CN113375579B - 一种栅极组件栅极面间距检测方法及检测平台 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学测量领域，公开了一种栅极组件栅极面间距检测方法，能够便捷准确的完成对栅极组件栅极面间距的检测，首先，针对屏栅极孔获得透射光斑具有最大面积时的正射倾角值θ_i和转动过程中透射光斑的面积S_ij与多个预定角度值的映射关系；接着，将屏栅极面与加速栅极面组装形成栅极组件；然后，将栅极组件转动正射倾角值θ_i，并获取偏转过程中透射光斑的面积S_ik与多个预定角度值的映射关系；然后，获取偏转过程中，当未干涉状态和干涉状态临界时，栅极组件的临界遮挡偏转角θ_imax；最后，通过间距求解公式得到栅极面间距。本发明还公开了一种栅极组件栅极面间距检测平台，能够更好地实施栅极组件栅极面间距检测方法。

Description

一种栅极组件栅极面间距检测方法及检测平台

技术领域

本发明属于光学测量领域，公开了一种栅极组件栅极面间距检测方法及检测平台。

背景技术

离子推力器作为先进的大型桁架式卫星平台的电推器，主要应用于通信卫星的位置保持和轨道转移、深空探测航天器推进等任务中，而栅极组件是离子推力器的核心部件，其功能是引出并加速放电室离子产生推力，栅极组件主要由装配在一起且相互平行的屏栅极面加速栅极面，屏栅极面上具有多个屏栅极孔，加速栅极面上具有与屏栅极面上的屏栅极孔对应同轴的多个加速栅极孔，且加速栅极孔的孔径大于屏栅极孔。

栅极组件的栅极面间距直接决定了离子推力器的性能、寿命及可靠性。栅极间距设置失当将影响离子束流的发散角、推力大小，增大电子返流阈值、加重栅极腐蚀，更严重的是会增大栅极打火概率，甚至接触短路导致推力器关机，所以，栅极组件在装配时进行栅极组件的栅极面间距检测具有十分重要的意义。

目前，对栅极组件的栅极面间距的检测，采用通过人工进行塞规测量，该塞规由不同长度的台阶轴组成，检测人员将测量具插入栅极组件的屏栅极孔与加速栅极孔，根据万用表判断是否开路来判断塞规前端面是否接触到加速栅极来判断被测栅极组件的栅极面间距是否满足精度范围。

但显而易见，这种测量方式的工作量巨大，部分栅极组件的孔结构数量庞大，遍历全部通孔使得工人的劳动强度大，效率低，而且很难保证塞规插入时与通孔轴线的对中度，综上，如何降低检测栅极组件的栅极面间距的劳力付出，提高检测相应检测效率意见避免人为失误对检测过程的影响成为了亟需解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供栅极组件栅极面间距检测方法及检测平台，配合使用该检测方法及检测平台能够便捷准确的完成对栅极组件栅极面间距的检测。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案为：

一种栅极组件栅极面间距检测方法，栅极组件为由屏栅极面和加速栅极面组成，屏栅极面上具有预定数量的的屏栅极孔，加速栅极面上具有预定数量的的加速栅极孔，并且屏栅极孔和加速栅极孔对应且同轴，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：将屏栅极面固定于初始空间位置；

步骤S2：在屏栅极面的两侧对应设置预定光源和预定成像屏幕,并对预定光源经过屏栅极孔在预定成像屏幕上的对应透射光斑的中心点分别进行标记，得到光斑位置点P_i,{i＝0,1，……，预定数量}；

步骤S3：调整屏栅极面相对初始空间位置朝向预定光源的转动角度，将当透射光斑具有最大面积时的屏栅极面的转动角度值，作为正射倾角值θ_i，θ_i与P_i对应；

步骤S4：自正射倾角值θ_i起相对初始空间位置朝向预定光源转动屏栅极面，获取转动过程中与P_i对应的透射光斑的面积S_ij与转动过程中多个预定角度值的映射关系；

步骤S5：将预定屏栅极面从初始空间位置拆下，并与加速栅极面组装形成栅极组件，将栅极组件进行固定，并使得屏栅极面固定于初始空间位置并朝向预定成像屏幕设置；

步骤S6：将栅极组件相对初始空间位置朝向预定光源转动正射倾角值θ_i，并自正射倾角值θ_i起继续转动栅极组件，将过程作为偏转过程，获取偏转过程中与P_i对应的透射光斑的面积S_ik,与多个预定角度值的映射关系；

步骤S7：将加速栅极孔的边缘相对于同轴的屏栅极孔对预定光源进行遮挡的状态作为干涉状态，将加速栅极孔的边缘相对于同轴的屏栅极孔对预定光源未进行遮挡的状态作为未干涉状态，在偏转过程中，当未干涉状态和干涉状态临界时，将栅极组件转过的角度作为临界遮挡偏转角θ_imax，θ_imax与P_i对应；

步骤S8：通过基于临界遮挡偏转角θ_imax、加速栅极孔的孔径、屏栅极孔的孔径以及加速栅极面的厚度建立的间距求解公式得到与P_i对应的栅极面间距。

优选地，在步骤S4中，自正射倾角值θ_i起调整屏栅极面相对初始空间位置朝向预定光源的转动角度至π/4，在转动过程中以预定角度间隔Δa获取多个对应的透射光斑的面积S_ij,{j＝Δa,2Δa，……，π/4}，在步骤S6中，自正射倾角值θ_i起以预定角度间隔Δa继续转动栅极组件至转动角度至π/4，将过程作为偏转过程，获取在偏转过程中的多个透射光斑的面积S_ik,{k＝Δa,2Δa，……，π/4}。

进一步地，在步骤S7中，临界遮挡偏转角θ_max的获取方法为：通过比较S_ij和S_ik，若

ε为正整数，则εΔa为临界遮挡偏转角θ_imax。

优选地，在步骤S8中，间距求解公式为：

l_ig为与P_i对应的栅极面间距,d_a为加速栅极孔的孔径，d_s为屏栅极孔的孔径，l_a为加速栅极面的厚度。

进一步地，l_ig的范围为2mm-3mm,l_ig的标准差σ_g为20μm。

优选地，预定成像屏幕的材质为半透明且与预定光源发出的光束的颜色不同，预定成像屏幕的一侧具有用于采集透射光斑的实景图像的CMOS相机。

进一步地，CMOS相机向预定图形分析芯片传送包含透射光斑的实景信息的光斑实景信号，预定图形分析芯片基于直方图二分法和最小二乘法对光斑实景信号拟合计算，从而得到透射光斑的面积信息。

进一步地，预定光源为平行光源，CMOS相机具有远光镜头。

本发明还提供了一种用于实施上述的栅极组件栅极面间距检测方法的栅极组件栅极面间距检测平台，其特征在于，包括：检测基座，具有用于安装屏栅极面或者栅极组件的调节治具；预定光源，位于检测基座的一侧；图形获取单元，位于检测基座的另一侧，图形获取单元包括预定安装台及设置在预定安装台上的预定成像屏幕和CMOS相机；以及预定图形分析芯片，与CMOS相机信号连接，预定光源发出的光束的光路与CMOS相机的光轴同轴；预定成像屏幕位于CMOS相机与检测基座之间，且预定光源发出的光束的光路与预定成像屏幕垂直，调节治具具有空间三个移动自由度和一个旋转自由度，从而调节治具能够调节屏栅极面或者栅极组件在空间三个维度方向上进行移动及朝向预定光源进行转动。

优选地，预定安装台具有可移动设置的移动板，移动板用于承载CMOS相机朝向或者背向预定成像屏幕进行移动。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.因为本发明的栅极组件栅极面间距检测方法为：首先，针对屏栅极孔获得透射光斑具有最大面积时的正射倾角值θ_i和转动过程中透射光斑的面积S_ij与多个预定角度值的映射关系；接着，将屏栅极面与加速栅极面组装形成栅极组件；然后，将栅极组件转动正射倾角值θ_i，并获取偏转过程中透射光斑的面积S_ik与多个预定角度值的映射关系；然后，获取偏转过程中，当未干涉状态和干涉状态临界时，栅极组件的临界遮挡偏转角θ_imax；最后，通过间距求解公式得到栅极面间距，而间距求解公式仅与栅极组件的固定特征参数相关，因此，本发明能够便捷准确的完成对栅极组件栅极面间距的检测。

2.本发明的栅极组件栅极面间距检测平台结构简单，能够更好地实施栅极组件栅极面间距检测方法。

附图说明

图1为本发明的实施例的栅极组件栅极面间距检测方法的步骤示意图；

图2(a)为本发明的实施例当栅极组件转动至正射倾角值θ_i时，预定光源发出的光束与屏栅极孔和加速栅极孔的位置关系示意图；

图2(b)为本发明的实施例当栅极组件转动至临界遮挡偏转角θ_imax时，预定光源发出的光束与屏栅极孔和加速栅极孔的位置关系示意图；

图2(c)为本发明的实施例当栅极组件转动超过临界遮挡偏转角θ_imax时，预定光源发出的光束与屏栅极孔和加速栅极孔的位置关系示意图；以及

图3为本发明的实施例的栅极组件栅极面间距检测平台的结构示意图。

图中：S100、栅极组件栅极面间距检测方法，L、预定光源发出的光束的光路，4、栅极组件，41、加速栅极面，411、加速栅极孔，42、屏栅极面，421、屏栅极孔，5、预定成像屏幕，A、透射光斑，100、栅极组件栅极面间距检测平台，1、光源安装台，2、预定光源，3、调节治具，6、CMOS相机，7、预定安装台，8、检测基座，9、移动板，10、预定图形分析芯片。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的栅极组件栅极面间距检测方法及检测平台作具体阐述，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。

如图1所示，本实施例中的栅极组件栅极面间距检测方法S100，栅极组件为由屏栅极面和加速栅极面组成，屏栅极面上具有预定数量的的屏栅极孔，加速栅极面上具有预定数量的的加速栅极孔，并且屏栅极孔和加速栅极孔对应且同轴。

栅极组件栅极面间距检测方法S100包括以下步骤：

步骤S1：将屏栅极面固定于初始空间位置。

在本实施例中，屏栅极面通过调节治具进行固定设置。

步骤S2：在屏栅极面的两侧对应设置预定光源和预定成像屏幕,并对预定光源经过屏栅极孔在预定成像屏幕上的对应透射光斑的中心点分别进行标记，得到光斑位置点P_i,{i＝0,1，……，预定数量}；

具体地，预定光源为平行光源，CMOS相机具有远光镜头，预定成像屏幕的材质为半透明且与预定光源发出的光束的颜色不同，从而当预定光源发出的光束照在预定成像屏幕的一面时，从另一面可以清楚地看出预定成像屏幕上的透射光斑的轮廓。

预定成像屏幕的一侧具有用于采集透射光斑的实景图像的CMOS相机，CMOS相机向预定图形分析芯片传送包含透射光斑的实景信息的光斑实景信号，预定图形分析芯片基于直方图二分法和最小二乘法对光斑实景信号拟合计算，从而得到透射光斑的面积信息。

步骤S3：调整屏栅极面相对初始空间位置朝向预定光源的转动角度，将当透射光斑具有最大面积时的屏栅极面的转动角度值，作为正射倾角值θ_i，θ_i与P_i对应。

具体地，此时预定光源发出的光束的光路与屏栅极孔同轴。

步骤S4：自正射倾角值θ_i起相对初始空间位置朝向预定光源转动屏栅极面，获取转动过程中与P_i对应的透射光斑的面积S_ij与转动过程中多个预定角度值的映射关系。

具体地，自正射倾角值θ_i起调整屏栅极面相对初始空间位置朝向预定光源的转动角度至π/4，在转动过程中以预定角度间隔Δa获取多个对应的透射光斑的面积S_ij,{j＝Δa,2Δa，……，π/4}。

步骤S5：将预定屏栅极面从初始空间位置拆下，并与加速栅极面组装形成栅极组件，将栅极组件进行固定，并使得屏栅极面固定于初始空间位置并朝向预定成像屏幕设置。

步骤S6：如图2(a)-图2(c)所示，将栅极组件4相对初始空间位置朝向预定光源转动正射倾角值θ_i，并自正射倾角值θ_i起继续转动栅极组件4，将过程作为偏转过程，获取偏转过程中与P_i对应的透射光斑A的面积S_ik,与多个预定角度值的映射关系；

具体地，自正射倾角值θ_i起以预定角度间隔Δa继续转动栅极组件4至转动角度至π/4，将过程作为偏转过程，获取在偏转过程中的多个透射光斑A的面积S_ik,{k＝Δa,2Δa，……，π/4}。

当栅极组件4相对初始空间位置朝向预定光源转动正射倾角值θ_i时，预定光源发出的光束的光路L、加速栅极面41与屏栅极面42上对应的加速栅极孔411以及屏栅极孔421同轴。

当栅极组件4处于偏转过程时，预定成像屏幕5上的透射光斑A的面积随偏转过程的持续而不断变化。

步骤S7：将加速栅极孔的边缘相对于同轴的屏栅极孔对预定光源进行遮挡的状态作为干涉状态，将加速栅极孔的边缘相对于同轴的屏栅极孔对预定光源未进行遮挡的状态作为未干涉状态，在偏转过程中，当未干涉状态和干涉状态临界时，将栅极组件转过的角度作为临界遮挡偏转角θ_imax，θ_imax与P_i对应，

具体地，在偏转过程开始后的先期阶段，预定光源发出的光束的光路L能够通过整个屏栅极孔421，透射光斑A的面积变化仅与栅极组件4在偏转过程中转过的角度及栅极组件4的结构参数特征相关；而后，由于对应的加速栅极孔411的边缘相对于同轴的屏栅极孔对预定光源进行遮挡使得预定光源发出的光束的光路L仅能通过部分屏栅极孔421，透射光斑A的面积变化将不再仅与栅极组件4在偏转过程中转过的角度及栅极组件4的结构参数特征相关；临界遮挡偏转角θ_imax对这两种情况的一个角度临界值。

临界遮挡偏转角θ_max的获取方法为：通过比较S_ij和S_ik，若

ε为正整数，则εΔa为临界遮挡偏转角θ_imax。

在偏转过程中，在转动超过临界遮挡偏转角θ_imax时，对应的加速栅极孔411的边缘相对于同轴的屏栅极孔对预定光源进行遮挡使得S_ij和S_ik不再相等。

步骤S8：通过基于临界遮挡偏转角θ_imax、加速栅极孔的孔径、屏栅极孔的孔径以及加速栅极面的厚度建立的间距求解公式得到与P_i对应的栅极面间距。

间距求解公式为：

l_ig为与P_i对应的栅极面间距,d_a为加速栅极孔的孔径，d_s为屏栅极孔的孔径，l_a为加速栅极面的厚度。

具体地，对l_ig的工艺控制要求为：l_ig的范围为2mm-3mm,l_ig的标准差σ_g为20μm。

如图3所示，用于实施上述的栅极组件栅极面间距检测方法的栅极组件栅极面间距检测平台100，包括检测基座8、光源安装台1、预定光源2、图形获取单元以及预定图形分析芯片10。

检测基座8为防振基座，其上端面具有用于安装屏栅极面42或者栅极组件4的调节治具3。

调节治具3具有空间三个移动自由度和一个旋转自由度，从而调节治具3能够调节屏栅极面42或者栅极组件4在空间三个维度方向上进行移动及朝向预定光源2进行转动，在本实施例中，移动自由度的移动精度为25μm，旋转自由度的旋转精度为0.01°，从而在将屏栅极面42拆下并固定组装成的栅极组件4时，能够保证屏栅极面42的固定位置不变。

预定光源2位于检测基座8的一侧，在本实施例中，预定光源2固定在光源安装台1上，光源安装台1为防振安装台，预定光源2为平行光源，其色温为6500K，调焦范围为9mm。

图形获取单元位于检测基座8的另一侧，图形获取单元包括预定安装台7及设置在预定安装台上的预定成像屏幕5和CMOS相机6。

预定安装台7为防振安装台，具有可移动设置的移动板9，移动板9用于朝向或者背向预定成像屏幕5进行移动。

CMOS相机6安装在移动板9上，CMOS相机6用于采集透射光斑A的实景图像并转换为包含透射光斑A的实景信息的光斑实景信号，其光轴与预定光源发出的光束的光路L同轴,在本实施例中，CMOS相机6的镜头采用远心镜头，其物方工作距离96mm，CMOS相机6的图像分辨率为1600pixel*1200pixel,其感光芯片的尺寸为1/2.5’,芯片像元大小为2.8μm*2.8μm，每秒可采集12帧实景图像。

预定成像屏幕5位于CMOS相机6与检测基座8之间，且预定光源发出的光束的光路L与预定成像屏幕5垂直。

具体地，检测基座8在用于安装栅极组件4时，屏栅极面42朝向预定成像屏幕5，加速栅极面41朝向预定光源2。

预定图形分析芯片10与CMOS相机6信号连接，预定图形分析芯片10用于根据CMOS相机发出的光斑实景信号得到透射光斑A的面积信息。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围，本领域普通技术人员在所附权利要求范围内不需要创造性劳动就能做出的各种变形或修改仍属本专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种栅极组件栅极面间距检测方法，该栅极组件为由屏栅极面和加速栅极面组成，所述屏栅极面上具有预定数量的的屏栅极孔，所述加速栅极面上具有所述预定数量的的加速栅极孔，并且所述屏栅极孔和所述加速栅极孔对应且同轴，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：将所述屏栅极面固定于初始空间位置；

步骤S2：在所述屏栅极面的两侧对应设置预定光源和预定成像屏幕,并对所述预定光源经过所述屏栅极孔在所述预定成像屏幕上的对应透射光斑的中心点分别进行标记，得到光斑位置点P_i,{i＝0,1，……，预定数量}；

步骤S3：调整所述屏栅极面相对所述初始空间位置朝向所述预定光源的转动角度，将当所述透射光斑具有最大面积时的所述屏栅极面的转动角度值，作为正射倾角值θ_i，θ_i与P_i对应；

步骤S4：自所述正射倾角值θ_i起相对所述初始空间位置朝向所述预定光源转动所述屏栅极面，获取该转动过程中与P_i对应的所述透射光斑的面积S_ij与该转动过程中多个预定角度值的映射关系；

步骤S5：将所述屏栅极面从所述初始空间位置拆下，并与所述加速栅极面组装形成所述栅极组件，将该栅极组件进行固定，并使得所述屏栅极面固定于所述初始空间位置并朝向所述预定成像屏幕设置；

步骤S6：将所述栅极组件相对所述初始空间位置朝向所述预定光源转动所述正射倾角值θ_i，并自该正射倾角值θ_i起继续转动所述栅极组件，将该过程作为偏转过程，获取该偏转过程中与P_i对应的所述透射光斑的面积S_ik,与所述多个预定角度值的映射关系；

步骤S7：将所述加速栅极孔的边缘相对于同轴的所述屏栅极孔对所述预定光源进行遮挡的状态作为干涉状态，将所述加速栅极孔的边缘相对于同轴的所述屏栅极孔对所述预定光源未进行遮挡的状态作为未干涉状态，

在所述偏转过程中，当所述未干涉状态和所述干涉状态临界时，将所述栅极组件转过的角度作为临界遮挡偏转角θ_imax，θ_imax与P_i对应；

步骤S8：通过基于所述临界遮挡偏转角θ_imax、所述加速栅极孔的孔径、所述屏栅极孔的孔径以及所述加速栅极面的厚度建立的间距求解公式得到与P_i对应的所述栅极面间距。

2.根据权利要求1所述的栅极组件栅极面间距检测方法，其特征在于：

其中，在步骤S4中，自所述正射倾角值θ_i起调整所述屏栅极面相对所述初始空间位置朝向所述预定光源的转动角度至π/4，在该转动过程中以预定角度间隔Δa获取多个对应的所述透射光斑的面积S_ij,{j＝Δa,2Δa，……，π/4}，

在步骤S6中，自该正射倾角值θ_i起以所述预定角度间隔Δa继续转动所述栅极组件至转动角度至π/4，将该过程作为偏转过程，获取在该偏转过程中的多个所述透射光斑的面积S_ik,{k＝Δa,2Δa，……，π/4}。

3.根据权利要求2所述的栅极组件栅极面间距检测方法，其特征在于：

其中，在步骤S7中，所述临界遮挡偏转角θ_max的获取方法为：

通过比较S_ij和S_ik，若

ε为正整数，则εΔa为所述临界遮挡偏转角θ_imax。

4.根据权利要求1所述的栅极组件栅极面间距检测方法，其特征在于：

其中，在步骤S8中，所述间距求解公式为：

l_ig为与P_i对应的所述栅极面间距,d_a为所述加速栅极孔的孔径，d_s为所述屏栅极孔的孔径，l_a为所述加速栅极面的厚度。

5.根据权利要求4所述的栅极组件栅极面间距检测方法，其特征在于：

其中，l_ig的范围为2mm-3mm,l_ig的标准差σ_g为20μm。

6.根据权利要求1所述的栅极组件栅极面间距检测方法，其特征在于：

其中，所述预定成像屏幕的材质为半透明且与所述预定光源发出的光束的颜色不同，

所述预定成像屏幕的一侧具有用于采集所述透射光斑的实景图像的CMOS相机。

7.根据权利要求6所述的栅极组件栅极面间距检测方法，其特征在于：

其中，所述CMOS相机向预定图形分析芯片传送包含所述透射光斑的实景信息的光斑实景信号，

所述预定图形分析芯片基于直方图二分法和最小二乘法对所述光斑实景信号拟合计算，从而得到所述透射光斑的面积信息。

8.根据权利要求6所述的栅极组件栅极面间距检测方法，其特征在于：

其中，所述预定光源为平行光源，所述CMOS相机具有远光镜头。

9.一种用于实施权利要求1-8任意一项所述的栅极组件栅极面间距检测方法的栅极组件栅极面间距检测平台，其特征在于，包括：

检测基座，具有用于安装所述屏栅极面或者所述栅极组件的调节治具；

预定光源，位于所述检测基座的一侧；

图形获取单元，位于所述检测基座的另一侧，所述图形获取单元包括预定安装台及设置在该预定安装台上的预定成像屏幕和CMOS相机；以及

预定图形分析芯片，与所述CMOS相机信号连接，

其中，所述预定光源发出的光束的光路与所述CMOS相机的光轴同轴；

所述预定成像屏幕位于所述CMOS相机与所述检测基座之间，且预定光源发出的光束的光路与所述预定成像屏幕垂直，

所述调节治具具有空间三个移动自由度和一个旋转自由度，从而所述调节治具能够调节所述屏栅极面或者所述栅极组件在空间三个维度方向上进行移动及朝向所述预定光源进行转动。

10.根据权利要求9所述的栅极组件栅极面间距检测平台，其特征在于：

其中，所述预定安装台具有可移动设置的移动板，该移动板用于承载所述CMOS相机朝向或者背向所述预定成像屏幕进行移动。

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