)动镜支撑机构在电磁力转矩的作用下绕系统质心发生扭转，转过微小倾角θ，通过激光干涉仪测量并记录倾角θ；

6)扭转刚度kτ计算：kτ＝Me/θ。