专利名称：一种微小冲量测量装置的制作方法
技术领域：
本发明属于空间推力器测试领域，具体涉及一种微小冲量测量装置。
背景技术：
脉冲等离子体推力器PPT具有比冲高、功耗低、结构简单、能够精确产生微小控制 力等优点，被用以微小卫星轨道控制、星座编队飞行等任务。PPT的研究和应用都离不开对 其产生的微小冲量的精确测量。PPT产生的冲量非常小，一般为几十到几百微牛秒，冲量测量过程中干扰因素大， 因此需要特别设计一种装置来测量PPT产生的冲量。
发明内容
本发明的目的在于设计一种微小冲量的测量装置，来测量空间微小推力器，如PPT 产生的冲量。本发明所述的微小冲量测量装置一种微小冲量测量装置，包括静架、中心轴、动 架、电磁力校准机构、配重、位移传感器；其中，静架上安装有中心轴，中心轴上套接有动架， 动架上安装有电磁力校准机构与配重，还安装有位移传感器。所述静架包括底座、调整圆脚、调整片、支架A、支架B、上连接板、动架支座、电线 布置板。底座为水平平台，底座的上表面与下面的分别均勻对称安装有调整片与调整圆角， 调整圆角与调整片间通过螺杆螺纹连接；底座上表面两侧边处分别安装有支架A、支架B， 底座上表面另一侧边处固定安装有动架支座；支架A与支架B上端通过上连接板固定连接， 使支架A与支架B上端的相对固定；上连接板上方安装有电线布置板。所述中心轴包括底盘、第一枢轴、第一开口环、第一环套、第一枢轴夹具、主轴、第 二开口环、第二环套、第二枢轴、第二枢轴夹具与上盘、垫片。底盘上开有中心孔，第一枢轴下端通过中心孔与底盘间相互定位，底盘与第一枢 轴下端间设置有垫片；第一枢轴上由下至上依次套接有第一环套与第一开口环，通过第一 开口环和第一环套将第一枢轴与底盘相对固定；主轴下部开有中心孔，第一枢轴上端通过 中心孔与主轴相互定位，主轴与第一枢轴上端间设置有垫片。并通过主轴下部固定安装的 第一枢轴夹具将第一枢轴夹紧，使第一枢轴与主轴相对固定；主轴上端开有中心孔，第二枢 轴下端通过中心孔与主轴相互定位，第二枢轴与主轴之间设置有垫片；第二枢轴上由上至 下依次套有第二环套与第二开口环，第二枢轴通过第二开口环和第二环套固定于主轴；上 盘下端有中心孔，第二枢轴上端通过中心孔与上盘相互定位；上盘下部固定有第二枢轴夹 具，通过第二枢轴夹具将第二枢轴上端夹紧，使第二枢轴与上盘相对固定；中间轴安装在静 架中底座上表面中心处与连接板之间。所述动架为长板，固定套接在中心轴中的主轴上，动架的短边中心点位于主轴的 轴线上，动架与静架中动架支座上固定连接；动架的一端安置电磁力校准机构与配重，电磁 力校准机构与配重。
将待测微小冲量推力器放置在动架一端，脉冲等离子体推力器工作时，产生的微 小冲量会使得动架发生摆动，通过位移传感器获得动架摆动的位移信号，从而得到动架摆 动的最大位置。根据电磁校准机构得到的动架的偏转位移与电磁力的关系，以及测量得到 的动架摆动的周期，最终得到待测微小冲量推力器产生的冲量。本发明的优点在于(1)动架绕中心轴转动不存在摩擦；(2)电磁力校准机构为非接触式，并具有均勻稳定的内部磁场；(3)推力器的安装简单方便，推力器所需电源线布置带来影响消除；(4)电磁阻尼电路产生的阻尼系数可以根据测量要求进行调节。
图1为本发明微小冲量测量装置结构示意图；图2为本发明微小冲量测量装置中静架结构示意图；图3为本发明微小冲量测量装置中中心轴结构示意图；图4为本发明微小冲量测量装置中电磁力校准机构结构示意图；图5为电磁力校准妾图中1-静架 力校准机构5-配重 整圆脚103-调整片 连接板107-动架支座 架固定杆2Ol-底盘
一环套205-第一枢轴夹具
二环套209-第二枢轴 片301-动架固定孔
磁铁组A404-小磁铁组B
一宽联接环4013-第一窄联接环 4014-中磁体4015-第二宽联接环 4016-第
二窄联接环4017-右磁体 4018-小磁铁
5
构中永磁机构爆炸图。
2-中心轴3-动架4-电磁
6-位移传感器101-底座102-调
104-支架A105-支架B106-上
108-电线布置板109-支撑台110-动
202-第一枢轴203-第一开口环204-第
206-主轴207-第二开口环208-第
210-第二枢轴夹具211-上盘212-垫
401-永磁机构402-线圈403-小
405-漆包线4011-左磁体4012-第
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
做进一步详细说明。如图1所示，本发明所述的微小冲量测量装置包括静架1、中心轴2、动架3、电磁力 校准机构4、配重5、位移传感器6。其中，静架1用来支撑整个微小冲量装置，静架1上安装 有中心轴2，中心轴2上套接有动架3，动架3的一端安装有电磁力校准机构4与配重5，动 架上还安装有位移传感器6。所述静架1包括底座101、调整圆脚102、调整片103、支架A104、支架B105、上连 接板106、动架支座107、电线布置板108、支撑台109，如图2所示。底座101为水平矩形平 台，底座101的上表面与下面的四个角处分别设置有调整片103与调整圆角102，调整圆角 102与调整片103间通过螺杆螺纹连接。通过调节调整片103与调节圆脚102之间的相对 位置，实现对微小冲量测试装置的水平状态进行调整。底座101上表面中心位置设计有沉 台与通孔，用来定位与安装中心轴2。底座101上表面两侧边处分别安装有支架A104、支架 B105，底座101上表面另一侧边处固定安装有动架支座107。支架A104与支架B105上端通 过上连接板106固定连接，使支架A104与支架B 105上端的相对固定。所述动架支座107 为“L”形，“L”短边的端面与底座101固定连接，“L”长边上固定安装有动架固定杆110。 在上连接板上表面固定有倒“U”形结构的支撑台109，支撑台109上用来安装电线布置板 108。电线布置板108用来布置线路，如待测量的微小冲量的推力器的电源线。为了使布 置的线路对测量的影响最小，需要将线路远离测量装置中的其他部件，因此将电线布置板 108设计为长板结构，竖直安装在支撑台109上部，电线布置板108的下端与支撑台109顶 部固定连接，上端用来布置线路。通过上述连接形成了微小冲量测量装置的整体框架。所述中心轴2为无摩擦的弹性轴，如图3所示，包括底盘201、第一枢轴202、第一 开口环203、第一环套204、第一枢轴夹具205、主轴206、第二开口环207、第二环套208、第 二枢轴209、第二枢轴夹具210与上盘211、垫片212。其中，底盘201上开有中心孔，第一枢轴202下端通过中心孔与底盘201间相互定 位，底盘201与第一枢轴202下端间设置有垫片212。第一枢轴202上由下至上依次套接有 第一开口环203与第一环套204，通过第一开口环203和第一环套204使第一枢轴与底盘 201相对固定，实现方式为第一开口环203设计为圆台形环状结构，且周向上有一开口 ；第 一环套204中心通孔边缘为凹进结构；第一环套204通过螺栓与底盘201固定连接，通过第 一环套204上的凹进处与第一开口环203的圆台结构配合，使凹进处挤压第一开口环203， 使第一开口环203周向上的开口处的两端靠近，第一开口环203夹紧第一枢轴202，由此使 第一枢轴202与底盘201相对固定。主轴206下部开有中心孔，第一枢轴202上端通过中心孔与主轴206相互定位，主 轴206与第一枢轴202上端间设置有垫片。并通过主轴206下部固定安装的第一枢轴夹具 205将第一枢轴202夹紧，使第一枢轴202与主轴206相对固定。主轴206上端开有中心孔，第二枢轴209下端通过中心孔与主轴206相互定位，第 二枢轴209与主轴206之间设置有垫片。第二枢轴209上由上至下依次套有第二环套208 与第二开口环207，第二枢轴209通过第二开口环207和第二环套208固定于主轴206。其 中，第二开口环207与第一开口环203结构相同，第二环套208与第一环套204结构相同； 第二环套208通过螺栓与主轴206固定连接，通过第二环套208上的凹进处与第二开口环207的圆台结构配合，使凹进处挤压第二开口环207，使第二开口环207周向上的开口处两 端靠近，第二开口环207夹紧第二枢轴209，由此使第二枢轴209与主轴206相对固定。上盘211下端有中心孔，第二枢轴209上端通过中心孔与上盘211相互定位。上 盘211下部固定有第二枢轴夹具210，通过第二枢轴夹具210将第二枢轴209上端夹紧，由 此使第二枢轴209与上盘211相对固定。通过上述部件间的连接，最终形成中间轴2，且中 间轴2结构灵活，可自由调整各部件间的位置。中间轴2安装在静架1中底座101与上连 接板106之间，其中底盘201嵌入到静架1中底座101上表面的沉台内，并通过螺栓与底座 101上表面的通孔固连。上盘211通过螺栓与上连接板106固定连接；本实施例中在上连 接板106上开有通孔，第二枢轴夹具210置于通孔中，上盘211位于连接板上方与连接板固 定连接，从而实现上盘211与上连接板106间的相对定位，且上连接板106还可对中心轴2 起到支撑作用，上盘211的上端位于支撑台109的“U”形开口内。所述动架3为长板，通过螺钉固定套接在中心轴2中的主轴206上，如图1所示。 动架3的短边中心点位于主轴206的轴线上，动架3上开有动架固定孔301，动架固定孔301 与静架1中动架支座107上的动架固定杆110螺纹连接，实现对动架3的定位。动架3的 一端安置电磁力校准机构4与配重5，电磁力校准机构4与配重5距离中心轴2的轴线垂直 距离为400mm ；动架3的另一端可以安置待测微小冲量的推力器，如脉冲等离子体推力器， 待测微小冲量推力器距离中心轴2的轴线垂直距离为500mm ；配重5用于平衡待测微小冲 量的推力器的重量，使得动架3的重心位于中心轴2的轴线上。动架3上还开有用来走线 的走线孔。所述电磁力校准机构4，为为非接触式校准机构，用来校准微小冲量，且校准不受 动架3摆动的影响。如图4所示，电磁力校准机构4包括永磁机构401与线圈402，永磁机 构401包括左磁体4011、第一宽联接环4012、第一窄联接环4013、中磁体4014、第二宽联接 环4015、第二窄联接环4016、右磁体4017。其中，第一窄联接环4013与第二窄联接环4016结构相同，为内径44mm、外径 60mm、长度2mm的圆环；第一宽联接环4012与第二宽联接环4015结构相同，为内径40mm， 外径50mm，长度12mm的圆环，第一宽联接环4012的右端与第一窄联接环4013固连，第二宽 联接环4015的左端与第二窄联接环4016固连；第一窄联接环4013的右端面与第二窄联接 环4016的左端面间磁性连接有中磁体4014，中磁体4014具有轴向的磁场，且与第一窄联接 环4013相连的一端为N极，与第二窄联接环4016相连的一端为S极；第一宽联接环4012 与第二宽联接环4015的周向上分别磁性连接有左磁体4011与右磁体4017，左磁体4011与 右磁体4017具有径向的磁场，且左磁体4011径向外端为N极，内端为S极；右磁体4017径 向外端为S极，内端为N极；所述中磁体4014由6个小磁铁组A4018构成，每个小磁铁组A403由4块小磁铁 4018叠加而成；每块小磁铁4018拥有轴向的磁化方向；6个小磁铁组A4018均勻磁性连接 在第一窄联接环4013的端面与第二窄联接环4016的端面间周向的位置；所述左磁体4011 与右磁体4017各由12个小磁铁组B404构成，分别均勻磁性连接在第一宽联接环4012与 第二宽联接环4015周向外侧壁上，每个小磁铁组B404由3块小磁铁4018叠加而成；所述 小磁铁4018为IOmmX 6mmX 2mm的钕铁硼小磁铁，且小磁铁组A403中IOmm的边与第一窄 联接环4013和第二窄连接环4016的内径圆相切；
所述的线圈402如图4所示，线圈骨架上缠绕有漆包线405，线圈骨架的端面直径 小于永磁机构401的内径，线圈402进入到永磁机构401内径中，使线圈402上的电流与永 磁机构401内部磁场共同作用，产生校准力。通过电磁校准机构4来产生大小已知并且可控的电磁力，这个电磁力用来作为标 准的校准力。在这个力的作用下，动架3会发生偏转，从而建立动架3的偏转位移与电磁力 之间的关系。将待测微小冲量推力器放置在动架3 —端，脉冲等离子体推力器工作时，产生的 微小冲量会使得动架3发生摆动，通过位移传感器6获得动架3摆动的位移信号，从而得到 动架3摆动的最大位置。根据电磁校准机构4得到的动架3的偏转位移与电磁力的关系， 以及测量得到的动架3摆动的周期，最终得到待测微小冲量推力器产生的冲量。
权利要求
1.一种微小冲量测量装置，其特征在于包括静架、中心轴、动架、电磁力校准机构、配 重、位移传感器；其中，静架上安装有中心轴，中心轴上套接有动架，动架上安装有电磁力校 准机构与配重，还安装有位移传感器；所述静架包括底座、调整圆脚、调整片、支架A、支架B、上连接板、动架支座、电线布置 板；底座为水平平台，底座的上表面安装有调整片，下表面安装有调整圆脚，调整圆脚与调 整片间通过螺杆螺纹连接；底座上表面两侧边处分别安装有支架A、支架B，底座上表面的 侧边处还固定安装有动架支座；支架A与支架B上端通过上连接板固定连接，使支架A与支 架B相对固定；上连接板上方安装有电线布置板；中心轴的底盘安装在静架中底座上表面 中心处与上连接板之间；所述中心轴包括底盘、第一枢轴、第一开口环、第一环套、第一枢轴夹具、主轴、第二开 口环、第二环套、第二枢轴、第二枢轴夹具与上盘、垫片；底盘上开有中心孔，第一枢轴下端通过中心孔与底盘间相互定位；第一枢轴上由下至 上依次套接有第一环套与第一开口环，通过第一开口环和第一环套将第一枢轴与底盘相对 固定；主轴下部开有中心孔，第一枢轴上端通过主轴下部中心孔与主轴相互定位；并通过 主轴下部固定安装的第一枢轴夹具将第一枢轴夹紧，使第一枢轴与主轴相对固定；主轴上 端开有中心孔，第二枢轴下端通过主轴上端中心孔与主轴相互定位；第二枢轴上由上至下 依次套有第二环套与第二开口环，第二枢轴通过第二开口环和第二环套固定于主轴；上盘 下端有中心孔，第二枢轴上端通过上盘下端中心孔与上盘相互定位；上盘下部固定有第二 枢轴夹具，通过第二枢轴夹具将第二枢轴上端夹紧，使第二枢轴与上盘相对固定；所述动架为长板，固定套接在中心轴中的主轴上，动架与静架中的动架支座固定连接； 动架的一端安置电磁力校准机构与配重。
2.如权利要求1所述一种微小冲量测量装置，其特征在于第一开口环为圆台形环 状结构，周向上有一开口 ；第一环套中心通孔边缘为凹进结构；第一环套与底盘固定连接， 第一环套上的凹进处与第一开口环的圆台结构配合，使凹进处挤压第一开口环，使第一开 口环周向上的开口处的两端靠近，使第一开口环夹紧第一枢轴，使第一枢轴与底盘相对固 定；第二开口环与第一开口环结构相同，第二环套与第一环套结构相同；第二环套与主轴 固定连接，通过第二环套上的凹进处与第二开口环的圆台结构配合，凹进处挤压第二开口 环，第二开口环周向上的开口处两端靠近，使第二开口环夹紧第二枢轴，由此使第二枢轴与 主轴相对固定。
3.如权利要求1所述一种微小冲量测量装置，其特征在于所述底座上表面中心处有 沉台，中心轴的底盘嵌入到静架中底座上表面的沉台内，并与底座固连。
4.如权利要求1所述一种微小冲量测量装置，其特征在于在所述的上连接板上表面 固定支撑台，所述的电线布置板通过支撑台固定安装在上连接板上。
5.如权利要求4所述一种微小冲量测量装置，其特征在于所述支撑台为倒“U”形结构。
6.如权利要求4所述一种微小冲量测量装置，其特征在于所述电线布置板为长板，竖 直固定安装在支撑台上。
7.如权利要求1或4或5所述一种微小冲量测量装置，其特征在于所述上连接板上开有通孔，第二枢轴夹具置于通孔中，上盘位于上连接板上方与上连接板固定连接，上盘位 于支撑台的倒“U”形开口内。
8.如权利要求1所述一种微小冲量测量装置，其特征在于所述动架支座上固定安装 有动架固定杆。
9.如权利要求1所述一种微小冲量测量装置，其特征在于所述动架的短边中心点位 于主轴的轴线上。
10.如权利要求1所述一种微小冲量测量装置，其特征在于所述的电磁力校准机构包 括永磁机构与线圈；永磁机构包括左磁体、第一宽联接环、第一窄联接环、中磁体、第二宽联 接环、第二窄联接环、右磁体；其中，第一窄联接环与第二窄联接环结构相同，为内径44mm、外径60mm、长度2mm的圆 环；第一宽联接环与第二宽联接环结构相同，为内径40mm，外径50mm，长度12mm的圆环，第 一宽联接环、第二宽联接环的一端分别与第二宽联接环、第二窄联接环的一端固连；第一窄 联接环的端面与第二窄联接环的端面间磁性连接有中磁体，中磁体具有轴向的磁场，且与 第一窄联接环相连的一端为N极，与第二窄联接环相连的一端为S极；第一宽联接环与第二 宽联接环的周向上分别磁性连接有左磁体与右磁体，左磁体与右磁体具有径向的磁场，且 左磁体径向外端为N极，内端为S极；右磁体径向外端为S极，内端为N极；所述中磁体由6个小磁铁组A构成，每个小磁铁组A由4块小磁铁叠加而成；每块小磁 铁拥有轴向的磁化方向；6个小磁铁组A均勻磁性连接在第一窄联接环的端面与第二窄联 接环的端面间周向的位置，；所述所述左磁体与右磁体各由12个小磁铁组B构成，分别均勻 磁性连接在第一宽联接环与第二宽联接环周向外侧壁上，每个小磁铁组B由3块小磁铁叠 加而成；中磁体的横截面两端结构相互对称。所述小磁铁为IOmmX 6mmX 2mm的钕铁硼小磁铁，且小磁铁组A中IOmm的边与第一窄 联接环、第二窄连接环的内径圆相切；线圈包括骨架与漆包线，骨架上缠绕有漆包线，骨架的端面直径小于永磁机构的内径， 线圈进入到永磁机构内径中，使线圈上的电流与永磁机构内部磁场共同作用，产生校准力。
全文摘要
本发明公开一种微小冲量测量装置包括动架、静架、中心轴、位移传感器、电磁力校准机构与配重。动架上安装需要测量冲量的推力器、位移传感器及相应的配重；静架上安装中心轴；动架能够绕中心轴转动；将待测微小冲量推力器放置在动架一端，微小冲量推力器工作时，产生的微小冲量会使动架发生摆动，通过位移传感器获得动架摆动的位移信号，得到动架摆动的最大位置。根据电磁校准机构得到的动架的偏转位移与电磁力的关系以及动架摆动的周期，得到待测微小冲量推力器产生的冲量。本发明的优点在于动架绕中心轴转动不存在摩擦；电磁力校准机构为非接触式，并具有均匀稳定的内部磁场；推力器的安装简单方便，推力器所需电源线布置带来影响消除。
文档编号G01L5/00GK102072790SQ201010547069
公开日2011年5月25日 申请日期2010年11月16日 优先权日2010年11月16日
发明者刘畅, 施陈波, 汤海滨 申请人:北京航空航天大学