一种基于球形波导窗的全站仪屏蔽装置的制作方法

本发明涉及激光测绘和测量技术，尤其涉及一种基于球形波导窗的全站仪屏蔽装置。
背景技术：
：应用射电望远镜观测微弱的天文射电信号时，射电望远镜本身容易受到来自外界和自身电气设备的电磁信号干扰，因此对射电望远镜本身电气设备的电磁辐射屏蔽性能有着严苛的要求。电子全站型电子速测仪(简称“全站仪”)，是一种集水平角、垂直角、斜距、平距、高差测量功能于一体的现代化测量仪器。其工作原理是：以红外激光或可见激光为介质，通过测量激光出射到经反射体返回的时间，借助速度、时间与距离的关系，计算并显示到反射体间的空间距离。全站仪作为射电望远镜运行所必不可少的组成部分，在工作状态下会发出大量的电磁信号，因此也需要进行电磁屏蔽处理。但是，对全站仪进行电磁屏蔽处理，需要解决如下两方面的问题：一方面，要求电磁屏蔽处理时不能影响全站仪的测量功能和测量精度；另一方面，还要求屏蔽效能在70mhz～3ghz的频段范围内上达到90db。而现有的电磁屏蔽装置尚不能很好的满足以上应用场景对电磁屏蔽性能的要求。技术实现要素：有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于球形波导窗的全站仪屏蔽装置，采用能够透过全站仪激光的波导窗和用于光纤传输全站仪信号的波导管，使其不受电磁辐射干扰，从而不影响测量精度。为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于球形波导窗的全站仪屏蔽装置，包括外壳、波导窗和波导管；其中：所述波导窗设置于所述外壳上，所述波导窗呈球面形能够使正对镜头的平行光线进入；所述外壳和波导窗均为金属材质；所述波导管用于以光纤通信方式传输全站仪信号。其中：所述全站仪屏蔽装置，所述外壳包括第一外壳和第二外壳，所述波导窗开设于第二外壳的侧上部。所述波导窗包括第一波导窗和第二波导窗。所述第一波导窗和第二波导窗为多网孔结构，其网孔为圆形或正多边形。所述波导窗采用3d打印制作。所述屏蔽装置还包括滤波器，通过导电橡胶圈和底座相连。所述屏蔽装置包括固定部件和可拆卸的球面波导窗屏蔽罩，所述固定部件包括定位板、定位环和安装底板。所述屏蔽罩外形直径小于400mm。所述屏蔽装置还包括屏蔽壳法兰，用于防电磁泄漏。所述屏蔽装置还包括底座组件，用于进一步防电磁泄漏。本发明的基于球形波导窗的全站仪屏蔽装置，具有如下有益效果：本发明的全站仪屏蔽装置，采用了能透过全站仪激光的球形波导窗，因此不会产生电磁辐射信号外泄；对全站仪供电线路通过滤波器进行处理，滤除非工作信号杂波干扰；采用波导管进行全站仪信号的光纤传输；因此不影响测量精度。此外，全站仪的波导窗、外壳等均采用具有良好导电性能的金属材质，与屏蔽电源相连，因此具有良好的电磁屏蔽效能。附图说明图1为本发明实施例基于球形波导窗的全站仪屏蔽装置剖面示意图；图2为本发明实施例基于球形波导窗的全站仪屏蔽装置的正面示意图；图3为本发明实施例基于球形波导窗的全站仪屏蔽装置的俯视图；图4a、4b为球面波导窗通光率测算示意图；图5为本发明实施例的波导窗和全站仪光学中心相对偏移的影响示意图；图6为本发明实施例的底座双层屏蔽密封环结构示意图；图7为本发明实施例的屏蔽机构固定部分结构示意图；图8为本发明实施例的光纤和电源插座保护地示意图；图9为本发明实施例的过壁器密封和附加电路示意图。【主要部件说明】1：第一外壳；2：第二外壳；3：第一波导窗；4：第二波导窗；5：光电转换器(连接器)；6：滤波器；7：固定螺栓；8：底座组件(底座法兰)。具体实施方式下面结合附图及本发明的实施例对本发明的全站仪屏蔽装置及其方法作进一步详细的说明。图1为本发明实施例基于球形波导窗的全站仪屏蔽装置剖面示意图；图2为本发明实施例基于球形波导窗的全站仪屏蔽装置的正面示意图；图3为本发明实施例基于球形波导窗的全站仪屏蔽装置的俯视图。如图1、图2、图3所示，该基于球形波导窗的全站仪屏蔽装置，主要包括外壳、波导窗、波导管(图未示)、连接器5和滤波器6。较佳地，还包括固定螺栓7和底座组件8。其中：所述外壳包括第一外壳1和第二外壳2。所述波导窗包括第一波导窗3和第二波导窗4。在本发明实施例中，所述第二外壳2位于第一外壳1之上，所述第二外壳呈球面形，为金属外壳，具有防水功能。所述第一波导窗3和第二波导窗4均设置于第二外壳之上，允许正对镜头的部分平行光线进入。所述波导窗为多网孔结构，其网孔为圆形或正多边形，优选为正六边形。这里，显然球面半径越大(即弯曲度低)进入的光线越多(即通光率高)，但半径过大则波导窗体积也大不仅导致安装困难，还使波导窗成本过高。另外减薄波导窗厚度或增大孔径也能提高通光率，但这直接降低屏蔽效能。因此这三个因素是互相制约的需要平衡考虑。在本发明实施例中，为达到90db以上的屏蔽效能，波导孔的长-径比需要达到5以上，由于安装位置限制，最大球面半径不大于160mm。本发明实施例中，分别通过实验选择不同球面厚度、壁厚和孔径计算参数对所述波导窗进行了设计。(1)波导窗的设计。由于球面波导窗难于用传统切削或钣金的方法加工。本发明实施例中，采用3d打印工艺制作，打印材料为不锈钢金属粉，包括316不锈钢粉等。此外，由于本实施例中不特别要求结构强度和表面光洁度，但特别关注所有部分的导电连续性，因此不允许有长连续不导电的裂纹存在。波导孔壁厚度在工艺许可条件下越薄越好，这样可以提高通光率。波导窗外周厚度选1.5mm左右，以保证必要的强度。波导窗还提供一个和圆筒焊接的“耳翅”，其厚度和圆筒一样为1.5mm。波导窗体积重量估算如下：本波导窗的主要设计诸元如下：预定参数：*球面外径mm320孔深35*球面内径mm250深径比d/d③5fz截止频率ghz①21*平均孔径cm0.7收缩率②0.781外表面积cm2④850平均面积cm2684体积cm32395不锈钢重量g2469价格-孔计算：外孔径cm0.786*外壁厚mm0.500内孔径cm0.614内壁厚mm0.391带壁外径cm0.844外孔宽cm0.681外孔带壁面积cm20.462带壁外孔宽cm0.706外孔净面积cm20.401空心比⑤0.868孔数n⑥1838镜头包含孔数42屏蔽效能@1ghz：注：*项目为初始设定值，其他项目值为计算导出值。1)截止频率fz＝15/平均孔径2)收缩率为孔管锥度，为球面内径比外径。3)深径比为孔深度比平均内径。4)所指球面波导窗外表面积。5)空心部分占总面积的百分比。6)球面表面除以孔外表面积为大致孔数量。其中，球面波导窗通光率可以通过作图法近似估算，如图4a、图4b所示，通光面积≌30％。(2)位置传递和光学中心的精度的影响。从机械加工的角度，将已经通过基准测量的基墩底座螺栓头的x、y、z坐标传递到促动器底座的精度可以达到0.1mm水平。这已经明显超过基准测量能达到的精度了。但全站仪每次重新安装和调整都有可能使其光学中心产生少量偏移。同时波导窗和屏蔽壳的焊接应力变形也可能造成其光学中心少许偏移，这个偏移应控制小于1mm量级。如果产生这样的偏移，它对测量造成的影响分析如下，从图5可以假定窗和镜头偏移3mm。当球面窗中心和全站仪光学中心处于准确位置时，镜头发出和返回的平行光在上图中有颜色部分可通过波导窗，返回光由镜头聚焦到接收器中心。当球面窗中心和全站仪光学中心发生相对偏离，例如图5中全站仪光学中心下移了3mm，镜头发出的平行光仍然从原来位置通过。返回光同样被接收和聚焦，甚至还没有影响通光率。不同之处在于返回光偏向镜头一侧，聚焦光点位置虽然表面上不变，但其亮度中心已发生了偏移，显然这需要全站仪微调角度，即调整发出的光斑和靶标的相对位置。通过改变反射光的角度来纠正亮度中心。不过从原理上看，因为镜头和靶标距离基本没有改变，因此并不影响距离的测量。当然如果偏移继续加大，除角度附加误差继续增大外也会使通光率减少。从上述分析判断，少许的相对中心偏移(＜＜3mm)应该对距离测量精度没有大影响，而且这个偏移误差是完全可以通过加工限制的。基于上述分析，本方案仍然采取屏蔽壳直接刚性固定的方法。这样可以避免为调整位置而带来结构过于复杂和屏蔽泄露的风险。(3)全站仪防雨防虫设计。全站仪具有一定防水功能(例如淋雨)，但干燥环境应该对测量和使用寿命更有好处。防水罩还同时具有防昆虫侵入能力。相对于波导窗的光的影响，防水罩对测量精度的影响可以忽略不计。雨滴粘贴在球罩表面会对测量精度产生一定影响。因此，本发明实施例中采用超亲水纳米涂料处理，使罩表面任何小水滴都立即扩散为均匀薄水膜，从而保持表面清洁透明。(4)屏蔽材料。本发明实施例中，屏蔽的频段是70mhz-3ghz，远场平面波。在此频段上材料导磁率对通过吸收和反射损耗形成的屏蔽效能的影响已经减弱为次要因素了。同时计算也表明，材料厚度也不重要了。因为制约屏蔽效能的主要因素已经是不连续导电孔缝的泄露。因此材料选择主要由强度、耐腐蚀性和加工性能决定。通过比较我们倾向选择强度、耐腐蚀性和焊接性都好的不锈钢材料。但不锈钢重量较大，20mm厚底座法兰重达15.9kg。即使改进加工工艺，铣去那些不必要的部位材料，估计重量也可能减少到9kg。采用铝的重量将减少到1/3。但铝的焊接性能不好，只适合做不需要焊接的底座。铝表面氧化问题倒可以采用“铝表面导电保护液”提高改善铝表面电导率达到0.07ω/mm2。(5)底座组件和法兰。底座组件和屏蔽壳法兰是主要电磁泄漏环节之一，它需要通过电磁密封圈进行屏蔽处理。铜银导电硅橡胶有良好的导电性，在100mhz-10ghz范围理论屏蔽效能可以达到120db，实心圆形密封圈的高度方向压缩率应控制在15％左右以避免不可恢复的永久变形，这样反复拆卸后仍可以保持弹性。导电橡胶密封圈同时有防渗水功能，但导电橡胶橡胶密封圈的问题在于弹性保持性差，无论是槽加工精度还是安装过程的仔细程度都容易在开启不多次数后屏蔽效能明显变差。另一种是铍铜或不锈钢“斯派尔”螺旋管，它也有极好的屏蔽效能，全频段内可以达到86-165db。它在抗变形和使用寿命方面要优于导电橡胶密封圈。它被安装在卡槽内没有脱出之虞，但卡槽加工稍复杂，且没有防渗水功能。比较理想的设计是双层设置，外圈采用导电橡胶兼防水，内圈采用铍铜螺旋管。当然双导电橡胶密封圈也完全保证这个环节屏蔽效能大于120db，如图6示。屏蔽罩通过8根m8螺栓和底座固定。并通过止口保持观测窗的光学球心和全站仪光学中心同心。屏蔽罩的8个螺栓孔中有4个带m10内螺纹，它们在拆卸时可以用m10螺栓顶起屏蔽罩，这将使拆卸工作比较容易。此外，考虑到现场操作方便，本屏蔽罩机构分成不必经常拆卸的固定部分和比较轻便的便于拆卸的球面波导窗屏蔽罩部分。其中固定部分包括：定位板、定位环和安装底板三个部件，如图7所示。定位板安装在基座上提供的预埋螺钉上。而安装底板与定位环通过四条螺钉紧定夹紧固定在定位板上。其中定位环与定位板之间是间隙配合的关系。如果松开四条螺钉就可以在360°范围内任意调节安装底板的方向。这几个部件通过一次安装可以很长时间不必再调整。(6)电、光信号引出。在本发明实施例中，电、光信号是从底座引出的，这样上屏蔽壳才能方便拆卸打开。电源通过3芯防水插座引出，配套插头可以配金属软管保护电缆。为避免光纤多次转接，建议光纤直接穿过底座进入壳内后插到光电转换器上。这样底座也需要一个金属软管连接座以便通过软管保护光纤。孔径和管径选10.5和12mm，适合fc或st光纤接头通过。因底座是圆形，不容易直接安装插座。而且插座安装在沉重的底座表面上极易因磕碰损坏。因此需要加工一个金属保护块，插座沉入安装在块中受到保护。为了减轻底座重量，光纤通过一个焊接在边缘厚度较厚的部分的内径10.5毫米钢管引入。这样底座中间一部分可以车削加工挖掉一些没有必要的厚度，以便尽可能减轻重量。如图8所示。(7)光电转换器和电源滤波器。在本发明实施例中，全站仪底座直径140mm，全站仪最宽处在键盘，它旋转空间需要直径320mm的圆。全站仪底座和底盘间有34mm高度空间，在键盘下底座外则有85mm高度空间。这些足够可以安装电源滤波器、光电串口服务器等其他设备。新底座的设计保证原坐标点x、y、z被精确传递。在够用的条件下当然升高越小越好。此外活动可拆卸的底座重量轻，易变更高度。由馈通滤波器构成直流电源滤波器，一个m4螺栓的滤波器在100m到10g赫兹频率范围的插入损耗达70db，两级滤波器串联，做好阻抗匹配达到120db没有问题。过壁式滤波器通过导电橡胶圈和底座良好电磁密封。因为电源传输距离较长，在滤波器出口加一个470uf电解电容器，输入加防浪涌二极管tvs。这样可以减少电源低频动态阻抗和预防感应雷对全站仪的损害。当然屏蔽壳底座也需要连接良好可靠的防雷地线。如图9所示。基于球型波导窗的全站仪(电磁)屏蔽装置，其球型波导窗能透过全站仪激光，不影响测量精度。滤波器用于全站仪供电线路、波导管用于全站仪信号的光纤传输。本发明实施例中，球面波导窗与屏蔽罩(包括连接法兰盘)采用气体保护焊，焊接成型。其中屏蔽罩和法兰盘材质优选为304不锈钢板。此外，波导窗罩整体成型后，为避免因反光而造成的不必要的信号干扰，本发明实施例中，对其表面不进行抛光处理。相反，我们在对波导窗罩法兰表面光洁度进行保护的前提下，对其它表面进行一次亚光化的喷砂处理。进行亚光化处理之后的金属表面即使有光反射，也是漫反射，形不成足够的干扰强度。本发明实施例中，基墩上最多允许有三个全站仪或靶标并列安装位置，间距400mm。因此屏蔽罩外形直径必须小于400mm。全站仪上半段旋转需要直径250mm空间，下半段旋转需要直径320mm空间，因为需要内置光电接口和滤波器，屏蔽罩下部内径选为325mm。也因为内部安装设备的需要，全站仪可能需要从底面抬高50mm，光学中心高度为235+50＝285mm(可调范围280-290mm)，屏蔽罩高度需要285+160＝445mm。屏蔽罩底座同时承担引出电源和光纤功能，厚度需要20mm。考虑到屏蔽罩和底座良好电接触需要一定宽度，底座法兰直径选在390mm。这样整体外形尺寸为：ф390xh445mm。以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。当前第1页12