一種真空環境下復合材料尺寸變化量測量裝置制造方法
【專利摘要】本發明一種真空環境下復合材料尺寸變化量測量裝置，包括激光頭、真空罐、光學窗口、溫控艙、分光鏡、第一線性反射鏡、第二線性反射鏡、被測件；激光頭放置于真空罐外，在真空罐的一側開有光學窗口，控溫套、分光鏡、第一線性反射鏡、第二線性反射鏡、被測件均放置于真空罐內；分光鏡、第一線性反射鏡、第二線性反射鏡、被測件均放置在控溫套內；分光鏡、第一線性反射鏡、第二線性反射鏡均放置于被測件上；激光頭、光學窗口、分光鏡、第二線性反射鏡同軸放置。本發明能夠實現1nm分辨率的長度測量，可以滿足目前航天遙感器的高精度裝調要求。
【專利說明】
一種真空環境下復合材料尺寸變化量測量裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬于航天光學遙感器【技術領域】，涉及一種真空環境下復合材料尺寸變化量測量裝置。
【背景技術】
[0002]材料是制造航天光學遙感器的基礎，遙感器的結構與機構采用的復合材料主要由纖維和基體構成。航天光學遙感器在軌運行時的環境與地面裝調時有很大差異，對于復合材料而言，由于受到濕氣解析的影響，其在軌運行時幾何尺寸將發生變化，進而影響光學遙感器的成像質量。因此，模擬在軌環境條件下對復合材料的幾何尺寸變化量進行測量具有十分重要的意義。
[0003]目前，對于復合材料在真空環境下的尺寸變化量測試多采用接觸法，由于接觸法中不可避免的接觸誤差、摩擦等使得該方法不適用于測量變形量小的復合材料。國外已經出現了采用非接觸法對一種利用復合材料制成的光學平臺進行真空環境下的尺寸變化測試，并達到了預期結果。對于高精度的裝調和測試來說，國內的接觸測量法已然不能滿足目前的使用要求，本文提出的一種真空環境下復合材料尺寸變化量測量方法能夠有效解決這個問題。
【發明內容】
[0004]本發明解決的技術問題是:克服現有技術的不足，提供一種真空環境下復合材料尺寸變化量測量裝置，實現了在實驗室模擬在軌環境條件下復合材料幾何尺寸穩定性測量。
[0005]本發明的技術方案是:一種真空環境下復合材料尺寸變化量測量裝置，包括激光頭、真空罐、光學窗口、溫控艙、分光鏡、第一線性反射鏡、第二線性反射鏡、被測件；激光頭放置于真空罐外，在真空罐的一側開有光學窗口，控溫套、分光鏡、第一線性反射鏡、第二線性反射鏡、被測件均放置于真空罐內；分光鏡、第一線性反射鏡、第二線性反射鏡、被測件均放置在控溫套內；分光鏡、第一線性反射鏡、第二線性反射鏡均放置于被測件上；激光頭、光學窗口、分光鏡、第二線性反射鏡同軸放置；
[0006]激光頭出射的光束通過光學窗口再經過分光鏡后分為兩束，即反射的參考光束和透射的測量光束，反射的參考光束經第一線性反射鏡反射后回到分光鏡，透射的測量光束經過第二線性反射鏡反射后返回分光鏡，兩束光在嵌于激光頭內的探測器中形成干涉光束；通過干涉條紋的變化獲得被測件的尺寸變化量。
[0007]所述激光頭為雷尼紹XL-80激光干涉儀。
[0008]所述光學窗口玻璃為平面，面形精度的均方根不小于λ/6，峰谷值不小于λ/2，其中 λ = 632.8nm。
[0009]本發明與現有技術相比的優點在于:
[0010]1、本發明使用激光干涉測長原理，屬于非接觸式測量方法，能夠實現對復合材料模擬在軌環境下幾何尺寸變形量的測量，本發明所使用的激光干涉儀有很高的測試精度，能夠實現Inm分辨率的長度測量，可以滿足目前航天遙感器的高精度裝調要求。
[0011]2、線性尺寸變化量的測量精度取決于已知的激光波長的精度，周圍的環境參數特別是溫度、氣壓和相對濕度會影響激光束在空氣中的波長。本發明通過實時監測被測光路溫度和壓強的變化，能夠實時修正抽真空過程中壓強急劇變化對測量結果的影響。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1為本發明裝置結構示意圖俯視圖。
【具體實施方式】
[0013]利用激光干涉原理進行線性測量的方法如圖1所示。
[0014]整個測量裝置放置在隔振地基上。選用雷尼紹XL-80激光干涉儀，被測件8為復合材料，選用碳纖維蒙皮/鋁蜂窩夾層結構。激光干涉儀的激光頭I放置在真空罐2外，被測件8放置在真空罐2內的一個相對密封的溫控艙4內，溫控艙4的內壁粘貼加熱片，采用分段加熱方式來保證相機溫度，溫控艙4的控溫精度為0.5°C。第一線性反射鏡6、第二線性反射鏡7分別固定在被測件8上。測試時，激光頭I出射的光束通過光學窗口 3再經過分光鏡5后分為兩束:參考光束和測量光束，參考光束經第一線性反射鏡6反射后重新回到分光鏡5，而測量光束則經過第二線性反射鏡7反射后返回分光鏡5，兩束光疊加并發生干涉，最后重新回到激光干涉儀中。
[0015]當被測復合材料幾何尺寸發生變化，則對應的測量光路長度將會發生改變，干涉光束的相對相位也會隨之變化，由此產生的相長干涉和相消干涉循環導致疊加光束強度的周期變化。兩束光在嵌于激光頭I內的探測器中形成干涉光束，測量光路每移動半個波長，光束就會出現一個光強變化的循環。通過計算這些光強變化的循環次數可測量第二線性反射鏡7相對于分光鏡5的位移量，進而得到被測復合材料幾何尺寸的變化量。該方法最終可實現Inm分辨率的長度測量。
[0016]與在大氣條件下不同的是，分光鏡5、第一線性反射鏡6、第二線性反射鏡7及其測量光路均位于真空環境下，而且測量光路需要經過真空罐2上的光學窗口 3。
[0017]由于激光干涉測量原理反映的是半個波長整數倍的變化，因此，要求光學窗口 3玻璃為平面，其面形精度的均方根不小于λ/6，峰谷值不小于λ/2。為提高測量精度，其中測量光斑所在的小區域內(直徑約為5mm)，面形精度的峰谷值最好大于λ/6，其中λ =632.8nm。
[0018]第二線性反射鏡7相對于分光鏡5的位移量AL = λ/2X Am，其中λ為激光光束波長，Am為條紋干涉級的變化。在真空罐抽真空過程中，由于壓強、溫度等的變化將會影響
I C V1 /7,
激光光束的波長λ，導致測量光線光程發生變化，從而影響測量結果。由于A=:，
其中λ為波長，C為光在真空中的速度，V是光波的頻率，ηι、η2為不同介質的絕對折射率，V1^v2是對應折射率下的光波的頻率。由埃德倫公式可得實驗室空氣折射率隨壓強、溫度和濕度的變化公式為 Δη = (0.28776 Λ ρ-0.2674 At-0.0036 Af) X 10'其中 Λρ、At、Af分別是壓強變化量、溫度變化量和濕度變化量。試驗過程中，被測件8以及測量光路均放置在溫控艙4中，溫度變化對折射率的影響可以忽略。由于濕度變化的系數非常小，空氣濕度變化對折射率的影響也可以忽略不計。壓強的變化可以實時采集和記錄，通過后期數據處理可以對被測量實時修正。
[0019]本發明可以實現模擬在軌環境條件下復合材料幾何尺寸穩定性測量，不但可應用于航天遙感器的測量，也可以廣泛應用于其他領域的尺寸穩定性測量。
[0020]本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。
【權利要求】
1.一種真空環境下復合材料尺寸變化量測量裝置，其特征在于:包括激光頭(I)、真空罐(2)、光學窗口(3)、溫控艙(4)、分光鏡(5)、第一線性反射鏡(6)、第二線性反射鏡(7)、被測件(8);激光頭(I)放置于真空罐(2)外，在真空罐(2)的一側開有光學窗口(3)，控溫套(4)、分光鏡(5)、第一線性反射鏡(6)、第二線性反射鏡(7)、被測件(8)均放置于真空罐(2)內；分光鏡(5)、第一線性反射鏡(6)、第二線性反射鏡(7)、被測件(8)均放置在控溫套(4)內；分光鏡(5)、第一線性反射鏡(6)、第二線性反射鏡(7)均放置于被測件(8)上；激光頭(I)、光學窗口(3)、分光鏡(5)、第二線性反射鏡(7)同軸放置； 激光頭(I)出射的光束通過光學窗口(3)再經過分光鏡(5)后分為兩束，即反射的參考光束和透射的測量光束，反射的參考光束經第一線性反射鏡(6)反射后回到分光鏡(2)，透射的測量光束經過第二線性反射鏡(7)反射后返回分光鏡(2)，兩束光在嵌于激光頭(I)內的探測器中形成干涉光束；通過干涉條紋的變化獲得被測件(8)的尺寸變化量。
2.根據權利要求1所述的一種真空環境下復合材料尺寸變化量測量裝置，其特征在于:所述激光頭(I)為雷尼紹XL-80激光干涉儀。
3.根據權利要求2所述的一種真空環境下復合材料尺寸變化量測量裝置，其特征在于:所述光學窗口(3)玻璃為平面，面形精度的均方根不小于λ/6，峰谷值不小于λ/2，其中 λ = 632.8nm。
【文檔編號】G01B11/00GK104132611SQ201410229159
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年5月27日 優先權日:2014年5月27日
【發明者】岳麗清, 張繼友, 王向東 申請人:北京空間機電研究所