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高精度光电轴角编码器空间适应性研究与设计

张帆  
【摘要】: 随着现代光蚀刻技术的进步,采用金属基制作光电编码盘工艺不断成熟。金属光电编码盘具有抗振性强、温度适应性好的优点。本文分析了国内外光电轴角编码器的发展现状,结合金属光栅盘的独特优势,选定了金属反射式光栅盘作为空间用光电编码器的核心部件。设计出一套结构简洁、可靠性高、实用性强、具备空间适应能力的高精度绝对式光电编码器实验系统,对开展空间高精度轴角测量具有重要的参考价值。 本文主要研究工作如下: (1)研究分析了基于反射式双光栅莫尔干涉条纹的测角基理,确定了空间应用光电轴角编码器系统设计的基本结构。 (2)设计完成了空间温度大交变环境能够保持高回转精度的机械轴系,为进行高质量的光电信号采集提供了保障。 (3)将矩阵式编码应用于金属反射式光栅盘,大大缩小了光栅编码盘的制作尺寸,以满足空间应用的小型化、抗振、抗冲击性等方面的要求;并结合前人优化光栅光电信号的研究成果,如狭缝多线平均、狭缝裂相刻划、精码差分处理、多读数头对径相加平均等技术措施,完成了金属盘光电读数系统的设计,提取高质量的光栅光电信号。结合并改进了前人的莫尔条纹信号数字测角细分技术,实现了高分辨率的轴角测量。 (4)运用固体物理学的基本理论,分析了空间温度环境和空间辐射环境对测角平台光电传感系统的影响,以及造成光电器件老化的机理;采用了自适应码盘信号处理技术,一定程度上避免了因温度交变而造成的输出误码、跳码问题,延长了光电编码器的空间使用寿命。 (5)分析了光电编码器测角平台的误差来源,完成了温度交变条件下编码器21位编码稳定连续地输出,并对编码器进行了精度标定,修正了系统误差。 本文的创新之处在于:首次将小型化码道设计应用于金属码盘,为空间高精度轴角测量提供可靠保障,并针对空间温度及辐射问题提出了系统的解决方案,经测试该编码器测角指标:分辨率为0.618″;精度≤±3″;适应温度:-40℃~80℃;空间辐射度至少200Gry条件下仍能正常工作。


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