小型空间单压变形镜设计仿真研究
发布时间：2021-06-26 05:29
变形镜作为一种波前校正器,是自适应光学系统的核心部件。本文设计的变形镜是以空间应用为背景,并结合变形镜自身性能进行研究。通过有限元仿真软件对设计参数进行模态分析、静力学分析、热力学分析与模拟振动分析,以此来确定变形镜的各项参数,确保设计的单压电片变形镜符合空间应用的标准。本文的具体工作如下:（1）研究设计了拟应用于空间成像领域的19单元单压电片变形镜,该变形镜具有体积小,重量轻,变形量大、结构简单、造价低廉等优点,可用于校正大气扰动带来的波前像差。（2）针对空间硬件产品需要参考固有频率来做防共振处理的问题,对单压电片变形镜进行了模态分析与压电仿真分析,最终确定变形镜的支撑方式为固定支撑,Si镜片厚度为0.5mm,PZT片厚度为0.2mm,胶层厚度为0.05mm。（3）针对空间温度波动会使材料发生热变形的问题,对单压电片变形镜进行了热力耦合分析,采用铝合金夹具时每升高1℃,镜片的最大变形量为1.08μm,采用Si夹具时镜片的最大变形量仅为前者的十分之一。因此选取Si材料做单压电片变形镜的支撑夹具,可以使镜片受热产生的变形量降到很低。（4）针对航天器发射升空带来的冲击振动问题,对单压电片变...
【文章来源】：北华航天工业学院河北省
【文章页数】：56 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
自适应光学原理图
北华航天工业学院硕士学位论文3图1.2变形镜校正原理图1.2.2变形镜典型分类根据不同的驱动形式，将变形镜分为压电变形镜，静电驱动变形镜和力驱动变形镜；根据反射镜的结构，将变形镜分为连续镜变形镜和分段镜变形镜。目前，连续表面光学压电可变形镜在自适应光学领域中应用比较多，近几年来薄膜变形镜也得到了应用，其他类型的变形镜和MEMS器件等越来越多的被应用在各大领域中。压电变形镜根据压电陶瓷的逆向压电效应而变形，并根据压电晶体在不同方向上的压电系数分为两种类型：压电堆式变形镜和双/单压电片变形镜。现有变形镜的类型主要有以下几种[4]。1.2.2.1压电堆栈变形镜在无外界应力情况下，对于单个压电片在极化方向的变形量见式（1.3）：Vdl33（1.3）式中33d为纵向压电系数（对于压电材料，通常为250-500pm/V），V是施加在正负电极上的电压。几百伏的电压仅能引起0.1-0.2μm的变形量，负载电压过高会导致压电片去极化发生故障，显然单层压电陶瓷不能满足变形镜补偿波前误差所需的变形量要求。由公式1.3可以看出，压电材料的变形量与厚度无关，因此可以选择薄的压电片，将多层压电层重叠以获得数倍于单层的变形量，如图1.3所示，压电材料的变形量见式（1.4）：Vndl33（1.4）式中n表示压电层的层数，由公式1.4知，通过增加压电层层数可提高变形量。图1.3压电堆栈致动器原理图
北华航天工业学院硕士学位论文3图1.2变形镜校正原理图1.2.2变形镜典型分类根据不同的驱动形式，将变形镜分为压电变形镜，静电驱动变形镜和力驱动变形镜；根据反射镜的结构，将变形镜分为连续镜变形镜和分段镜变形镜。目前，连续表面光学压电可变形镜在自适应光学领域中应用比较多，近几年来薄膜变形镜也得到了应用，其他类型的变形镜和MEMS器件等越来越多的被应用在各大领域中。压电变形镜根据压电陶瓷的逆向压电效应而变形，并根据压电晶体在不同方向上的压电系数分为两种类型：压电堆式变形镜和双/单压电片变形镜。现有变形镜的类型主要有以下几种[4]。1.2.2.1压电堆栈变形镜在无外界应力情况下，对于单个压电片在极化方向的变形量见式（1.3）：Vdl33（1.3）式中33d为纵向压电系数（对于压电材料，通常为250-500pm/V），V是施加在正负电极上的电压。几百伏的电压仅能引起0.1-0.2μm的变形量，负载电压过高会导致压电片去极化发生故障，显然单层压电陶瓷不能满足变形镜补偿波前误差所需的变形量要求。由公式1.3可以看出，压电材料的变形量与厚度无关，因此可以选择薄的压电片，将多层压电层重叠以获得数倍于单层的变形量，如图1.3所示，压电材料的变形量见式（1.4）：Vndl33（1.4）式中n表示压电层的层数，由公式1.4知，通过增加压电层层数可提高变形量。图1.3压电堆栈致动器原理图
【参考文献】：
期刊论文
[1]正电压边缘驱动的双压电片变形镜研制[J]. 彭泰然,李文来,娄军强,崔玉国,马剑强. 光子学报. 2019(08)
[2]空间光学遥感器反射镜组件中环氧胶的选用[J]. 周小华,邢辉,杨居奎. 航天返回与遥感. 2019(03)
[3]纳米SiO2改性环氧粘接剂工艺试验研究[J]. 王玉龙,王碧瑶,孙慧,张伟. 电子工艺技术. 2018(03)
[4]140单元MEMS变形镜研制及测试分析[J]. 汪为民,王强. 光电工程. 2018(03)
[5]双压电片镜在同步辐射光源光学系统中的应用[J]. 金利民,罗红心,王劼,王纳秀,徐中民. 中国光学. 2017(06)
[6]空间相机光学件用XM23胶的杨氏模量测定和选用[J]. 高超,罗世魁,陈芳,史姣红. 航天返回与遥感. 2017(02)
[7]波前校正变形镜的疲劳损伤特性[J]. 陈丽霞,胡小川,张彬,孙年春. 中国激光. 2016(11)
[8]横向压电效应变形镜优化设计[J]. 吴伟彬,戴一帆,关朝亮,范占斌,钟曜宇. 红外与激光工程. 2016(08)
[9]带边缘驱动的214单元单压电变形镜仿真与实验[J]. 陈凯,陈俊杰,毛宇昕,马剑强,褚家如. 光子学报. 2016(08)
[10]变形镜结构参数对高功率激光相位特性的影响[J]. 彭家琪,胡小川,陈丽霞,张彬. 光学学报. 2015(05)
博士论文
[1]硅基多孔不变形镜的研制[D]. 何崇文.华中科技大学 2015
[2]表面工艺静电驱动MEMS变形镜关键技术研究[D]. 汪为民.电子科技大学 2015
[3]压电变形镜控制方法及应用研究[D]. 刘莹.中国科学技术大学 2014
[4]压电厚膜驱动的变形镜技术研究[D]. 马剑强.中国科学技术大学 2012
本文编号：3250723
【文章来源】：北华航天工业学院河北省
【文章页数】：56 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
自适应光学原理图
北华航天工业学院硕士学位论文3图1.2变形镜校正原理图1.2.2变形镜典型分类根据不同的驱动形式，将变形镜分为压电变形镜，静电驱动变形镜和力驱动变形镜；根据反射镜的结构，将变形镜分为连续镜变形镜和分段镜变形镜。目前，连续表面光学压电可变形镜在自适应光学领域中应用比较多，近几年来薄膜变形镜也得到了应用，其他类型的变形镜和MEMS器件等越来越多的被应用在各大领域中。压电变形镜根据压电陶瓷的逆向压电效应而变形，并根据压电晶体在不同方向上的压电系数分为两种类型：压电堆式变形镜和双/单压电片变形镜。现有变形镜的类型主要有以下几种[4]。1.2.2.1压电堆栈变形镜在无外界应力情况下，对于单个压电片在极化方向的变形量见式（1.3）：Vdl33（1.3）式中33d为纵向压电系数（对于压电材料，通常为250-500pm/V），V是施加在正负电极上的电压。几百伏的电压仅能引起0.1-0.2μm的变形量，负载电压过高会导致压电片去极化发生故障，显然单层压电陶瓷不能满足变形镜补偿波前误差所需的变形量要求。由公式1.3可以看出，压电材料的变形量与厚度无关，因此可以选择薄的压电片，将多层压电层重叠以获得数倍于单层的变形量，如图1.3所示，压电材料的变形量见式（1.4）：Vndl33（1.4）式中n表示压电层的层数，由公式1.4知，通过增加压电层层数可提高变形量。图1.3压电堆栈致动器原理图
北华航天工业学院硕士学位论文3图1.2变形镜校正原理图1.2.2变形镜典型分类根据不同的驱动形式，将变形镜分为压电变形镜，静电驱动变形镜和力驱动变形镜；根据反射镜的结构，将变形镜分为连续镜变形镜和分段镜变形镜。目前，连续表面光学压电可变形镜在自适应光学领域中应用比较多，近几年来薄膜变形镜也得到了应用，其他类型的变形镜和MEMS器件等越来越多的被应用在各大领域中。压电变形镜根据压电陶瓷的逆向压电效应而变形，并根据压电晶体在不同方向上的压电系数分为两种类型：压电堆式变形镜和双/单压电片变形镜。现有变形镜的类型主要有以下几种[4]。1.2.2.1压电堆栈变形镜在无外界应力情况下，对于单个压电片在极化方向的变形量见式（1.3）：Vdl33（1.3）式中33d为纵向压电系数（对于压电材料，通常为250-500pm/V），V是施加在正负电极上的电压。几百伏的电压仅能引起0.1-0.2μm的变形量，负载电压过高会导致压电片去极化发生故障，显然单层压电陶瓷不能满足变形镜补偿波前误差所需的变形量要求。由公式1.3可以看出，压电材料的变形量与厚度无关，因此可以选择薄的压电片，将多层压电层重叠以获得数倍于单层的变形量，如图1.3所示，压电材料的变形量见式（1.4）：Vndl33（1.4）式中n表示压电层的层数，由公式1.4知，通过增加压电层层数可提高变形量。图1.3压电堆栈致动器原理图
【参考文献】：
期刊论文
[1]正电压边缘驱动的双压电片变形镜研制[J]. 彭泰然,李文来,娄军强,崔玉国,马剑强. 光子学报. 2019(08)
[2]空间光学遥感器反射镜组件中环氧胶的选用[J]. 周小华,邢辉,杨居奎. 航天返回与遥感. 2019(03)
[3]纳米SiO2改性环氧粘接剂工艺试验研究[J]. 王玉龙,王碧瑶,孙慧,张伟. 电子工艺技术. 2018(03)
[4]140单元MEMS变形镜研制及测试分析[J]. 汪为民,王强. 光电工程. 2018(03)
[5]双压电片镜在同步辐射光源光学系统中的应用[J]. 金利民,罗红心,王劼,王纳秀,徐中民. 中国光学. 2017(06)
[6]空间相机光学件用XM23胶的杨氏模量测定和选用[J]. 高超,罗世魁,陈芳,史姣红. 航天返回与遥感. 2017(02)
[7]波前校正变形镜的疲劳损伤特性[J]. 陈丽霞,胡小川,张彬,孙年春. 中国激光. 2016(11)
[8]横向压电效应变形镜优化设计[J]. 吴伟彬,戴一帆,关朝亮,范占斌,钟曜宇. 红外与激光工程. 2016(08)
[9]带边缘驱动的214单元单压电变形镜仿真与实验[J]. 陈凯,陈俊杰,毛宇昕,马剑强,褚家如. 光子学报. 2016(08)
[10]变形镜结构参数对高功率激光相位特性的影响[J]. 彭家琪,胡小川,陈丽霞,张彬. 光学学报. 2015(05)
博士论文
[1]硅基多孔不变形镜的研制[D]. 何崇文.华中科技大学 2015
[2]表面工艺静电驱动MEMS变形镜关键技术研究[D]. 汪为民.电子科技大学 2015
[3]压电变形镜控制方法及应用研究[D]. 刘莹.中国科学技术大学 2014
[4]压电厚膜驱动的变形镜技术研究[D]. 马剑强.中国科学技术大学 2012
本文编号：3250723
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/yiqiyibiao/3250723.html
