编码器抗辐照试验设计及验证 本文关键词：辐照，编码器，验证，试验，设计
编码器抗辐照试验设计及验证 本文简介：摘要：对空间相机用编码器开展了不同剂量率下的电离总剂量辐照试验研究，通过增加电离辐照的总剂量，并且在０、５、１０、１５、２０ｋｒａｄ（Ｓｉ）辐照点下对编码器工作电流、静态码值、电机带动的正转码值以及电机带动的反转码值进行测量，来研究不同电离总剂量辐照对编码器工作效果的影响。试验结果表明，随着电离总剂
编码器抗辐照试验设计及验证 本文内容：
摘要：对空间相机用编码器开展了不同剂量率下的电离总剂量辐照试验研究，通过增加电离辐照的总剂量，并且在０、５、１０、１５、２０ｋｒａｄ（Ｓｉ）辐照点下对编码器工作电流、静态码值、电机带动的正转码值以及电机带动的反转码值进行测量，来研究不同电离总剂量辐照对编码器工作效果的影响。试验结果表明，随着电离总剂量辐照的增加直到２０ｋｒａｄ（Ｓｉ），编码器的工作电流、静态码值、正转码值以及反转码值等均正常，也证明了该编码器可以在２０ｋｒａｄ（Ｓｉ）的总剂量辐照条件下正常工作。
关键词：编码器；总剂量辐照；码值
大量研究表明，空间辐射环境中的带电粒子如电子、质子、带电重粒子以及宇宙射线会对很多电子元器件造成辐射损伤。随着微电子技术、航空航天技术的迅速发展，使得越来越多的半导体器件和集成电路都需要在空间辐射环境下工作，因此会极大地降低航天设备系统的可靠性［１－１０］。空间的高能辐射射线将在器件材料中引入大量缺陷，对器件的可靠性构成严重的威胁。据统计，我国在轨卫星由于空间环境辐射效应而失效造成的异常故障占总故障的４０％［１１－１５］。因此，辐射效应、损伤机制和抗辐射加固技术的研究已构成抗辐射电子学的３大主题［１６］。空间用高分辨率相机的调焦机构选用了某型号编码器，该编码器为军级，编码器出厂时未提供相关的抗辐照指标，因此需要对该编码器进行电离总剂量辐照摸底试验，来探究编码器进行抗辐照试验的流程以及分析方法，并确认该型号编码器是否可以在设定的辐照条件下正常工作。同时，设计编码器性能验证方法，为日后开展编码器试验做好基础。
１编码器辐照环境
编码器辐照测试环境如图１所示，主要由６０Ｃｏ－γ射线源和被辐照的编码器两部分构成。辐照试验在中国科学院新疆理化技术研究所６０Ｃｏ－γ射线源上进行，重点研究辐照效应对其电学特性的影响，试验的剂量率为５０ｒａｄ（Ｓｉ）／ｓ，并且在０、５、１０、１５、２０ｋｒａｄ（Ｓｉ）辐照点下对编码器工作电流、静态码值、电机带动下的正转码值以及电机带动下的反转码值进行测量。
２编码器测试原理及辐照试验方法
２．１编码器测试原理
编码器经辐照后，需要对编码器的性能进行测试，本文所设计的编码器测试原理的关键技术是通过硬件设计以及软件配合，可以通过上位机实时显示并保存所采集的数据。通过编码器采集与电机驱动控制板的硬件电路配合数据存储电机控制软件同时配合实现测试功能。１）电测系统构成编码器经辐照后的电测系统主要由编码器测试机构、编码器采集与电机驱动控制板、电源和上位机软件组成，实物如图２所示。２）编码器测试机构编码器电测系统中编码器测试机构由编码器、编码器防护壳、步进电机和连轴机构组成，编码器测试机构自研完成，可从以下两方面对编码器进行测试：（１）将电机连接到电机驱动接口，通过控制电机带动编码器转动，对编码器的工作情况进行测试；（２）断开电机驱动接口，手动控制编码器转动到不同位置，对编码器在不同静态位置的工作情况进行测试。３）编码器采集与电机驱动控制板编码器采集与电机驱动控制板用于采集编码器数据、将编码器数据发送至上位机软件，对编码器测试机构的电机进行控制。编码器采集与电机驱动控制板的主要接口功能如下：将试验＋１５Ｖ电源连接至＋１５Ｖ供电接口，为电机驱动电路供电，并通过电源变换电路将该电源变换成编码器＋５Ｖ电源和单板所需的各种电源；将编码器连接至编码器供电采集接口；为编码器提供＋５Ｖ电源和＋５Ｖ的４２２接口采集时序；将测试电机配线后，连接至电机驱动接口；电机驱动电路采用ＴＩ公司型号为ＬＭＤ１８２００的Ｈ桥电路，由单板上ＦＰＧＡ产生驱动时序，经Ｈ桥电路功率放大，驱动步进电机运转；通过串口线连接至上位机ＲＳ２３２接口，单板上ＦＰＧＡ将采集的编码器数据实时传输到上位机，传输波特率为６２５００，含有８个数据位、１个校验位，编码器数据传输速率为２０次／ｓ。４）编码器数据存储于电机控制软件编码器数据存储于电机控制软件如图３所示，其主要功能如下：通过上位机ＲＳ２３２接口，按通信协议，实时接收、显示并存储编码器采集与电机驱动控制板传送的编码器数据，试验设置串口波特率为６２５００，含有８数据位以及１校验位，无停止位；通过上位机ＲＳ２３２接口，传送电机控制指令，实现对测试机构电机的正转、反转和停止控制。５）供电电源外置＋１５Ｖ电源，对编码器采集与电机驱动控制板进行供电，并且可实时显示电测系统的工作电压和电流情况。
２．２编码器辐照试验的测试方法
编码器辐照电测系统如图４所示。电测系统的工作流程如下。１）将电源、编码器、电机、上位机通信电缆连接至编码器采集与电机驱动控制板。２）开启编码器数据存储与电机控制软件，按通信协议设置软件参数；开启电源，对编码器辐照电测系统上电。３）编码器采集与电机驱动控制板实时采集编码器数据，将采集数据到上位机软件。４）通过上位机软件发送电机控制指令到编码器采集与电机驱动控制板，控制电机转动与停止。５）上位机软件实时接收显示测试过程中采集的编码器数据，将接收数据进行存储。６）试验完成，关闭电源，对编码器辐照电测系统下电。
３实验与结果
３．１编码器码值测试
对编码器在０、１０和２０ｋｒａｄ（Ｓｉ）辐照点下编码器静态码值、电机带动的正转码值和反转码值进行采集记录，得到编码器的测试曲线如图５～７所示。设编码器码值为Ｍ，每个码值对应的角度为ｗ，误差码值个数为ｎ，码值误差为ｕ，则有：始终稳定在４个码以内，由于为１８ｂｉｔ绝对式编码器，代入式（１）～（３），得测角精度小于０．３３′，测角精度在误差允许范围之内。由编码器的动态数据曲线可知，编码器数据输出连续无误码，在正转和反转过圈后数据回０，由于试验用步进电机可看成匀速转动，采集的编码器数据曲线也呈线性趋势。经过以上分析可得，编码器的测角精度以及所采集的编码器数据曲线在辐照前后没有明显的变化，说明经辐照后的编码器仍可正常工作。
３．２驱动电路线性度测试测试
分别在０、５、１０、１５、２０ｋｒａｄ（Ｓｉ）辐照点下对编码器电源线与地线之间的阻抗、编码器工作电压、测试系统带编码器工作电流进行测试，测试结果如表１所示。由表１可知，在５０ｒａｄ（Ｓｉ）／ｓ剂量率下，辐照累积剂量至２０ｋｒａｄ（Ｓｉ）时，编码器电源线与地线之间的阻抗、编码器工作电压、测试系统带编码器工作电流等参数相对于辐照之前均正常。
４结论
本文对空间相机用编码器开展了不同剂量率下的电离总剂量辐照试验研究，通过增加电离辐照的总剂量，并且在０、５、１０、１５、２０ｋｒａｄ（Ｓｉ）辐照点下对编码器工作电流、静态码值、电机带动的正转码值以及电机带动的反转码值进行测量，来研究不同电离总剂量辐照对编码器工作效果的影响。该试验表明，辐照累积剂量至２０ｋｒａｄ（Ｓｉ）时，编码器全部参数测试合格，满足空间相机用编码器的技术指标。本文可以从静态和动态以及直观数据等多方面对辐照后的编码器进行性能的测试，该方法同时可以在未来应用于编码器在其他试验性能的测试，对于编码器的性能测试具有重要意义。
作者：关海南 何云丰 闫得杰 吴凡路 李德全 王栋 单位：中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所
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