离子推力器栅极组件热态间距测量系统研制

发布时间：2022-02-15 08:26

　　为了完成LIPS-300离子推力器三栅极组件在真空、高温环境中微小热态间距的高精度测量,设计了一套使用远距显微镜的非接触摄像测量系统。基于拍摄的图像,运用交互式分区方法获得多个圆形合作标志稳定、清晰的边缘,利用合作标志和标定片完成图像放大系数标定、图像畸变校正以及栅极热态间距亚像素级测量。精度验证实验表明,本系统在非加热情况下测量精度优于6μm,在加热情况下测量精度优于12μm。大气环境下的加热实验结果显示屏栅和加速栅温度差越大,栅极热态间距的减小量越大,当温差最大为150℃时热态间距减少量达到最大,即420μm。同时,由于安装环的热变形影响,栅极在热稳态时热变形量下降、在冷却期时产生负位移现象,测量结果与国外同类实验趋势一致。系统满足栅极组件热态间距测量的需求。 

【文章来源】：国防科技大学学报. 2020,42(01)北大核心EICSCD

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

栅极组件热态间距摄像测量系统示意图

本文设计了一种在不影响栅极间距的情况下对三栅极组件热态间距进行测量的方法。如图2所示，将两个氧化铝探针用高温结构胶和高温陶瓷胶分别固定到屏栅和加速栅的中心孔中。并在探针和减速栅极上用高温陶瓷胶固定圆形合作标志，用于亚像素定位提高测量精度。为了便于安装，探针分为两段直径，加速栅探针底部直径为1.8 mm，可以穿过屏栅孔(1.9 mm)但无法穿过加速栅孔(1.25 mm)。而屏栅探针底部直径为2.2 mm，无法穿过屏栅。第二段直径均为0.8 mm均可以从减速栅中探出。圆形合作标志为直径1.5 mm的氧化锆圆球。通过探针和栅极的位移来间接测量栅极热态间距以及变形量。远距显微镜通过4轴高精度定位平台安装在栅极组件的侧方，调整定位平台和显微镜，将探针及合作标志成像在视场的中央。图像中三个圆形合作标志的水平方向位移分别代表屏栅加速栅和减速栅中心的变形量，其差值为栅极间距的变化量。工作时，远距显微镜采集图像序列实时传送到计算机，合作标志的边缘像素由分区Canny边缘检测提取。基于合作标志的边缘像素，利用最小二乘法对圆心的坐标进行拟合，高精度测量合作标志位移，同时对图像进行校正和放大系数标定。本文开发的数字图像处理软件集成了图像处理和计算功能，可实现栅极热变形量和热态间距变化的在线检测和输出。

首先利用圆形合作标志进行标定，直径珔d=1.5 mm的氧化锆圆球，精度G10级，即精度a=0.25μm。以B类不确定度评定氧化锆圆球的直径，在P=0.954的置信水平下k1=2，假设圆球直径服从三角分布，由式(1)计算圆球直径dreal=1500±0.204μm。式中:Ud为圆球直径的扩展不确定度;为圆球直径的B类标准不确定度;k1,k2均为包含因子。

【参考文献】：
期刊论文
[1]30 cm离子推力器栅极组件热形变位移分析研究[J]. 孙明明,张天平,贾艳辉.  真空与低温. 2017(06)
[2]30cm离子推力器栅极组件热应力及热形变计算模拟[J]. 孙明明,张天平,王亮,吴先明.  推进技术. 2016(07)
[3]栅极热变形对离子推力器工作过程影响分析[J]. 陈茂林,夏广庆,徐宗琦,毛根旺.  物理学报. 2015(09)
[4]30cm口径离子推力器热特性模拟分析[J]. 孙明明,张天平,王亮.  真空与低温. 2014(03)



本文编号：3626289