干涉式大气垂直探测仪中面弹簧的有限元分析

　　1　引　言

　　干涉式大气垂直探测仪是气象卫星上搭载的主要红外遥感仪器之一。它利用大气和地球表面的红外辐射性质,在空间遥感大气温度、湿度和大气成分的垂直分布,能够实现大范围、快速、连续和长期的气象测量。

　　干涉分光系统是大气垂直探测仪重要的组成部分之一,主要功能是使输入的红外光波产生自调制,并提供动镜调相位移信号。动镜支撑系统中的面弹簧是干涉分光系统的关键部件,也是要求最高的精密部件,被用来取代轴承对动镜起支撑和导向作用,弥补了用轴承支撑时存在间隙和磨损的不利因素,是动镜实现直线往复运动,产生调相位移信号的重要保障。

　　本文根据干涉式大气垂直探测仪总体要求和面弹簧在干涉系统中的具体功能制定了面弹簧的设计目标:面弹簧在工作过程中需要具有较大刚度比和足够的轴向行程。利用有限元分析方法对面弹簧进行了优化设计,通过对比不同缝形面弹簧在轴向拉伸过程中的轴向刚度、径向刚度、刚度比,确定了螺旋缝形是相对最优缝形。

　　迄今为止,国内尚无对螺旋缝形面弹簧进行系统研究的报道,国外也仅限于对标准螺旋缝形的研究。本文通过对螺旋缝形面弹簧的系统分析,得到了螺旋线方程中的基圆半径r0、旋转角度θ1、螺距α、指数b等参数在面弹簧轴向拉伸过程中对其轴向刚度、径向刚度、刚度比的影响规律,首次提出指数b,扩展了对螺旋缝形面弹簧研究的范围。有限元分析结果为螺旋缝形面弹簧的设计提供了可靠的依据。

　　2　设计目标

　　干涉分光系统原理如图1所示[124]。入射光束经过分束器被分成两束,一束透射到动镜上,一束反射到定镜上,两光束由动镜和定镜反射再经过分束器叠加在一起。由于动镜沿光线方向直线往复运动使得两反射光束产生光程差,两反射光束经分束器合束后发生干涉,干涉光束通过组合场镜聚焦到红外探测器上,红外探测器将光信号转化成干涉图电信号,再经过傅里叶变换,最终得到光谱图。

　　两反射光经分束器合束后的波面要完全重合,才能获得好的干涉性能,如果有相对倾斜,就会影响干涉信号质量,这就要求动镜在直线往复运动中保证平动,不能发生倾斜。

　　动镜在直线往复运动的过程中,受到干扰力(包括直线电机提供的力不严格沿电机轴方向,而产生的径向分力)的影响,使得支撑电机轴的两片面弹簧产生径向跳动(见动镜支撑系统示意图2),导致电机轴和动镜发生倾斜,经动镜反射的光束也随之倾斜,这样通过分束器合束的两束光不能完全重合,最终导致干涉信号调制度的下降。

　　根据干涉式大气垂直探测仪总体要求,动镜运动最大倾斜角度不能超过30″,为了达到这个非常严格的指标,必须对面弹簧进行系统的分析与设计。