CN111624171B - 一种低温真空大光程高灵敏度直线扫描装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低温真空大光程高灵敏度直线扫描装置，涉及大气超光谱探测技术领域；包括角镜组件、锁定装置、4个限位块、导向杆、支撑台、支架、2组导轨与滑块组件、8个热卸载组件、支撑架、LVDT组件、直线电机、基座、光栅尺和读数头；本发明克服现有探测技术中由于温度过高或温度不均匀导致红外光谱被干涉，和温度低导致的机构刚度、机构性能、导轨润滑的问题，克服大行程运行速度的不稳定性，导致扫描精度低，杜绝了传动装置，避免了误差传递，并提高了位置反馈精度。
Description
技术领域
本发明属于大气超光谱探测技术领域，涉及一种低温真空大光程高灵敏度直线扫描装置。
背景技术
随着航天光学遥感器技术的迅速发展，大气成分超光谱遥感应用需求变高，对光学遥感器的分辨力的要求也越来越高，要求光谱探测技术具有通量大、谱段范围宽、光谱分辨率高等诸多特点，这也成为了国内外红外光谱探测技术的发展热点。而星载傅里叶变换光谱仪是探测大气成分的重要工具，对于采用基于时间调制型傅里叶干涉分光技术的大气辐射超光谱探测系统，拟获取高分辨率、高准确度的精细光谱，需实现大光程差，高平稳的光程往复扫描调制。由于光程扫描的覆盖行程、光程扫描调制速率的稳定性能，直接决定了光谱分辨率及光谱探测信噪比等核心光谱探测性能，因此实现高效的大光程差、高精度干涉仪组件研制成为完成高分辨率高精度光谱探测的核心。为了在轨获取高质量干涉探测性能，在干涉仪组件的研制中，其动态光机机构需要具备较高的机构刚度、从而确保在轨光程扫描调制过程中的成像探测性能的稳定性。因此研究大光程扫描行程下，实现快速换向，并在极短时间内速率控制性能达到稳态，完成高伺服带宽高伺服精度扫描控制成为实现高分辨率的重点。
国内外现有技术中，光谱探测扫描机构装置的研制类型少，且光程扫描与光谱分辨效果不理想，美国的TES扫描装置是依靠电机驱动轮子和传送带使导轨和滑块往复移动，滑块上安装背靠背角镜组件，依靠旋变完成位置反馈，这种装置传动多，传送带精度低，导致角镜往复速度不均匀影响光程扫描；德国的MIPAS的扫描装置是采用两个独立的可以移动角镜，以固体润滑直线滚珠轴承支撑直线电机驱动方式驱动角镜往复运动，这种方法采用两套扫描装置完成两组角镜的扫描，浪费元器件，并且两组角镜之间扫描光程差会产生误差，降低了扫描精度。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种低温真空大光程高灵敏度直线扫描装置，克服现有探测技术中由于温度过高或温度不均匀导致红外光谱被干涉，和温度低导致的机构刚度、机构性能、导轨润滑的问题，克服大行程运行速度的不稳定性，导致扫描精度低，杜绝了传动装置，避免了误差传递，并提高了位置反馈精度。
本发明解决技术的方案是：
一种低温真空大光程高灵敏度直线扫描装置，包括角镜组件、锁定装置、4个限位块、导向杆、支撑台、支架、2组导轨与滑块组件、8个热卸载组件、支撑架、LVDT组件、直线电机、基座、光栅尺和读数头；其中，基座水平放置的下凹形底板；2组导轨与滑块组件平行对称设置在基座上表面；且2组导轨与滑块组件分别位于基座下凹处轴线的两侧；每组导轨与滑块组件的轴向两端分别设置一个限位块；光栅尺、读数头和锁定装置固定安装在其中一组导轨与滑块组件的外侧壁；且光栅尺、读数头和和锁定装置依次水平连接；支撑架和支撑台固定安装在另一组导轨与滑块组件的外侧壁；且支撑架设置在对应导轨与滑块组件的轴向一端；支撑台设置在对应导轨与滑块组件的轴向另一端；LVDT组件的轴向一端沿轴向穿过支撑架，且LVDT组件的轴向另一端放置在支撑台的上表面；8个热卸载组件对称分为两组，每组4个热卸载组件；其中一组热卸载组件固定安装在其中一组导轨与滑块组件的下方；另一组热卸载组件固定安装在另一组导轨与滑块组件的下方；支架水平设置在2组导轨与滑块组件的上表面；角镜组件固定安装在支架的上表面；直线电机固定安装在支架的底部，且位于基座的下凹处；导向杆的一端与支架的侧壁固连；导向杆的另一端与LVDT组件固连。
在上述的一种低温真空大光程高灵敏度直线扫描装置，所述导轨与滑块组件包括导轨和2个滑块；其中，导轨为杆状结构；导轨沿基座轴向放置；2个滑块套装在导轨上；实现滑块沿导轨轴向在导轨上移动；读数头与其中一个滑块固定连接。
在上述的一种低温真空大光程高灵敏度直线扫描装置，所述支架的下表面与4个滑块固定连接；实现4个滑块带动支架和角镜组件沿导轨轴向移动。
在上述的一种低温真空大光程高灵敏度直线扫描装置，所述导向杆为L形结构；导向杆长边的一端与支架的侧壁固定连接；且导向杆的长边与导轨平行放置；导向杆的短边向外弯折，且导向杆的短边与LVDT组件位置对应。
在上述的一种低温真空大光程高灵敏度直线扫描装置，所述LVDT组件包括定子和动子；定子为水平放置的筒状结构；动子为杆状结构；动子伸入定子轴线的通孔中，实现动子相对于定子的伸缩平移。
在上述的一种低温真空大光程高灵敏度直线扫描装置，所述支撑架为环状结构；通过支撑架实现对定子外壁的周向固定；支撑台为固定安装在基座上表面的台状结构；通过支撑台实现对定子底部的支撑。
在上述的一种低温真空大光程高灵敏度直线扫描装置，所述动子的轴向一端伸入定子，动子的轴向另一端与导向杆的短边固定连接。
在上述的一种低温真空大光程高灵敏度直线扫描装置，所述扫描装置的工作过程为：
在发射阶段时，锁定装置实现对直线电机的锁定；
当在轨运行时，锁定装置对直线电机进行解锁，直线电机通电后，驱动支架和角镜组件通过4个滑块在导轨上做平稳的往复运动；同时，支架驱动导向杆带动动子在定子轴线处做平稳的往复运动；通过光栅尺和读数头完成角镜组件位置精度测量试验；或通过LVDT组件完成角镜组件位置精度测量试验。
在上述的一种低温真空大光程高灵敏度直线扫描装置，当试验环境温度大于等于0℃时，采用光栅尺和读数头完成角镜组件位置精度测量试验；当试验环境温度小于0℃时，通过LVDT组件完成角镜组件位置精度测量试验。
在上述的一种低温真空大光程高灵敏度直线扫描装置，所述的直线电机采用78.5mm×25.4mm的无铁芯式非冷却型直接驱动直线电机，最低速度为1微米/秒；所述LVDT组件的定子包括传感器壳体、初级线圈、两个次级线圈和线圈骨架，定子轴向长度为600mm；动子采用铁芯材料，动子的轴向长度为40-400mm。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明通过对直线电机的倒装，定子运动，动子与基座固定连接，散热少，对红外光谱干涉小，从而提高光谱分辨率；
(2)本发明直线扫描装置与现有技术相比，零部件间通过机械传动少，零部件少且零件本身结构简单；
(3)本发明中直线电机驱动背靠背角镜组件在导轨上高稳定性运行，导轨表面固体润滑，减少摩擦力，减少污染，且速度稳定性优于0.5％，滚珠进行二硫化钼处理，采用中低真空专用迷宫式末端密封垫片提高了润滑材料的保持性，可长期在大气压-真空(10-3Pa)范围内使用，与现有技术相比完成了最大光程差，实现了高平稳的光程往复调制；
(4)本发明为了消除机构在常温和低温两个110℃温差状态下因材料热胀冷缩引起的结构件变形，导致光路误差、导轨卡滞等问题，在扫描装置和光学系统之间通过柔性卸载块的设计，使扫描装置在安装平面内自由收缩，柔性卸载使机构即能满足热应力及应变需求同时满足机构的刚度需求，其次设计时，选用同种材质结构件，使不同结构件具有同样的膨胀系数最大限度降低温差对机构的影响。
附图说明
图1为本发明直线扫描装置示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
克服现有探测技术中由于温度过高或温度不均匀导致红外光谱被干涉，和温度低导致的机构刚度、机构性能、导轨润滑的问题，克服大行程运行速度的不稳定性，导致扫描精度低，杜绝了传动装置，避免了误差传递，并提高了位置反馈精度，针对以上问题，提供了一种低温、大光程、高灵敏度的直线扫描装置。
适应于低温真空大光程高灵敏度直线扫描装置，如图1所示，具体包括角镜组件1、锁定装置2、4个限位块3、导向杆4、支撑台5、支架6、2组导轨与滑块组件7、8个热卸载组件8、支撑架9、LVDT组件10、直线电机11、基座12、光栅尺13和读数头14；其中，基座12水平放置的下凹形底板；2组导轨与滑块组件7平行对称设置在基座12上表面；且2组导轨与滑块组件7分别位于基座12下凹处轴线的两侧；每组导轨与滑块组件7的轴向两端分别设置一个限位块3；光栅尺13、读数头14和锁定装置2固定安装在其中一组导轨与滑块组件7的外侧壁；且光栅尺13、读数头14和和锁定装置2依次水平连接；支撑架9和支撑台5固定安装在另一组导轨与滑块组件7的外侧壁；且支撑架9设置在对应导轨与滑块组件7的轴向一端；支撑台5设置在对应导轨与滑块组件7的轴向另一端；LVDT组件10的轴向一端沿轴向穿过支撑架9，且LVDT组件10的轴向另一端放置在支撑台5的上表面；8个热卸载组件8对称分为两组，每组4个热卸载组件8；其中一组热卸载组件8固定安装在其中一组导轨与滑块组件7的下方；另一组热卸载组件8固定安装在另一组导轨与滑块组件7的下方；支架6水平设置在2组导轨与滑块组件7的上表面；角镜组件1中采用两对角镜背靠背固定连接；角镜组件1固定安装在支架6的上表面；直线电机11固定安装在支架6的底部，且位于基座12的下凹处；导向杆4的一端与支架6的侧壁固连；导向杆4的另一端与LVDT组件10固连。
锁定装置2与支架6的外侧固定连接，LVDT组件10中动子102的一端在LVDT组件10的定子101的内孔中，定子101一端与支撑架9固定连接，另一端放置在支撑台5上，支撑架9与支撑台5对LVDT组件10起支撑作用，动子102的一端与导向杆4固连，保证动子102的直线移动，导向杆4与支架6连接，随支架6共同做往复移动，支架6上方安装背靠背角镜组件1，完成光路折射，下方连接倒装的直线电机11，与电机的动子连接，定子与基座12连接，保持固定不动，依靠直线电机11动子的往复运动，使连接的支架610带动背靠背角镜组件1在导轨与滑块组件7上移动，限位块3设置在导轨两端共4个，在导轨外侧设置锁定装置2，与基座12外侧连接，并在需锁定处对基座12打锁定孔，光栅尺13安装在基座12另一边，读数头14地面与光栅尺13连接，内侧与支架6外侧连接，来检测位移，基座12底面与干涉仪一支撑结构固定连接，基座12放置光栅尺13一面与干涉仪内部的支撑结构固定连接。
导轨与滑块组件7包括导轨71和2个滑块72；其中，导轨71为杆状结构；导轨71沿基座12轴向放置；2个滑块72套装在导轨71上；实现滑块72沿导轨71轴向在导轨71上移动。支架6的下表面与4个滑块72固定连接；实现4个滑块72带动支架6和角镜组件1沿导轨71轴向移动。导向杆4为L形结构；导向杆4长边的一端与支架6的侧壁固定连接；且导向杆4的长边与导轨71平行放置；导向杆4的短边向外弯折，且导向杆4的短边与LVDT组件10位置对应。
LVDT组件10包括定子101和动子102；定子101为水平放置的筒状结构；动子102为杆状结构；动子102伸入定子101轴线的通孔中，实现动子102相对于定子101的伸缩平移。
支撑架9为环状结构；通过支撑架9实现对定子101外壁的周向固定；支撑台5为固定安装在基座12上表面的台状结构；通过支撑台5实现对定子101底部的支撑。动子102的轴向一端伸入定子101，动子102的轴向另一端与导向杆4的短边固定连接。
扫描装置的工作过程为：
在发射阶段时，步进电机带动齿轮驱动齿条垂直于光学系统运动轴运动，齿条移动锁定光学系统，锁定装置2实现对直线电机11的锁定；
当在轨运行时，步进电机带动齿轮驱动齿条垂直于光学系统运动轴运动，齿条沿Y轴负方向移动，解除锁定。锁定装置2对直线电机11进行解锁，直线电机11通电后，驱动支架6和角镜组件1通过4个滑块72在导轨71上做平稳的往复运动；同时，支架6驱动导向杆4带动动子102在定子101轴线处做平稳的往复运动；通过光栅尺13和读数头14完成角镜组件1位置精度测量试验；或通过LVDT组件10完成角镜组件1位置精度测量试验。当试验环境温度大于等于0℃时，采用光栅尺13和读数头14完成角镜组件1位置精度测量试验；读数头14与滑块72固定连接，检测到滑块位移量，将信息反馈到控制器；当试验环境温度小于0℃时，通过LVDT组件10完成角镜组件1位置精度测量试验。当导向杆4随支架6进行往复位移时，导向杆4中动子102伸长量会产生变化，将位移转化为电压输出来完成位置精度测量。当在轨运行状态下使用激光信号处理器来完成位置精度测量，由控制进行位移测量。
直线电机11采用78.5mm×25.4mm的无铁芯式非冷却型直接驱动直线电机，最低速度为1微米/秒；所述LVDT组件10的定子101包括传感器壳体、初级线圈、两个次级线圈和线圈骨架，定子101轴向长度为600mm；动子102采用铁芯材料，动子102的轴向长度为40-400mm。导轨71外形为28mm×34mm×75mm，其基本额定载荷为10.9KN，可承受25g的冲击载荷，滚珠进行二硫化钼处理，采用中低真空专用迷宫式末端密封垫片提高了润滑材料的保持性，可长期在大气压-真空(10-3Pa)范围内使用。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种低温真空大光程高灵敏度直线扫描装置，其特征在于：包括角镜组件(1)、锁定装置(2)、4个限位块(3)、导向杆(4)、支撑台(5)、支架(6)、2组导轨与滑块组件(7)、8个热卸载组件(8)、支撑架(9)、LVDT组件(10)、直线电机(11)、基座(12)、光栅尺(13)和读数头(14)；其中，基座(12)水平放置的下凹形底板；2组导轨与滑块组件(7)平行对称设置在基座(12)上表面；且2组导轨与滑块组件(7)分别位于基座(12)下凹处轴线的两侧；每组导轨与滑块组件(7)的轴向两端分别设置一个限位块(3)；光栅尺(13)、读数头(14)和锁定装置(2)固定安装在其中一组导轨与滑块组件(7)的外侧壁；且光栅尺(13)、读数头(14)和锁定装置(2)依次水平连接；支撑架(9)和支撑台(5)固定安装在另一组导轨与滑块组件(7)的外侧壁；且支撑架(9)设置在对应导轨与滑块组件(7)的轴向一端；支撑台(5)设置在对应导轨与滑块组件(7)的轴向另一端；LVDT组件(10)的轴向一端沿轴向穿过支撑架(9)，且LVDT组件(10)的轴向另一端放置在支撑台(5)的上表面；8个热卸载组件(8)对称分为两组，每组4个热卸载组件(8)；其中一组热卸载组件(8)固定安装在其中一组导轨与滑块组件(7)的下方；另一组热卸载组件(8)固定安装在另一组导轨与滑块组件(7)的下方；支架(6)水平设置在2组导轨与滑块组件(7)的上表面；角镜组件(1)固定安装在支架(6)的上表面；直线电机(11)固定安装在支架(6)的底部，且位于基座(12)的下凹处；导向杆(4)的一端与支架(6)的侧壁固连；导向杆(4)的另一端与LVDT组件(10)固连。
2.根据权利要求1所述的一种低温真空大光程高灵敏度直线扫描装置，其特征在于：所述导轨与滑块组件(7)包括导轨(71)和2个滑块(72)；其中，导轨(71)为杆状结构；导轨(71)沿基座(12)轴向放置；2个滑块(72)套装在导轨(71)上；实现滑块(72)沿导轨(71)轴向在导轨(71)上移动；读数头(14)与其中一个滑块(72)固定连接。
3.根据权利要求2所述的一种低温真空大光程高灵敏度直线扫描装置，其特征在于：所述支架(6)的下表面与4个滑块(72)固定连接；实现4个滑块(72)带动支架(6)和角镜组件(1)沿导轨(71)轴向移动。
4.根据权利要求3所述的一种低温真空大光程高灵敏度直线扫描装置，其特征在于：所述导向杆(4)为L形结构；导向杆(4)长边的一端与支架(6)的侧壁固定连接；且导向杆(4)的长边与导轨(71)平行放置；导向杆(4)的短边向外弯折，且导向杆(4)的短边与LVDT组件(10)位置对应。
5.根据权利要求4所述的一种低温真空大光程高灵敏度直线扫描装置，其特征在于：所述LVDT组件(10)包括定子(101)和动子(102)；定子(101)为水平放置的筒状结构；动子(102)为杆状结构；动子(102)伸入定子(101)轴线的通孔中，实现动子(102)相对于定子(101)的伸缩平移。
6.根据权利要求5所述的一种低温真空大光程高灵敏度直线扫描装置，其特征在于：所述支撑架(9)为环状结构；通过支撑架(9)实现对定子(101)外壁的周向固定；支撑台(5)为固定安装在基座(12)上表面的台状结构；通过支撑台(5)实现对定子(101)底部的支撑。
7.根据权利要求6所述的一种低温真空大光程高灵敏度直线扫描装置，其特征在于：所述动子(102)的轴向一端伸入定子(101)，动子(102)的轴向另一端与导向杆(4)的短边固定连接。
8.根据权利要求7所述的一种低温真空大光程高灵敏度直线扫描装置，其特征在于：所述扫描装置的工作过程为：
在发射阶段时，锁定装置(2)实现对直线电机(11)的锁定；
当在轨运行时，锁定装置(2)对直线电机(11)进行解锁，直线电机(11)通电后，驱动支架(6)和角镜组件(1)通过4个滑块(72)在导轨(71)上做平稳的往复运动；同时，支架(6)驱动导向杆(4)带动动子(102)在定子(101)轴线处做平稳的往复运动；通过光栅尺(13)和读数头(14)完成角镜组件(1)位置精度测量试验；或通过LVDT组件(10)完成角镜组件(1)位置精度测量试验。
9.根据权利要求8所述的一种低温真空大光程高灵敏度直线扫描装置，其特征在于：当试验环境温度大于等于0℃时，采用光栅尺(13)和读数头(14)完成角镜组件(1)位置精度测量试验；当试验环境温度小于0℃时，通过LVDT组件(10)完成角镜组件(1)位置精度测量试验。
10.根据权利要求9所述的一种低温真空大光程高灵敏度直线扫描装置，其特征在于：所述的直线电机(11)采用78.5mm×25.4mm的无铁芯式非冷却型直接驱动直线电机，最低速度为1微米/秒；所述LVDT组件(10)的定子(101)包括传感器壳体、初级线圈、两个次级线圈和线圈骨架，定子(101)轴向长度为600mm；动子(102)采用铁芯材料，动子(102)的轴向长度为40-400mm。
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- 2020-05-07 CN CN202010378244.9A patent/CN111624171B/zh active Active
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