用于弱力测试的悬挂标定装置的制作方法

本实用新型涉及弱力测试技术领域，具体涉及一种用于弱力测试的悬挂标定装置。

背景技术：

分辨率在微牛顿量级及更高精度的微推进器在高精度太空实验中有重要应用。在高精度的深空探测、空间卫星编队飞行等空间任务中，对卫星的姿态控制和轨道控制的精度要求越来越高，而控制的执行器即是高精度空间微推进器，它是空间任务极其重要的组成部分，其性能也决定了空间任务的执行质量甚至成败。另外，空间引力波探测计划、卫星重力场测量、空间等效原理检验、空间微重力隔振等项目中，还需要用微推进器对卫星或局部载荷受到的非引力扰动进行实时补偿，进行所谓的无拖曳控制。

而地面性能评估测试和精度标定是微推进器发展的必由之路，也是其空间应用的前提条件之一。

为了在地面实现亚微牛顿级的精密微推力测试和标定，多个国家的研究团队提出了不同的测试方案。(meas.sci.technol.17,2006,711；iepc-2009-236)，大都是基于扭称、单摆、倒摆等原理构建对弱力灵敏的机械结构，结合精密位移传感器进行弱力标定。其中法国团队的测试方案和德国团队的测试方案的基本原理均是采用含有配平质量的单摆方案，前者用加速度计测量地面震动并在数据处理中扣除相应误差，后者用两个名义上相同的摆做位移差分测量，该方案潜在分辨率高、控制带宽达到赫兹量级而从众多方案中脱颖而出，并得到了长足发展。

准确的标定微推力测试台是进行微推进器测试的前提。对于上述微推力测试方案，法国团队应用了离开摆体竖直轴线的一系列质量产生的力矩进行了测试台的标定，由于必须选定特定范围内的质量，且受限于天平标定质量的误差，该方案的相对标定误差约0.5％(iepc-2013-418)；德国团队用特制的标定和安装均较复杂的静电梳的静电力进行了测试台的标定，相对标定误差约0.3％(iepc-2013-275)。上述标定方法不仅操作较复杂，而且标定精度有待进一步提高。

鉴于此，克服以上现有技术中的不足，提供一种新的用于弱力测试的悬挂标定装置成为本领域亟待解决的技术问题。本实用新型提供一种相对标定精度高且操作便利的标定方案，从而克服现有技术的上述不足。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对现有技术的上述不足，提供一种用于弱力测试的悬挂标定装置及标定方法。

本实用新型的目的可通过以下的技术措施来实现：

本实用新型提供了一种用于弱力测试的悬挂标定装置，所述标定装置包括：

安装框架；

设于所述安装框架的台体，所述台体开设有轴向延伸的第一容纳腔、以及径向延伸的第二容纳腔，所述第二容纳腔的侧壁上形成有与所述台体的横截面平行且彼此相对的第一端面和第二端面；

设于所述第一容纳腔的微推进器；

至少两个设于所述台体和所述安装框架之间的拉丝约束组件，用于约束所述台体的自由度；

用于产生弱力的第一标定组件，包括设于所述安装框架并能沿水平方向移动的微纳米平移台、一端设于所述微纳米平移台的悬线、以及设于所述悬线另一端的标定球，所述标定球悬垂于所述第二容纳腔内、并位于第一端面和第二端面对应处；以及

设于所述台体的测微器。

优选地，所述标定装置还包括：

用于产生弱力的第二标定组件，包括设于所述台体远离所述微推进器的一端的导体部件和用于产生磁场的磁部件。

优选地，所述台体远离所述微推进器的一端形成有固定部，所述导体部件为绕设于所述固定部的线圈，所述磁部件为环形永磁铁，所述线圈位于所述磁部件的磁场中。

优选地，所述第一容纳腔和所述第二容纳腔互不相通，所述第一容纳腔从所述台体的第一端开始延伸，所述第二容纳腔靠近所述台体的第二端设置，所述第二标定组件设于所述台体的第二端。

优选地，每个拉丝约束组件包括一个施力调节件、以及至少三根第一拉丝，所述施力调节件用于为所述台体施加拉力以及为所述第一拉丝加载张力，所述第一拉丝的一端设于所述安装框架、另一端设于所述台体外表面，所述至少三根拉丝在所述台体的周向上彼此等间隔且呈放射状布设。

优选地，所述施力调节件包括第二拉丝、定滑轮和施力机构，所述第二拉丝的一端设于所述台体上、另一端经过所述定滑轮和所述施力机构相连。

优选地，所述施力调节件包括第二拉丝和设于所述第二拉丝上的弹性件。

本实用新型的标定装置采用第一标定组件，通过在微纳米平移台下悬挂已知质量的标定球，标定球在微纳米平移台的带动下抵靠台体的标定端面，悬线拉力在水平方向的分力即为标定输入，在保证测试精度的条件下，简化了结构，应用本实用新型的标定装置进行标定的操作简单。

附图说明

图1是本实用新型实施例的用于弱力测试的悬挂标定装置的结构示意图。

图2是本实用新型实施例的用于弱力测试的悬挂标定装置中第一标定组件施加弱力原理图。

图3是本实用新型实施例的用于弱力测试的悬挂标定装置中拉丝约束组件的侧视图。

图4是本实用新型实施例的用于弱力测试的悬挂标定装置中拉丝约束组件的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在下文中，将参考附图来更好地理解本实用新型的许多方面。附图中的部件未必按照比例绘制。替代地，重点在于清楚地说明本实用新型的部件。此外，在附图中的若干视图中，相同的附图标记指示相对应零件。

如本文所用的词语“示例性”或“说明性”表示用作示例、例子或说明。在本文中描述为“示例性”或“说明性”的任何实施方式未必理解为相对于其它实施方式是优选的或有利的。下文所描述的所有实施方式是示例性实施方式，提供这些示例性实施方式是为了使得本领域技术人员做出和使用本公开的实施例并且预期并不限制本公开的范围，本公开的范围由权利要求限定。在其它实施方式中，详细地描述了熟知的特征和方法以便不混淆本实用新型。而且，并无意图受到前文的技术领域、背景技术、

技术实现要素：
或下文的详细描述中给出的任何明示或暗示的理论限制。还应了解在附图中示出和在下文的说明书中描述的具体装置和过程是在所附权利要求中限定的实用新型构思的简单示例性实施例。因此，与本文所公开的实施例相关的具体尺寸和其他物理特征不应被理解为限制性的，除非权利要求书另作明确地陈述。

本实用新型实施例提供了一种用于弱力测试的悬挂标定装置，请参阅图1所示，所述标定装置包括：安装框架10、台体20、微推进器30、两个拉丝约束组件40、测微器50、第一标定组件60和第二标定组件70，其中，台体20通过两个拉丝约束组件40设置于安装框架10上，在本实施例中，台体20横向设置，两个拉丝约束组件40分别设于台体20的左右两端，两个拉丝约束组件40限制了台体20在y轴及z轴方向的平动和转动自由度，台体20在x轴方向(水平方向)能够平动或转动。

需要说明的是，本实施例虽然以台体20通过拉丝约束组件40设置于安装框架10的优选实施方式为例进行说明，但是，台体20和安装框架10的连接方式并不限于此，可以是其它任何方式。

其中，安装框架10可以是带真空维持能力的气密性系统，用于模拟和测试组件在真空状态下的工作状态。

其中，台体20呈圆柱状，台体20包括相对设置的第一端20a和第二端20b，台体20开设有第一容纳腔201和第二容纳腔202，其中，第一容纳腔201轴向延伸、第二容纳腔202径向延伸，并且，第一容纳腔201和第二容纳腔202互不相通，第一容纳腔201从台体20的第一端20a开始延伸，第二容纳腔202靠近台体20的第二端20b设置，微推进器30容纳于第一容纳腔201，当微推进器30作用时，推动该台体20在水平方向(x轴方向)从第一端20a向第二端20b移动。另外，第二容纳腔202的侧壁上形成有与该台体20的横截面平行且彼此相对的第一端面2021和第二端面2022，其中，第一端面2021相对靠近微推进器30，第二端面2022相对远离微推进器30。

第一标定组件60用于产生标准弱力，包括微纳米平移台601、悬线602和标定球603，微纳米平移台601设于该安装框架10，并能沿水平方向移动，悬线602的上端设于该微纳米平移台601，标定球603设于悬线602的下端，标定球603悬垂于第二容纳腔202内，并位于第一端面2021和第二端面2022对应处，第一端面2021和第二端面2022均为第一标定组件60的标定端面，请参阅图2所示，设从台体20第二端20b到第一端20a为第一方向，从台体20第一端20a到第二端20b为第二方向，当微纳米平移台601在第一方向移动时，标定球603抵靠第一端面20a，悬线602的拉力在水平方向的分力即为第一标定组件60向台体20施加的第一方向的标准弱力其中，mc为标定球的质量，lc为悬线的长度，g0为重力加速度，δxc为微纳米平移台在水平方向的移动距离；当微纳米平移台601在第二方向移动时，标定球603抵靠第二端面20b，悬线602的拉力在水平方向的分力即为第一标定组件60向台体20施加的第二方向的标准弱力f。

第二标定组件70为电磁力执行器，用于产生标准弱力，其包括导体部件701和磁部件702，导体部件701设于台体20的第二端20b，磁部件702用于产生磁场，具体地，台体20的第二端20b形成有固定部203，导体部件701为绕设于固定部203的线圈，磁部件702为环形永磁铁，线圈701位于磁部件702的磁场中，当线圈701中有电流通过时，在磁部件702的磁场中受到安培力的原理产生沿第一方向作用于台体20的磁力作为标准弱力f′＝blb·δi，其中，b为磁部件702的磁场强度，lb为导体部件701在磁场内的有效长度，δi为导电部件701的电流。

其中，测微器50设于台体20上，用于检测台体20在水平方向(x轴方向)上的位移；优选地，测微器50设于台体20的第二端20b。

其中，第一标定组件60和第二标定组件70可以分别独立地进行标定，以下分别进行具体说明。

当用第一标定组件60进行标定时，微纳米平移台601在第一方向移动时，标定球603抵靠第一端面20a，悬线602的拉力在水平方向的分力即为第一标定组件60向台体20施加的第一方向的第一标准弱力微推进器30向台体20施加沿第二方向的第一推力n1，第一标准弱力f和第一推力n1的方向相反，当台体20处于平衡状态时，台体20在水平方向的位移为0，通过测微器50可调节台体20处于平衡状态，此时，第一标准弱力f1与第一推力n1的大小相等，即微推力测试输出值δv＝n1sf，其中，sf为第一标定系数，因此，其中，δv为微推力测试输出，即台体和微推进器组成的微推力测试台的测量输出，mc为标定球的质量，lc为悬线的长度，g0为重力加速度，δxc为微纳米平移台在水平方向的移动距离。进一步地，当考虑标定球与标定端面间的摩擦系数β时，标定系数为因此通常情况下因摩擦引起的标定误差可忽略不计。

当用第二标定组件70进行标定时，当线圈701中有电流通过时，在磁部件702的磁场中受到安培力的原理产生沿第一方向作用于台体20的磁力作为第二标准弱力f′＝blb·δi，微推进器30向台体20施加沿第二方向的第二推力n2，第二标准弱力f′和第二推力n2的方向相反，当台体20处于平衡状态时，台体20在水平方向的位移为0，通过测微器50可调节台体20处于平衡状态，此时，第二标准弱力f′与第二推力n2的大小相等，即n2＝f′＝blb·δi，微推力测试输出值δv＝n2s′f，其中，s′f为第二标定系数，因此，其中，δv为微推力测试输出，即台体和微推进器组成的微推力测试台的闭环测量输出，b为磁部件的磁场强度，lb为导体部件在磁场内的有效长度，δi为导电部件的电流。

具体地，请参阅图3和图4所示，每个拉丝约束组件40包括一个施力调节件401、以及至少三根第一拉丝402，该施力调节件401用于为该台体20施加拉力以及为多个第一拉丝402加载张力，该第一拉丝402的一端设于该安装框架10、另一端设于该台体20外表面，多根第一拉丝402在该台体20的周向上彼此等间隔且呈放射状布设。优选地，至少三根第一拉丝402在台体20上的固定点位于同一圆周上，至少三根第一拉丝402在安装框架10上的固定点位于同一圆周上，至少三根第一拉丝402的长度相等。

在一个优选实施方式中，该台体20呈柱状，台体20的横截面呈圆形，第一拉丝402与该台体20的圆形的横截面相切。进一步地，该第一拉丝402的数量为3，相邻两个第一拉丝402之间的夹角为60°，请参阅图3和图4所示，其中一根第一拉丝402竖直设置，施力调节件401与竖直设置的第一拉丝402在该台体20上对称设置。

具体地，在第一个优选实施方式中，请参阅图3所示，施力调节件401包括第二拉丝4011、定滑轮4013和施力机构4012，第二拉丝4011的一端设于该台体20上、另一端经过所述定滑轮4013与所述施力机构4012相连，定滑轮4013固定于该安装框架10上，第二拉丝4011与台体20的圆形的横截面相切，第二拉丝4011和三根第一拉丝402共面设置。优选地，施力机构4012为砝码。

在台体20安装的过程中，为了使台体20保持如图所示的构型，需要给第一拉丝402预加载合适的张力，这可以通过拉力为t1的第二拉丝4011和拉力为t2的第二拉丝4011绕过固定在安装框架10上的定滑轮4013并由施力机构4012施加合适的力来实现，当施力机构4012为砝码时，通过挂载合适重量的砝码来实现。

当台体20被安装完毕时，第一拉丝402和第二拉丝4011均保持张力且彼此长度相同，其中，第一拉丝402的长度不变，第二拉丝4011的长度可调节，于是，共有八根等长的拉丝从安装框架10上连接到台体20的边缘以约束台体20的无关运动，具体地，拉力分别为f1、f2、f3的三根第一拉丝402互成60o相切地从安装框架10连接到台体20的第一端20a，拉力为t1的第二拉丝4011与拉力为f1的第一拉丝402对称的作用在台体20的一侧，拉力为f1、f2、f3和t1的四根拉丝作为一组，共面且与该台体20轴线垂直，但作用在台体20上的力矩方向相反；拉力分别为f4、f5、f6和t2的四根拉丝作为另一组，以同样的方式从安装框架10连接到该台体20的第二端20b。

当八根拉丝均保持张力时，台体20沿水平方向(台体20的轴向)的平动是柔性自由度，定性分析如下：请参阅图4所示，当有微推力作用在台体20的x方向，即拉丝平面的正交方向，两组拉丝在台体20一侧的连接点离开原来的面，由于其中的6根拉丝(第一拉丝402)不可伸长，因此该台体20在x轴方向会发生轻微转动，而另两根拉丝(第二拉丝4011)则会通过定滑轮4013的细微转动来维持拉丝约束组件40的整个弹性结构的张力(近似)不变。该台体20的其余四个自由度(y轴和z轴的平动和转动)则完全由8根拉丝的张力直接约束。由此可见，本实施例中，用8根拉丝约束该台体20，构建了沿x轴(水平方向)适合微推力测试的敏感方向。

进一步地，在第一个优选实施方式中，第二拉丝4011上还可以设置第一弹性件4014，第一弹性件4014与施力机构4012共同作用，实现对三根第一拉丝402张力的加载以及微推力作用在台体20的x方向导致该台体20会发生轻微转动时进行细微调节(第一弹性件4014的伸长以及定滑轮4013的细微转动)以维持拉丝约束组件40的整个弹性结构的张力近似不变。进一步地，第一弹性件4014为弹簧。

具体地，在第二个优选实施方式中，请参阅图4所示，施力调节件401直接设置弹性件作为施力机构，施力调节件401包括第二拉丝4011和设于第二拉丝4011上的第二弹性件4015，第二拉丝4011的一端设于台体20上，另一端设于该安装框架10上，第二拉丝4011与该台体20的圆形的横截面相切，第二拉丝4011和三根第一拉丝402共面设置。

在台体20安装的过程中，拉力为t1的第二拉丝4011和拉力为t2的第二拉丝4011通过第二弹性件4015的伸长实现为第一拉丝402预加载合适的张力。

当台体20被安装完毕时，第一拉丝402和第二拉丝4011均保持张力且彼此长度相同，其中，第一拉丝402的长度不变，第二拉丝4011的长度通过第二弹性件4015的长度变化而调节，微推力作用在台体20的x方向导致该台体20会发生轻微转动时，两根拉丝(第二拉丝4011)则会通过第二弹性件4015的伸长来维持拉丝约束组件40的整个弹性结构的张力(近似)不变。进一步地，第二弹性件4015为弹簧。

可以理解的是，本实施例虽然以设于台体左右两端的两个拉丝约束组件为例进行说明，但是拉丝约束组件不限于两个，可以是三个或三个以上，沿着台体轴向均匀布置即可；当台体呈薄片状时(沿x方向厚度较小)，拉丝约束组件的数量也可以是一个。

基于同一实用新型构思，本实用新型实施例中还提供了一种用于弱力测试的标定方法，应用上述的标定装置进行标定，如下面的实施例，该标定方法包括如下步骤：

s101，调节微纳米平移台在水平方向的移动距离，使标定球抵靠在台体的第一端面而施加的第一标准弱力与微推进器的第一推力相等。

s102，根据所述微纳米平移台在水平方向的移动距离与所述微推进器的输出的关系计算第一标定系数。

在步骤s101中，第一标准弱力f和第一推力n1的方向相反，当台体20处于平衡状态时，台体20在水平方向的位移为0，通过测微器50可调节台体20处于平衡状态，此时，第一标准弱力f1与第一推力n1的大小相等。

在步骤s102中，微推进器30的输出值δv＝n1sf，其中，sf为第一标定系数，因此，其中，δv为微推力测试输出，mc为标定球的质量，lc为悬线的长度，g0为重力加速度，δxc为微纳米平移台作用下标定球在水平方向的移动距离。

进一步地，还可以通过第二标定组件进行标定，该标定方法还包括如下步骤：

s103，调节导体部件的电流，使通电的导体部件在磁部件的磁场作用下施加的第二标准弱力与微推进器的推力相等。

s104，根据所述导电部件的电流与所述微推进器的输出的关系计算第二标定系数。

在步骤s103中，第二标准弱力f′和第二推力n2的方向相反，当台体20处于平衡状态时，台体20在水平方向的位移为0，通过测微器50可调节台体20处于平衡状态，此时，第二标准弱力f′与第二推力n2的大小相等。

在步骤s104中，n2＝f′＝blb·δi，微推进器30的输出值δv＝n2s′f，其中，s′f为第二标定系数，因此，其中，δv为微力测试输出，b为磁部件的磁场强度，lb为导体部件在磁场内的有效长度，δi为导电部件的电流。

进一步地，第一标定组件60和第二标定组件70还可以相互进行校正，例如，当第一标定组件60的标准球603的质量用精度为毫克量级的精密天平事先标定，微纳米平移台的精度也进行事先校正后，可以辅助完成第二标定组件70中导体部件701的电流的精度校正，具体地，该标定方法还包括如下步骤：

s105，调节微纳米平移台在水平方向的移动距离以及导体部件的电流，使标定球抵靠在台体的第二端面而施加的第三标准弱力与通电的导体部件在磁部件的磁场作用下施加的第四标准弱力相等。

s106，根据所述微纳米平移台在水平方向的移动距离与所述导电部件的电流的关系对导电部件的电流进行校正。

在步骤s105中，通过测微器50确定台体20处于平衡位置，此时，第三标准弱力n3和第四标准弱力n4方向相反、大小相等。

在步骤s106中，n4＝blb·δi，δi为导电部件的电流。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。