卫星光通信中快速偏转镜工作寿命特性研究

摘要

在卫星激光通信链路中，快速偏转镜是一个至关重要的执行器件，主要由压电陶瓷（PZT）、殷钢柔性铰链、壳体、位移传感器及其内部走线组成。它是利用压电陶瓷的逆压电效应驱动柔性铰链实现平面反射镜的偏转，在瞄准、捕获以及跟踪过程中，快速偏转镜重复精度的下降以及响应时间的减慢直接影响通信链路的质量，进而影响PAT系统的正常进行。
　　快速偏转镜内驱动部件—压电陶瓷，自身所呈现的电特性近似为电容特性且容量较大，所以在使用要求较高的场合,对于压电陶瓷的控制难度较大。由于受工艺水平的限制，压电陶瓷中会存在一些气孔、夹杂或裂纹等，在单调或交变电作用下,形成疲劳损伤，导致其电容特性改变，进而造成器件失效。因此，开展疲劳损伤分析对压电陶瓷的可靠性设计和寿命预测具有重要意义。另外，柔性铰链作为压电陶瓷与平面反射镜之间的运动传递元件，其寿命也关系到整个快速偏转镜的寿命。
　　基于压电陶瓷与柔性铰链对于快速偏转镜整体寿命的影响，本文首先介绍了影响快速偏转镜工作寿命的因素，并通过数学建模的方式分析了柔性铰链寿命的无穷性，从而确定了压电陶瓷对快速偏转镜整体工作寿命的决定性；其次分析了压电陶瓷的电学特性以及迟滞性，设计了压电陶瓷电学测试电路，并用Multism软件仿真了电路的可靠性，并用设计的电路以及Labview编写的程序测试了压电陶瓷的漏电流、电容量以及迟滞角等参数，最后对快速偏转镜进行了恒定应力高温、高压以及高温和高压共同作用的加速寿命实验，通过实验分析得出了快速偏转镜疲劳受损评估的加速寿命理论模型，并通过数学模型推测出了快速偏转镜在不同工作条件下的工作寿命，为快速偏转镜的在轨应用提供参考。