CN108458857B - 一种光电设备振动、温度和气压环境模拟试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光电设备振动、温度和气压环境模拟试验系统，包括待试光电设备和环境模拟试验系统；所述待试光电设备由待试光学设备和CCD摄像机组成；所述环境模拟试验系统由低频摇摆与宽频随机振动加载系统、温度环境应力模拟加载实验系统和气压环境应力模拟加载实验系统构成；本发明的光电设备振动、温度和气压环境模拟试验系统，集振动环境、温度环境以及低气压环境模拟实验综合测试于一体，利用本环境试验系统能实现对光电设备在高原环境下系统响应特性模拟实验和测试分析。
Description
技术领域
本发明涉及一种光电设备振动、温度和气压环境模拟试验系统，属于光电设备试验技术领域。
背景技术
光电系统是一种集光、机、电、控制高度集成的综合系统，在高原环境下振动-冲击-温度-气压等耦合应力作用下，将给其中的光学系统、电子系统、机械系统带来不同于平原地区的复杂影响；为研究高原环境的温度变化、气压变化以及振动冲击等激励对光电设备的影响，本发明提出了一种振动环境、温度环境以及低气压环境模拟实验测试系统，利用该系统能实现对光电设备在高原环境下系统响应特性模拟实验和测试分析。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种光电设备振动、温度和气压环境模拟试验系统，集振动环境、温度环境以及低气压环境模拟实验综合测试于一体，利用本环境试验系统能实现对光电设备在高原环境下系统响应特性模拟实验和测试分析。
本发明的光电设备振动、温度和气压环境模拟试验系统，包括待试光电设备和环境模拟试验系统；所述待试光电设备由待试光学设备和CCD摄像机组成；所述环境模拟试验系统由低频摇摆与宽频随机振动加载系统、温度环境应力模拟加载实验系统和气压环境应力模拟加载实验系统构成；
所述低频摇摆与宽频随机振动加载系统包括液压式摇摆平台和电磁激振器；所述待试光电设备和电磁激振器分别安装于液压式摇摆平台其运动台面上；所述待试光电设备一侧安装有带激光找像装置的自准直平行光管；所述待试光电设备通过视频采集器电连接有低频摇摆与宽频随机振动加载系统的试验计算机；所述液压式摇摆平台和电磁激振器分别通过驱动放大器与低频摇摆与宽频随机振动加载系统的试验计算机电连接；所述液压式摇摆平台其运动台面上还安装有振动传感器；所述振动传感器和待试光电设备分别通过信号调理器与低频摇摆与宽频随机振动加载系统的试验计算机电连接，利用液压摇摆台与电磁激振器联合可实现车体大幅值低频摇转与宽频随机振动联合作用，能够模拟车辆行进间光电设备扫描时的摇摆和随机状态；
所述温度环境应力模拟加载实验系统由光学信号加载子系统、环境温度加载子系统和图像信号处理子系统构成；通过光学信号加载子系统提供了一个微光的测试环境给所要测量的待试光电设备，同时要实时的监测光应力水平和光源的强度；所述光学信号加载子系统根据光线传播方向依次包括标准A光源、小积分球、大积分球、分辨率板和自准直平行光管，试验中需要不同级别光照度的光源，因此光学信号加载子系统中可以通过改变小积分球输出窗口上的光阑大小以及更换透过率板来实现光源的照度变换；自准直平行光管可以通过手动切换来替换分辨力板，装置可以沿着焦平面使需要的分辨率板切换到所需位置，并可利用导轨将CCD摄像机和待试光学设备（微光瞄具）来固定，这样就可以将所需部件共轴，便于轴向固定；光学信号加载子系统中由自准直平行光管发出均匀光束投射在分辨率板上，通过微光瞄具将分辨率板成像在CCD摄像机上，进而采集图像输入计算机，经过图像处理就可进行实时评价；小、大积分球主要作用是为瞄具供给无穷远的平行光，其为空腔的球体，通常由两个内壁涂以白色漫反射材料的半球壳组装而成；自准直平行光管是一种可以产生平行光的光学仪器，可以使用平行光管来精确地测量透镜和透镜组的分辨率、焦距和成像质量；环境温度加载子系统用于提供一个温度变化的测试环境，所述环境温度加载子系统为高低温控制箱，其包括箱体，及安装于箱体下部的制冷机构和真空机构，及安装于箱体上部的控制器、电加热器和蒸发器；所述箱体其上部和下部之间安装有隔板，且其上部设置有工作空间；所述蒸发器通过冷却管路与冷却机构连接；所述真空机构通过真空管连接至工作空间；所述制冷机构、真空机构和电加热器分别与控制器电连接；所述待试光电设备通过轨道安装于箱体的工作空间中，且其输出端与图像信号处理子系统的计算机电连接，箱体体积为待试光电设备的8倍，这样既有利于箱体内能量的流通，又能保证待试光电设备在试验中不受干扰；图像信号处理子系统包括安装有图像处理系统软件的计算机，用于评价光电设备受到扰动影响的程度，包括对瞄准线偏移量与图像整体抖动量的定量检测、识别与评价，涉及到光电设备输出图像的实时获取、图像的特征变换、降噪滤波与信息提取以及图像信息量化解释等技术环节；所述箱体后侧开设有光应力加载窗口；所述光学信号加载子系统安装于光应力加载窗口前侧；
所述气压环境应力模拟加载实验系统包括低压实验舱，及与低压实验舱连接的真空泵组，及设置于低压实验舱其舱门前侧的带激光找像装置的自准直平行光管；所述待试光电设备放置于低压实验舱内，且其输出端通过视频采集器电连接至气压环境应力模拟加载实验系统的试验计算机；所述低压实验舱其舱体前侧安装有透光观察窗；所述透光观察窗为双层结构，其由内保温层玻璃和外强度玻璃构成，透光观察窗其玻璃的光学参数事先通过计量试验获得，并补充到Zemax光学仿真模型中，已进行低气压对成像质量分析；所述内保温层玻璃和外强度玻璃之间设置有真空层，以防止玻璃两侧由于温差过大表面凝结成水雾，影响观察清晰度；所述透光观察窗两侧安装有保温衬套和密封垫，随着海拔高度的增加，环境压力会不断降低，而环境空气中各种组分的相对浓度在不同压力条件下基本保持不变，通过设计密闭的低压实验舱在常规压力地区来模拟高原地区的低压低氧条件。
作为优选的实施方案，所述待试光电设备通过水平滑台安装于液压式摇摆平台上，利用振动台实施振动冲击试验时在X，Y，Z多轴加载需要配置水平滑台，同时，利用瞬态波形组合法进行多轴加载响应试验中，根据推力和频率范围选择合适的激振参数。
作为优选的实施方案，所述液压式摇摆平台其机械转动轴传动连接有高精度旋转变压器，利用液压式摇摆台进行行驶试验时需同时考虑被测试件的外形特征和角位移运动特性，优化设计摇摆平台支撑、约束、驱动的组合结构，保证在大载荷下和停机定位状态下平台的稳定与安全；由于旋转运动的规范性，在机械转动轴上安装高精度旋转变压器，可以准确、方便的采集平台俯仰定位信息，并显示实时位置。
作为优选的实施方案，所述低频摇摆与宽频随机振动加载系统其带激光找像装置的自准直平行光管上可拆卸安装有分辨力靶板，可实时采集振动过程中待试光电设备视频输出，并根据图像判定视轴稳定情况。
进一步地，所述工作空间内还安装有温度传感器和湿度传感器。
作为优选的实施方案，所述制冷机构为二元式水冷复叠机组；所述真空机构为高效真空舱；所述电加热器为铬合金电加热器。
作为优选的实施方案，所述光应力加载窗口由中空双层光学玻璃制成，外层具有加热功能，防止环境试验时结霜、起雾，并不影响光照度。
作为优选的实施方案，所述低压实验舱其舱门为微压自闭式高强度矩形舱门；所述内保温层玻璃和外强度玻璃为钢化硼硅玻璃；所述密封垫为氯丁橡胶材质。
进一步地，所述低压实验舱其舱体内分别安装有用于检测舱体内压力的气压传感器，及用于检测舱体内温度的温度传感器，及用于检测舱体内气体组分浓度的电子鼻；所述气压传感器、温度传感器和电子鼻分别通过信号调理模块电连接至气压环境应力模拟加载实验系统的试验计算机；所述真空泵组与气压环境应力模拟加载实验系统的试验计算机电连接。
本发明与现有技术相比较，本发明的光电设备振动、温度和气压环境模拟试验系统，集振动环境、温度环境以及低气压环境模拟实验综合测试于一体，利用本环境试验系统能实现对光电设备在高原环境下系统响应特性模拟实验和测试分析。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意框图。
图2是本发明的低频摇摆与宽频随机振动加载系统结构示意图。
图3是本发明的低频摇摆与宽频随机振动加载系统的4单元测试分辨力靶板结构示意图。
图4是本发明的温度环境应力模拟加载实验系统结构示意图。
图5是本发明的温度环境应力模拟加载实验系统的高低温控制箱的结构示意图。
图6是本发明的气压环境应力模拟加载实验系统结构示意图。
图7是本发明的气压环境应力模拟加载实验系统的透光观察窗安装结构示意图。
图8是本发明的低频摇摆与宽频随机振动加载系统的光路原理图。
附图中各部件标注为：1-待试光电设备，11-待试光学设备，111-上反射镜，112-下发射镜，12-CCD摄像机，2-低频摇摆与宽频随机振动加载系统，21-液压式摇摆平台，22-电磁激振器，23-带激光找像装置的自准直平行光管，24-视频采集器，25-低频摇摆与宽频随机振动加载系统的试验计算机，26-驱动放大器，27-振动传感器，28-信号调理器，3-温度环境应力模拟加载实验系统，31-光学信号加载子系统，311-标准A光源，312-小积分球，313-大积分球，314-分辨率板，315-自准直平行光管，32-环境温度加载子系统，321-箱体，322-制冷机构，323-真空机构，324-控制器，325-电加热器，326-蒸发器，327-隔板，328-工作空间，33-图像信号处理子系统，4-气压环境应力模拟加载实验系统，41-低压实验舱，42-真空泵组，43-带激光找像装置的自准直平行光管，44-气压环境应力模拟加载实验系统的试验计算机，45-透光观察窗，451-内保温层玻璃，452-外强度玻璃，453-真空层，46-保温衬套，47-密封垫，48-低压实验舱的舱门，5-灯泡，6-分光棱镜，7-刻度分划板，8-平行光管物镜，9-平行光管目镜，10-光轴。
具体实施方式
如图1至图7所示的光电设备振动、温度和气压环境模拟试验系统，包括待试光电设备1和环境模拟试验系统；所述待试光电设备1由待试光学设备11和CCD摄像机12组成；所述环境模拟试验系统由低频摇摆与宽频随机振动加载系统2、温度环境应力模拟加载实验系统3和气压环境应力模拟加载实验系统4构成；
所述低频摇摆与宽频随机振动加载系统2包括液压式摇摆平台21和电磁激振器22；所述待试光电设备1和电磁激振器22分别安装于液压式摇摆平台2其运动台面上；所述待试光电设备1一侧安装有带激光找像装置的自准直平行光管23；所述待试光电设备1通过视频采集器24电连接有低频摇摆与宽频随机振动加载系统的试验计算机25；所述液压式摇摆平台21和电磁激振器22分别通过驱动放大器26与低频摇摆与宽频随机振动加载系统的试验计算机25电连接；所述液压式摇摆平台21其运动台面上还安装有振动传感器27；所述振动传感器27和待试光电设备1分别通过信号调理器28与低频摇摆与宽频随机振动加载系统的试验计算机25电连接；
所述温度环境应力模拟加载实验系统3由光学信号加载子系统31、环境温度加载子系统32和图像信号处理子系统33构成；所述光学信号加载子系统31根据光线传播方向依次包括标准A光源311、小积分球312、大积分球313、分辨率板314和自准直平行光管315；所述环境温度加载子系统32为高低温控制箱，其包括箱体321，及安装于箱体321下部的制冷机构322和真空机构323，及安装于箱体321上部的控制器324、电加热器325和蒸发器326；所述箱体321其上部和下部之间安装有隔板327，且其上部设置有工作空间328；所述蒸发器326通过冷却管路与冷却机构连322接；所述真空机构323通过真空管连接至工作空间328；所述制冷机构322、真空机构323和电加热器325分别与控制器324电连接；所述待试光电设备1通过轨道安装于箱体321的工作空间328中，且其输出端与图像信号处理子系统33的计算机电连接；所述箱体321后侧开设有光应力加载窗口（未图示）；所述光学信号加载子系统31安装于光应力加载窗口前侧；
所述气压环境应力模拟加载实验系统4包括低压实验舱41，及与低压实验舱41连接的真空泵组42，及设置于低压实验舱41其舱门前侧的带激光找像装置的自准直平行光管43；所述待试光电设备1放置于低压实验舱41内，且其输出端通过视频采集器电连接至气压环境应力模拟加载实验系统的试验计算机44；所述低压实验舱41其舱体前侧安装有透光观察窗45；所述透光观察窗45为双层结构，其由内保温层玻璃451和外强度玻璃452构成；所述内保温层玻璃451和外强度玻璃452之间设置有真空层453；所述透光观察窗45两侧安装有保温衬套46和密封垫47。
所述待试光电设备1通过水平滑台安装于液压式摇摆平台21上。
所述液压式摇摆平台21其机械转动轴传动连接有高精度旋转变压器。
所述低频摇摆与宽频随机振动加载系统其带激光找像装置的自准直平行光管23上可拆卸安装有分辨力靶板。
所述工作空间328内还安装有温度传感器和湿度传感器。
所述制冷机构322为二元式水冷复叠机组；所述真空机构323为高效真空舱；所述电加热器325为铬合金电加热器。
所述光应力加载窗口由中空双层光学玻璃制成。
所述低压实验舱41其舱门48为微压自闭式高强度矩形舱门；所述内保温层玻璃451和外强度玻璃452为钢化硼硅玻璃；所述密封垫47为氯丁橡胶材质。
所述低压实验舱41其舱体内分别安装有用于检测舱体内压力的气压传感器，及用于检测舱体内温度的温度传感器，及用于检测舱体内气体组分浓度的电子鼻；所述气压传感器、温度传感器和电子鼻分别通过信号调理模块电连接至气压环境应力模拟加载实验系统的试验计算机44；所述真空泵组42与气压环境应力模拟加载实验系统的试验计算机44电连接。
本发明的光电设备振动、温度和气压环境模拟试验系统，利用液压摇摆台与电磁激振器联合可实现车体大幅值低频摇转与宽频随机振动联合作用，能够模拟车辆行进间光电设备扫描时的摇摆和随机状态；
由于液压式摇摆台的大小限制，利用低频摇摆与宽频随机振动加载系统进行摇摆试验中只将待试光电设备其待试光学设备的上反组件安装在液压式摇摆台上进行摇摆试验；如图8所示，利用灯泡5作为光源照亮自准直分划，通过分光棱镜6和平行光管物镜8，以平行光束入射到待试光学设备（被测稳像系统），经过上反射镜111射入稳像系统内部，再由下反光镜112反射按原光路返回；可通过查看平行光管目镜9查看成像情况，摇摆试验中，通过调节液压式摇摆台的输入频率和摆幅，模拟不同的正弦摇摆振动，通过自准直平行光管和CCD摄像机将视频传输至计算机，其具体操作步骤如下：
（1）将被测稳像系统的上反组件安装在液压式摇摆台上，并利用螺栓固定牢靠，以免试验过程中发生松动；将自准直平行光管固定在三角架上，对准被测稳像系统的入射光轴方向调节三角架的高度和自准直平行光管的俯仰、方位，使平行光管的光轴和被测稳像系统的光轴一致，并保持光轴不变；
（2）点亮灯泡光源照亮自准直分划，被照亮的自准直分划经过分光棱镜和物镜，以平行光束入射到被测系统上反组件，经过上反射镜和下反光镜的反射，按原光路返回至自准直平行光管，并成像在自准直平行光管内的刻度分划板7上；通过分划的图像对系统进行精调对准，调节平行光管的俯仰、方位使反射回的亮自准直分划尽可能成像在图像中央位置；
（3）安装并调试好试验系统后，启动被测稳像系统并进入稳像模式，然后开启液压式摇摆台，按照试验要求设定不同频率、摆幅的摆动，通过CCD摄像机将通过自准直平行光管的视频图像传输至计算机显示并存储，然后利用图像处理程序对视频图像进行处理和识别，获得系统的稳定精度从而评价不同的低频摆动对稳像系统成像性能的影响；
温度环境应力模拟加载实验系统中，通过光学信号加载子系统提供了一个微光的测试环境给所要测量的待试光电设备，同时要实时的监测光应力水平和光源的强度；通过环境温度加载子系统提供一个温度变化的测试环境；图像信号处理子系统包括安装有图像处理系统软件的计算机，用于评价光电设备受到扰动影响的程度，包括对瞄准线偏移量与图像整体抖动量的定量检测、识别与评价，涉及到光电设备输出图像的实时获取、图像的特征变换、降噪滤波与信息提取以及图像信息量化解释等技术环节；
随着海拔高度的增加，环境压力会不断降低，而环境空气中各种组分的相对浓度在不同压力条件下基本保持不变，通过设计密闭的低压实验舱在常规压力地区来模拟高原地区的低压低氧条件；
本发明的光电设备振动、温度和气压环境模拟试验系统，集振动环境、温度环境以及低气压环境模拟实验综合测试于一体，利用本环境试验系统能实现对光电设备在高原环境下系统响应特性模拟实验和测试分析。
上述实施例，仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。
Claims (6)
1.一种光电设备振动、温度和气压环境模拟试验系统，其特征在于：包括待试光电设备和环境模拟试验系统；所述待试光电设备由待试光学设备和CCD摄像机组成；所述环境模拟试验系统由低频摇摆与宽频随机振动加载系统、温度环境应力模拟加载实验系统和气压环境应力模拟加载实验系统构成；
所述低频摇摆与宽频随机振动加载系统包括液压式摇摆平台和电磁激振器；所述待试光电设备和电磁激振器分别安装于液压式摇摆平台其运动台面上；所述待试光电设备一侧安装有带激光找像装置的自准直平行光管；所述待试光电设备通过视频采集器电连接有低频摇摆与宽频随机振动加载系统的试验计算机；所述液压式摇摆平台和电磁激振器分别通过驱动放大器与低频摇摆与宽频随机振动加载系统的试验计算机电连接；所述液压式摇摆平台其运动台面上还安装有振动传感器；所述振动传感器和待试光电设备分别通过信号调理器与低频摇摆与宽频随机振动加载系统的试验计算机电连接；
所述温度环境应力模拟加载实验系统由光学信号加载子系统、环境温度加载子系统和图像信号处理子系统构成；所述光学信号加载子系统根据光线传播方向依次包括标准A光源、小积分球、大积分球、分辨率板和自准直平行光管；所述环境温度加载子系统为高低温控制箱，其包括箱体，及安装于箱体下部的制冷机构和真空机构，及安装于箱体上部的控制器、电加热器和蒸发器；所述箱体其上部和下部之间安装有隔板，且其上部设置有工作空间；所述蒸发器通过冷却管路与冷却机构连接；所述真空机构通过真空管连接至工作空间；所述制冷机构、真空机构和电加热器分别与控制器电连接；所述待试光电设备通过轨道安装于箱体的工作空间中，且其输出端与图像信号处理子系统的计算机电连接；所述箱体后侧开设有光应力加载窗口；所述光学信号加载子系统安装于光应力加载窗口前侧；
所述气压环境应力模拟加载实验系统包括低压实验舱，及与低压实验舱连接的真空泵组，及设置于低压实验舱其舱门前侧的带激光找像装置的自准直平行光管；所述待试光电设备放置于低压实验舱内，且其输出端通过视频采集器电连接至气压环境应力模拟加载实验系统的试验计算机；所述低压实验舱其舱体前侧安装有透光观察窗；所述透光观察窗为双层结构，其由内保温层玻璃和外强度玻璃构成；所述内保温层玻璃和外强度玻璃之间设置有真空层；所述透光观察窗两侧安装有保温衬套和密封垫；
所述待试光电设备通过水平滑台安装于液压式摇摆平台上；
所述液压式摇摆平台其机械转动轴传动连接有高精度旋转变压器；
所述低频摇摆与宽频随机振动加载系统其带激光找像装置的自准直平行光管上可拆卸安装有分辨力靶板。
2.根据权利要求1所述的光电设备振动、温度和气压环境模拟试验系统，其特征在于：所述工作空间内还安装有温度传感器和湿度传感器。
3.根据权利要求1所述的光电设备振动、温度和气压环境模拟试验系统，其特征在于：所述制冷机构为二元式水冷复叠机组；所述真空机构为高效真空舱；所述电加热器为铬合金电加热器。
4.根据权利要求1所述的光电设备振动、温度和气压环境模拟试验系统，其特征在于：所述光应力加载窗口由中空双层光学玻璃制成。
5.根据权利要求1所述的光电设备振动、温度和气压环境模拟试验系统，其特征在于：所述低压实验舱其舱门为微压自闭式高强度矩形舱门；所述内保温层玻璃和外强度玻璃为钢化硼硅玻璃；所述密封垫为氯丁橡胶材质。
6.根据权利要求1所述的光电设备振动、温度和气压环境模拟试验系统，其特征在于：所述低压实验舱其舱体内分别安装有用于检测舱体内压力的气压传感器，及用于检测舱体内温度的温度传感器，及用于检测舱体内气体组分浓度的电子鼻；所述气压传感器、温度传感器和电子鼻分别通过信号调理模块电连接至气压环境应力模拟加载实验系统的试验计算机；所述真空泵组与气压环境应力模拟加载实验系统的试验计算机电连接。
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