CN117310927A - 一种用于外场光电检测设备平行光管的无热化支撑结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于外场光电检测设备平行光管的无热化支撑结构，由平行光管、光管支腿及底板构成，光管支腿用于连接平行光管和底板；平行光管包括镜筒，分别设置在镜筒两侧主镜和次镜；主镜、次镜采用微晶玻璃制成；用于安装次镜的次镜端套、镜架、次镜镜室模块，以及用于安装主镜的端套夹紧圈、主镜端套、主镜端套、主镜罩、主镜室、主镜压圈均由与微晶玻璃热膨胀系数相近的材料制成；光管支腿包括固定端支腿和滑动端支腿，固定端支腿与滑动端支腿的连线平行于镜筒的轴线，滑动端支腿用于吸收底板与平行光管在受热时的形变差；镜筒采用碳纤维复合材料制成，用于对热变形进行补偿。本发明确保了外场光电检测设备具有良好的检测精度。

Description

一种用于外场光电检测设备平行光管的无热化支撑结构

技术领域

本发明属于平行光管无热化支撑结构设计领域，尤其涉及一种用于外场光电检测设备平行光管的无热化支撑结构。

背景技术

光电设备在军事上具有重要的应用价值和巨大的发展前景，是实施精确打击和一体化作战的重要手段。然而光电设备长时间在野外环境下操作使用，受环境因素影响，很容易出现性能指标下降等问题，影响光电设备作战效能的正常发挥。为了保证光电设备在复杂环境下的侦查能力，在外场环境条件下对光电设备进行光学性能指标检测就不可避免。

若要实现在外场环境条件下快速部署或伴随保障，就要求光电检测设备体积小，重量轻，且具有良好的环境适应能力。光电检测设备中一般需要采用平行光管模拟无穷远目标来实现主要性能指标的检测，而在严苛的外场环境条件下将平行光管用于光学检测需要考虑其环境适应性问题，尤其是野外急剧变化的温度条件导致平行光管产生结构热变形，严重影响检测精度，因此对复杂环境下使用的平行光管需要进行无热化设计。平行光管无热化设计是指通过对光学元件及其支撑结构进行设计，补偿温度变化对光学性能的影响，从而保证一台平行光管在一定的温变环境条件下系统焦距不变或变化很小，提高其抵抗温度变化的能力。目前对于平行光管的无热化设计方法大致有两种：一是通过被动地选择材料实现无热化设计，通过选择同种材料或者线胀系数接近的材料制成；另一种是通过对温度变化主动响应的机械结构来实现，通过支撑结构材料的线胀系数与结构尺寸进行匹配，达到无热化设计的目的。然而在以往对于平行光管进行的无热化设计过程中，大多只关注了光管本身，与其直接连接的支腿等支撑结构一般不在无热化设计范围之内，而实际上由于温度载荷发生形变，光管的外接支撑结构产生连接应力同样会作用于光管之上，对光管实际性能产生影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于外场光电检测设备平行光管的无热化支撑结构，保证了外场光电检测设备平行光管在环境温度发生变化时，平行光管焦距变化量保持在允许范围之内，确保外场光电检测设备具有良好的检测精度。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种用于外场光电检测设备平行光管的无热化支撑结构，由平行光管、光管支腿及底板构成，光管支腿用于连接平行光管和底板；所述平行光管包括镜筒，分别设置在镜筒两侧主镜和次镜；

所述主镜、次镜采用微晶玻璃制成；用于安装次镜的次镜端套、镜架、次镜镜室模块，以及用于安装主镜的端套夹紧圈、主镜端套、主镜端套、主镜罩、主镜室、主镜压圈均由与微晶玻璃热膨胀系数相近的材料制成；

所述光管支腿包括固定端支腿和滑动端支腿，固定端支腿与滑动端支腿的连线平行于镜筒的轴线，滑动端支腿用于吸收底板与平行光管在受热时的形变差；

所述镜筒采用碳纤维复合材料制成，用于对热变形进行补偿。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

反射镜及其支撑结构采用低热膨胀材料，并通过碳纤维镜筒对整个光管结构热变形进行了补偿，降低了系统受热载荷时光轴方向的变形；通过活动支腿中的滑轨与活塞配合，隔绝了外部支撑结构与平行光管之间的热应变，热补偿效果优良，可以使光电检测设备平行光管适应外场环境恶劣的温度环境。

附图说明

图1为本发明一种用于外场光电检测设备平行光管整体结构示意图；

图2为本发明种用于外场光电检测设备的平行光管剖面图；

图3为本发明一种用于外场光电检测设备平行光管底座及光管支腿示意图；

图4为本发明一种用于外场光电检测设备平行光管底座及光管支腿剖面图；

图5为本发明一种用于外场光电检测设备平行光管用于标定镜筒热膨胀系数的实验系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

本实施例的一种用于外场光电检测设备平行光管整体结构，如图1所示，主要由平行光管1、光管支腿2及底板3构成。其中平行光管1中包含了主镜11、次镜12、镜筒13、次镜端套14、次镜罩15、三翼次镜架16、次镜镜室模块17、端套夹紧圈18、主镜端套19、主镜调节垫110、连接螺钉111、主镜罩112、主镜室113、主镜压圈114、主镜遮光罩115；光管支腿2包含了固定端支腿21和滑动端支腿22，滑动端支腿22又包含了滑槽221和滑动活塞222两部分。

结合图2-图4，在平行光管1中，次镜12安装在次镜镜室模块17中；次镜镜室模块17固定在三翼次镜架16中心，通过三翼次镜架16和次镜罩15固定在次镜端套14上；主镜11设置在主镜镜室113内，且与主镜镜室113之间设有主镜调节垫110，主镜11通过主镜压圈114固定在主镜镜室113内，主镜镜室113通过连接螺钉111与主镜端套19连接，主镜罩112与主镜遮光罩115也通过连接螺钉111与主镜镜室113相连接，主镜端套19、次镜端套14分别通过端套压紧圈18夹紧镜筒13的两端，构成平行光管1的整体结构。光管支腿2用于连接平行光管1和底板3，固定端支腿21与滑动端支腿22的连线平行于镜筒13的轴线，其中固定端支腿21通过螺钉与底板3及主镜端套19相连接，滑动端支腿22中的滑动活塞222通过螺钉与次镜端套14连接，滑槽221与底板3相连接。滑动活塞222与滑槽221配合，能够沿平行于镜筒13的轴线方向移动。

在平行光管1中，主镜11、次镜12采用微晶玻璃制成，该材料热膨胀系数较低，对环境温度变化不敏感；次镜端套14、三翼次镜架16、次镜镜室模块17、端套夹紧圈18、主镜端套19、主镜调节垫110、主镜罩112、主镜室113、主镜压圈114均由殷钢材料制成，该材料热膨胀系数较低且与微晶玻璃热膨胀系数相近，在保证平行光管结构件热变形较小的同时有效避免了由于接触面热应力导致的反射镜面形精度下降；次镜罩15、主镜罩112与主镜遮光罩115的热变形对于平行光管热稳定性影响不大，选用轻质铝合金材料以降低平行光管的整体重量；底板3采用铝合金材料，支腿2采用钛合金材料，保证了光管支撑结构的刚度；镜筒13使用碳纤维复合材料，在降低光管整体重量的同时，利用碳纤维复合材料热膨胀系数可设计的特点，可以对平行光管结构热变形产生的焦距变化进行补偿，使光管在受热载荷时，光管焦距一直保持在允许范围之内。

对平行光管进行无热化设计时主要考虑两个方面：一是由结构热变形引起反射镜相对位置关系发生改变，导致系统焦距发生变化，二是热应力引起的反射镜面形精度降低，使光管性能下降。本发明中，反射镜及其支撑结构分别由热膨胀系数较低的微晶和殷钢材料制成，可以将结构热变形控制在较小范围，殷钢材料与微晶材料热膨胀系数接近，最大限度地降低了反射镜与其支撑结构的热变形以及两者接触面产生的热应力；考虑到底板采用铝合金材料，在温度载荷下热变形明显大于平行光管中的无热化结构，因此在次镜端套与底板连接的滑动端支腿中设置滑槽活塞运动副，用于吸收底板与光管在受热时的形变差，使热应力无法传递到光管上影响其工作性能；此外，镜筒采用碳纤维复合材料制成，利用碳纤维复合材料热膨胀系数可设计的特点，可以对支撑结构中其他环节的热变形进行补偿，使平行光管中反射镜相对位置在温度载荷下变化很小。

碳纤维层合板指的是由两层及以上复合材料铺层通过树脂固化粘接在一起形成的复合板材料，根据层合板理论，碳纤维复合材料的热膨胀系数除了与碳纤维预浸料本身的性能参数有关外，与其纤维铺设角度也密切相关，对于一个由n层碳纤维铺层按一定角度对称铺设组合成的层合板而言，材料的热膨胀系数可以表示为：

其中{α_c}是层合板热膨胀系数矩阵，[Q]_k是描述第k层碳纤维铺层的偏轴刚度矩阵，[T]_k是第k层纤维铺设角度矩阵，[Q]是单层碳纤维铺层的正轴刚度矩阵，[α]是单层碳纤维铺层的热膨胀系数矩阵。因此，在单层碳纤维铺层参数确定，即碳纤维预浸料牌号一定时，一个由n层碳纤维铺层按一定角度对称铺设组合成的层合板的热膨胀系数是关于铺设角度的函数。

由于单层碳纤维复合材料不仅具有极低的线性热膨胀系数，而且具有负的轴向线性热膨胀系数。因此，利用这些特性可以对碳纤维复合材料的热膨胀系数进行设计，热膨胀系数理论设计范围为单层碳纤维预浸料轴向热膨胀系数与横向热膨胀系数之间。

检测设备在实际工作中的使用温度范围是-40℃～55℃，在此温度范围内，材料的热膨胀系数-温度曲线可以近似看作一条直线。在对平行光管碳纤维镜筒轴向热膨胀系数进行设计时，将平行光管置于可控恒温箱中，并架设检测光路，并将平行光管主镜一端固定，次镜一端与调整台相连接，通过在不同温度条件下调整次镜位置获得次镜的位移-温度曲线，进行直线拟合后计算确定碳纤维镜筒轴向热膨胀系数，得到镜筒的最佳铺层设计方案。

结合图5，碳纤维镜筒热膨胀系数具体标定过程如下：

步骤1.将平行光管主镜组件、次镜组件(平行光管1去除镜筒后)放置于可控恒温箱42中，其中主镜组件放置于固定平台44，次镜组件放置于调节平台43上，通过调节平台可以对主次镜间距进行调节；

步骤2.将可调恒温箱42调节至-40℃，待系统温度稳定后，在调节系统次镜一侧射入平行光，使平行光经过平行光管后在显示屏41上形成光斑，调节调节平台43和显示屏41位置，使光斑尺寸最小，此时显示屏41所在位置为焦点位置，记录此时调节平台43位移读数X₀；

步骤3.将可调恒温箱42温度升高5℃，待系统温度稳定后，调节调节平台43，使显示屏41上光斑尺寸达到最小，此时显示屏41所在位置为焦点位置，记录此时调节平台43读数X₁；

重复步骤3，分别获得可调恒温箱42温度为-30℃、-25℃、…55℃时调节平台43读数X₂、X₃、…X₁₉，绘制调节平台43读数-温度曲线(X-T曲线)，将该曲线进行线性拟合，得到直线的斜率β。

镜筒在环境温度变化ΔT时，沿轴线产生的热变形为：

ΔX＝α_轴向·L·ΔT

其中ΔX为镜筒沿轴线变形，α_轴向为构成镜筒的碳纤维材料沿镜筒轴线方向的热膨胀系数，是碳纤维层合板热膨胀系数矩阵{α_c}中的一个数值，L为光管镜筒长度。

在温度范围是-40℃～55℃时，我们可以近似认为拟合直线斜率β满足：

β＝ΔX/ΔT

所以计算得到此时镜筒碳纤维复合材料沿镜头轴线方向的热膨胀系数为：

α_轴向＝β/L

步骤5、根据计算得到的碳纤维复合材料热膨胀系数α_轴向，结合碳纤维复合材料热膨胀系数与铺层角度的关系，即可得出最终的铺层角度。

本发明采用了机械被动无热化设计与热应力释放结构组合的方式实现平行光管的无热化设计：通过结构进行温度补偿，降低反射镜组件在温度载荷条件下的相对位置变化，保证平行光管系统焦距变化在允许范围之内；通过对反射镜与其支撑结构材料热特性进行匹配，并且采用热应力释放结构，降低了热应力对于平行光管中反射镜面形精度的影响，从而保证了光电检测设备在温度急剧变化的外场环境中仍然保持良好的检测精度。

Claims (7)

1.一种用于外场光电检测设备平行光管的无热化支撑结构，由平行光管、光管支腿及底板构成，光管支腿用于连接平行光管和底板；所述平行光管包括镜筒，分别设置在镜筒两侧主镜和次镜；其特征在于，

所述主镜、次镜采用微晶玻璃制成；用于安装次镜的次镜端套、镜架、次镜镜室模块，以及用于安装主镜的端套夹紧圈、主镜端套、主镜端套、主镜罩、主镜室、主镜压圈均由与微晶玻璃热膨胀系数相近的材料制成；

所述光管支腿包括固定端支腿和滑动端支腿，固定端支腿与滑动端支腿的连线平行于镜筒的轴线，滑动端支腿用于吸收底板与平行光管在受热时的形变差；

所述镜筒采用碳纤维复合材料制成，用于对热变形进行补偿。

2.根据权利要求1所述的用于外场光电检测设备平行光管的无热化支撑结构，其特征在于，所述滑动端支腿包括滑动活塞与滑槽，滑动活塞与滑槽配合，能够沿平行于镜筒的轴线方向移动。

3.根据权利要求1所述的用于外场光电检测设备平行光管的无热化支撑结构，其特征在于，所述次镜端套、三翼次镜架、次镜镜室模块、端套夹紧圈、主镜端套、主镜调节垫、主镜罩、主镜室、主镜压圈均由殷钢材料制成。

4.根据权利要求1所述的用于外场光电检测设备平行光管的无热化支撑结构，其特征在于，所述支腿采用钛合金材料。

5.根据权利要求1所述的用于外场光电检测设备平行光管的无热化支撑结构，其特征在于，所述底板3采用铝合金材料。

6.根据权利要求1所述的用于外场光电检测设备平行光管的无热化支撑结构，其特征在于，所述镜筒的碳纤维复合材料满足：

其中{α_c}是层合板热膨胀系数矩阵，[Q]_k是描述第k层碳纤维铺层的偏轴刚度矩阵，[T]_k是第k层纤维铺设角度矩阵，[Q]是单层碳纤维铺层的正轴刚度矩阵，[α]是单层碳纤维铺层的热膨胀系数矩阵；n为碳纤维铺层的总数。

7.根据权利要求1所述的用于外场光电检测设备平行光管的无热化支撑结构，其特征在于，镜筒热膨胀系数具体标定过程如下：

步骤1、平行光管主镜组件、次镜组件放置于可控恒温箱中，其中主镜组件放置于固定平台；次镜组件放置于调节平台上，通过调节平台对主次镜间距进行调节；

步骤2、将可调恒温箱调节至设定温度，待温度稳定后，调节次镜一侧射入平行光，使平行光经过平行光管后在显示屏上形成光斑，调节调节平台和显示屏位置，使光斑尺寸最小，此时显示屏所在位置为焦点位置，记录此时调节平台位移读数；

步骤3、将可调恒温箱温度升高，待系统温度稳定后，调节调节平台，使显示屏上光斑尺寸达到最小，此时显示屏所在位置为焦点位置，记录此时调节平台读数；

步骤4、重复步骤3，分别获得可调恒温箱温度为多个温度时调节平台读数，绘制调节平台读数-温度曲线，将该曲线进行线性拟合，得到直线的斜率β；

计算得到镜筒碳纤维复合材料沿镜头轴线方向的热膨胀系数为：

α_轴向＝β/L

其中L为光管镜筒长度；

步骤5、根据计算得到的碳纤维复合材料沿镜头轴线方向的热膨胀系数α_轴向，结合碳纤维复合材料热膨胀系数与铺层角度的关系，即可得出最终的铺层角度。