CN112710597B - 一种适用于空间尘埃粒径测量的光学传感器结构设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适用于空间尘埃粒径测量的光学传感器结构设计方法，根据光学传感器的关键参数与光学传感器内表面数学理论方程得到光学传感器内表面在极坐标系下的工程设计方程，进而推导出机床可识别的直角坐标系下的工程设计方程，机床按照直角坐标系下的工程设计方程对基材进行切削加工，即可得到理想聚光器的非成像聚光器光学传感器；也就是说，本发明得到的光学传感器能够可靠地将空间进入粒径测量系统的尘埃影像大小信号可靠地识别，并将获得高精度的粒径测量信号可靠地传输到电子学内部测量电路，进而非接触地精确测量尘埃的粒径大小。
Description
技术领域
本发明属于空间环境探测技术领域，尤其涉及一种适用于空间尘埃粒径测量的光学传感器结构设计方法。
背景技术
尘埃粒径测量是基于尘埃颗粒与激光光束的相互作用来实现的。该测量方法利用粒子与激光相互作用产生的散射信号，通过采集一定孔径角范围内尘埃颗粒的散射光通量，经光电探测器转换成电信号后，得到尘埃粒子的光学散射截面大小、粒子穿越探测区的位置以及粒子的速度大小，然后通过解析算法间接反演尘埃粒子的粒径大小。在此基础上，结合尘埃动量传感器测量所得结果，进一步分析得到尘埃粒子的质量、密度等信息。
光学传感器是一种非常接近于理想聚光器的非成像聚光器，用于接收从空间进入粒径测量系统的尘埃影像大小信号来达到尘埃粒径测量的目的。
为了使粒径测量传感器变成高精度的产品，需要给出内表面的数学曲线方程，再将数学曲线方程转化为工程化实施方程，通过高精度机床精密加工得到光学传感器产品。目前在空间尘埃粒径测量光学传感器上还没有使用这种设计方法的产品，该设计实施方法解决了空间尘埃粒径测量传感器的设计制造难题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种适用于空间尘埃粒径测量的光学传感器结构设计方法，其得到的光学传感器能够可靠地将空间进入粒径测量系统的尘埃影像大小信号可靠地识别，并传输到电子学内部测量电路。
一种适用于空间尘埃粒径测量的光学传感器结构设计方法，包括以下步骤：
S1：确定光学传感器的关键参数，其中，所述关键参数包括出口直径d1＝7.846mm、入口直径d2＝40mm以及最大接收角θmax＝11.3°；
S2：基于光学传感器的关键参数与光学传感器内表面数学理论方程得到光学传感器内表面在极坐标系下的工程设计方程如下：
其中，t为辅助变量，且t∈(0,1)，r为极径，θ为极角，且θ∈(11.3°,90°)，同时满足θ＝11.3°+(90°-11.3°)×t；
S3：将极坐标系下的工程设计方程转换为机床可识别的直角坐标系下的工程设计方程如下：
z＝0
y＝(1+sin(11.3))×7.846×sin(11.3+78.7×t)/(1-cos(11.3)×cos(11.3+78.7×t)+sin(11.3)×sin(11.3+78.7×t))-3.923
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S4：机床按照直角坐标系下的工程设计方程对基材进行切削加工，得到所需的光学传感器。
进一步地，光学传感器的关键参数的确定方法为：基于射线追踪法，采用Zmax软件模拟计算得到。
进一步地，用于制作光学传感器的基材为硬铝合金。
进一步地，所述光学传感器内表面数学理论方程为：
进一步地，得到所需的光学传感器后，对光学传感器的内表面进行镀膜，其中，从表面往里依次为5μm的镍膜、1～2μm的铜膜以及1～2μm的金膜。
进一步地，所需的光学传感器的外表面为圆柱面。
有益效果：
1、本发明提供一种适用于空间尘埃粒径测量的光学传感器结构设计方法，根据光学传感器的关键参数与光学传感器内表面数学理论方程得到光学传感器内表面在极坐标系下的工程设计方程，进而推导出机床可识别的直角坐标系下的工程设计方程，机床按照直角坐标系下的工程设计方程对基材进行切削加工，即可得到理想聚光器的非成像聚光器光学传感器；
也就是说，本发明得到的光学传感器能够可靠地将空间进入粒径测量系统的尘埃影像大小信号可靠地识别，并将获得高精度的粒径测量信号可靠地传输到电子学内部测量电路，进而非接触地精确测量尘埃的粒径大小。
2、本发明的光学传感器外表面设计有圆柱面，便于精密装配时夹持固定。
附图说明
图1为本发明用于空间尘埃粒径测量的光学传感器设与工程实现过程流程图；
图2为本发明光学传感器的原理图；
图3为本发明用于空间尘埃粒径测量的光学传感器内表面示意图；
图4为本发明用于空间尘埃粒径测量的光学传感器外形刨面示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种适用于空间尘埃粒径测量的光学传感器结构设计方法，主要包括内表面数学理论方程的给出、内表面工程设计方程的给出、内表面精密加工、内表面机械检测、内表面镀膜以及内表面物理性能测试等几个部分。
光学传感器如图2所示，a为双曲线轴，传感器锥面是双曲线的一部分绕特定轴b旋转所形成的面，光学传感器有三个关键参数：出口直径d1，入口直径d2，最大接收角θmax。
需要说明的是，在具体实现过程中，本发明基于技术指标和参数，采用射线追踪法，基于Zmax软件设计，确定光学传感器的具体参数：包括出射孔径大小d1＝7.846mm，入射孔径大小d2＝40mm，接收角度θmax＝11.3°以及长度L＝120mm。在实际工程使用中，需要考虑光学传感器的壁厚给实际尺寸带来的误差，结合变形等影响，此处暂时设计为1mm。
三个参数之间的关系为式(1)：
sinθmax＝d1/d2 (1)
光学传感器的长度l满足关系式(2)：
l＝(d1+d2)/tanθmax (2)
已知其中任意两个参数便可以确定一个光学传感器锥面；当光线以不大于θmax的角度从光学传感器(CPC，Compound Parabolic Concentrator)上端入射时，可以经过反射从光学传感器下端开口处射出并被采集。而当入射角度大于θmax时，此时光线经过多次反射会从入口端返回，成为无效光线。
其中，光学传感器内表面数学理论方程为式(3)：
将式(3)转换为工程设计方程为式(4)：
其中，t为辅助变量，且t∈(0,1)，r为极径，θ为极角，且θ∈(11.3°,90°)，同时满足θ＝11.3°+(90°-11.3°)×t；
相应的直角坐标系值为：
基于公式(4)和(5)可以得到机床可识别的直角坐标系下的工程设计方程(6)：
z＝0
y＝(1+sin(11.3))×7.846×sin(11.3+78.7×t)/(1-cos(11.3)×cos(11.3+78.7×t)+sin(11.3)×sin(11.3+78.7×t))-3.923 (6)
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然后，机床按照直角坐标系下的工程设计方程对基材进行切削加工，即可得到所需的光学传感器，如图3和图4所示，分别为光学传感器侧视图和剖面图。
加工完成后，本发明对按照直角坐标系下的工程设计方程(6)切削加工得到的光学传感器的内表面进行机械尺寸检测，也即采用三座标测量仪对光学传感器的内表面的轴向进行描点测试，将描点值进行最小二乘法拟合获得拟合方程，对拟合方程与光学传感器内表面数学理论方程进行比较，相同度达到99.9％为合格，说明本发明的直角坐标系下的工程设计方程(6)能够很好的拟合光学传感器内表面数学理论方程，按照工程设计方程(6)得到的光学传感器符合参数要求，能够可靠地将空间进入粒径测量系统的尘埃影像大小信号可靠地识别并传输到到电子学内部测量电路。
此外，本发明还可以对光学传感器的内表面镀膜，从表面往里依次为5μm的镍膜、1～2μm的铜膜以及1～2μm的金膜。
最后，可以对最终加工得到的光学传感器的产品光学性能进行测试。
由此可见，本发明给出了光学传感器的数学理论方程、工程设计方程、机床可识别的方程，并制定了光学传感器完整的设计、生产、机械检测、表面镀膜等产品实现方法和流程，得到的光学传感器很好的符合光学传感器内表面数学理论方程，能够可靠地将空间进入粒径测量系统的尘埃影像大小信号可靠地识别，实现非接触地精确测量尘埃的粒径大小。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种适用于空间尘埃粒径测量的光学传感器结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：确定光学传感器的关键参数，其中，所述关键参数包括出口直径d1＝7.846mm、入口直径d2＝40mm以及最大接收角θmax＝11.3°；
S2：基于光学传感器的关键参数与光学传感器内表面数学理论方程得到光学传感器内表面在极坐标系下的工程设计方程，其中，光学传感器内表面数学理论方程如下：
工程设计方程如下：
其中，t为辅助变量，且t∈(0,1)，r为极径，θ为极角，且θ∈(11.3°,90°)，同时满足θ＝11.3°+(90°-11.3°)×t；
S3：将极坐标系下的工程设计方程转换为机床可识别的直角坐标系下的工程设计方程如下：
z＝0
y＝(1+sin(11.3))×7.846×sin(11.3+78.7×t)/(1-cos(11.3)×cos(11.3+78.7×t)+sin(11.3)×sin(11.3+78.7×t))-3.923
x＝(1+sin(11.3))×7.846×cos(11.3+78.7×t)/(1-cos(11.3)×cos(11.3+78.7×t)+sin(11.3)×sin(11.3+78.7×t))
S4：机床按照直角坐标系下的工程设计方程对基材进行切削加工，得到所需的光学传感器。
2.如权利要求1所述的一种适用于空间尘埃粒径测量的光学传感器结构设计方法，其特征在于，光学传感器的关键参数的确定方法为：基于射线追踪法，采用Zmax软件模拟计算得到。
3.如权利要求1所述的一种适用于空间尘埃粒径测量的光学传感器结构设计方法，其特征在于，用于制作光学传感器的基材为硬铝合金。
4.如权利要求1所述的一种适用于空间尘埃粒径测量的光学传感器结构设计方法，其特征在于，得到所需的光学传感器后，对光学传感器的内表面进行镀膜，其中，从表面往里依次为5μm的镍膜、1～2μm的铜膜以及1～2μm的金膜。
5.如权利要求1所述的一种适用于空间尘埃粒径测量的光学传感器结构设计方法，其特征在于，所需的光学传感器的外表面为圆柱面。
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