Устройство управления двухкоординатным пьезокерамическим оптическим дефлектором Российский патент 2019 года по МПК G02B26/08 G05B11/58 

Изобретение относится к оптике, в частности к устройствам для управления направлением отклонения оптических лучей, и может быть использовано для коррекции углов наклона волнового фронта в адаптивных оптических системах в астрономии, системах видения в турбулентной атмосфере, управлении лазерным лучом в сканирующих системах.

Известен пьезокерамический двухкоординатный однозеркальный оптический дефлектор [Патент РФ №2606520], который содержит корпус, зеркало в оправе, два подвеса, среднее основание, исполнительный привод, толкатели и систему управления. Система управления выполнена в виде отдельного блока, содержащего плату управления, плату сопряжения с модулем питания и плату интерфейса.

Недостатком аналога является сложность конструкции двухуровневого привода, возникновение сложных колебаний зеркал на частоте их механических резонансов при ступенчатом сигнале управления, например от цифроаналоговых преобразователей платы интерфейса, недостаточное быстродействие.

В качестве прототипа выбран пьезокерамический привод, описанный в статье [Пьезокерамический привод для двух координатного управления угловым положением зеркала. Л.В. Антошкин, Н.Н. Ботыгина, О.Н. Емалеев, П.А. Коняев, В.П. Лукин, А.П. Янков, Приборы и техника эксперимента, 2002, №1, с. 144-146], который содержит электронный блок, решающее устройство, усилители и исполнительные устройства на основе пьезопакетов, с закрепленным на них зеркалом и установленных на основании в вершинах равностороннего треугольника.

Недостатком прототипа является искаженная реакция зеркала на ступенчатые сигналы управления, в том числе и сигналы ступенчатого характера от цифроаналоговых преобразователей, вызывающие колебания зеркала на частоте его механического резонанса, что снижает точность позиционной характеристики и снижает быстродействие устройства.

Задачей изобретения является создание устройства управления двухкоординатным пьезоэлектрическим оптическим дефлектором с минимальным временем установления зеркала, с отсутствием колебаний зеркала при ступенчатом сигнале управления, увеличение частоты поворота зеркала, повышение точности и стабильности отработки управляющих сигналов.

Заявляемое устройство улучшает точность и быстродействие адаптивных оптических систем для коррекции углов наклона волнового фронта в астрономии, системах видения в турбулентной атмосфере, управлении лазерным лучом в сканирующих системах.

Поставленная задача заявляемого изобретения достигается тем, что устройство управления двухкоординатным пьезокерамическим оптическим дефлектором, содержит решающее устройство и три высоковольтных усилителя, а также исполнительные устройства, созданных на основе пьезопакетов из керамики, имеется контроллер, двухканальный цифроаналоговый преобразователь, двуканальный электронный демпфер, установленный между выходами X, У цифроаналогового преобразователя и входами X, У решающего устройства, выходные напряжения с которого через три усилителя управляют пьезокерамическими толкателями в соответствии с блок схемой устройства управления двухкоординатным пьезокерамическим оптическим дефлектором.

Преимущества предложенного устройства заключаются в том, что повышается быстродействие поворота зеркала по двум координатам за счет сокращения времени установки зеркала и точность позиционной характеристики дефлектора, уменьшаются искажения, вносимые зеркалом в процессе работы в адаптивных оптических системах, отсутствие колебаний зеркала при ступенчатом сигнале управления, за счет предотвращения возможности возникновения колебаний зеркала на частоте его механического резонанса.

Новым для устройства является наличие двухканального блока электронного демпфирования (демпфер), предназначенного для предотвращения возникновения колебаний зеркала дефлектора при ступенчатом изменении входных управляющих сигналов с ЦАПа

Сущность изобретения состоит в следующем.

Управляющие дефлектором сигналы, после формирования цифроаналоговым преобразователем поз. 2 (фиг. 1, блок схема устройства управления пьезокерамическим приводом с электронным демпфером), в аналоговом виде имеют ступенчатую форму с крутыми фронтами с широким частотным спектром. При каждом ступенчатом изменении управляющего напряжения на выходах усилителей происходит линейная деформация пьезокерамических актюаторов, что вызывает повороты зеркала, установленного на них. Зеркало дефлектора устанавливается в заданное положение, но в переходный момент начинает колебаться с частотой своего механического резонанса с убывающей амплитудой, пропорциональной величине изменения входного управляющего сигнала. Время успокоения и амплитуда возникающих колебаний зеркала зависит от механических характеристик дефлектора на пьезокерамических актюаторах.

Для обеспечения поставленной задачи в устройство управления включен двухканальный блок электронного демпфирования (демпфер) фиг. 1, поз. 3, предназначенный для предотвращения возникновения колебаний зеркала дефлектора при ступенчатом изменении входных управляющих сигналов с ЦАПа

Каждый канал электронного демпфера (фиг. 2, блок схема одного канала электронного демпфера) состоит из интегратора 11, последовательно соединенного с ним дифференциатора 12 и сумматора 13, суммирующего с инверсией выходные сигналы с дифференциатора и фильтра низкой частоты 14.

Устройство (фиг. 1) состоит из контроллера 1, двухканального цифроаналогового преобразователя 2, двуканального электронного демпфера 3, установленного между выходами X, У цифроаналогового преобразователя и входами X, У решающего устройства 4, выходные напряжения с которого через три усилителя 5, 6, 7 управляют пьезокерамическими толкателями 8, 9, 10 в соответствии с блок схемой устройства управления двухкоординатным пьезокерамическим оптическим дефлектором.

Устройство работает следующим образом:

По любому фронту ступенчатого изменения сигналов управления с ЦАПа демпфер формирует одиночный импульс в виде полупериода синусоиды на частоте механического резонанса зеркала, по амплитуде пропорциональный величине изменения управляющего напряжения и противофазный по направлению и суммирует его с управляющим сигналом ЦАПа (фиг. 3).

Работа блока электронного демпфера отражена на временной диаграмме напряжений фиг. 3.

15 - ступенчатый аналоговый сигнал с цифроаналогового преобразователя на входе демпфера;

16 - выход интегратора;

17 - выход дифференциатора;

18 - выход фильтра низкой частоты;

19 - выход демпфера;

20 - угол поворота зеркала дефлектора;

21 - угол поворота зеркала дефлектора без демпфирования.

Скорректированные по форме сигналы управления по двум координатам с демпфера поступают на входы решающего устройства, вычисляющего управляющие напряжения для каждого актюатора, с выходов которого три сигнала управления распределяются на входы соответствующим им выходных усилителей поз. 5, 6, 7, (фиг. 1).

Изобретение относится к оптике, к устройствам для управления направлением отклонения оптических лучей и может быть использовано в астрономии, системах видения в турбулентной атмосфере, в сканирующих системах. Устройство управления двухкоординатным пьезокерамическим оптическим дефлектором состоит из решающего устройства, трех высоковольтных усилителей, а также исполнительных устройств, созданных на основе пьезопакетов. В устройство включен двухканальный электронный демпфер, состоящий из интегратора, последовательно соединенного с ним дифференциатора и сумматора, суммирующего с инверсией выходные сигналы с дифференциатора и фильтра низкой частоты. Двухканальный электронный демпфер установлен между выходами цифроаналогового преобразователя и входами решающего устройства, выходные напряжения с которого через три усилителя управляют пьезокерамическими толкателями. Технический результат заключается в повышении точности и стабильности обработки управляющих сигналов. 3 ил.

Устройство управления двухкоординатным пьезокерамическим оптическим дефлектором, состоящее из решающего устройства, трех высоковольтных усилителей, а также исполнительных устройств, созданных на основе пьезопакетов, отличающееся тем, что в устройство включен двухканальный блок электронного демпфирования, состоящий из интегратора, последовательно соединенного с ним дифференциатора и сумматора, суммирующего с инверсией выходные сигналы с дифференциатора и фильтра низкой частоты, двухканальный электронный демпфер установлен между выходами цифроаналогового преобразователя и входами решающего устройства, выходные напряжения с которого через три усилителя управляют пьезокерамическими толкателями.