一种真空环境下复合材料尺寸变化量测量装置制造方法
【专利摘要】本发明一种真空环境下复合材料尺寸变化量测量装置，包括激光头、真空罐、光学窗口、温控舱、分光镜、第一线性反射镜、第二线性反射镜、被测件；激光头放置于真空罐外，在真空罐的一侧开有光学窗口，控温套、分光镜、第一线性反射镜、第二线性反射镜、被测件均放置于真空罐内；分光镜、第一线性反射镜、第二线性反射镜、被测件均放置在控温套内；分光镜、第一线性反射镜、第二线性反射镜均放置于被测件上；激光头、光学窗口、分光镜、第二线性反射镜同轴放置。本发明能够实现1nm分辨率的长度测量，可以满足目前航天遥感器的高精度装调要求。
【专利说明】
一种真空环境下复合材料尺寸变化量测量装置
【技术领域】
[0001]本发明属于航天光学遥感器【技术领域】，涉及一种真空环境下复合材料尺寸变化量测量装置。
【背景技术】
[0002]材料是制造航天光学遥感器的基础，遥感器的结构与机构采用的复合材料主要由纤维和基体构成。航天光学遥感器在轨运行时的环境与地面装调时有很大差异，对于复合材料而言，由于受到湿气解析的影响，其在轨运行时几何尺寸将发生变化，进而影响光学遥感器的成像质量。因此，模拟在轨环境条件下对复合材料的几何尺寸变化量进行测量具有十分重要的意义。
[0003]目前，对于复合材料在真空环境下的尺寸变化量测试多采用接触法，由于接触法中不可避免的接触误差、摩擦等使得该方法不适用于测量变形量小的复合材料。国外已经出现了采用非接触法对一种利用复合材料制成的光学平台进行真空环境下的尺寸变化测试，并达到了预期结果。对于高精度的装调和测试来说，国内的接触测量法已然不能满足目前的使用要求，本文提出的一种真空环境下复合材料尺寸变化量测量方法能够有效解决这个问题。
【发明内容】
[0004]本发明解决的技术问题是:克服现有技术的不足，提供一种真空环境下复合材料尺寸变化量测量装置，实现了在实验室模拟在轨环境条件下复合材料几何尺寸稳定性测量。
[0005]本发明的技术方案是:一种真空环境下复合材料尺寸变化量测量装置，包括激光头、真空罐、光学窗口、温控舱、分光镜、第一线性反射镜、第二线性反射镜、被测件；激光头放置于真空罐外，在真空罐的一侧开有光学窗口，控温套、分光镜、第一线性反射镜、第二线性反射镜、被测件均放置于真空罐内；分光镜、第一线性反射镜、第二线性反射镜、被测件均放置在控温套内；分光镜、第一线性反射镜、第二线性反射镜均放置于被测件上；激光头、光学窗口、分光镜、第二线性反射镜同轴放置；
[0006]激光头出射的光束通过光学窗口再经过分光镜后分为两束，即反射的参考光束和透射的测量光束，反射的参考光束经第一线性反射镜反射后回到分光镜，透射的测量光束经过第二线性反射镜反射后返回分光镜，两束光在嵌于激光头内的探测器中形成干涉光束；通过干涉条纹的变化获得被测件的尺寸变化量。
[0007]所述激光头为雷尼绍XL-80激光干涉仪。
[0008]所述光学窗口玻璃为平面，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]本发明与现有技术相比的优点在于:
[0010]1、本发明使用激光干涉测长原理，属于非接触式测量方法，能够实现对复合材料模拟在轨环境下几何尺寸变形量的测量，本发明所使用的激光干涉仪有很高的测试精度，能够实现Inm分辨率的长度测量，可以满足目前航天遥感器的高精度装调要求。
[0011]2、线性尺寸变化量的测量精度取决于已知的激光波长的精度，周围的环境参数特别是温度、气压和相对湿度会影响激光束在空气中的波长。本发明通过实时监测被测光路温度和压强的变化，能够实时修正抽真空过程中压强急剧变化对测量结果的影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本发明装置结构示意图俯视图。
【具体实施方式】
[0013]利用激光干涉原理进行线性测量的方法如图1所示。
[0014]整个测量装置放置在隔振地基上。选用雷尼绍XL-80激光干涉仪，被测件8为复合材料，选用碳纤维蒙皮/铝蜂窝夹层结构。激光干涉仪的激光头I放置在真空罐2外，被测件8放置在真空罐2内的一个相对密封的温控舱4内，温控舱4的内壁粘贴加热片，采用分段加热方式来保证相机温度，温控舱4的控温精度为0.5°C。第一线性反射镜6、第二线性反射镜7分别固定在被测件8上。测试时，激光头I出射的光束通过光学窗口 3再经过分光镜5后分为两束:参考光束和测量光束，参考光束经第一线性反射镜6反射后重新回到分光镜5，而测量光束则经过第二线性反射镜7反射后返回分光镜5，两束光叠加并发生干涉，最后重新回到激光干涉仪中。
[0015]当被测复合材料几何尺寸发生变化，则对应的测量光路长度将会发生改变，干涉光束的相对相位也会随之变化，由此产生的相长干涉和相消干涉循环导致叠加光束强度的周期变化。两束光在嵌于激光头I内的探测器中形成干涉光束，测量光路每移动半个波长，光束就会出现一个光强变化的循环。通过计算这些光强变化的循环次数可测量第二线性反射镜7相对于分光镜5的位移量，进而得到被测复合材料几何尺寸的变化量。该方法最终可实现Inm分辨率的长度测量。
[0016]与在大气条件下不同的是，分光镜5、第一线性反射镜6、第二线性反射镜7及其测量光路均位于真空环境下，而且测量光路需要经过真空罐2上的光学窗口 3。
[0017]由于激光干涉测量原理反映的是半个波长整数倍的变化，因此，要求光学窗口 3玻璃为平面，其面形精度的均方根不小于λ/6，峰谷值不小于λ/2。为提高测量精度，其中测量光斑所在的小区域内(直径约为5mm)，面形精度的峰谷值最好大于λ/6，其中λ =632.8nm。
[0018]第二线性反射镜7相对于分光镜5的位移量AL = λ/2X Am，其中λ为激光光束波长，Am为条纹干涉级的变化。在真空罐抽真空过程中，由于压强、温度等的变化将会影响
I C V1 /7,
激光光束的波长λ，导致测量光线光程发生变化，从而影响测量结果。由于A=:，
其中λ为波长，C为光在真空中的速度，V是光波的频率，ηι、η2为不同介质的绝对折射率，V1^v2是对应折射率下的光波的频率。由埃德伦公式可得实验室空气折射率随压强、温度和湿度的变化公式为 Δη = (0.28776 Λ ρ-0.2674 At-0.0036 Af) X 10'其中 Λρ、At、Af分别是压强变化量、温度变化量和湿度变化量。试验过程中，被测件8以及测量光路均放置在温控舱4中，温度变化对折射率的影响可以忽略。由于湿度变化的系数非常小，空气湿度变化对折射率的影响也可以忽略不计。压强的变化可以实时采集和记录，通过后期数据处理可以对被测量实时修正。
[0019]本发明可以实现模拟在轨环境条件下复合材料几何尺寸稳定性测量，不但可应用于航天遥感器的测量，也可以广泛应用于其他领域的尺寸稳定性测量。
[0020]本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
【权利要求】
1.一种真空环境下复合材料尺寸变化量测量装置，其特征在于:包括激光头(I)、真空罐(2)、光学窗口(3)、温控舱(4)、分光镜(5)、第一线性反射镜(6)、第二线性反射镜(7)、被测件(8);激光头(I)放置于真空罐(2)外，在真空罐(2)的一侧开有光学窗口(3)，控温套(4)、分光镜(5)、第一线性反射镜(6)、第二线性反射镜(7)、被测件(8)均放置于真空罐(2)内；分光镜(5)、第一线性反射镜(6)、第二线性反射镜(7)、被测件(8)均放置在控温套(4)内；分光镜(5)、第一线性反射镜(6)、第二线性反射镜(7)均放置于被测件(8)上；激光头(I)、光学窗口(3)、分光镜(5)、第二线性反射镜(7)同轴放置； 激光头(I)出射的光束通过光学窗口(3)再经过分光镜(5)后分为两束，即反射的参考光束和透射的测量光束，反射的参考光束经第一线性反射镜(6)反射后回到分光镜(2)，透射的测量光束经过第二线性反射镜(7)反射后返回分光镜(2)，两束光在嵌于激光头(I)内的探测器中形成干涉光束；通过干涉条纹的变化获得被测件(8)的尺寸变化量。
2.根据权利要求1所述的一种真空环境下复合材料尺寸变化量测量装置，其特征在于:所述激光头(I)为雷尼绍XL-80激光干涉仪。
3.根据权利要求2所述的一种真空环境下复合材料尺寸变化量测量装置，其特征在于:所述光学窗口(3)玻璃为平面，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。
【文档编号】G01B11/00GK104132611SQ201410229159
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年5月27日 优先权日:2014年5月27日
【发明者】岳丽清, 张继友, 王向东 申请人:北京空间机电研究所