CN114839762A - 一种基于电涡流传感器可透射式应用的快速反射镜系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电涡流传感器可透射式应用的快速反射镜系统；包括探测器座、工作镜体、镜座、柔性铰链、音圈电机、内环座、外环座、转动环和电涡流传感器和控制器；工作镜体与镜座固定连接；镜座通过柔性铰链与内环座固定连接；内环座通过柔性铰链与外环座固定连接；外环座与转动环固定连接；转动环通过柔性铰链与内环座、外环座固定连接，外环座与探测器座固定连接；在探测器座内部装配上四个电涡流传感器，采集镜座回转时的角度信息；本发明具备高带宽、高精度特性，实现工作镜体反射光路及透射光路的能力，为使用光路稳定系统的应用环境提供了更多可能性、可操作性，在光路稳定、系统光路设计等方向上，提供了一个良好的选择方案。

Description

一种基于电涡流传感器可透射式应用的快速反射镜系统

技术领域

本发明属于快速控制反射镜技术领域，更具体的说，一种基于电涡流传感器可透射式应用的快速反射镜系统。

背景技术

快速控制反射镜是一种工作在光源或接收器与目标之间用于调整和稳定光学系统视轴或光束指向的重要部件，具有体积小、结构紧凑、精度高、带宽高等优点，已经广泛应用于空间激光通信，天文望远镜，光学稳定，视轴稳定，精密捕获、瞄准和跟踪、深空探测，高精度激光加工设备和运载激光系统等重要领域。

由于快速反射镜系统主要在光路中使用，光探测领域中，经常需要在光路系统中设置一个半反半透的光学镜体，用以反射和透射采集不同光波信号或其他类的信号采集，此处镜体使用快速反射镜系统用以稳定光路是亟待解决的问题，此种设计可以节省大系统设计空间并使光路设计具备更多的可操作性。

传统快速反射镜系统使用光路传感器采集位置信息，但光路传感器本身需敏感对外工作镜体的位置变化信息，经常布置在工作镜体后方，影响工作镜体透射功能。

类似的，传统四周排布的轴系组件重量大、摩擦大、体积大，对快速反射镜的响应带宽存在巨大影响。无法在如此结构紧凑的大系统光路设计环境中，排布出一个高响应频率、体积小、便于维护的快速反射镜系统。

综上，如何实现一个体积小、带宽高、具备透射能力的快速反射镜系统，成为一个必要的研究方向。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种小体积、大转角转动、带宽高可实现光路透射的快速控制反射镜转动机构，该机构能够实现方位、俯仰两轴的转动。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于电涡流传感器可透射式应用的快速反射镜系统，包括探测器座1.1、工作镜体1.10、镜座1.7、转动环1.9、电涡流传感器1.3；

所述工作镜体1.10装配于镜座1.7上；

所述探测器座1.1与电涡流传感器1.3固定连接；

所述工作镜体1.10绕X轴进行方位回转运动，所述转动环1.9与镜座1.7一起绕Y轴进行俯仰回转运动。

进一步地，一种基于电涡流传感器可透射式应用的快速反射镜系统，还包括柔性铰链1.5、音圈电机1.8、内环座1.6、外环座1.4；

所述柔性铰链1.5、内环座1.6、外环座1.4组成回转轴系，分布在整体的四周方向上，用以做为整个快速反射镜系统的二维回转轴系；

所述镜座1.7与音圈电机1.8转子固定装配；

所述镜座1.7与内环座1.6固定，所述内环座1.6固定在柔性铰链1.5的转子端，用以保证镜座1.7实现回转功能；

所述外环座1.4与柔性铰链1.5的定子端固定；

所述转动环1.9对称两端与外环座1.4固定，与此两端正交方向上的另外两端与内环座1.6固定。

进一步地，所述探测器座1.1安装法兰，法兰面具备足够高的平面度，保证工作镜体1.10与法兰面在锁零位置的平行度。

锁零位置，是上电后零位锁定位置。

进一步地，所述工作镜体通过胶粘装配于镜座内，保证主反射镜面型参数且与镜座不会发生分离窜动现象。

所述镜座1.7与内环座1.6固定后装配在柔性铰链1.5的转子上，实现内方位方向的回转运动；

所述镜座1.7背面设有平面度高的感应面，用于电涡流传感器探测位置信息。

进一步地，所述柔性铰链1.5内部为十字交叉弹簧。

进一步地，所述音圈电机1.8转子与镜座1.7固定装配，音圈电机1.8定子与探测器座1.1固定装配，所述音圈电机1.8为直线往复运动电机；

所述音圈电机1.8设置两组，设置在镜座1.7背面。

进一步地，所述内环座1.6与柔性铰链1.5的转子固定，内环座1.6端面有挡板进行限位，内环座1.6侧面采用抱夹的方式进行固定，内环座1.6法兰面设有固定孔；

所述外环座1.4与柔性铰链1.5定子固定，外环座1.4端面有挡板进行限位，外环座1.4侧面采用抱夹的方式进行固定，外环座1.4法兰面设有固定孔及工艺孔。

进一步地，所述外环座1.4与探测器座1.1固定装配。

进一步地，所述转动环1.9四周安装法兰，一对法兰面与外环座1.4固定，正交方向另一对法兰面与内环座1.6固定。

进一步地，所述电涡流传感器1.3固定在探测器座1.1上，所述电涡流传感器1.3设置四个，在探测器座1.1上四周排布，排布位置需根据实际应用行程进行计算，在满足行程的条件下尽量增大其跨距，便于提高其感应分辨率。

进一步地，一种基于电涡流传感器可透射式应用的快速反射镜系统，还包括控制器；

所述控制器用于对整个快速反射镜系统进行供电及控制，通过闭环电路控制，控制快速反射镜系统实现转角、摆扫、定位功能。

本发明涉及的可透射式快速反射镜系统主要包括探测器座、工作镜体、镜座、柔性铰链、音圈电机、内环座、外环座、转动环、电涡流传感器和控制器。

探测器座，主要应用于对外固定光学系统环境，对内固定电涡流传感器、音圈电机定子，其安装法兰面具备足够高的平面度，且需保证镜面与法兰面在锁零位置的平行度。

工作镜体，装配于镜座内，需通过胶粘工艺，保证主反射镜面型参数且与镜座不会发生分离窜动现象。

镜座，用于固定工作镜体，同时也是内转动环，与内环座固定后装配在柔性铰链的转子上，实现内方位方向的回转运动，并在其背面开有平面度很高的感应面，用于电涡流传感器探测其位置信息。

柔性铰链，与内环座、外环座组成回转轴系，柔性铰链内部为十字交叉弹簧，柔性铰链具备角度大、无摩擦、体积小等优点。

音圈电机，音圈电机转子与镜座固定装配，定子与探测器座固定装配，其为直线往复运动电机，本发明使用了两组电机排布在镜座背面侧，分别作用使镜托进行方位、俯仰两个方向的回转运动，其特征在于当推拉电机转子时，镜座由于柔性铰链的限位作用，只能在回转方向上运动，实现二维转动能力。

内环座、外环座，内环座与柔性铰链的转子固定，端面有挡板进行限位，侧面抱夹的方式进行固定，法兰面开固定过孔；外环座与柔性铰链定子固定，端面有挡板进行限位，侧面抱夹的方式进行固定，法兰面有固定过孔及工艺孔，方便整体拆装。

转动环，转动环四周开安装法兰，一对面与镜座轴系端外环座固定，正交方向另一对面与外俯仰轴系内环座固定，其设计理念需考虑其模态频率、刚度属性且需轻量化设计。

电涡流传感器，固定在探测器座上，在探测器上四周排布，其排布位置需根据实际应用行程进行计算，在满足行程的条件下尽量增大其跨距，以便于提高其感应分辨率。

控制器，用于对整个快速反射镜系统进行供电及控制，通过闭环电路控制，控制快速反射镜系统实现转角、摆扫、定位等功能。

本发明与现有技术相比有益效果：

本发明是基于电涡流传感器设计的一种可用于光路透射方式的快速反射镜系统，以较低的带宽牺牲方式，增加快速反射镜工作镜体透射功能，实现多种类光路稳定效果。在光路设计中，提供更多的可能性，节省大光学系统设计空间。并且发明中使用的柔性铰链设计，其在径向和轴向上提供了良好的支撑效果，在回转方向上具备无摩擦、同轴性高的特点，并且体积小，有益于快速反射镜系统整体设计，可以减小快速反射镜的整体体积并提高其控制带宽。

附图说明

为了清楚地说明本发明实例，下面对本发明中所设计的系统组成以附图的方式进行说明，说明本发明中涉及的快速反射镜系统，具体介绍其结构组成及设计考量。下面的描述仅为一种设计过程的案例，本发明所涉及的理念可以衍生出很多种类似的设计成果。

图1是本发明所述一种基于电涡流传感器可透射式应用的快速反射镜系统的结构二维剖面示意图；

图2是本发明所述一种基于电涡流传感器可透射式应用的快速反射镜系统的结构三维立体示意图；

图3是电涡流传感器分布示意图；

图4是柔性铰链结构形态示意图；

图5是柔性铰链、内环座、外环座装配示意图；

图中：

1.1探测器座、1.2后罩；1.3电涡流传感器、1.4外环座、1.5柔性铰链、1.6内环座、1.7镜座、1.8音圈电机、1.9转动环、1.10工作镜体；

1.3.1限位A处；

4.1方位轴回转传感器、4.2俯仰轴回转传感器；

4.2.1限位B处；

5.1紧固螺钉A处、5.2紧固螺钉B处；

6.1轴承支撑柱、6.2十字弹簧柔片。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种快速反射镜系统，此快速反射镜系统采用柔性铰链作为回转运动的轴系，使用音圈电机作为驱动部件，电涡流传感器作为角度信息采集单元，实现快速反射镜的二维转动功能。其具备体积小、带宽高、精度高等特点，突出的，本类型快速反射镜系统，可以同时实现光路反射、透射、稳定光路的能力。

下面结合附图，对本发明的实施例进行描述，为本发明的实际设计做详细清楚的介绍，显然的，所描述的实施例仅仅能从一部分阐述本发明的设计理念，无法涵盖所有实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性设计的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明涉及一种基于电涡流传感器可透射式应用的快速反射镜系统。以柔性铰链为基础，且按照四周方向排布的布局，通过音圈电机驱动、电涡流传感器的角度信息采集，从而实现本类快速反射镜的特殊应用。其中包括探测器座、工作镜体、镜座、柔性铰链、音圈电机、内环座、外环座、转动环、电涡流传感器和控制器。

探测器座与电涡流传感器固定连接，且含有对外装配的固定法兰，用于在实际应用场景中与光电大系统配合安装；

工作镜体可实现反射与透射功能，工作镜体装配于镜座；

镜座与音圈电机转子固定装配；

镜座与内环座固定，且内环座固定在柔性铰链的转子端，用以保证镜座实现回转功能；

柔性铰链的定子端与外环座固定，此外环座与转动环固定装配；

转动环对称两端与外环座固定，与此两端正交方向上的另外两端与内环座固定，同理使用此内环做固定柔性铰链的转子端；

柔性铰链的定子端与外环座固定，此外环座与探测器座固定装配；

柔性铰链、内环座、外环座所组成的回转轴系，分布在整体的四周方向上，用以做为整个快速反射镜系统的二维回转轴系，且以此种方式排布可以避让出中部空间，方便快速反射镜实现透射光路的功能；

电涡流传感器分布在探测器座四周方向且正交排布，通过计算快速反射镜行程与电涡流传感器敏感行程，且需计算电涡流传感器分辨率情况，合理布局电涡流传感器位置；

转动环，其在设备中做为一轴回转的定子另一轴回转的转子，需具备高强度、高模态响应频率的特征，但由于其做为外环转动的转子，质量过大严重影响设备的响应带宽，所以本发明对其做轻量化设计，用以实现其高强度、低惯量的特性；

内环座、外环座，其以抱夹的方式用以固定柔性铰链，且两端均有固定挡板用以限位柔性铰链，且外环座上排布工艺孔，可以实现内环座、外环座、柔性铰链装配后的轴系组件单独拆装的功能，方便装配与后期维修；

镜座，其用以固定工作镜体，同时具备内环转子、传感器测量面等功能，因其与柔性铰链转子端间接固连，所以可保证其不受其他零件膨胀系数不同所引起的本身应力变形，进而导致镜面面型变化；

镜座，其用以固定工作镜体，同时具备内环转子、传感器测量面等功能，因其与镜面直接固定，所以可以保证电涡流传感器可以感应真实工作镜体的位置信息，避免过多误差产生，提供整个系统的控制精度；

快速反射镜系统，其外部具备一个控制器，用以对快速反射镜系统的音圈电机供电、采集电涡流传感器位置信号，进行闭环控制，实现快速反射镜系统各项功能要求。

参照图1至图5所示，本发明主要零部件包含了探测器座1.1、后罩1.2；电涡流传感器1.3、外环座1.4、柔性铰链1.5、内环座1.6、镜座1.7、音圈电机1.8、转动环1.9、工作镜体1.10。

如图1与图5所示，将柔性铰链1.5分别穿入外环座1.4及内环座1.6内部，并贴靠至限位端面；如图5，紧固螺钉A处5.1、紧固螺钉B处5.2两处所示，使用紧固螺钉，将柔性铰链1.5抱紧，完成回转轴系部件的装配工作，同样的操作步骤，准备四个轴系部件，用于系统装配。

参照图1所示，将四个电涡流传感器1.3装配在探测器座1.1上，其固定位置通过具体使用要求进行计算设计，确保在满足行程要求的条件下，尽量扩大跨距，以便于提高传感器分辨率；

参照图3，4.2为一对俯仰轴回转传感器，4.1为一对方位轴回转传感器，当镜座1.7绕X轴进行方位回转时，方位轴回转传感器4.1敏感其两侧高度差，通过计算及标定数据，确定方位回转角度，同理，当镜座1.7绕Y轴进行俯仰回转时，俯仰轴回转传感器4.2敏感其两侧高度差，通过计算及标定数据，确定俯仰回转角度；

特别的，图1与图3中分别标记了限位B处4.2.1及限位A处1.3.1，本发明实施例提供了两种限位设计方式，用来保护电涡流传感器1.3的感应探头，避免在下电运输或上电失控状态下出现传感器磕碰损坏现象。

如图1所示，电涡流传感器1.3、后罩1.2、音圈电机1.8均装配在探测器座1.1上，工作镜体1.10通过胶粘或压盖的方式固定在镜座1.7上，将上文描述的四个轴系在转动环1.9四周方向，将镜座1.7与转动环1.9固定在探测器座1.1上；

参照图2，工作镜体1.10绕X轴沿X1方向进行方位回转运动，转动环1.9与镜座1.7一起绕Y轴沿Y1方向进行俯仰回转运动，从而实现本发明二维回转运动能力；

参照图3，探测器座1.1与镜座1.7均为中空设计，用以避让工作镜体1.10透射光路；特别的，当本实施例快速反射镜系统需要进行俯仰回转运动时，其转动惯量相对较大，此处转动环1.9经过合理设计，在保证整体刚度、整体模态响应频率的情况下，做了足够的轻量化设计，用以减少其在回转运动中的转动惯量，保证整个系统高带宽性能的实现。

如图4所示，本发明涉及的实施例设计了一种柔性铰链，其中间部分为十字弹簧柔片6.2，外部为轴承支撑柱6.1，轴承支撑柱6.1为上下两端设计，分别固定在十字弹簧柔片6.2的两端，在上半部分固定时，下半部分可以随十字弹簧柔片6.2进行绕Z轴回转运动，如图示Z1的回转反向；在设计时，需要合理排布十字弹簧柔片6.2的位置，并合理设计其宽度与厚度，通过仿真分析，使其适用于快速反射镜系统的各类应用环境，保证轴承支撑柱6.1具备足够刚度，十字弹簧柔片6.2的反作用力不会影响到音圈电机1.8出力；本发明涉及的这种柔性铰链，其特点在于具备良好的承载能力，且在回转中无摩擦，通过疲劳分析，在一定角度范围内其回转寿命近似于无限寿命，在快速反射镜系统设计中，这种新设计的回转支撑零部件同时具备极高的可靠性，同时可以在极小的空间内完成设计。

显然，上述实施仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。

对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种基于电涡流传感器可透射式应用的快速反射镜系统，其特征在于：

包括探测器座(1.1)、工作镜体(1.10)、镜座(1.7)、转动环(1.9)、电涡流传感器(1.3)；

所述工作镜体(1.10)装配于镜座(1.7)上；

所述探测器座(1.1)与电涡流传感器(1.3)固定连接；

所述工作镜体(1.10)绕X轴进行方位回转运动，所述转动环(1.9)与镜座(1.7)一起绕Y轴进行俯仰回转运动。

2.根据权利要求1所述的一种基于电涡流传感器可透射式应用的快速反射镜系统，其特征在于：

还包括柔性铰链(1.5)、音圈电机(1.8)、内环座(1.6)、外环座(1.4)；

所述柔性铰链(1.5)、内环座(1.6)、外环座(1.4)组成回转轴系，分布在整体的四周方向上，用以做为整个快速反射镜系统的二维回转轴系；

所述镜座(1.7)与音圈电机(1.8)转子固定装配；

所述镜座(1.7)与内环座(1.6)固定，所述内环座(1.6)固定在柔性铰链(1.5)的转子端，用以保证镜座(1.7)实现回转功能；

所述外环座(1.4)与柔性铰链(1.5)的定子端固定；

所述转动环(1.9)对称两端与外环座(1.4)固定，与此两端正交方向上的另外两端与内环座(1.6)固定。

3.根据权利要求2所述的一种基于电涡流传感器可透射式应用的快速反射镜系统，其特征在于：

所述工作镜体通过胶粘装配于镜座内，保证主反射镜面型参数且与镜座不会发生分离窜动现象。

所述镜座(1.7)与内环座(1.6)固定后装配在柔性铰链(1.5)的转子上，实现内方位方向的回转运动；

所述镜座(1.7)背面设有平面度高的感应面，用于电涡流传感器探测位置信息。

4.根据权利要求3所述的一种基于电涡流传感器可透射式应用的快速反射镜系统，其特征在于：

所述柔性铰链(1.5)内部为十字交叉弹簧；

所述探测器座(1.1)安装法兰，法兰面具备足够高的平面度，保证工作镜体(1.10)与法兰面在锁零位置的平行度。

5.根据权利要求4所述的一种基于电涡流传感器可透射式应用的快速反射镜系统，其特征在于：

所述音圈电机(1.8)转子与镜座(1.7)固定装配，音圈电机(1.8)定子与探测器座(1.1)固定装配，所述音圈电机(1.8)为直线往复运动电机；

所述音圈电机(1.8)设置两组，设置在镜座(1.7)背面。

6.根据权利要求5所述的一种基于电涡流传感器可透射式应用的快速反射镜系统，其特征在于：

所述内环座(1.6)与柔性铰链(1.5)的转子固定，内环座(1.6)端面有挡板进行限位，内环座(1.6)侧面采用抱夹的方式进行固定，内环座(1.6)法兰面设有固定孔；

所述外环座(1.4)与柔性铰链(1.5)定子固定，外环座(1.4)端面有挡板进行限位，外环座(1.4)侧面采用抱夹的方式进行固定，外环座(1.4)法兰面设有固定孔及工艺孔。

7.根据权利要求6所述的一种基于电涡流传感器可透射式应用的快速反射镜系统，其特征在于：

所述外环座(1.4)与探测器座(1.1)固定装配。

8.根据权利要求7所述的一种基于电涡流传感器可透射式应用的快速反射镜系统，其特征在于：

所述转动环(1.9)四周安装法兰，一对法兰面与外环座(1.4)固定，正交方向另一对法兰面与内环座(1.6)固定。

9.根据权利要求1至8任一所述的一种基于电涡流传感器可透射式应用的快速反射镜系统，其特征在于：

所述电涡流传感器(1.3)固定在探测器座(1.1)上，所述电涡流传感器(1.3)设置四个，在探测器座(1.1)上四周排布，排布位置需根据实际应用行程进行计算，在满足行程的条件下尽量增大其跨距，便于提高其感应分辨率。

10.根据权利要求1所述的一种基于电涡流传感器可透射式应用的快速反射镜系统，其特征在于，还包括控制器；

所述控制器用于对整个快速反射镜系统进行供电及控制，通过闭环电路控制，控制快速反射镜系统实现转角、摆扫、定位功能。

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