一种单丝扭摆式快响应直接力及微冲量测量装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种单丝扭摆式快响应直接力及微冲量测量装置，包括单丝扭摆、加速度传感器、冲量检测单元、电压信号调理单元和数据处理模块，单丝扭摆包括底座，底座上设有竖直固定的扭丝，扭丝的中部固定有水平布置的摆动臂，摆动臂上装设有用于夹持固定射流激励器或推力器的夹持器，加速度传感器装设固定于摆动臂上，冲量检测单元包括激光器、反光镜和光电位置传感器，反光镜装设于摆动臂上，激光器通过反光镜的反射对准光电位置传感器，光电位置传感器、加速度传感器的输出端分别通过电压信号调理单元和数据处理模块相连。本发明能够实现对等离子体高能合成射流的快响应直接力及微冲量测量，具有测量精度高、抗干扰能力强、结构简单的优点。
【专利说明】一种单丝扭摆式快响应直接力及微冲量测量装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及高超声速飞行器高机动性技术研究领域，具体涉及一种单丝扭摆式快响应直接力及微冲量测量装置。
【背景技术】
[0002]等离子体高能合成射流激励器自2003年约翰霍普金斯大学应用物理实验室首次提出后，一直受到广泛的关注和研究。等离子体高能合成射流激励器产生等离子体高能合成射流，由于其射流的形成不需要气源、管路、阀门等装置，而是直接利用周围流场气体形成射流，即无流体供应系统，具有响应快、无移动部件、质量轻、射流穿透能力强等优点，因此在高速流动控制方面显示出巨大应用潜力。
[0003]随着超声速/高超声速飞行器技术的迅速发展，直接力控制技术正成为改善高速飞行器响应速度、提高制导精度、增加可用过载和机动能力的有效手段。相对基于空气舵的气动力控制方式，基于侧向喷流的直接力控制具有时间延迟小、响应速度快、高空环境控制效率高的优点。目前基于侧向喷流的反作用力控制系统，主要通过小型推力器或高压储气/液罐装置喷射高速气/液射流产生侧喷力。小型推力器主要选用燃气发生器、小型火箭发动机或者直接由主发动机侧向引流，这种实现方式的缺点在于直接力的工作范围受到推力器燃料消耗的限制，推力大小不可调且推力器燃料消耗尽之后不能继续使用。高压储气罐装置则气液燃料的体积巨大，携带不方便，推力器工作时燃料消耗会引起飞行器质心的漂移。针对这两种直接力产生方式存在的不足，结合等离子体高能合成射流激励器的特点，国防科技大学在2011年首先提出了将等离子体高能合成射流激励器作为反作用力生成装置，用于飞行器快响应直接力控制的思想，并于2012年申请了 “一种快响应直接力产生装置”发明专利。
[0004]但是，目前对于等离子体高能合成射流快响应直接力的测量，目前尚无有效的测量仪器，主要是存在时间响应太快(微秒量级，常规喷流响应时间为毫秒量级)、电磁干扰严重(常规喷流无电磁干扰)等技术难题。针对这些技术难点，亟需设计一种能够在强电磁干扰下工作的快响应直接力/微冲量测量仪器，这对于等离子体高能合成射流激励器应用于高超声速飞行器快响应直接力控制研究具有重要意义。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是:为更好开展快响应直接力作用高超声速飞行器实现高机动控制性能的研究，针对现有技术的上述问题，提供一种能够实现对等离子体高能合成射流的快响应直接力及微冲量测量，测量精度高、抗干扰能力强、结构简单的单丝扭摆式快响应直接力及微冲量测量装置。
[0006]为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为:
[0007]—种单丝扭摆式快响应直接力及微冲量测量装置，包括单丝扭摆、加速度传感器、冲量检测单元、电压信号调理单元和数据处理模块，所述单丝扭摆包括底座，所述底座上设有竖直固定的扭丝，所述扭丝的中部固定有水平布置的摆动臂，所述摆动臂上装设有用于夹持固定射流激励器或推力器的夹持器，所述加速度传感器装设固定于摆动臂上，所述冲量检测单元包括激光器、反光镜和光电位置传感器，所述反光镜装设于摆动臂上，所述激光器的发射头通过反光镜的反射对准光电位置传感器，所述光电位置传感器、加速度传感器的输出端分别通过电压信号调理单元和数据处理模块相连。
[0008]优选地，所述加速度传感器包括相互连接固定的屏蔽壳体和支座，所述屏蔽壳体内设有压电元件、惯性元件和弹簧，所述惯性元件一端通过压电元件与屏蔽壳体的内壁相连、另一端通过弹簧与屏蔽壳体的内壁相连，所述压电元件为采用偏聚氟乙烯制成的压电薄膜，所述压电元件通过屏蔽导线引出屏蔽壳体外并与电压信号调理单元相连。
[0009]优选地，所述加速度传感器装设固定于摆动臂的端部且位于夹持器的背面。
[0010]优选地，所述反光镜装设于摆动臂的中部。
[0011]优选地，所述反光镜为对激光器发射的激光频率具有98%以上反射率的镀膜光学平面镜。
[0012]本发明的单丝扭摆式快响应直接力及微冲量测量装置具有下述优点:本发明的单丝扭摆式快响应直接力及微冲量测量装置在工作时，通过加速度传感器接受射流激励器或推力器产生的反作用力，将加速度信号转换为电压信号，再经电压信号调理单元转换为合适大小并能检测的电压信号输出至数据处理模块；同时，射流激励器或推力器产生的反作用力使得单丝扭摆的扭丝偏转一定角度，反光镜随着扭丝转动，由于激光器的发射头通过反光镜的反射对准光电位置传感器，因此冲量检测单元能够放大扭丝的偏转位移，光电位置传感器采集偏转位移的光斑位移并输出电流信号，再经电压信号调理单元转换为合适大小并能检测的电压信号输出至数据处理模块，最终通过数据处理模块利用已经标定好的加速度一电压关系、冲量一电压关系，将来自加速度传感器的电压值换算为加速度数值、将来自光电位置传感器的电压值换算为冲量数值，并绘出直接力随时间的变化曲线，从而完成快响应直接力及微冲量的在强电磁干扰环境下快响应(微秒量级)直接力、微冲量(微牛秒量级)测量，具有能够实现对等离子体高能合成射流的快响应直接力及微冲量测量，测量精度高、抗干扰能力强、结构简单的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本发明实施例的框架结构示意图。
[0014]图2为本发明实施例中单丝扭摆及其相关部件的安装结构示意图。
[0015]图3为本发明实施例中加速度传感器的原理示意图。
[0016]图4为本发明实施例中冲量测量的原理示意图。
[0017]图例说明:1、单丝扭摆；11、底座；12、扭丝；13、摆动臂；131、夹持器；2、加速度传感器；21、屏蔽壳体；22、支座；23、压电元件；24、惯性元件；25、弹簧；3、冲量检测单元；31、激光器；32、反光镜；33、光电位置传感器；4、电压信号调理单兀；5、数据处理模块。
【具体实施方式】
[0018]如图1和图2所示，本实施例的单丝扭摆式快响应直接力及微冲量测量装置包括单丝扭摆1、加速度传感器2、冲量检测单元3、电压信号调理单元4和数据处理模块5，单丝扭摆I包括底座11，底座11上设有竖直固定的扭丝12，扭丝12的中部固定有水平布置的摆动臂13，摆动臂13上装设有用于夹持固定射流激励器或推力器的夹持器131，加速度传感器2装设固定于摆动臂13上，冲量检测单元3包括激光器31、反光镜32和光电位置传感器33,反光镜32装设于摆动臂13上,激光器31的发射头通过反光镜32的反射对准光电位置传感器33，光电位置传感器33、加速度传感器2的输出端分别通过电压信号调理单元4和数据处理模块5相连。本实施例在工作时，通过加速度传感器2接受射流激励器或推力器产生的反作用力，将加速度信号转换为电压信号，再经电压信号调理单元4转换为合适大小并能检测的电压信号输出至数据处理模块5 ;同时，射流激励器或推力器产生的反作用力使得单丝扭摆I的扭丝12偏转一定角度，反光镜32随着扭丝12转动，由于激光器31的发射头通过反光镜32的反射对准光电位置传感器33，因此冲量检测单元3能够放大扭丝12的偏转位移，光电位置传感器33米集偏转位移的光斑位移并输出电流信号,再经电压信号调理单元4转换为合适大小并能检测的电压信号输出至数据处理模块5，最终通过数据处理模块5利用已经标定好的加速度一电压关系、冲量一电压关系，将来自加速度传感器2的电压值换算为加速度数值、将来自光电位置传感器33的电压值换算为冲量数值，并绘出直接力随时间的变化曲线，从而完成快响应直接力及微冲量的测量，能够实现对等离子体高能合成射流的快响应直接力及微冲量在强电磁干扰环境下快响应(微秒量级)直接力、微冲量(微牛秒量级)的测量，具有测量精度高、抗干扰能力强、结构简单的优点。
[0019]本实施例中，夹持器131中夹持固定的具体是等离子体高能合成射流激励器。此夕卜，毫无疑问，本实施例也可以适用于其它类型的射流激励器或推力器。
[0020]如图1和图2所示，本实施例中加速度传感器2装设固定于摆动臂13的端部且位于夹持器131的背面，由于等离子体高能合成射流激励器推动摆动臂13时，摆动臂13对扭丝12的扭力最大且其端部加速度最大，因此加速度传感器2装设固定于摆动臂13的端部且位于夹持器131的背面，因此能够确保等离子体高能合成射流激励器对摆动臂13的推力，而且还能最大化采集等离子体高能合成射流激励器推动摆动臂13转动的加速度信息，提高加速度检测的准确度。
[0021]如图1和图2所示，反光镜32装设于摆动臂13的中部，确保扭丝12的偏转后冲量检测单元3采集的光斑偏移较小。
[0022]如图3所示，加速度传感器2包括相互连接固定的屏蔽壳体21和支座22，屏蔽壳体21内设有压电元件23、惯性元件24和弹簧25，惯性元件24 —端通过压电元件23与屏蔽壳体21的内壁相连、另一端通过弹簧25与屏蔽壳体21的内壁相连,压电兀件23为米用偏聚氟乙烯(PVDF)制成的压电薄膜，压电元件23通过屏蔽导线引出屏蔽壳体21外并与电压信号调理单元4相连。由于加速度传感器2包括屏蔽壳体21，压电元件23为采用偏聚氟乙烯制成的压电薄膜，压电元件23通过屏蔽导线引出屏蔽壳体21外并与电压信号调理单元4相连，因此能够有效排除等离子体高能合成射流激励器工作造成的电磁干扰，而且由于压电元件23为采用偏聚氟乙烯制成的压电薄膜，因此具有响应时间短(μ s量级)、高电压输出(比压电陶瓷加速度传感器高10倍)、高介电强度(75ν/μπι)、高灵敏度(9mV/g)等特点。本实施例通过加速度传感器2将加速度信号转化为采用偏聚氟乙烯制成的压电薄膜的位移信号，压电薄膜变形极化产生电荷，快响应直接力数值越大，作用加速度传感器2的加速度值越大，加速度传感器2中压电薄膜的变形越大，其表面积累电荷越多，输出电压信号数值越大，从而实现将加速度信号转换为电压信号，经电压信号调理单元4输出至数据处理模块5，数据处理模块5利用已经标定好的加速度一电压关系即可将电压值换算为对应的加速度数值，从而计算出直接力数值。
[0023]参见图3,图中右侧的标尺表示与地球保持相对静止的运动参考点,称为静基准；Xi表示等离子体高能合成射流激励器(被测物体)与屏蔽壳体21相对于运动参考点的位移，Xa表示惯性元件24 (质量块)相对于屏蔽壳体21的位移，k为弹簧25的弹簧常数，m为惯性元件24(质量块)的质量，c为阻尼系数。根据图3所示结构，由牛顿第二定律可得到式⑴。
[0024]m d ( V|\+ V/) = -c - k.x()( I )
lit2 dt 1
[0025]式(I)中，X。表示输出信号，Xi表示等离子体高能合成射流激励器(被测物体)与屏蔽壳体21相对于运动参考点的位移，k表示弹簧25的弹簧常数，m表示惯性元件24的质量，c表示阻尼系数。根据式(I)可得到式(2)。
d2Xi' ?χ,λ ,d2x-,..
[0026]m——r^- + c~- + focn = —m——= —mu(,2)
dt2 dt 0 dr 1
[0027]式(2)中，X。表示输出信号，Xi表示等离子体高能合成射流激励器(被测物体)与屏蔽壳体21相对于运动参考点的位移，k表示弹簧25的弹簧常数，m表示惯性元件24的质量，c表示阻尼系数，％表示输入信号，即等离子体高能合成射流激励器(被测物体)的振动加速度。
[0028]计算压电元件23的压电方程可得到式(3)。
[0029]Dm= dn] ^ElnEnK5)
[0030]式(3)中，Dm表示电荷密度；dnj表示压电应力常数矩阵，σ表示应力，En表示电场强度，ε °mn表示介电常数矩阵的转置矩阵，其中m = l、2、3，n = 1、2、3 ；j = 1、2、3、4、5、6。
[0031]本实施例中，数据处理模块5采用式(4)根据加速度数值得到计算等离子体高能合成射流激励器所产生等离子体高能合成射流的快响应直接力的数值。
[0032]F.R = J.α
^ dv ^ chv dR ^ chv ^r Λ χ
[0033]V = R\\\a = 一 = R ——+ u'——=R ——=Ra(4)
dt dt dt dt
Γ π ^ J.α
[0034]F = ~—
[0035]式(4)中，F表示等离子体高能合成射流激励器所产生等离子体高能合成射流的快响应直接力，R表示等离子体高能合成射流激励器的喷流中心孔距扭丝12的距离，J表示扭丝12的扭摆转动惯量，α表示扭丝12的扭摆角加速度，a表示等离子体高能合成射流激励器的加速度表示等离子体高能合成射流激励器运动线速度，w表示摆动臂13转动角速度。
[0036]本实施例中，冲量检测单兀3包括激光器31、反光镜32和光电位置传感器33,反光镜32装设于摆动臂13上，激光器31的发射头通过反光镜32的反射对准光电位置传感器33，光电位置传感器33的输出端通过电压信号调理单元4和数据处理模块5相连。冲量检测单元3基于光电位置传感器33实现，能够实现μ S量级时间响应的微冲量测量。本实施例检测的微冲量表现为扭丝12的扭摆偏转角度，具体表现为光电位置传感器33上激光光斑移动位移，本实施例光电位置传感器33的分辨率为0.1 μ m，响应时间为0.8 μ S，故本实施例针对微冲量的测量，可实现μ N.s级冲量测量精度。
[0037]本实施例在工作状态下，等离子体高能合成射流激励器工作喷出射流反作用力推动扭丝12转动微小偏转角，激光器31发射激光经反光镜32反射后落于光电位置传感器(PSD) 33上，扭丝12的扭摆偏转角度反映为光电位置传感器33上激光光斑移动位移，光电位置传感器33输出的电流信号经电压信号调理单元4转换成合适大小且能检测的电压信号后输出至数据处理模块5，数据处理模块5则利用已经标定好的冲量一电压关系将电压值换算为冲量数值。本实施例中，反光镜32为对激光器31发射的激光频率具有98%以上反射率的镀膜光学平面镜，确保反射光线强度较高，从而能够提升冲量检测单元3进行冲量检测的准确性。
[0038]参见图4，本实施例中，等离子体高能合成射流激励器工作喷出射流反作用力F (对应冲量I)推动扭丝12转动微小偏转角Θ，经反光镜32反射后激光光纤的扭摆偏转角度被放大为2 Θ，从而转换为光电位置传感器33上的激光光斑移动距离ds = Lsin (2 Θ )。等离子体高能合成射流激励器工作喷出射流反作用力F的作用时间为几微秒到几十微秒，由于作用时间较短，因此可建立不考虑力参数的微冲量计算方法，即认为激励器射流反作用直接力瞬间作用于单丝扭摆I的摆动臂13，单丝扭摆I的摆动臂13获得角速度，其阻尼振动方程可表示如式(5)所示。
Γ ? JO+Xf)+Ke=Q
[0039]<(5)
^ θ(())=0.θ(())=θοVJ
[0040]式(5)中，J表示摆动臂13扭摆的转动惯量，K表示扭丝12的扭转弹性系数，入表示系统的阻尼因子，Θ表示摆动臂13的扭摆转动角度，么表示摆动臂13转动的初始角速度，6表示摆动臂13的转动角加速度。
[0041]由式(5)可得单丝扭摆I的摆动臂13的扭摆转动角度Θ与初始角速度队的关系如式(6)所示。
Θ
[0042]Θ = — f sin(u:,/)( 6)
W
[0043]式(6)中，Θ表示摆动臂13的扭摆转动角度，Θ人示摆动臂13转动的初始角速度，ξ = λ/2J表示扭摆运动的阻尼系数，Wtf表示扭摆的自由振荡频率，
'V,, ^sjK IJ表示扭摆在无阻尼情况下的自由振荡频率，J表示扭摆的转动惯量，λ表示系统的阻尼因子，K表示扭丝12的扭转弹性系数。
[0044]假设等离子体高能合成射流快响应直接力作用扭摆的冲量为I，根据动量定理可知，扭摆系统瞬间获得初始角速度如式(7)所示。
[0045]θο=Ι~
J(7)
[0046]式(J)中，食表示摆动臂13转动的初始角速度，J表示摆动臂13扭摆的转动惯量；R表示激励器喷口中心位置距扭丝距离，I表示快响应直接力作用的微冲量(即作用扭摆冲量)。将式⑵代入式(6)可得式⑶。
IR
[0047]Θ = -~cw-sm(uy)(X)
[0048]当单丝扭摆I的摆动臂13扭摆转动到最大角度Θ max时，t = T/4，其中T = 2 π /Wd为扭摆转动周期。故得等离子体高能合成射流激励器的微冲量I的计算公式如式(9)所
/Jn ο
[0049]I = c7vv^max g2.v/(9)
R
[0050]式(9)中，J表示摆动臂13扭摆的转动惯量，R表示激励器喷口中心位置距扭丝距离，ξ表示系统的阻尼系数，w表示扭摆的自由振荡频率，θ_表示摆动臂13扭摆转动的最大角度。且J、R、l、w均可通过标定得到，θ_则通过光电位置传感器33上激光光斑最大移动距离dSmax得出，其具体的计算公式如式(10)所示。
I(ds 、
[0051 ] 0ma' 二 - ■ arctan —^( 1 ；
—2 \ L )
[0052]式(10)中，Qmax表不摆动臂13扭摆转动的最大角度，dsmas表不光电位置传感器33上激光光斑最大移动距离，L表不光电位置传感器33到反光镜32的距离。
[0053]将式(9)和式(10)结合，即可得到快响应直接力作用的微冲量计算公式如式(11)所示。
[0054]I = c2■ arctan { a^lllax I(11)
2R^ L J
[0055]式(11)中，I表示快响应直接力作用的微冲量，J表示摆动臂13扭摆的转动惯量，R表示激励器喷口中心位置距扭丝距离，ξ表示系统的阻尼系数，wd表示有阻尼固有频率，dsmax表不光电位置传感器33上激光光斑最大移动距离，L表不光电位置传感器33到反光镜32的距离。
[0056]电压信号调理单元4用于将输入的电压和电流进行信号调理输出合适大小并能检测的电压信号输出，其具体可采用数据采集卡实现。数据处理模块5具体可以根据需要采用微处理器实现，数据处理模块5利用已经标定好的加速度一电压、冲量一电压关系，将电压信号换算为加速度值、冲量数值，从而计算出直接力大小，绘制出直接力随时间的变化关系曲线。本实施例中涉及的测量设备部件均电磁屏蔽处理，能够克服等离子体高能合成射流激励器工作造成的强电磁干扰问题，且在解决了强电磁干扰环境下，快响应(微秒)直接力及微冲量(微牛秒)的测量问题，可用于飞行器等离子体高能合成射流直接力控制研究，也可用于其它类型喷流反作用力和冲量的高精度测量。
[0057]以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种单丝扭摆式快响应直接力及微冲量测量装置，其特征在于:包括单丝扭摆(I)、加速度传感器(2)、冲量检测单元(3)、电压信号调理单元(4)和数据处理模块(5)，所述单丝扭摆(I)包括底座(11)，所述底座(11)上设有竖直固定的扭丝(12)，所述扭丝(12)的中部固定有水平布置的摆动臂(13)，所述摆动臂(13)上装设有用于夹持固定射流激励器或推力器的夹持器(131)，所述加速度传感器(2)装设固定于摆动臂(13)上，所述冲量检测单元(3)包括激光器(31)、反光镜(32)和光电位置传感器(33)，所述反光镜(32)装设于摆动臂(13)上，所述激光器(31)的发射头通过反光镜(32)的反射对准光电位置传感器(33)，所述光电位置传感器(33)、加速度传感器(2)的输出端分别通过电压信号调理单元(4)和数据处理模块(5)相连。
2.根据权利要求1所述的单丝扭摆式快响应直接力及微冲量测量装置，其特征在于:所述加速度传感器(2)包括相互连接固定的屏蔽壳体(21)和支座(22)，所述屏蔽壳体(21)内设有压电元件(23)、惯性元件(24)和弹簧(25)，所述惯性元件(24) —端通过压电元件(23)与屏蔽壳体(21)的内壁相连、另一端通过弹簧(25)与屏蔽壳体(21)的内壁相连，所述压电元件(23)为采用偏聚氟乙烯制成的压电薄膜，所述压电元件(23)通过屏蔽导线引出屏蔽壳体(21)外并与电压信号调理单元(4)相连。
3.根据权利要求2所述的单丝扭摆式快响应直接力及微冲量测量装置，其特征在于:所述加速度传感器(2)装设固定于摆动臂(13)的端部且位于夹持器(131)的背面。
4.根据权利要求3所述的单丝扭摆式快响应直接力及微冲量测量装置，其特征在于:所述反光镜(32)装设于摆动臂(13)的中部。
5.根据权利要求4所述的单丝扭摆式快响应直接力及微冲量测量装置，其特征在于:所述反光镜(32)为对激光器(31)发射的激光频率具有98%以上反射率的镀膜光学平面镜。
【文档编号】G01L5/00GK104165769SQ201410325996
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年7月9日 优先权日:2014年7月9日
【发明者】张宇, 罗振兵, 王林, 夏智勋 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学