離子推力器柵極組件熱態(tài)間距測(cè)量系統(tǒng)研制*

袁杰紅，梁 棟，周仕明，肖勢(shì)杰，李興坤，楊俊泰

(1. 國(guó)防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410073；2. 蘭州空間物理技術(shù)研究所真空低溫技術(shù)與物理國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 甘肅 蘭州 730030)

LIPS-300是蘭州空間技術(shù)物理研究所自主研制的一款直徑為300 mm的高功率、高推力、多模式柵極離子推力器，專(zhuān)為中國(guó)新一代大型桁架式衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)。柵極組件是柵極離子推力器的關(guān)鍵部件，LIPS-300柵極組件為三柵極結(jié)構(gòu)，由三片球面多孔柵極組成，柵極通過(guò)安裝環(huán)固定在總環(huán)上，室溫下柵極安裝間距為1.25 mm。離子推力器電離室工作后，來(lái)自電離室的熱輻射和等離子的能量沉積會(huì)迅速加熱柵極，并且使柵極中心溫度高、邊緣溫度低，溫度場(chǎng)沿柵極徑向?qū)ΨQ(chēng)，近似成二次曲線(xiàn)分布[1](屏柵中心溫度可達(dá)400～500 ℃，邊緣溫度比中心低100～300 ℃[2])。柵極受熱膨脹，內(nèi)部產(chǎn)生彎曲應(yīng)力和拉伸應(yīng)力導(dǎo)致球面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，其一階熱變形固定為沿球半徑向外突出,在柵極中心處產(chǎn)生最大熱變形[3]。工作時(shí)，屏柵中心的溫度比加速柵中心溫度高50～100 ℃[2]，屏柵熱變形量大于加速柵變形量，導(dǎo)致柵極熱態(tài)間距減小。柵極間距減小將影響離子束流的發(fā)散角、推力大小，增大電子返流閾值、加重柵極腐蝕[4-6]，更嚴(yán)重的是會(huì)增大柵極打火概率，甚至接觸短路導(dǎo)致推力器關(guān)機(jī)[7-8]。所以需要對(duì)柵極熱態(tài)間距的變化量進(jìn)行測(cè)量，掌握其變化規(guī)律，在國(guó)外，美國(guó)國(guó)家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)的MacRae[9]利用帶探頭的高精度步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)接觸測(cè)量了雙柵極的熱變形，測(cè)量精度為25 μm。美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的Trava-Airoldi[10]設(shè)計(jì)了一種基于氦氖激光的光學(xué)系統(tǒng)測(cè)量900系列柵極組件熱變形。美國(guó)航空航天公司的Pollard[11]在推力器側(cè)前方放置鏡子，通過(guò)遠(yuǎn)距顯微鏡拍攝鏡子的反射成像，測(cè)量了T5離子推力器柵極的熱變形量。但是以上方法均存在缺陷，MacRae的接觸測(cè)量方法無(wú)法在束流狀態(tài)下測(cè)量，Trava-Airoldi的氦氖激光測(cè)量方法對(duì)鏡頭的要求十分苛刻，且對(duì)環(huán)境振動(dòng)十分敏感，Pollard的方法通過(guò)角度變化計(jì)算柵極間距精度較低?；趯?duì)以上問(wèn)題的改進(jìn)，NASA的Soulas[12]使用遠(yuǎn)距顯微鏡配合螺栓固定的探針測(cè)量了柵極的熱變形，該測(cè)量方式可在開(kāi)啟束流的情況下運(yùn)行，成功測(cè)量了美國(guó)宇航局太陽(yáng)能推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用準(zhǔn)備計(jì)劃(NASA Solar electric propulsion Technology Applications Readiness program, NSTAR)推力器工作時(shí)鈦柵極組件的熱變形及熱態(tài)間距。NASA的Diaz[13]對(duì)NSTAR推力器的鉬柵極組件進(jìn)行了熱變形測(cè)量，使用了Soulas的測(cè)量方式，并將兩者結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，測(cè)量效果良好，但Soulas的方法無(wú)法測(cè)量三柵極組件的熱態(tài)間距，而且固定探針的螺釘頭突出到屏柵和加速柵之間，占用了約0.28 mm的柵極間距，從測(cè)量結(jié)果分析其精度不超過(guò)25 μm?？偟膩?lái)看，離子推力器柵極熱態(tài)間距的測(cè)量是十分困難的，離子推進(jìn)器在伴隨有高溫和等離子體的真空環(huán)境中工作，在這種復(fù)雜的測(cè)量環(huán)境下，無(wú)法使用常見(jiàn)的接觸測(cè)量方法，云紋和散斑等方法也無(wú)法滿(mǎn)足測(cè)量要求。此外，柵極熱態(tài)間距和柵極熱變形很小，因此對(duì)測(cè)量精度要求高(10-6～10-5m)。在國(guó)內(nèi)，針對(duì)柵極熱變形，目前僅有學(xué)者進(jìn)行了仿真計(jì)算，如孫明明等[14]建立了LIPS-300離子推力器有限元分析熱模型，在后續(xù)研究中[15-17]，對(duì)柵極力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行等效，建立了柵極的等效無(wú)孔平板模型，仿真了柵極邊緣有約束和無(wú)約束兩種情況下的柵極熱變形，并對(duì)30 cm離子推力器三柵極組件工作時(shí)的熱變形量進(jìn)行了模擬計(jì)算。但尚缺少有效的柵極熱態(tài)間距變形測(cè)量系統(tǒng)，為此，本文設(shè)計(jì)了一套柵極組件熱態(tài)間距測(cè)量系統(tǒng)，改進(jìn)Soulas的探針?lè)?，使用高溫結(jié)構(gòu)膠固定探針避免了使用螺栓固定探針產(chǎn)生的影響，提出可檢測(cè)三柵極組件熱態(tài)間距的探針安裝方案，利用遠(yuǎn)距顯微鏡獲取探針的高分辨率圖像，基于攝像測(cè)量原理[18-19]利用亞像素定位方法提高測(cè)量精度，結(jié)合圖像處理算法完成圖像實(shí)時(shí)標(biāo)定和校正，基于MATLAB2017b開(kāi)發(fā)軟件實(shí)現(xiàn)了柵極組件中心位置熱態(tài)間距的高精度、非接觸在線(xiàn)測(cè)量。

1 測(cè)量系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)臺(tái)、光源、柵極組件、加熱裝置、探針、合作標(biāo)志、遠(yuǎn)距顯微鏡、CCD相機(jī)、高精度4軸定位平臺(tái)和測(cè)量軟件組成，如圖1所示。

圖1 柵極組件熱態(tài)間距攝像測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig.1 Ion optics hot gap measurement system

柵極組件通過(guò)夾具固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，與地面保持垂直。探針及合作標(biāo)志固定在柵極中心。LED調(diào)焦攝像燈作為光源，其色溫調(diào)焦范圍為3200～5600 K，光線(xiàn)角度調(diào)節(jié)范圍為15°～55°，安裝于柵極組件側(cè)方。遠(yuǎn)距顯微鏡選用Navitar 12x變焦鏡頭系統(tǒng)。電荷耦合器件(Charge Coupled Device, CCD)相機(jī)圖像分辨率為1600 pixel×1200 pixel，感光芯片尺寸為1/2.5″，芯片像元大小為2.8 μm×2.8 μm，每秒可采集12幀圖像。鏡頭和相機(jī)安裝在高精度4軸定位平臺(tái)上(3個(gè)平移自由度x,y,z；1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度θZ)，調(diào)整相機(jī)位置和角度使相機(jī)光軸和柵極組件的縱軸線(xiàn)垂直(位移臺(tái)精度5 μm，旋轉(zhuǎn)臺(tái)精度0.1°)。加熱裝置由一個(gè)2.5 kW的環(huán)型加熱器和移動(dòng)裝置構(gòu)成，預(yù)熱之后，移動(dòng)至屏柵后方1 cm處進(jìn)行加熱，環(huán)形加熱器中心和柵極的中心對(duì)齊，環(huán)形加熱器的構(gòu)型可以近似在柵極上施加一個(gè)中心溫度高邊緣溫度低的溫度場(chǎng)，模擬推力器點(diǎn)火后產(chǎn)生的徑向溫度場(chǎng)。測(cè)量軟件基于MATLAB2017b開(kāi)發(fā)，由標(biāo)定模塊、在線(xiàn)測(cè)量模塊、離線(xiàn)測(cè)量模塊及數(shù)據(jù)顯示保存模塊構(gòu)成。

本系統(tǒng)在真空中運(yùn)行時(shí)，攝像燈以及相機(jī)等設(shè)備均位于柵極的羽流區(qū)外，避免離子束流和柵極表面高溫直接對(duì)設(shè)備測(cè)量造成影響，同時(shí)用錫箔紙、石英玻璃片對(duì)設(shè)備和鏡頭進(jìn)行保護(hù)，防止環(huán)境中高速離子的濺射腐蝕，保證了設(shè)備在真空、高溫和等離子環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間正常工作。

1.2 測(cè)量方法

本文設(shè)計(jì)了一種在不影響柵極間距的情況下對(duì)三柵極組件熱態(tài)間距進(jìn)行測(cè)量的方法。如圖2所示，將兩個(gè)氧化鋁探針用高溫結(jié)構(gòu)膠和高溫陶瓷膠分別固定到屏柵和加速柵的中心孔中。并在探針和減速柵極上用高溫陶瓷膠固定圓形合作標(biāo)志，用于亞像素定位提高測(cè)量精度。為了便于安裝，探針?lè)譃閮啥沃睆剑铀贃盘结樀撞恐睆綖?.8 mm，可以穿過(guò)屏柵孔(1.9 mm)但無(wú)法穿過(guò)加速柵孔(1.25 mm)。而屏柵探針底部直徑為2.2 mm，無(wú)法穿過(guò)屏柵。第二段直徑均為 0.8 mm 均可以從減速柵中探出。圓形合作標(biāo)志為直徑1.5 mm的氧化鋯圓球。

圖2 探針及合作標(biāo)志安裝示意圖Fig.2 Cooperation logos installation

通過(guò)探針和柵極的位移來(lái)間接測(cè)量柵極熱態(tài)間距以及變形量。遠(yuǎn)距顯微鏡通過(guò)4軸高精度定位平臺(tái)安裝在柵極組件的側(cè)方，調(diào)整定位平臺(tái)和顯微鏡，將探針及合作標(biāo)志成像在視場(chǎng)的中央。圖像中三個(gè)圓形合作標(biāo)志的水平方向位移分別代表屏柵加速柵和減速柵中心的變形量，其差值為柵極間距的變化量。工作時(shí)，遠(yuǎn)距顯微鏡采集圖像序列實(shí)時(shí)傳送到計(jì)算機(jī)，合作標(biāo)志的邊緣像素由分區(qū)Canny邊緣檢測(cè)提取?；诤献鳂?biāo)志的邊緣像素，利用最小二乘法對(duì)圓心的坐標(biāo)進(jìn)行擬合，高精度測(cè)量合作標(biāo)志位移，同時(shí)對(duì)圖像進(jìn)行校正和放大系數(shù)標(biāo)定。本文開(kāi)發(fā)的數(shù)字圖像處理軟件集成了圖像處理和計(jì)算功能，可實(shí)現(xiàn)柵極熱變形量和熱態(tài)間距變化的在線(xiàn)檢測(cè)和輸出。

2 關(guān)鍵算法

對(duì)合作標(biāo)志的定位及其位移的檢測(cè)是本測(cè)量方法的核心問(wèn)題。對(duì)圖像的預(yù)處理保證了合作標(biāo)志邊緣檢測(cè)的穩(wěn)定性，利用最小二乘法擬合圓心位置進(jìn)行亞像素定位，通過(guò)圖像畸變校正、圖像放大系數(shù)標(biāo)定保證熱態(tài)間距測(cè)量的精度。

2.1 合作標(biāo)志定位

Canny算子[20]在固定的參數(shù)下無(wú)法精確檢測(cè)出同一圖像中多個(gè)與背景對(duì)比度不同的物體邊緣。本文將視場(chǎng)劃分為上、中、下三個(gè)部分，加速柵的合作標(biāo)志位于上部區(qū)域，減速柵合作標(biāo)志位于中部區(qū)域，屏柵合作標(biāo)志位于下部區(qū)域，每個(gè)區(qū)域里的只有單一的檢測(cè)元素，由此便能針對(duì)單一元素用Canny算子進(jìn)行不同參數(shù)的高斯濾波、雙閾值處理的邊緣檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果分別調(diào)整每個(gè)區(qū)域的高斯函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差σ和高低閾值TL、TH，使三個(gè)區(qū)域均達(dá)到最佳的邊緣檢測(cè)效果?；贑anny算子的分區(qū)邊緣檢測(cè)得到了圓形合作標(biāo)志清晰的邊緣像素，精度達(dá)到了整像素級(jí)。為了提高合作標(biāo)志的定位精度，提取球形合作標(biāo)志的邊緣像素點(diǎn)，將每一點(diǎn)像素的坐標(biāo)代入標(biāo)準(zhǔn)圓方程，利用最小二乘法聯(lián)立方程組解出圓方程，計(jì)算圓心坐標(biāo)和半徑值，基于圓心坐標(biāo)定位合作標(biāo)志，精度達(dá)到亞像素級(jí)。如圖3所示。

圖3 合作標(biāo)志亞像素定位Fig.3 Cooperation logos subpixel positioning

2.2 圖像放大系數(shù)標(biāo)定

放大系數(shù)是影響攝像測(cè)量精度中的關(guān)鍵參數(shù)，圖像中物體的像素大小乘以放大系數(shù)后轉(zhuǎn)化為世界中物體的實(shí)際大小，放大系數(shù)標(biāo)定的誤差在測(cè)量結(jié)果中將成百上千倍地放大。要達(dá)到高精度測(cè)量，必須要對(duì)攝像系統(tǒng)進(jìn)行高精度標(biāo)定。

(1)

在n=100幀圖像上分別擬合合作標(biāo)志的半徑值并以A類(lèi)不確定度評(píng)定像素半徑測(cè)量結(jié)果，在P=0.954的置信水平下，由式(2)計(jì)算像素半徑rpixel=106.914±0.02 pixel。

(2)

由不確定度傳遞公式(見(jiàn)式(3))計(jì)算放大系數(shù)為λ=7.019 4±0.001 62 μm/pixel。

(3)

通過(guò)比較可知，棋盤(pán)格和合作標(biāo)志標(biāo)定結(jié)果基本一致，誤差最大為0.012 2 μm/pixel，合作標(biāo)志標(biāo)定流程簡(jiǎn)單，可在測(cè)量的同時(shí)進(jìn)行標(biāo)定，適用性更強(qiáng)，但是存在光源干擾合作標(biāo)志邊緣檢測(cè)值的誤差，故有必要在測(cè)量之前用棋盤(pán)格標(biāo)定進(jìn)行驗(yàn)證。進(jìn)一步減小誤差可采用更高精度的標(biāo)定板，減少自身尺寸的不確定度。此處未對(duì)圖像進(jìn)行切向和徑向畸變校正，由于鏡頭制作工藝提升切向畸變可忽略，徑向畸變主要存在于圖像邊緣區(qū)域，圖像中部的徑向畸變很小也可忽略。

圖4 圖像放大系數(shù)標(biāo)定Fig.4 Calibration board installation

2.3 相機(jī)坐標(biāo)系與探針坐標(biāo)系的校正

若由于相機(jī)或柵極組件安裝時(shí)產(chǎn)生角度誤差，使相機(jī)坐標(biāo)系和探針坐標(biāo)系的X方向坐標(biāo)軸互相之間不平行，那將導(dǎo)致合作標(biāo)志的位移方向與攝像機(jī)光軸不垂直，對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響。如圖5所示，若位移方向向內(nèi)偏移角度為α，則圓形合作標(biāo)志移動(dòng)前后的半徑r1，r0會(huì)出現(xiàn)圖中的誤差Δ=r1-r0，此時(shí)合作標(biāo)志的橫向位移將出現(xiàn)誤差Δd。

(4)

圖5 相機(jī)與探針坐標(biāo)系角度校正Fig.5 Coordinate system angle correction

可求解偏移角度α，通過(guò)角度投影變換，將合作標(biāo)志位移方向校正成與攝像機(jī)光軸垂直的情況，消除坐標(biāo)系角度帶來(lái)的誤差。

(5)

坐標(biāo)系角度的偏差對(duì)測(cè)量精度的影響較小。根據(jù)式(4)可知，偏角α造成的誤差為：α=1°時(shí)，誤差約為d×0.015%。在實(shí)際測(cè)量中偏角α一般可以控制在1°以?xún)?nèi)，故坐標(biāo)系角度對(duì)測(cè)量精度的影響不大。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1測(cè)量精度驗(yàn)證

圖6 移動(dòng)100 μm的像素位移量測(cè)量結(jié)果Fig.6 Pixel displacement measurement results after 100 μm movement

影響系統(tǒng)測(cè)量精度的因素主要有放大系數(shù)的標(biāo)定、坐標(biāo)系角度的校正、探針及合作標(biāo)志的熱穩(wěn)定性，前兩者已在第2節(jié)進(jìn)行了分析。探針與合作標(biāo)志是本方法測(cè)量變形的參考物，要保證其在高溫環(huán)境下穩(wěn)定，自身不發(fā)生變形和位移，牢固黏接在柵極上，如果其自身發(fā)生變形將直接影響測(cè)量精度。所以在材料的選擇上，應(yīng)與柵極具有近似熱膨脹系數(shù)，減少熱變形不一致的影響(見(jiàn)表1)。

表1 探針及高溫膠的熱膨脹系數(shù)

利用線(xiàn)膨脹公式計(jì)算高溫下探針的最大軸向伸長(zhǎng)量用于估計(jì)探針自身變形帶來(lái)的影響。

δ=α·L·ΔT

(6)

由圖2所示，探針的計(jì)算長(zhǎng)度為4.8 mm，由于柵極間溫度差異較大，需要分段計(jì)算探針在不同區(qū)域間的熱膨脹量。實(shí)驗(yàn)中室溫30 ℃，屏柵最高356 ℃、加速柵最高238 ℃、減速柵下游估計(jì)最高為138 ℃，計(jì)算結(jié)果為加速柵探針最大伸長(zhǎng)3.9 μm，屏柵探針最大伸長(zhǎng)5.8 μm。

同時(shí)在450 ℃高溫下進(jìn)行耐熱實(shí)驗(yàn)，加熱-冷卻循環(huán)沖擊5次，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)探針、合作標(biāo)志變形、脫落的現(xiàn)象，探針在冷卻后可恢復(fù)到原位。綜合考慮，影響系統(tǒng)測(cè)量精度最主要的因素是圖像放大系數(shù)的標(biāo)定誤差以及探針自身的熱變形。對(duì)比美國(guó)NASA的MacRae變形測(cè)量精度(25 μm)，本文測(cè)量系統(tǒng)在非加熱狀態(tài)下測(cè)量精度優(yōu)于6 μm，需要指出位移臺(tái)的調(diào)整精度和測(cè)量誤差處于同一級(jí)別對(duì)精度驗(yàn)證造成影響，系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量精度應(yīng)優(yōu)于6 μm?？紤]到探針的最大熱膨脹為5.8 μm，故在加熱狀態(tài)下測(cè)量精度優(yōu)于12 μm，比NASA測(cè)量精度高52%。

3.2 大氣環(huán)境下加熱實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)LIPS-300柵極組件具有三層球面柵極，由內(nèi)至外分別是屏柵、加速柵及減速柵，加速柵和屏柵的間距為0.9 mm，本實(shí)驗(yàn)件未加裝減速柵。實(shí)驗(yàn)在大氣環(huán)境中進(jìn)行，加熱熱源為2.5 kW的徑向加熱器，沿徑向在加速柵和屏柵分別黏接5個(gè)K型熱電偶測(cè)量溫度，如圖7所示。遠(yuǎn)距顯微鏡通過(guò)4軸精密定位平臺(tái)安裝在柵極側(cè)方。為了檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)在加熱過(guò)程中是否出現(xiàn)熱變形，在柵極邊緣與型材架的固定位置處使用千分表進(jìn)行位移檢測(cè)。整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)如圖8所示。

圖7 熱電偶安裝位置Fig.7 Thermocouples installation

圖8 大氣環(huán)境下LIPS-300熱態(tài)間距測(cè)量實(shí)驗(yàn)Fig.8 Hot gap measurement experiment

室溫30 ℃開(kāi)啟檢測(cè)系統(tǒng)后，第30 s開(kāi)始加熱，第573 s停止加熱開(kāi)始冷卻，第2050 s結(jié)束測(cè)量。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中屏柵和加速柵的溫度如圖9所示，加熱初期1 min內(nèi)溫度變化率最大，加熱4 min 后溫度基本穩(wěn)定，加熱器模擬了沿徑向分布的溫度場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)整個(gè)過(guò)程中屏柵和加速柵的熱變形數(shù)據(jù)以及熱態(tài)間距變化量如圖10所示，開(kāi)始加熱后的1 min內(nèi)隨著溫度快速升高，屏柵和加速柵迅速產(chǎn)生變形，其中屏柵變形明顯大于加速柵，在屏柵和加速柵溫差最大150 ℃時(shí)，柵極間距最大減小413 μm(約定為屏柵變形量減去加速柵變形量)。加熱1～4 min期間，溫度仍在上升但速率明顯下降，屏柵和加速柵分別達(dá)到各自最大變形量為859 μm和548 μm。加熱4 min后隨著柵極溫度趨于穩(wěn)定，屏柵和加速柵的變形量逐步回落至690 μm和331 μm，屏柵中心溫度穩(wěn)定為356 ℃，加速柵中心溫度穩(wěn)定為238 ℃。第573 s移開(kāi)加熱器開(kāi)始冷卻，溫度快速下降，屏柵和加速柵變形迅速減小并產(chǎn)生負(fù)值，最大達(dá)-260 μm。隨著冷卻過(guò)程?hào)艠O變形和間距緩慢回復(fù)，在第2050 s實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，熱變形和間距變化量基本回復(fù)到零，溫度回到室溫30 ℃。實(shí)驗(yàn)中圓形合作標(biāo)志半徑無(wú)明顯變化，故α修正角取零。圖像放大系數(shù)標(biāo)定為7.00 μm/pixel。千分表示數(shù)值無(wú)明顯變化。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知柵極熱變形具有以下特點(diǎn)：

1)柵極間距的變化量取決于兩柵極的溫度差。柵極間的溫度差越大，柵極熱態(tài)間距的減小量越大。柵極間距的最小值出現(xiàn)在加熱初期，此時(shí)屏柵和加速柵的溫度差最大，隨后溫度差減小時(shí)，間距量也隨之回升。

2)在加熱初期柵極溫度迅速變化時(shí)，柵極產(chǎn)生劇烈變形，當(dāng)溫度趨于穩(wěn)定時(shí)，變形量將緩慢減小到穩(wěn)定值。停止加熱開(kāi)始冷卻時(shí)，溫度迅速減小，柵極變形也會(huì)迅速下降并產(chǎn)生負(fù)位移現(xiàn)象，等待柵極完全冷卻后，柵極變形量緩慢回到零位。其他真空環(huán)境實(shí)驗(yàn)[9, 12-13]也具有上述變形特點(diǎn)。Rawlins等[22]指出柵極組件中的球面柵極和柵極安裝環(huán)都會(huì)產(chǎn)生變形，球面柵極受熱膨脹使柵極中心的拱高增大，柵極固定環(huán)受熱膨脹使柵極中心拱高減小。所以柵極達(dá)到最大熱變形后，在溫度維持不變的情況下，熱變形量逐漸減少的原因是柵極安裝環(huán)及其周?chē)鷧^(qū)域的溫度上升慢，熱容量大導(dǎo)致其熱變形滯后于柵極。當(dāng)柵極球面產(chǎn)生變形后，安裝環(huán)溫度才慢慢升上來(lái)，并產(chǎn)生一個(gè)徑向變形，徑向熱應(yīng)力將柵極球面向四周拉扯，導(dǎo)致球面拱頂高度減少，由此產(chǎn)生熱變形曲線(xiàn)逐漸下降的現(xiàn)象。對(duì)于在冷卻時(shí)出現(xiàn)柵極負(fù)位移的現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)中測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)位移的千分表無(wú)明顯變化，說(shuō)明柵極負(fù)位移現(xiàn)象不是試驗(yàn)臺(tái)變形引起，而是柵極組件冷卻時(shí)產(chǎn)生了負(fù)向位移。所以同理柵極組件在空氣中冷卻時(shí)，帶孔柵極比柵極固定環(huán)溫度下降快，首先回復(fù)變形，而柵極固定環(huán)的變形回復(fù)慢，所以出現(xiàn)柵極負(fù)向變形現(xiàn)象。

圖9 柵極溫度測(cè)量結(jié)果Fig.9 Grids temperature during the test

圖10 LIPS-300柵極組件熱態(tài)間距及熱變形量測(cè)量結(jié)果Fig.10 LIPS-300 ion optics hot gap and thermal deformation measurements

4 結(jié)論

本文基于國(guó)內(nèi)柵極熱態(tài)間距測(cè)量需求開(kāi)發(fā)了一種柵極組件熱態(tài)間距攝像測(cè)量系統(tǒng)。結(jié)論如下：

1)測(cè)量系統(tǒng)滿(mǎn)足在真空、高溫、等離子環(huán)境下對(duì)柵極變形進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)的要求，也可基于拍攝的視頻調(diào)整參數(shù)進(jìn)行離線(xiàn)檢測(cè)，同時(shí)適用于雙柵及三柵結(jié)構(gòu)的柵極組件熱態(tài)間距的測(cè)量。

2)系統(tǒng)采用可靈活修改參數(shù)的人機(jī)界面檢測(cè)多目標(biāo)的邊緣并采用最小二乘法對(duì)合作標(biāo)志進(jìn)行亞像素定位，提高測(cè)量精度。精度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在非加熱狀態(tài)下系統(tǒng)測(cè)量誤差優(yōu)于6 μm，在加熱狀態(tài)下考慮探針熱膨脹，系統(tǒng)測(cè)量誤差優(yōu)于12 μm，比美國(guó)NASA的MacRae接觸式變形測(cè)量方法精度高52%。

3)分析了影響系統(tǒng)測(cè)量精度的影響因素。用兩種方法對(duì)比驗(yàn)證圖像放大系數(shù)的標(biāo)定、對(duì)相機(jī)和探針的坐標(biāo)系角度校正、對(duì)探針及合作標(biāo)志的耐熱性和熱膨脹量進(jìn)行測(cè)試計(jì)算，分析得影響系統(tǒng)測(cè)量精度的主要因素為圖像放大系數(shù)的標(biāo)定誤差以及探針自身的熱膨脹。

下一步將對(duì)離子推力器柵極組件在真空中運(yùn)行時(shí)進(jìn)行熱態(tài)間距實(shí)測(cè)。同時(shí)研究等離子體束流光強(qiáng)對(duì)攝像測(cè)量的影響，以及離子濺射腐蝕對(duì)探針的影響。并計(jì)劃采用石英材料的螺紋或楔形卡口探針安裝固定，以及采用更高精度的平移臺(tái)和標(biāo)定片來(lái)提高測(cè)量精度。