扫描摆镜机构设计方法研究.doc

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1、一种热像仪扫描器凸轮扭簧机构的设计方法研究摘要：对扫描摆镜的驱动机构进行了研究。热像仪扫描摆镜通常采用锯齿波形运动1111线，扫描频率和效率取决于冋扫间隔时间。在采用凸轮扭簧机构驱动的某热像仪扫描器设计方案屮，利用简谐振动模型来分析摆镜的冋复运动过程，并得出了实现快速I叫扫所需要的角频率临界值。关键词：热像仪、扫描器、凸轮扭簧机构、锯齿波、简谐振动StudyonaspringmechanismofIRScannerHeShi,ShenYu,HeShiweiAbstract:Themechanismsofseanningmirrorwere

2、studied.Thezigzagfunctioncurveofseanningmovementisoftenusedinthermalimage,sotheperformanceandfrequencyofseanningislimitedbythedelaytimeofreturningmovement.Acam-springmechanismwasusedinadesignofseanner,whichdynamiccharactercanbedescribedwithamodelofharmonicvibration,andthe

3、reiscriticalfrequencydeterminethereturningspeed.Keywords:ThermalImage^scanner、cam-springmechanism%zigzag、harmonicvibration引言扫描摆镜也有称为振动镜，因为从盲观上看其工作方式是通过反射镜快速的振动实现扫描，但在某些慢速扫描的系统屮，由于扫描频率比较低，称其为摆动似乎更准确一些。无论如何，其运动方式都必须符合光机扫描的要求，尤其是保证扫描的线性度和扫描效率。目前的高性能热像仪屮，扫描摆镜的驱动方式主要靠力矩电机直接驱动摆

4、镜，岚驱方式可以达到很好的控制精度，扫描器结构也简单，但这种驷动方式对电机的驱动能力要求极高，同时摆镜的面积和转动惯量也必须严格控制。然而，在一些特殊的热成像系统中，扫描摆镜不可能很小，为了驱动较大尺寸的扫描摆镜，可以采用凸轮和扭簧机构。凸轮扭簧机构的特点是:驱动电路相对简单，零件加工技术成熟，凸轮的助力作用允许采用小力矩的电机，但由于机构运动相对复杂，扫描精度相对较低，另外，凸轮在高速转动时磨损校人，要考虑润滑方式。1.扫描摆镜的运动方式根据扫描器对物空间的解析方式，要求摆镜按照特定的时间——位移曲线运动，横坐标为时间r；纵坐标为摆镜的

5、角位移〃。在第一代热成像技术中，由于探测器像元数最的限制,图1扫描运动的曲线Figi.Functioncurveofscanningmovement需要进行两维扫描运动，扫描摆镜主要用于实现帧扫瞄，最理想的运动曲线是阶梯形的，如图所示,行扫描在每个阶梯的平台时间内进行。这种跳步式的运动可以避免行扫描线的微小倾斜，但由于视频成像的帧速率很高，摆镜在高速摆动屮很难实现阶梯型的运动曲线，所以一般采用锯齿波形曲线，如图l・b所示。随着技术的发展，目前的探测器已经具有足够多的像元,只需一维光机扫描即可成像，摆镜式扫描器被用于行扫描，在这种使用条件下

6、，最理想的扫描曲线就是锯齿形。实际上，扫描摆镜的运动不可能完全吻合理想锯齿形曲线，因为在图屮锯齿尖端处Illi线不连续，摆镜的角加速度达到了无穷大。即使驷动元件的能力很强，实际的运动曲线可能类似于图l・b屮的虚线，尖端处变成了连续的曲线。由于探测器的信号采样是等间隔的，为了保证扫描的线性度，只能在每个摆动周期中曲线斜率为常数的区段进行信号的采样，即图l・b屮h~t2的区间内，而这一斜率常数即为摆镜的扫描角速度。在使用凸轮扭簧驱动的扫描机构屮，扫描精度决定于凸轮上升段的轮廓精度和电机的转速是否稳泄。除去有效扫描的区段，图中to〜t］的区间称

7、为回扫间隔，按照扫描效率的定义：=匕一」•100%或〃=［1-—直J•100%TT所以，为了使扫描效率尽量提高，在毎个扫描周期屮，摆镜的I叫扫间隔必须尽量缩短。,而回扫间隔的长短决定于冋复扭簧的扭矩系数和凸轮的下降曲线。2.扫描摆镜的凸轮扭簧机构方案在某型号的红外成像系统屮，需要进行二维空间扫描，采用凸轮和扭簧机构实现锯齿波帧描，帧频为20Hz,扫描角度Qc为±1°,扫描效率心0%。显然，对于单曲线轮廓的凸轮，转速等于于帧扫频率，20rad/s,即1200rad/mino这样的转速对于凸轮机构已经很高，为保证凸轮滚了在整个转动周期屮能够始

8、终与凸轮轮廓接触，需要提高冋复扭簧的刚度,否则在凸轮机构的下降行程屮，从动的凸轮滚了跟不上凸轮的转速而发生跑飞现象，就破坏了扫描曲线的形状。但若I叫复扭簧扭矩系数（弹性系数）过大，过多的压紧力