一种精度可调的扭摆式微推力测试装置的制作方法

本发明涉及微推力测试领域，具体涉及一种精度可调的扭摆式微推力测试装置。

背景技术：

对于空间探索，科学家们的主要工作集中于研制大推力的发动机来满足动力需求。近些年，随着MEMS(微机电系统)技术的迅速崛起，质量在1～100kg级的微纳卫星因具有制作和发射成本低、周期短、隐身性好、机动性好等特点而迅速崛起。微推力器是微纳卫星姿态控制、轨道保持以及机动的重要执行元件，要求产生较小的推力且达到较高的精度。微推力是体现微推力器技术性能和可靠性的重要参数，所以微推力测试成为了微推力器研制的关键技术。

常用的微推力测试平台有天平型、单摆型、悬丝型、扭摆型等。天平型测试平台可以将重力与推力分离，消除重力的影响，而且天平处于动态平衡状态，灵敏度高，但该结构分别率有限；单摆型测试平台可以通过将导线、靶材供给线路等安装于摆臂内等结构设计方法来减小这些部分对测试结果的影响，但无法消除重力对测试结果的影响，精度也不是很高；悬丝型测试平台精度高，体积小，但对环境的扰动反应较灵敏。目前，国内外比较成熟的测试技术是天平型和单摆型，但只能满足mN～N量级的测试要求。而扭摆型平台可实现推力与重力分离，可测微推力器质量大，精度高，可满足更小量级微推力的测试。

国外最先开始对扭摆式测试平台进行研制。2004年，日本东京大学新能源部H.Koizumi团队在《Journal of Applied Physics–Review of Scientific Instruments》期刊中发表了题为《Development of thrust stand for low impulse measurement from microthrusters》的论文。文中提到一种扭摆式微冲量测试装置，该装置包括传感器、阻尼器、挠性轴、工字型摆臂、配重等结构，适用于脉冲等离子体微推力器和激光烧蚀微推力器，结构简单，测试精度为2.1mN。但该装置摆臂与中心枢轴固定接触面较小，难以消除摆臂与枢轴不完全垂直带来的误差。

国内关于扭摆型微推力测试装置的研制始于近几年。2011年公开的中国科学院广州能源研究所岑继文等人的发明专利(公开号：CN102169035A)涉及一种扭摆式高精度微推力测试系统，利用下方的石蜡固化杯使挠性轴下端固定，利用连接线连接挠性轴上端以便调整挠性轴竖直放置。该装置体积小，使用方便。但用于调整位置的挠性轴上方连接线在测试过程中易收到外部扰动而引入测试误差。2016年公开的中国科学院力学研究所李飞等人的发明专利(公开号：CN105784237A)涉及一种微推力测试系统及方法，可通过工控机控制升降台高度，测试给定加载下的摆推理响应从而实现稳态在线标定，适用1～1000mN的微推力测试，测试带宽大、精度高。但该装置中两个挠性轴上下放置位置固定，若存在偏心误差则无法调整。同年公开的中国人民解放军装备学院叶继飞等人的发明专利(公开号：CN106092399A)涉及一种基于扭秤的航天微推力器冲量测试台，包括测试台座、扭秤台、标定器和线位移测试器四部分，系统载荷承重大，分辨能力强，测试精度高，测试周期短，能够实现kg级航天微推力器微冲量测试。但该装置得摆臂长度变换是间断的，不能实现某个范围内连续的精度变化需求。

根据目前国内外研究进展，扭摆式微推力测试装置的研制存在以下问题：

(1)测试范围多在mN～N量级，难以满足μN～mN量级微推力测试；

(2)摆臂长度大多固定，配重位置固定，测试精度因而单一固定；

(3)大多使用两个挠性轴，没有明确的方法减小两个轴安装时的偏心误差；

(4)没有解决可能产生的摆臂在宽度方向未达到水平引入的扭转误差；

(5)测试平台难以很好地满足不同质量、推力量级的微推力器的装载测试。

技术实现要素：

本发明技术目的在于：设置摆臂长度可连续变化，配重位置可连续调整，适应不同测试精度需求，修正安装时可能产生的转轴偏心误差，装置体积小，可放置于真空环境，实现μN～mN量级微推力测试，提高测试精度。

本发明的具体技术方案为：一种精度可调的扭摆式微推力测试装置，包括在工作平台上依次设置的位移传感器、装置主体、配重、电磁阻尼器，

装置主体为扭摆，具体为：摆臂主体、伸缩臂、枢轴、挠性轴、支柱、顶板、底板；

其中，摆臂主体与枢轴固定相对静止，枢轴上下两侧通过轴套分别连接挠性轴并定位于顶板和底板的中心，支柱位于枢轴两侧固定于顶板和底板之间；枢轴穿过摆臂主体上的枢轴固定孔。

摆臂主体靠近位移传感器的一端，其内侧设有工字形的伸缩槽，伸缩臂设置为与该伸缩槽相配合的工字形结构并可沿伸缩槽滑动；

摆臂主体的另一端上提供配重移动槽使放置在摆臂主体上的配重配合伸缩臂滑动。

进一步的，枢轴固定孔的孔径大于摆臂主体的内侧宽度。优选的。枢轴固定孔的孔径大于摆臂主体内侧宽度6mm。

进一步的，摆臂主体与枢轴通过对称于摆臂主体水平中心面的两个螺栓穿透固定。

进一步的，摆臂主体与伸缩臂之间为嵌套式结构，摆臂长度变化范围为460～560mm，在伸缩槽两侧距离枢轴中心240mm处各设有1个螺纹孔，根据测量分辨率要求确定伸缩臂在伸缩槽内移动的距离后，分别于两侧的螺纹孔用紧固螺钉将伸缩臂固定在伸缩槽内，保证测试过程中伸缩臂与摆臂主体无相对位移；此外，伸缩臂前端设有螺纹孔用于固定微推力待测装置。

进一步的，配重在配重移动槽内移动的可移动距离为40mm，所述的配重通过在底端设置的螺母及垫片与摆臂主体紧固。

进一步的，挠性轴分别通过挠性轴套和挠性轴底座将枢轴与底板相连。

进一步的，顶板上设有挠性轴定位孔与挠性轴通过紧固螺钉紧固，顶板上设有螺栓定位孔，其孔径大于支柱螺栓固定孔径4mm，即顶板与支柱在接触平面任意方向形成2mm的微调间隙。

所述标定系统根据平行轴定理，在枢轴中心两侧对称位置放置两相同圆柱形金属块，将摆臂拨动一定角度偏离平衡位置后释放，通过测试摆动过程数据间接标定转动惯量。

进一步的，所使用挠性轴型号为RIVERHAWK 5016-800。

进一步的，所使用的阻尼器为从长春市英普磁电技术开发有限公司定制的阻尼试验磁场源，由磁极和阻尼片组成。两个圆柱形磁极由专门用作电磁铁磁芯的软铁制成，直径为10mm。两磁极安装在相对的位置，其间距离约4mm。阻尼片由1mm厚的紫铜片切割而成，安装在摆臂的一端。阻尼器所使用的恒流源型号为Agilent E3633A。

进一步的，所使用的激光位移传感器型号为Thinkfocus CD5-30A，安装距离为30mm，量程为±5mm，精度为0.46μm，采样率可调，最高为10000Hz。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)可实现μN～mN量级的微推力测试；

(2)摆臂为可伸缩式，通过对摆臂长度的调节可满足不同连续测试精度的需求，且伸缩臂伸出后可实现不同尺寸微推力器的装载测试；

(3)配重砝码采用国家标准砝码规格，配重平台可在摆臂末端对应移动槽内滑动，易于配合摆臂长度伸缩实现装置调平；

(4)可通过微调顶板有效减小枢轴安装的偏心误差，提高测试精度；

(5)该装置枢轴与摆臂的固定方式可保证摆臂在宽度方向的水平；

(6)装置结构简单，体积小，可放置于定制的真空环境进行测试。

附图说明

图1是本发明测试装置的整体示意图。

图2是本发明测试装置的摆臂主体示意图。

图3是本发明测试装置的伸缩臂示意图。

图4是本发明测试装置的挠性轴套示意图。

图5是本发明测试装置的挠性轴底座示意图。

图6是本发明测试装置的顶板示意图。

图7是本发明测试装置的顶板与支柱固定方法示意图。

图8是本发明测试装置的配重平台示意图。

图标注释：1–摆臂主体；2–伸缩臂；3–枢轴；4–挠性轴；5–支柱；6–顶板；7–底板；8–配重；9–电磁阻尼器；10–位移传感器；11–工作平台；12–伸缩槽；13–枢轴固定孔；14–配重移动槽；15–微推力待测装置固定螺纹孔；16–激光反射壁面固定螺纹孔；17–挠性轴套；18–挠性轴底座；19–挠性轴定位孔；20–支柱定位孔；21–垫片；22–微调间隙。

具体实施方式

以下针对该装置本身和使用该装置进行测试的操作步骤结合附图对本发明做进一步说明：

本发明涉及一种精度可调的微推力测试装置，包括：在工作平台11上依次设置的位移传感器10、装置主体、配重8、电磁阻尼器9，

装置主体为扭摆，具体为：摆臂主体1、伸缩臂2、枢轴3、挠性轴4、支柱5、顶板6、底板7；

其中，摆臂主体1与枢轴3固定相对静止，枢轴3上下两侧通过轴套分别连接挠性轴4并定位于顶板6和底板7的中心，支柱5位于枢轴3两侧固定于顶板6和底板7之间；

摆臂主体1靠近位移传感器的一端，其内侧设有工字形的伸缩槽12，伸缩臂2设置为与该伸缩槽12相配合的工字形结构并可沿伸缩槽12滑动；

摆臂主体1的另一端上提供配重移动槽14使放置在摆臂主体1上的配重8配合伸缩臂2滑动。

使用的位移传感器10型号为Thinkfocus CD5-30A，量程为±5mm，精度为0.46μm，采样率可调，最高为10000Hz，安装在距离摆臂下方反射壁面30mm处，传感器10连接计算机软件实时测量摆臂振幅。位移传感器10为为反射式激光位移传感器，发射出光束经摆臂下方壁面反射后返回传感器内部，经计算机处理得出摆臂距离传感器的绝对距离；

使用的电磁阻尼器9为从长春市英普磁电技术开发有限公司定制的阻尼试验磁场源，由磁极和阻尼片组成。两个圆柱形磁极由专门用作电磁铁磁芯的软铁制成，直径为10mm。两磁极安装在相对的位置，其间距离约4mm。阻尼片由1mm厚的紫铜片切割而成，安装在摆臂的一端。阻尼器所使用的恒流源型号为Agilent E3633A。摆臂运动时带动末端连接的阻尼铜片与磁场相对运动产生阻力使摆臂逐渐恢复到平衡位置；

装置主体为扭摆，由摆臂主体1、伸缩臂2、枢轴3、挠性轴4、支柱5、顶板6、底板7组成，所用材料均为6061铝合金，密度为2.69g/cm³，表面喷砂氧化，其中：

摆臂主体1为工字型，如图2所示，总长460mm，宽40mm，厚30mm；摆臂前端内侧有长205mm的伸缩槽，距离前端300mm处为直径32mm的枢轴固定孔13，后端长40mm的配重平台移动槽；

伸缩臂2为工字型结构，如图3所示，总长255mm，宽32mm，厚16mm；前端为长100mm、宽40mm的微推力待测装置固定面，下方固定激光反射壁面；

枢轴3为外径32mm，内径16mm的空心圆柱，中间连接于摆臂主体枢轴固定通孔13处，上下两端分别固定挠性轴套17；

用于固定挠性轴4并连接枢轴3与底板7的2个挠性轴套和1个挠性轴底座如图4、5所示。挠性轴套4底部圆板固定于枢轴3的2个面，使用夹槽固定挠性轴的一侧作为挠性轴的活动端，使用螺栓将夹槽拧紧；挠性轴底座底部矩形板定位于底板对应矩形槽处，使用夹槽固定枢轴下侧挠性轴下端作为挠性轴的固定端；

底板7为长200mm，宽120mm，厚10mm的矩形板，中心位置设有挠性轴定位槽，定位枢轴3的中心位置；两侧固定高172.5mm，底面直径为25mm的圆柱型支柱5，支柱5上方固定于顶板；

顶板6中心有直径12.7mm与挠性轴直径匹配的挠性轴定位孔19，如图6所示，在挠性轴固定端使用紧固螺钉紧固；顶板7有直径10mm的支柱定位孔20，支柱对应螺纹孔径为6mm，可通过微调顶板减小安装过程中转轴上下不同心带来的偏心误差，如图7所示，在安装顶板过程中利用该微调间隙调整已连接好枢轴的顶板与支柱的相对位置，配合千分表可控制枢轴3轴心与工作平台11水平面处于垂直状态以减小由加工、装配过程引入的枢轴3上、下端偏心误差。装配微调，具体操作步骤如下：

(1)固定顶板之前，轻轻驱动枢轴转动，确认不存在异常转动阻力；

(2)使定制的直角靠尺底端接触底板，另一直角端竖直靠在枢轴外表面母线上，微调枢轴使枢轴与靠尺之间无肉眼可观缝隙；

(3)将靠尺换至与步骤(2)所测方向径向垂直一侧，重复步骤(2)；

(4)使千分表指针接触枢轴下侧外表面法线方向一点并调零，取下千分表令其指针接触枢轴上侧同母线方向一点并读数，微调枢轴使千分表读数趋近于零；

(5)取下千分表换至与步骤(4)所测方向径向垂直一侧，重复步骤(4)；

(6)保持枢轴与顶板位置不变，用螺栓和定制垫片固定顶板与支柱。

所使用的配重砝码采用国家标准砝码规格，具体规格为200g、100g、50g、20g、10g(×2)、5g、2g、1g(×2)；配重平台如图8所示，高67mm，底面为直径26mm，厚2mm的圆板，中直径5mm的圆柱形砝码定位轴；配重整体可在摆臂末端对应滑动槽(图标14)内移动，可移动距离40mm，使用螺母加垫片在下端将其与摆臂紧固。

使用本发明所涉及的一种精度可调式微推力测试装置进行测试，其具体操作步骤如下：

(1)实验原理准备如下：

扭摆系统动力学模型可归结为二阶质量－弹簧－阻尼模型。动力学方程为：

其中，θ为扭摆的转角；J为扭摆对转动轴的转动惯量；c为粘性阻尼系数；k为扭转刚度系数；l_force为推力器作用点距离转轴中心的距离。

当θ≤1时，

x＝l_sensor

其中，x为位移传感器测量的位移；l_sensor为位移传感器的测量点距离转轴的距离；

引入无阻尼固有振动频率ω₀，Hz；粘性系数μ；边界条件、初始条件可得：

其中，A为扭摆做正弦摆动时的最大振幅；I为待测冲量。

(2)打开阻尼器预热，打开激光位移传感器、计算机控制软件进行预准备；

(3)将微推力器安装在伸缩臂前端承载面上，根据测试需求调整伸缩臂位置后将其固定于摆臂主体相对静止；

(4)根据摆臂长度与推力器质量调整配重砝码质量及配重平台位置使扭摆水平方向平衡，分别测量l_force和l_sensor；

(5)根据平行轴定理间接标定扭摆的转动惯量，具体方法如下：

①试验原理准备：

根据平行轴定理，若质量为m的物体绕质心轴的转动惯量为J₀时，当转轴平行移动距离x时，则此物体对新轴线的转动惯量

J₁＝J₀+mx²

在扭摆的竖直轴两边对称放置两形状规则的金属块，由形状规则物体的转动惯量的理论公式可以得到两金属块的理论转动惯量J₂值

放上两金属块后扭摆的理论转动惯量J₁值为

J₁＝J₀+2J₂+2md²

由扭摆转动的周期

推导得到系统转动惯量的公式

其中，T₀为不加金属块时的摆动周期，T’为加金属块时的摆动周期，m为金属块的质量，d为金属块中心距离旋转轴中心的距离；

②将标定用的两圆柱形金属块分别对称放置于竖直转轴的两端，金属块中心距离转轴中心的距离为l，金属块的直径为D；

③打开激光位移传感器的收据采集软件；

④将摆臂拨动使其偏离平衡位置(在挠性轴转动范围内)，转动到一定角度，突然释放，记录摆动过程；

⑤改变金属块中心距离转轴中心的距离为l，重复步骤③～④；

⑥取摆动过程的前20个周期的时间，取平均值即可得到扭摆的周期T，根据式ω＝2π/T，即可得到扭摆系统的振动频率；

⑦整理和分析实验数据，计算得到该条件下扭摆的转动惯量；

(6)引发微推力器作用产生微推力使扭摆摆动，传感器记录实时振幅数据；

(7)一次测试完成后打开阻尼器使扭摆尽快恢复到平衡位置；

(8)重复步骤(6)、(7)进行多次测试；

(9)测试结束后恢复扭摆至平衡位置，关闭试验仪器；

(10)根据步骤(1)的方法进行数据处理，分析讨论试验结果。

以上所述，是本发明具有普遍适用性的实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是根据本发明技术实质对上述实施方式所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的保护范围。