基于电涡流测量的自适应变形镜子孔径控制设备制造技术

基于电涡流测量的自适应变形镜子孔径控制设备，被控制的超薄镜面与基板分离，永磁体胶结在超薄镜面的背面，该永磁体使用音圈电机驱动，特征是驱动该音圈电机的传感器采用电涡流微位移传感器。其结构是：在永磁体背面胶结一片目标导体；铜线圈固定在所述基板上的圆孔中，该铜线圈的顶面与基板上表面平齐，线圈中孔内安装电涡流传感器的探测线圈，传感器探测线圈和电机驱动线圈都固定安装在基板孔内部的金属支撑结构上。本发明专利技术结合电磁力驱动镜面的高带宽快速响应优势和电涡流位移测量的高空间分辨率和高测量带宽的优势，同时测量不受环境影响，能克服目前大口径自适应变形镜面临的最大问题，同时能达到很好的控制效果。

【技术实现步骤摘要】
基于电涡流测量的自适应变形镜子孔径控制设备
本专利技术涉及一种地面光学望远镜中大口径自适应变形镜子孔径的控制设备。
技术介绍
自适应光学作为现代大口径地面光学望远镜的重要技术手段，已经在很多现代望远镜中应用，并在观测中取得了大量科学成果，上世纪末本世纪初，随着天文光学的发展，近地层自适应光学（GLAO）技术越来越得到人们的重视，使用望远镜本身的光学元件作为自适应变形镜来实时校正大气抖动的新型自适应光学系统开始出现，并在一系列大口径望远镜如：MultipleMirrorTelescope(MMT)，LargeBinocularTelescope(LBT)，MagellanTelescope，VeryLargeTelescope(VLT)等上得到了成功应用，并将在正在建设中的下一代的30米级望远镜如：GiantMirrorTelescope(GMT)，ExtremelyLargeTelescope(ELT)上采用，由于这种方案直接使用望远镜自身的光学元件作为波前校正机构，不引入额外的光学元件,相比传统的自适应光学系统有明显的优势,首先大大减少了反射或者透射面的数量,提高了望远镜的效率；其次这种自适应副镜系统的红外散射很小,这对望远镜在红外波段的的观测十分重要；另外自适应副镜系统没有额外的光学偏振，能明显改善光学系统像质；而且大口径的自适应副镜能提供更大的观测视场，比如LBT的自适应副镜系统，口径911mm，能提供7×7角分的视场，非常适合近地层自适应光学技术。目前大口径的自适应变形镜已经引起了国际天文学家的极大关注，许多世界知名望远镜如美国Keck望远镜，日本Subaru望远镜，以及美国下一代30望远镜TMT，都计划进行升级改造，并引入这种大口径自适应变形镜。目前国际上已经在应用中的大口径自适应变形镜是从上世纪90年代发展起来的，其工作原理都是使用音圈电机驱动粘结在超薄镜面后的永磁体，同时检测镜面背面与基板之间形成电容的电容变化量，从而得到镜面相对于基板的距离变化量，来为音圈电机提供位置反馈。这种自适应变形镜的子孔径变形控制方法的关键之处是镜面背面与基板之间电容的测量，其电容测量精度和测量带宽直接决定着自适应变形镜的镜面面型控制精度和控制带宽。由于电容两个极板之间的电容量不仅与极板之间距离有关，还与极板之间的材料密切相关，所以电容传感器的测量精度受极板之间的材料影响很大，而望远镜使用现场的温度湿度变化都会剧烈的影响测量电容量的变化，更为严重的是，望远镜使用过程中，尘埃，生物碎屑以及花粉等一旦飘入镜面与极板之间，就会使附近的电容传感器失效，从而带来整个自适应变形镜故障，进而使整台望远镜不能按计划正常工作。国际上目前应用这种类型自适应变形镜的大型望远镜都曾经发生过由于电容传感器故障而引起的自适应变形镜故障，导致了大量观测时间的损失。
技术实现思路
正是由于目前国际上大口径自适应变形镜存在的上述问题，本专利技术针对大口径自适应变形镜，设计一套基于电涡流测量的自适应变形镜子孔径控制设备，使用电涡流微位移测量方式实时测量自适应变形镜的子孔径变形量，并为电机控制系统提供位置反馈从而实现镜面子孔径变形的闭环控制。完成上述专利技术任务的技术方案是：一种基于电涡流测量的自适应变形镜子孔径控制设备（基于电涡流微位移测量的大口径自适应变形镜子孔径面型控制设备），被控制的超薄镜面与基板分离，永磁体胶结在超薄镜面的背面，该永磁体使用音圈电机驱动，其特征在于，驱动该音圈电机的传感器采用电涡流微位移传感器。所述电涡流微位移传感器的结构是：在永磁体背面胶结一片100微米厚度的目标导体；铜线圈固定在所述基板上的圆孔中，该铜线圈的顶面与基板上表面平齐，线圈中孔内安装电涡流传感器的探测线圈，传感器探测线圈和电机驱动线圈都固定安装在基板孔内部的金属支撑结构上。电涡流微位移测量的基本工作原理是：当探测线圈通以高频交流电时，在线圈周围产生交变磁场，处在交变磁场范围里面的导体将感应出涡流。导体中的涡流产生与线圈磁场方向相反的磁场，线圈磁场和涡流磁场的相互作用，改变探测线圈的阻抗。当距离改变时，线圈与目标导体的磁场耦合强度发生改变，线圈的阻抗随之改变，因此通过测量线圈的阻抗即可获得目标导体的位移信息。由于电涡流传感器基于电磁感应原理对任何不导电的介质都不敏感，结构简单，价格低，灵敏度高，频率响应宽，相比电容传感器，其核心优势是抗恶劣环境能力强，能够很好的解决目前困扰大口径自适应副镜的电容传感器污染问题，又具有非接触测量的优点，所以非常适合用在天文大口径自适应变形镜的子孔径变形量测量中。这种大口径自适应变形镜子孔径变形控制的结构概念图如图1，被控制的超薄镜面与基板分离，永磁体胶结在超薄镜面的背面，在永磁体背面还需要胶结一片100微米厚度的目标导体；铜线圈固定在基板上的圆孔中，顶面与基板上表面平齐，线圈中孔内安装电涡流传感器的探测线圈，传感器探测和电机驱动线圈都固定安装在基板孔内部的金属支撑结构上，电机线圈通电时推动或者拉动永磁体并带动镜面变形，通过电涡流传感器检测线圈检测线圈与目标导体之间的距离，从而检测镜面的面型变化量。具体实施上，自适应变形镜面型控制的精度和控制带宽由望远镜所在台址的大气视宁度情况和望远镜本身的科学目标以及光学系统设计决定，本专利技术以国际上的大型望远镜相关参数为参考，针对大口径自适应变形镜单个单元的控制行程要求20微米，控制频率达到1k赫兹，实施中电机驱动线圈中交变驱动电压V1变化频率在1k赫兹，同时为实时检测目标导体与电涡流传感器线圈之间的距离，电涡流传感器的激励线圈内部需要通过高频的交流激励信号V2，避免检测电路与驱动电路的相互干扰，V1与V2应严格隔离，且各自的频率应明显分离，检测线圈激励电压V2频率需要在1M赫兹以上，显著高于驱动电压V1的频率，便于后端电路的检波和滤波；另外由于自适应变形镜本身刚度极低，镜面固有频率很低，为防止驱动时镜面发生共振，需要在驱动电路和结构设计中为镜面设计合适的阻尼，结构设计中采用镜面与基板之间的气隙层来为镜面提供阻尼，气隙层的厚度需要经过优化设计，其结果与镜面的镜厚比和驱动单元的数量密切相关，针对一块镜厚比300的镜面，在驱动单元在在气隙层厚度约0.1mm时，使镜面发生100微米PV值变形后，镜面稳定时间在5ms左右。在控制方法上，这种自适应变形镜子孔径控制方法首先通过波前传感器测量实时的大气抖动，并计算斜率矩阵，并求解校正实时波前时自适应变形镜各个子孔径需要的变形量，向各个子孔径控制单元发送位置指令，通过比较位置指令与电涡流位置测量值的差值，发送给控制器，通过控制器算法处理后驱动电机校正面型，由于镜面刚度很低，存在大量控制模态，又加入一个速度前馈单元来提供阻尼，避免振荡，系统流程图如下：在控制器设计中可以利用PID控制来有效地消除稳态误差，并加入前馈控制可有效地提高响应速度，减少跟踪误差；而如果在系统中加入模糊控制方法将能够在没有精确控制模型，且有复杂变化及外界干扰的情况下，获得较高的控制精度。相比传统的自适应光学系统，这种形式大口径自适应变形镜，使用望远镜的系统光学元件作为波前校正装置，往往自适应变形镜口径很大，达到将近一米，有的甚至口径数米，这就要求促动器的具有很大的校正行程；但同时校正频率依然本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于电涡流测量的自适应变形镜子孔径控制设备，被控制的超薄镜面与基板分离，永磁体胶结在超薄镜面的背面，该永磁体使用音圈电机驱动，其特征在于，驱动该音圈电机的传感器采用电涡流微位移传感器。

【技术特征摘要】
2018.07.12 CN 20181076162431.一种基于电涡流测量的自适应变形镜子孔径控制设备，被控制的超薄镜面与基板分离，永磁体胶结在超薄镜面的背面，该永磁体使用音圈电机驱动，其特征在于，驱动该音圈电机的传感器采用电涡流微位移传感器。2.根据权利要求1所述的基于电涡流测量的自适应变形镜子孔径控制设备，其特征在于，所述电涡流微位移传感器的结构是：在永磁体背面胶结一片目标导体；铜线圈固定在所述基板上的圆孔中，该铜线圈的顶面与基板上表面平齐，线圈中孔内安装电涡流传感器的探测线圈，传感器探测线圈和电机驱动线圈都固定安装在基板孔内部的金属支撑结构上。3.根据权利要求2所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：左恒，郭世成，李国平，
申请(专利权)人：中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32