CN114688991B - 一种用于亚毫米波天线实时面形检测的面板边缘传感器系统及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于亚毫米波天线实时面形检测的面板边缘传感器系统及其使用方法，系统包括光源模块和探测器模块；所述光源模块和探测器模块均包括壳矩形壳体；光源模块的壳体内部竖向设有三个预置的挡光片卡槽以及若干设有中心针孔的挡光环；光源模块的壳体内设有LED光源，且针对光源的发光功率和光源到探测器模块中探测器芯片的距离，选择挡光片的针孔直径、挡光片数量及其放置的卡槽位置完成挡光片放置；所述探测器模块的壳体内部竖向设有若干挡光环和探测器芯片；光源模块中LED光源发出的光束经过挡光片针孔后打在探测器芯片上，探测器芯片实时读出光斑中心位置坐标。本专利提出的边缘传感器具有稳定性强、精度高、抗噪性好等优点，可以用于亚毫米波天线相邻面板实时位移检测。
Description
技术领域
本发明属于天线反射面面形检测技术领域，具体涉及一种用于亚毫米波天线实时面形检测的面板边缘传感器系统及其使用方法。
背景技术
在亚毫米波观测波段，随着天文学发展对观测设备性能要求的不断提升，天线技术前沿也朝着更大口径和更高观测频率发展，天线面形精度控制的问题也逐渐变得突出。目前已经应用在射电望远镜上的主动面技术仍然以开环控制为主，然而随着观测频率的提高和天线口径的增大，开环手段的局限性越发凸显。针对该问题所采取解决方案通常是通过天线总体波前误差的实时检测并将其反馈给面板促动器控制系统，形成闭环控制回路。
面板促动器控制系统的核心在于设计合理的边缘传感器，边缘传感器是一种安装在反射面板边缘处的位移传感器，用于感知相邻面板之间的相对微小位置变化，多组边缘传感器集成网络可以实现天线总体波前误差的实时检测。边缘传感器最早应用于Keck、SALT和HET等光学望远镜上，用于拼接镜面的共相调整。其中，光学望远镜通常采用电容或电感型的边缘传感器，可实现极高(纳米级)的一维感知精度和毫米级的量程，但其主要缺点是相邻镜面之间二面角的变化不敏感、低阶测量误差容易被积累放大的问题。
亚毫米波天线口径较大，需要使用多组边缘传感器集成形成传感器网络，对数据读出速度有很高的要求。为了尽量减少边缘传感器的数量和系统的复杂度，可以使用具有二维感知能力的探测器，这种探测器既可以测量位移，也可以用来测角，并且结合边缘传感器布设位置的优化设计，可以获得对平移和倾斜误差的区分能力，这一点对于抑制边缘传感器低阶噪声的传递和累积、提高主动面形控制的精度和稳定性至关重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种用于亚毫米波天线实时面形检测的面板边缘传感器系统及其使用方法，基于光电效应的位置敏感传感器(PSD)具有二维感知能力，硬件成本低，读出简单，有利于组成大规模传感器网络的特点，设计得到面板边缘传感器系统，具有精度高、读出简单、抗噪性好、稳定性强等优点。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种用于亚毫米波天线实时面形检测的面板边缘传感器系统，包括光源模块和探测器模块；
所述光源模块和探测器模块均包括矩形壳体；
光源模块的壳体内部竖向设有三个预置的挡光片卡槽以及若干设有中心针孔的挡光片；
光源模块的壳体内设有LED光源，且针对光源的发光功率和光源到探测器模块中探测器芯片的距离，选择挡光片的针孔直径、挡光片数量及其放置的卡槽位置完成挡光片放置；
所述探测器模块的壳体内部竖向设有若干挡光环和探测器芯片；
光源模块中LED光源发出的光束经过挡光片针孔后打在探测器芯片上，探测器芯片实时读出光斑中心位置坐标。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的光源模块的壳体内针对光源的发光功率和光源到探测器模块中探测器芯片的距离，选择挡光片的针孔直径、挡光片数量及其放置的卡槽位置完成挡光片放置，实现准直光束的发散由衍射效应主导，从而在探测器芯片上获得理想的对称光斑。
上述的探测器芯片使用基于光电效应的位置敏感探测器PSD。
上述的挡光环设置于整个所述壳体内部，以吸收光源的反射光和来自空气中的杂散光。
上述的壳体均涂覆吸光黑膜，以降低杂散光对精度产生的影响。
上述的光源到探测器芯片的距离为100mm-200mm。
上述的挡光片的中心针孔，其直径为0.1mm-1mm，以保证光源经过针孔后射在探测器芯片上的光斑直径符合探测器的要求，并且不会出现欠曝光或者过曝光的情况。
上述的挡光片的厚度为1mm。
上述的挡光环的高度和环与环之间的间隔设计为4mm。
一种用于亚毫米波天线实时面形检测的面板边缘传感器系统的使用方法，包括：
步骤1：针对光源的发光功率和光源到探测器模块中探测器芯片的距离，选择挡光片的针孔直径、挡光片数量及其放置的卡槽位置完成挡光片放置；
步骤2：分别将光源模块和探测器模块固定在高精度平移台上，整个系统固定在光学平台上；
步骤3：控制高精度平移台沿各个方向移动，比较高精度平移台移动距离和探测器芯片上光斑中心位置的变化量，实现相邻面板实时位移检测并验证边缘传感器在实际测量中的精度；
步骤4：加入环境光，比较不同环境光下光斑中心位置的变化，验证边缘传感器的抗噪性。
本发明具有以下有益效果：
本专利提出的边缘传感器具有稳定性强、精度高、抗噪性好等优点，可以用于亚毫米波天线相邻面板实时位移检测，具体的：
1)本专利利用活动的挡光片阻挡光源光束的发散，其加工难度比固定工装简单；
2)本专利利用高度和间隔宽度相同的挡光环来吸收反射光和杂散光；
3)本专利将整个封装系统结构涂覆吸光黑膜，以降低杂散光对精度的影响；
4)本专利给出了面板边缘传感器在结构设计时参数设定的具体方法，可以用于亚毫米波天线相邻面板实时位移检测。
附图说明
图1为本发明面板边缘传感器构成图；
图2为本发明面板边缘传感器实际测试图；
图3为实施例中实际测试精度。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
针对亚毫米波天线需要形成闭环控制系统的需求以及目前应用在望远镜上的边缘传感器存在的缺陷，本专利提出了一种用于亚毫米波天线实时面形检测的面板边缘传感器系统。
该边缘传感器的构成如图1所示，包括光源模块和探测器模块。光源模块将LD封装在外壳中，并设计有三个可以放置挡光片的位置，光源发出的光束需要先穿过挡光片中心的针孔，这样可以有效阻挡一部分光，并使光的强度和直径满足要求。当针孔的直径足够小时，可以保证准直光束的发散由衍射效应主导，从而在探测器芯片上获得理想的对称光斑。针对不同光源的发光功率和光源到探测器芯片的不同距离，可以选择不同数量和不同针孔直径的挡光片。
探测器使用基于光电效应的位置敏感探测器(PSD)，光源发出的光束打在探测器芯片上，可以实时读出光斑中心位置坐标。整个结构都设计有挡光环，既可以有效吸收光源的反射光，也可以有效吸收来自空气中的杂散光。整个边缘传感器均涂覆吸光黑膜，以降低杂散光对精度产生的影响。
即本发明一种用于亚毫米波天线实时面形检测的面板边缘传感器系统，包括光源模块和探测器模块；
所述光源模块和探测器模块均包括矩形壳体；
光源模块的壳体内部竖向设有三个预置的挡光片卡槽以及若干设有中心针孔的挡光片；
光源模块的壳体内设有LED光源，且针对光源的发光功率和光源到探测器模块中探测器芯片的距离，选择挡光片的针孔直径、挡光片数量及其放置的卡槽位置完成挡光片放置；
所述探测器模块的壳体内部竖向设有若干挡光环和探测器芯片；
光源模块中LED光源发出的光束经过挡光片针孔后打在探测器芯片上，探测器芯片实时读出光斑中心位置坐标。
实施例中，光源模块的壳体内针对光源的发光功率和光源到探测器模块中探测器芯片的距离，选择挡光片的针孔直径、挡光片数量及其放置的卡槽位置完成挡光片放置，实现准直光束的发散由衍射效应主导，从而在探测器芯片上获得理想的对称光斑。
所述探测器芯片使用基于光电效应的位置敏感探测器PSD。
所述挡光环设置于整个所述壳体内部，以吸收光源的反射光和来自空气中的杂散光。
所述壳体均涂覆吸光黑膜，以降低杂散光对精度产生的影响。
优选地，上述边缘传感器封装结构在结构设计时参数的选取如下所述：
1)光源到探测器芯片的距离应为100mm-200mm，这个距离既可以降低光源与探测器对准的难度，也可以减小面板角度偏移对结果造成的影响。
2)挡光片中心针孔的直径应为0.1mm-1mm，这个宽度可以保证光源经过针孔后射在探测器芯片上的光斑直径符合探测器的要求，并且不会出现欠曝光或者过曝光的情况。
3)综合考虑机床加工平面度和激光打孔的难度和精度，挡光片的厚度选定为1mm。
4)挡光环的高度和环与环之间的间隔设计为4mm，此时可以尽可能吸收所有反射光。
本专利边缘传感器的使用方法，即利用本专利提出的边缘传感器，实现相邻面板实时位移检测的实例如图2所示，包括。
步骤1：针对光源的发光功率和光源到探测器模块中探测器芯片的距离，选择挡光片的针孔直径、挡光片数量及其放置的卡槽位置完成挡光片放置；
实施例中，光源模块共放入两片挡光片，针孔直径为0.3mm，光源距离较远挡光片的距离为45mm，距离探测器芯片距离为140mm。
步骤2：分别将光源模块和探测器模块固定在高精度平移台上。整个系统固定在光学平台上。
步骤3：控制高精度平移台沿各个方向移动，比较高精度平移台移动距离和探测器芯片上光斑中心位置的变化量，可以验证边缘传感器在实际测量中的精度。实际测试精度如图3所示，在半径为1mm的圆形区域内，经过标定后的边缘传感器测量误差RMS值为0.52微米，满足实际需求。
步骤4：加入环境光，比较不同环境光下光斑中心位置的变化，可以验证边缘传感器的抗噪性。经过验证，环境光对光斑中心位置的影响量小于1微米，满足实际需求。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种用于亚毫米波天线实时面形检测的面板边缘传感器系统，其特征在于，包括光源模块和探测器模块；
所述光源模块和探测器模块均包括矩形壳体；
光源模块的壳体内部竖向设有三个预置的挡光片卡槽以及若干设有中心针孔的挡光片；
光源模块的壳体内设有LED光源，且针对光源的发光功率和光源到探测器模块中探测器芯片的距离，选择挡光片的针孔直径、挡光片数量及其放置的卡槽位置完成挡光片放置；
所述探测器模块的壳体内部竖向设有若干挡光环和探测器芯片；
光源模块中LED光源发出的光束经过挡光片针孔后打在探测器芯片上，探测器芯片实时读出光斑中心位置坐标；
光源模块的壳体内针对光源的发光功率和光源到探测器模块中探测器芯片的距离，选择挡光片的针孔直径、挡光片数量及其放置的卡槽位置完成挡光片放置，实现准直光束的发散由衍射效应主导，从而在探测器芯片上获得理想的对称光斑。
2.根据权利要求1所述的一种用于亚毫米波天线实时面形检测的面板边缘传感器系统，其特征在于，所述探测器芯片使用基于光电效应的位置敏感探测器PSD。
3.根据权利要求1所述的一种用于亚毫米波天线实时面形检测的面板边缘传感器系统，其特征在于，所述挡光环设置于整个所述壳体内部，以吸收光源的反射光和来自空气中的杂散光。
4.根据权利要求1所述的一种用于亚毫米波天线实时面形检测的面板边缘传感器系统，其特征在于，所述壳体均涂覆吸光黑膜，以降低杂散光对精度产生的影响。
5.根据权利要求1所述的一种用于亚毫米波天线实时面形检测的面板边缘传感器系统，其特征在于，所述光源到探测器芯片的距离为100mm-200mm。
6.根据权利要求1所述的一种用于亚毫米波天线实时面形检测的面板边缘传感器系统，其特征在于，所述挡光片的中心针孔，其直径为0.1mm-1mm，以保证光源经过针孔后射在探测器芯片上的光斑直径符合探测器的要求，并且不会出现欠曝光或者过曝光的情况。
7.根据权利要求1所述的一种用于亚毫米波天线实时面形检测的面板边缘传感器系统，其特征在于，所述挡光片的厚度为1mm。
8.根据权利要求1所述的一种用于亚毫米波天线实时面形检测的面板边缘传感器系统，其特征在于，所述挡光环的高度和环与环之间的间隔设计为4mm。
9.如权利要求1-8任一所述的一种用于亚毫米波天线实时面形检测的面板边缘传感器系统的使用方法，其特征在于，包括：
步骤1：针对光源的发光功率和光源到探测器模块中探测器芯片的距离，选择挡光片的针孔直径、挡光片数量及其放置的卡槽位置完成挡光片放置；
步骤2：分别将光源模块和探测器模块固定在高精度平移台上，整个系统固定在光学平台上；
步骤3：控制高精度平移台沿各个方向移动，比较高精度平移台移动距离和探测器芯片上光斑中心位置的变化量，实现相邻面板实时位移检测并验证边缘传感器在实际测量中的精度；
步骤4：加入环境光，比较不同环境光下光斑中心位置的变化，验证边缘传感器的抗噪性。
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