eng
Выпуск #8/2023
П. С. Завьялов, Е. В. Власов, А. В. Белобородов, М. С. Кравченко, А. А. Гущина, Д. В. Скоков
Бесконтактная система измерения геометрических параметров решеток ионных двигателей
Бесконтактная система измерения геометрических параметров решеток ионных двигателей
Просмотры: 560
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2023.17.8.622.631
Обозначена проблема измерения важнейшего параметра, характеризующего работу ионного двигателя, зазора между экраном, ускоряющей и замедляющей сетками блока ионной оптики. Предложена измерительная система, реализующая теневой метод в параллельных лучах и позволяющая проводить измерения в вакуумной камере. Для снижения жестких требований к точности позиционирования объекта при измерениях значения параметра в системе используется телецентрический объектив. Система успешно прошла испытания, результаты измерений представлены в работе.
Обозначена проблема измерения важнейшего параметра, характеризующего работу ионного двигателя, зазора между экраном, ускоряющей и замедляющей сетками блока ионной оптики. Предложена измерительная система, реализующая теневой метод в параллельных лучах и позволяющая проводить измерения в вакуумной камере. Для снижения жестких требований к точности позиционирования объекта при измерениях значения параметра в системе используется телецентрический объектив. Система успешно прошла испытания, результаты измерений представлены в работе.
Теги: ion optics. ion thruster grids measurement of geometric parameters shadow method бесконтактные измерения измерение геометрических параметров ионная оптика. non-contact measurements решетки ионного двигателя теневой метод
Бесконтактная система измерения геометрических параметров решеток ионных двигателей
П. С. Завьялов, Е. В. Власов, А. В. Белобородов, М. С. Кравченко, А. А. Гущина, Д. В. Скоков
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, г. Новосибирск, Россия
Обозначена проблема измерения важнейшего параметра, характеризующего работу ионного двигателя, зазора между экраном, ускоряющей и замедляющей сетками блока ионной оптики. Предложена измерительная система, реализующая теневой метод в параллельных лучах и позволяющая проводить измерения в вакуумной камере. Для снижения жестких требований к точности позиционирования объекта при измерениях значения параметра в системе используется телецентрический объектив. Система успешно прошла испытания, результаты измерений представлены в работе.
Ключевые слова: бесконтактные измерения, теневой метод, измерение геометрических параметров, решетки ионного двигателя, ионная оптика.
Статья получена: 29.09.2023
Статья принята: 24.11.2023
ВВЕДЕНИЕ
Важнейшими параметрами ионного двигателя, влияющими на его работоспособность и срок службы, являются зазоры между экраном, ускоряющей и замедляющей решетками блока ионной оптики. В процессе работы ионного двигателя зазоры изменяются за счет теплового расширения решеток, и возникает риск пробоя зазоров (или даже замыкания решеток), особенно в режимах высокого дифференциального нагрева, например, при запуске двигателя. Поэтому для правильной оценки рабочих параметров и срока службы двигателя, а также в процессе исследования новых материалов для изготовления решеток, необходимо динамическое измерение указанных зазоров непосредственно в работающем двигателе.
Задача измерения расстояния между решетками уже решалась ранее. Так, в работе [1] предложено проводить измерение визуально путем наблюдения отметок (маркеров) на отградуированных металлических штырьках, закрепленных на экранной решетке и проходящих сквозь отверстия ускоряющей решетки. Однако штырьки были металлическими, т. е. находились под тем же напряжением, что и решетка, и потому генерация пучка двигателем с установленными штырьками была невозможна. В работе [2] также использовались металлические штырьки, а измерительный прибор располагался на выходе ионной оптики.
В работе [3] измерительный прибор был расположен под углом относительно нормали к решетке двигателя. Измерение выполнялось с помощью двух длиннофокусных микроскопов, рассматривающих отверстия в противоположных сторонах решеток. Однако для учета радиального движения требовалось проводить два измерения, что значительно усложняло метод. Вдобавок при смещении микроскопа относительно нормали снижается разрешение, а поскольку отверстия в ускорительной решетке значительно меньше отверстий в экранной решетке, и зазор между решетками мал, разрешение оказывается достаточным только в случае размещения измерительного микроскопа в шлейфе генерируемого потока ионов.
В публикации [4] авторами описывается простая методика динамического измерения зазора между горячими решетками ионного двигателя, работающего с генерацией потока ионов. Зазор между решетками измерялся в центре узла ионной оптики с помощью длиннофокусного микроскопа. Микроскоп был сфокусирован на штифте из оксида алюминия, который был механически прикреплен к экранной решетке и выступал через центральное отверстие ускорительной решетки. Этими же авторами позднее опубликована работа [5]. Изменилось освещение объекта: добавился светодиод на объективе микроскопа. Улучшена конструкция крепления штырька: вместо 8 отверстий ускорительной решетки приспособление перекрывает только 4. В работах [6, 7] используется тот же метод видеометрии с помощью длиннофокусного микроскопа. Однако в данном случае авторы расположили камеру в стороне от работающего двигателя. Конструкция штырьков выполнена таким образом, что он занимает одно отверстие решетки. Авторы располагают штырьки в каждой из исследуемых решеток, тем самым одновременно получая информацию о положении всех трех решеток.
В данной работе предложено использовать теневой метод контроля, что отличает предлагаемую систему от подавляющего большинства иных систем измерения зазора между решетками ионного двигателя, основанных на регистрации отраженного от объекта измерения света. Предполагается, что это позволит достичь более высокой точности за счет того факта, что расстояние, на котором может находиться измеряемый объект, слабо влияет на точность измерений. Кроме того, появится возможность вывести элементы измерительной системы из ионного пучка, обеспечив для нее приемлемые условия работы. Разместив измерительную систему в герметичном боксе, можно обеспечить проведение измерений прямо в процессе работы ионного двигателя внутри термовакуумной камеры.
Схема измерения
Предлагаемая авторами схема измерения на основе теневого метода в параллельных лучах [8], приведена на рис. 1. Для регистрации положения решеток на них размещаются пины (штырьки) 1 из алюмооксидной керамики, выступающие над поверхностью решетки или решеток, в случае если используется не одна решетка, а несколько. Расстояние между решетками определяется косвенным способом – путем определения положения этих пинов. Алюмооксидная керамика является диэлектриком и выдерживает температуру работы ионного двигателя (1 000 °C), имея при этом минимальный коэффициент температурного расширения, что позволит проводить измерения положения решеток при работающем двигателе.
Измерительная система (далее СБИГП – Система бесконтактного измерения геометрических параметров) содержит два блока: осветитель и регистратор. Пины освещаются импульсным светодиодом 2, а изображение их теневых проекций, сформированное телецентрическим объективом 3, регистрируется цифровой камерой 4. При этом импульс света от светодиода синхронизирован с затвором камеры.
В качестве источника света в осветителе используется красный светодиод, а в приемной части присутствует согласованный с ним полосовой фильтр 5 (λ = 650 ± 20 нм). Ar или Xe плазма реактивной струи не содержит линий поглощения красного света, а ее собственное излучение лежит в основном в синей части спектра и подавляется фильтром, что позволяет избавиться от возможных помех при измерениях.
Двухкоординатная подвижка с шаговым приводом 6 используется для компенсации температурных уводов основания и осуществляет подстройку положения светодиода так, чтобы достигался максимум освещенности на цифровой камере.
Расчет телецентрического объектива и его калибровка
Для вынесения СБИГП из пламени работающего ионного двигателя необходимо выполнять расчет телецентрического объектива с увеличенным передним рабочим отрезком. Выбор объектива такого типа позволяет снизить требования к точности позиционирования объекта измерения [9]. Расчет телецентрического объектива проводился в программном пакете Zemax путем оптимизации характеристик первоначальной оптической схемы для достижения требуемого качества изображения, обеспечивающего необходимую точность измерений. При заданной погрешности измерений 50 мкм необходимо, чтобы телецентричность хода лучей была не хуже 0,05%, а дисторсия изображения не более 0,5%. На рис. 2 представлена оптическая схема рассчитанного объектива с ходом лучей и его аберрационные характеристики. Оптические характеристики рассчитанного объектива приведены в таблице.
Из анализа представленных данных видно, что объектив имеет увеличенный передний рабочий отрезок, что позволит располагать его на необходимом расстоянии от объекта. Поле зрения составляет 40 мм, глубина резкости достигает 100 мм. Диапазон длин волн смещен в красную область спектра. Объектив имеет малую остаточную нетелецентричность (0,047°) и малую дисторсию (менее 0,2%), что обеспечит необходимую точность измерений.
Остаточные аберрации и погрешности, возникшие на этапе сборки, могут быть скомпенсированы в процессе программной калибровки СБИГП по фотошаблону. На фотошаблон методом лазерной фотолитографии нанесен рисунок в виде отверстий в узлах квадратной сетки (рис. 3а) круговой лазерной записывающей системой CLWS‑300C/M [10], погрешность нанесения рисунка около 30 нм.
При калибровке по фотошаблону на его изображении по центрам масс определяются центры кружков, каждому из которых сопоставляется точка на идеальной плоскости. Весь набор центров разбивается на треугольники с помощью триангуляции Делоне: каждому треугольнику на изображении ставится в соответствие идеальный треугольник известной формы и размера. Для коррекции положения любой точки изображения достаточно найти содержащий эту точку треугольник и, выполнив конформное преобразование, перевести ее координаты из пикселов в миллиметры.
Другой возможный способ калибровки – это калибровка по теневому изображению цилиндрического образца известного диаметра (рис. 3b). В этом случае на изображении с субпикселной точностью определяются границы тени, после чего вычисляется значение разрешения, которое в данной системе составило около 22 мкм/пиксел.
СБИГП и ее испытания
3D-модель созданной системы представлена на рис. 4, а ее фотография – на рис. 5. Система состоит из осветителя 1 и регистратора 2. Они устанавливаются на раму 3, а между ними размещается сборка решеток ионного двигателя 4. На каждую из трех решеток сборки устанавливаются пины 5. Всего на сборке предусмотрено пять мест установки групп из 3 пинов, общее число пинов – до 15.
Внутри герметичных кожухов, способных работать при внешнем вакууме 10–4 Па и в диапазоне внешней температуры от –70 °C до +120 °C, с помощью теплового экрана и системы кондиционирования (радиаторов с водяным подогревом/охлаждением и вентилятора) создаются нормальные условия, необходимые для работы оптико-электронных блоков. Трубки для подачи теплоносителя системы кондиционирования и кабели связи аппаратуры с управляющим компьютером проложены в вакуумно-плотной трубке, выходящей за пределы термовакуумной камеры по трубе 7.
Для защиты оптических иллюминаторов осветителя и регистратора от оседания продуктов работы ионного двигателя перед ними устанавливаются защитные плоскопараллельные стеклянные пластины 6, которые могут быть легко демонтированы для очистки и установлены назад без использования уплотнений.
Осветитель формирует параллельный пучок для освещения одной из пяти групп пинов. Регистратор с помощью телецентрического объектива 8 фиксирует получающуюся теневую картину пинов на цифровой матрице 9 с разрешением 2 048 × 2 048 пикселов (рис. 6).
Осветитель и регистратор синхронно перемещаются с помощью шаговых приводов 10 (рис. 5) между позициями измерения, регистрируя все изображения в течение 1 минуты.
Для СБИГП разработано специальное программное обеспечение, в котором выполняются калибровка, измерения, просмотр предыдущих измерений. Реализована возможность установки в поле зрения телецентрического объектива дополнительной метки, связанной с объектом измерения. Это позволяет привязать полученные данные к системе координат самого объекта измерений.
Обработка теневого изображения может проводиться в двух режимах: режиме измерения изменения расстояния между решетками (фактически изменения расстояния вдоль выделенного радиального направления между вершинами пинов) и измерения расстояния от пина, расположенного на исследуемой решетке, до аналогичного базового пина, расположенного на неподвижной опоре.
Решетки имеют сферическую форму, и считается, что они деформируются по радиусу. Измерительный пин располагается вдоль радиуса решетки (по нормали к ее поверхности) в заранее известной точке, так что на изображении он виден под заранее известным углом. Проводится сечение изображения набором лучей, параллельных радиусу (по рис. 6 справа налево), с шагом в 1 пиксел на сечениях с субпикселной точностью опознаются точки пересечения лучей с тенью пинов: найденные точки составляют измеренный профиль пинов. Затем по профилю проводится опознавание положения осей отдельных пинов, и измеряется положение референтной точки на каждом пине. Далее вычисляются либо искомые разности видимых высот пинов, либо расстояние между референтными точками измерительного и базового пинов.
Определение референтной точки может представлять трудности, если поверхность пина не имеет характерных признаков. Так, на рис. 6 неясно, какую точку плоской вершины пина принять за референтную. Видно, что форма пина существенно влияет на точность измерения. Поэтому форма пина должна быть специально подобрана, а качество поверхности самих пинов должны быть высоким, что непросто соблюдать с учетом свойств их материала изготовления (керамики). В данной системе, кроме пинов с плоской вершиной, показанных на рисунке, опробовались пины, выполненные со сферической вершиной. Они и были приняты в качестве основных. Референтной точкой в этом случае служила точка максимального возвышения профиля, причем профиль аппроксимировался в окрестности референтной точки дугой окружности по методу наименьших квадратов.
В рамках успешных испытаний СБИГП в нормальных климатических условиях получены следующие результаты:
Заключение
Разработанная нами система позволяет выполнять контроль расстояния между решетками ионного двигателя. Используемый в СБИГП теневой метод контроля, применяемый для данной задачи впервые, позволяет в режиме реального времени выполнять контроль зазоров без влияния на работу объекта измерений. Полученная погрешность 7 мкм показывает, что созданная система может быть использована в различных областях, где требуется бесконтактный контроль деформации ответственных объектов, например, в космической и авиационной промышленности. Это дает возможность повысить надежность и долговечность создаваемых двигателей, улучшить качество их работы. Наша разработка имеет потенциал для дальнейшего усовершенствования и расширения областей применения, для достижения более высоких результатов в области контроля деформации решеток ионных двигателей.
REFERENCES
Ramsey W. D. 12‑cm Multi-cusp Ion Thruster Inert Gas Performance. NASA Contractor Report CR‑168208. Loral EOS Document 84-07-29. July 1984.
MacRae G.S., Zavesky R. J., Gooder S. T. Structural and Thermal Response of 30 cm Diameter Ion Thruster optics. AIAA Paper. 89–2719 July 1989.
Pollard J. E., Welle R. P. Thrust Vector Measurements with the T5 Ion Engine. AIAA Paper. 95–2829, July 1995.
Soulas G. C., Frandina M. M. Ion Engine Grid Gap Measurements. 40th Joint Propulsion Conference and Exhibit cosponsored by the AIAA, ASME, SAE, and ASEE Fort Lauderdale. Florida. July 11–14, 2004.
Soulas G. C., Diaz E. M. Grid Gap Measurement for an NSTAR Ion Thruste. 29th International Electric Propulsion Conference. Princeton University. October 31 – November 4, 2005
Yuan J., Dai P., Liang D., Zhou S., Xiao S., Liang X. Grid deformation real-time measurement system of ion thruster based on videometrics. Appl. Sci. 2019; 9: 1759. doi:10.3390/app9091759
Sun M., Long J., Geng H., Chen X. Thermal deformation analysis and measurement of the triple grid for a 30cm diameter ion thruster. PREPRINT (Version 1) available at Research Square. – 03 October 2022. https://doi.org/10.21203/rs.3.rs‑2106649/v1
Zav’yalov P.S., Vlasov E. V., Gushchina A. A., Sokolov E. V., Sartakov V. YU. Optiko-elektronnaya sistema beskontaktnogo kontrolya geometricheskih parametrov bronebojnyh serdechnikov i pul’. Datchiki i sistemy. 2018; 10(229): 34–39.
Завьялов П. С., Власов Е. В., Гущина А. А., Соколов Е. В., Сартаков В. Ю. Оптико-электронная система бесконтактного контроля геометрических параметров бронебойных сердечников и пуль. Датчики и системы. 2018; 10(229): 34–39.
Zhimuleva, E.S., Zavyalov P. S., Kravchenko M. S. Development of Telecentric Objectives for Dimensional Inspection Systems. Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. 2018; 54(1): 52–60. DOI 10.3103/S8756699018010090.
Gurenko V. M., Kastorsky L. B., Kiryanov V. P., Kiryanov A. V., Kokarev S. A., Vedernikov V. M., Verkhogliad A. G. Laser writing system CLWS‑300/C-M for the microstructures synthesis on the axisymmetric 3-D surfaces // Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering: Seventh International Symposium on Laser Metrology Applied to Science, Industry, and Everyday Life, 09–13.09.2002. SPIE, SPIE Russia Chapter, OSA, ISTC, MIST; editors: Y. V. Chugui, S. N. Bagayev, A. Weckenmann, P. H. Osanna. Novosibirsk.2002; 4900:320–325. DOI 10.1117/12.484573.
П. С. Завьялов, Е. В. Власов, А. В. Белобородов, М. С. Кравченко, А. А. Гущина, Д. В. Скоков
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, г. Новосибирск, Россия
Обозначена проблема измерения важнейшего параметра, характеризующего работу ионного двигателя, зазора между экраном, ускоряющей и замедляющей сетками блока ионной оптики. Предложена измерительная система, реализующая теневой метод в параллельных лучах и позволяющая проводить измерения в вакуумной камере. Для снижения жестких требований к точности позиционирования объекта при измерениях значения параметра в системе используется телецентрический объектив. Система успешно прошла испытания, результаты измерений представлены в работе.
Ключевые слова: бесконтактные измерения, теневой метод, измерение геометрических параметров, решетки ионного двигателя, ионная оптика.
Статья получена: 29.09.2023
Статья принята: 24.11.2023
ВВЕДЕНИЕ
Важнейшими параметрами ионного двигателя, влияющими на его работоспособность и срок службы, являются зазоры между экраном, ускоряющей и замедляющей решетками блока ионной оптики. В процессе работы ионного двигателя зазоры изменяются за счет теплового расширения решеток, и возникает риск пробоя зазоров (или даже замыкания решеток), особенно в режимах высокого дифференциального нагрева, например, при запуске двигателя. Поэтому для правильной оценки рабочих параметров и срока службы двигателя, а также в процессе исследования новых материалов для изготовления решеток, необходимо динамическое измерение указанных зазоров непосредственно в работающем двигателе.
Задача измерения расстояния между решетками уже решалась ранее. Так, в работе [1] предложено проводить измерение визуально путем наблюдения отметок (маркеров) на отградуированных металлических штырьках, закрепленных на экранной решетке и проходящих сквозь отверстия ускоряющей решетки. Однако штырьки были металлическими, т. е. находились под тем же напряжением, что и решетка, и потому генерация пучка двигателем с установленными штырьками была невозможна. В работе [2] также использовались металлические штырьки, а измерительный прибор располагался на выходе ионной оптики.
В работе [3] измерительный прибор был расположен под углом относительно нормали к решетке двигателя. Измерение выполнялось с помощью двух длиннофокусных микроскопов, рассматривающих отверстия в противоположных сторонах решеток. Однако для учета радиального движения требовалось проводить два измерения, что значительно усложняло метод. Вдобавок при смещении микроскопа относительно нормали снижается разрешение, а поскольку отверстия в ускорительной решетке значительно меньше отверстий в экранной решетке, и зазор между решетками мал, разрешение оказывается достаточным только в случае размещения измерительного микроскопа в шлейфе генерируемого потока ионов.
В публикации [4] авторами описывается простая методика динамического измерения зазора между горячими решетками ионного двигателя, работающего с генерацией потока ионов. Зазор между решетками измерялся в центре узла ионной оптики с помощью длиннофокусного микроскопа. Микроскоп был сфокусирован на штифте из оксида алюминия, который был механически прикреплен к экранной решетке и выступал через центральное отверстие ускорительной решетки. Этими же авторами позднее опубликована работа [5]. Изменилось освещение объекта: добавился светодиод на объективе микроскопа. Улучшена конструкция крепления штырька: вместо 8 отверстий ускорительной решетки приспособление перекрывает только 4. В работах [6, 7] используется тот же метод видеометрии с помощью длиннофокусного микроскопа. Однако в данном случае авторы расположили камеру в стороне от работающего двигателя. Конструкция штырьков выполнена таким образом, что он занимает одно отверстие решетки. Авторы располагают штырьки в каждой из исследуемых решеток, тем самым одновременно получая информацию о положении всех трех решеток.
В данной работе предложено использовать теневой метод контроля, что отличает предлагаемую систему от подавляющего большинства иных систем измерения зазора между решетками ионного двигателя, основанных на регистрации отраженного от объекта измерения света. Предполагается, что это позволит достичь более высокой точности за счет того факта, что расстояние, на котором может находиться измеряемый объект, слабо влияет на точность измерений. Кроме того, появится возможность вывести элементы измерительной системы из ионного пучка, обеспечив для нее приемлемые условия работы. Разместив измерительную систему в герметичном боксе, можно обеспечить проведение измерений прямо в процессе работы ионного двигателя внутри термовакуумной камеры.
Схема измерения
Предлагаемая авторами схема измерения на основе теневого метода в параллельных лучах [8], приведена на рис. 1. Для регистрации положения решеток на них размещаются пины (штырьки) 1 из алюмооксидной керамики, выступающие над поверхностью решетки или решеток, в случае если используется не одна решетка, а несколько. Расстояние между решетками определяется косвенным способом – путем определения положения этих пинов. Алюмооксидная керамика является диэлектриком и выдерживает температуру работы ионного двигателя (1 000 °C), имея при этом минимальный коэффициент температурного расширения, что позволит проводить измерения положения решеток при работающем двигателе.
Измерительная система (далее СБИГП – Система бесконтактного измерения геометрических параметров) содержит два блока: осветитель и регистратор. Пины освещаются импульсным светодиодом 2, а изображение их теневых проекций, сформированное телецентрическим объективом 3, регистрируется цифровой камерой 4. При этом импульс света от светодиода синхронизирован с затвором камеры.
В качестве источника света в осветителе используется красный светодиод, а в приемной части присутствует согласованный с ним полосовой фильтр 5 (λ = 650 ± 20 нм). Ar или Xe плазма реактивной струи не содержит линий поглощения красного света, а ее собственное излучение лежит в основном в синей части спектра и подавляется фильтром, что позволяет избавиться от возможных помех при измерениях.
Двухкоординатная подвижка с шаговым приводом 6 используется для компенсации температурных уводов основания и осуществляет подстройку положения светодиода так, чтобы достигался максимум освещенности на цифровой камере.
Расчет телецентрического объектива и его калибровка
Для вынесения СБИГП из пламени работающего ионного двигателя необходимо выполнять расчет телецентрического объектива с увеличенным передним рабочим отрезком. Выбор объектива такого типа позволяет снизить требования к точности позиционирования объекта измерения [9]. Расчет телецентрического объектива проводился в программном пакете Zemax путем оптимизации характеристик первоначальной оптической схемы для достижения требуемого качества изображения, обеспечивающего необходимую точность измерений. При заданной погрешности измерений 50 мкм необходимо, чтобы телецентричность хода лучей была не хуже 0,05%, а дисторсия изображения не более 0,5%. На рис. 2 представлена оптическая схема рассчитанного объектива с ходом лучей и его аберрационные характеристики. Оптические характеристики рассчитанного объектива приведены в таблице.
Из анализа представленных данных видно, что объектив имеет увеличенный передний рабочий отрезок, что позволит располагать его на необходимом расстоянии от объекта. Поле зрения составляет 40 мм, глубина резкости достигает 100 мм. Диапазон длин волн смещен в красную область спектра. Объектив имеет малую остаточную нетелецентричность (0,047°) и малую дисторсию (менее 0,2%), что обеспечит необходимую точность измерений.
Остаточные аберрации и погрешности, возникшие на этапе сборки, могут быть скомпенсированы в процессе программной калибровки СБИГП по фотошаблону. На фотошаблон методом лазерной фотолитографии нанесен рисунок в виде отверстий в узлах квадратной сетки (рис. 3а) круговой лазерной записывающей системой CLWS‑300C/M [10], погрешность нанесения рисунка около 30 нм.
При калибровке по фотошаблону на его изображении по центрам масс определяются центры кружков, каждому из которых сопоставляется точка на идеальной плоскости. Весь набор центров разбивается на треугольники с помощью триангуляции Делоне: каждому треугольнику на изображении ставится в соответствие идеальный треугольник известной формы и размера. Для коррекции положения любой точки изображения достаточно найти содержащий эту точку треугольник и, выполнив конформное преобразование, перевести ее координаты из пикселов в миллиметры.
Другой возможный способ калибровки – это калибровка по теневому изображению цилиндрического образца известного диаметра (рис. 3b). В этом случае на изображении с субпикселной точностью определяются границы тени, после чего вычисляется значение разрешения, которое в данной системе составило около 22 мкм/пиксел.
СБИГП и ее испытания
3D-модель созданной системы представлена на рис. 4, а ее фотография – на рис. 5. Система состоит из осветителя 1 и регистратора 2. Они устанавливаются на раму 3, а между ними размещается сборка решеток ионного двигателя 4. На каждую из трех решеток сборки устанавливаются пины 5. Всего на сборке предусмотрено пять мест установки групп из 3 пинов, общее число пинов – до 15.
Внутри герметичных кожухов, способных работать при внешнем вакууме 10–4 Па и в диапазоне внешней температуры от –70 °C до +120 °C, с помощью теплового экрана и системы кондиционирования (радиаторов с водяным подогревом/охлаждением и вентилятора) создаются нормальные условия, необходимые для работы оптико-электронных блоков. Трубки для подачи теплоносителя системы кондиционирования и кабели связи аппаратуры с управляющим компьютером проложены в вакуумно-плотной трубке, выходящей за пределы термовакуумной камеры по трубе 7.
Для защиты оптических иллюминаторов осветителя и регистратора от оседания продуктов работы ионного двигателя перед ними устанавливаются защитные плоскопараллельные стеклянные пластины 6, которые могут быть легко демонтированы для очистки и установлены назад без использования уплотнений.
Осветитель формирует параллельный пучок для освещения одной из пяти групп пинов. Регистратор с помощью телецентрического объектива 8 фиксирует получающуюся теневую картину пинов на цифровой матрице 9 с разрешением 2 048 × 2 048 пикселов (рис. 6).
Осветитель и регистратор синхронно перемещаются с помощью шаговых приводов 10 (рис. 5) между позициями измерения, регистрируя все изображения в течение 1 минуты.
Для СБИГП разработано специальное программное обеспечение, в котором выполняются калибровка, измерения, просмотр предыдущих измерений. Реализована возможность установки в поле зрения телецентрического объектива дополнительной метки, связанной с объектом измерения. Это позволяет привязать полученные данные к системе координат самого объекта измерений.
Обработка теневого изображения может проводиться в двух режимах: режиме измерения изменения расстояния между решетками (фактически изменения расстояния вдоль выделенного радиального направления между вершинами пинов) и измерения расстояния от пина, расположенного на исследуемой решетке, до аналогичного базового пина, расположенного на неподвижной опоре.
Решетки имеют сферическую форму, и считается, что они деформируются по радиусу. Измерительный пин располагается вдоль радиуса решетки (по нормали к ее поверхности) в заранее известной точке, так что на изображении он виден под заранее известным углом. Проводится сечение изображения набором лучей, параллельных радиусу (по рис. 6 справа налево), с шагом в 1 пиксел на сечениях с субпикселной точностью опознаются точки пересечения лучей с тенью пинов: найденные точки составляют измеренный профиль пинов. Затем по профилю проводится опознавание положения осей отдельных пинов, и измеряется положение референтной точки на каждом пине. Далее вычисляются либо искомые разности видимых высот пинов, либо расстояние между референтными точками измерительного и базового пинов.
Определение референтной точки может представлять трудности, если поверхность пина не имеет характерных признаков. Так, на рис. 6 неясно, какую точку плоской вершины пина принять за референтную. Видно, что форма пина существенно влияет на точность измерения. Поэтому форма пина должна быть специально подобрана, а качество поверхности самих пинов должны быть высоким, что непросто соблюдать с учетом свойств их материала изготовления (керамики). В данной системе, кроме пинов с плоской вершиной, показанных на рисунке, опробовались пины, выполненные со сферической вершиной. Они и были приняты в качестве основных. Референтной точкой в этом случае служила точка максимального возвышения профиля, причем профиль аппроксимировался в окрестности референтной точки дугой окружности по методу наименьших квадратов.
В рамках успешных испытаний СБИГП в нормальных климатических условиях получены следующие результаты:
- СБИГП непрерывно без сбоев проработала более 30 часов;
- время измерения в одной измерительной позиции составило менее 0,1 с;
- время измерения во всех измерительных позициях составило менее 60 с;
- повторяемость измерений составила 2 мкм;
- погрешность измерений составила менее 7 мкм.
Заключение
Разработанная нами система позволяет выполнять контроль расстояния между решетками ионного двигателя. Используемый в СБИГП теневой метод контроля, применяемый для данной задачи впервые, позволяет в режиме реального времени выполнять контроль зазоров без влияния на работу объекта измерений. Полученная погрешность 7 мкм показывает, что созданная система может быть использована в различных областях, где требуется бесконтактный контроль деформации ответственных объектов, например, в космической и авиационной промышленности. Это дает возможность повысить надежность и долговечность создаваемых двигателей, улучшить качество их работы. Наша разработка имеет потенциал для дальнейшего усовершенствования и расширения областей применения, для достижения более высоких результатов в области контроля деформации решеток ионных двигателей.
REFERENCES
Ramsey W. D. 12‑cm Multi-cusp Ion Thruster Inert Gas Performance. NASA Contractor Report CR‑168208. Loral EOS Document 84-07-29. July 1984.
MacRae G.S., Zavesky R. J., Gooder S. T. Structural and Thermal Response of 30 cm Diameter Ion Thruster optics. AIAA Paper. 89–2719 July 1989.
Pollard J. E., Welle R. P. Thrust Vector Measurements with the T5 Ion Engine. AIAA Paper. 95–2829, July 1995.
Soulas G. C., Frandina M. M. Ion Engine Grid Gap Measurements. 40th Joint Propulsion Conference and Exhibit cosponsored by the AIAA, ASME, SAE, and ASEE Fort Lauderdale. Florida. July 11–14, 2004.
Soulas G. C., Diaz E. M. Grid Gap Measurement for an NSTAR Ion Thruste. 29th International Electric Propulsion Conference. Princeton University. October 31 – November 4, 2005
Yuan J., Dai P., Liang D., Zhou S., Xiao S., Liang X. Grid deformation real-time measurement system of ion thruster based on videometrics. Appl. Sci. 2019; 9: 1759. doi:10.3390/app9091759
Sun M., Long J., Geng H., Chen X. Thermal deformation analysis and measurement of the triple grid for a 30cm diameter ion thruster. PREPRINT (Version 1) available at Research Square. – 03 October 2022. https://doi.org/10.21203/rs.3.rs‑2106649/v1
Zav’yalov P.S., Vlasov E. V., Gushchina A. A., Sokolov E. V., Sartakov V. YU. Optiko-elektronnaya sistema beskontaktnogo kontrolya geometricheskih parametrov bronebojnyh serdechnikov i pul’. Datchiki i sistemy. 2018; 10(229): 34–39.
Завьялов П. С., Власов Е. В., Гущина А. А., Соколов Е. В., Сартаков В. Ю. Оптико-электронная система бесконтактного контроля геометрических параметров бронебойных сердечников и пуль. Датчики и системы. 2018; 10(229): 34–39.
Zhimuleva, E.S., Zavyalov P. S., Kravchenko M. S. Development of Telecentric Objectives for Dimensional Inspection Systems. Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. 2018; 54(1): 52–60. DOI 10.3103/S8756699018010090.
Gurenko V. M., Kastorsky L. B., Kiryanov V. P., Kiryanov A. V., Kokarev S. A., Vedernikov V. M., Verkhogliad A. G. Laser writing system CLWS‑300/C-M for the microstructures synthesis on the axisymmetric 3-D surfaces // Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering: Seventh International Symposium on Laser Metrology Applied to Science, Industry, and Everyday Life, 09–13.09.2002. SPIE, SPIE Russia Chapter, OSA, ISTC, MIST; editors: Y. V. Chugui, S. N. Bagayev, A. Weckenmann, P. H. Osanna. Novosibirsk.2002; 4900:320–325. DOI 10.1117/12.484573.
Отзывы читателей
