本实用新型属于力的测量技术领域，尤其是一种适用于微推力器测试系统电磁测力器的标定装置。
背景技术：
随着科学技术的进步与发展，小型卫星正在受到越来越多的关注和应用。与此同时，用于卫星姿态调节和轨道调节的推力器也要与之相适应。微推力器测试系统用来测量微小推进器的推力，该推力通常在μN和mN之间。在测试系统的研制和验证过程中，需要能够模拟出微小推力的测力器。因此，有必要研制一种适用于微推力器测试系统电磁测力器的标定装置。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于提供一种适用于微推力器测试系统电磁测力器的标定装置。
为实现以上目的，本实用新型技术方案如下：
一种适用于微推力器测试系统电磁测力器的标定装置，包括支架、二维调节器、电磁测力器、传力杆、悬丝、重物、非导磁载物台和电子分析天平；其中，所述电磁测力器外接稳流电路，稳流电路为电磁测力器提供工作电流；支架底座置于电子分析天平的底座上；支架由左、右支撑杆、水平支撑杆和固定杆组成，固定杆用于连接支架和二维调节器，固定杆和水平支撑杆相互垂直；支架的左右底座上配置有手动水平位移台，手动水平位移台的底座位移旋钮用于使二维调节器在Y方向上移动；二维调节器的二维调节器固定杆上固定着电磁测力器，二维调节器X方向位移旋钮和Z方向位移旋钮分别用于使电磁测力器在X和Z方向上移动；传力杆一端上的小孔与悬丝的一端固定连接，传力杆另一端固定在电磁测力器的转轴前半段上且配置有平衡锤，当传力杆绕转轴转动时，转动部分的重心落在转轴上；电磁测力器的调偏旋钮也固定在转轴前半段上，通过转动调偏旋钮使其带动转轴转动，从而使得传力杆转动完成调偏操作；悬丝未与传力杆连接的一端固定连接着重物；重物搁置在非导磁载物台上，并和非导磁载物台一起放置在电子分析天平托盘上；通过旋转手动水平位移台和二维调节器的位移旋钮，使得电磁测力器悬空置于电子分析天平托盘正上方位置，传力杆在XOZ平面内转动；转动调偏旋钮，使得传力杆、悬丝和重物的位置关系如下：传力杆指向X方向，传力杆、悬丝和重物三者在XOZ平面内，且悬丝和传力杆相互垂直；电磁测力器的线圈通过恒定电流时，产生的电磁力矩等于重物的“变化重力矩”，其中，电磁力矩为位于匀强磁场中的线圈通过电流时产生的电磁力F1与线圈的宽度L1的乘积；重物的“变化重力矩”为电子分析天平的示数变化值ΔM、重力加速度g和传力杆的小孔距电磁测力器的转轴的距离L2三者的乘积；所述重物的选取原则为：重物的重力矩mg·L2不小于电磁测力器产生的电磁力矩F1·L1，使得传力杆在整个测力过程的指向均为X方向，其中m为重物质量，g为重力加速度。
作为优选方式，所述电磁测力器的结构为内磁式结构或外磁式结构；内磁式结构是指永久圆柱形磁铁位于矩形线圈内，矩形线圈外套有导磁环；外磁式结构是指磁铁位于矩形线圈外，矩形线圈位于两个极掌之间，圆柱形铁芯位于矩形线圈内。
作为优选方式，所述内磁式电磁测力器的结构包括固定的磁路系统和可动部分；磁路系统包括：固定在电磁测力器的支架上的圆柱形磁铁和环抱于圆柱形磁铁周围的与圆柱形磁铁同心的导磁环，圆柱形磁铁的磁感应线沿着圆面的直径方向，并且导磁环和圆柱形磁铁之间的空气隙处处相等，在空气隙中形成均匀辐射的磁场；圆柱形磁铁和导磁环固定在测力器支架上；可动部分包括：两侧分别位于空气隙内的可动矩形线圈，矩形线圈上下固定连接着的转轴前半段和后半段，与转轴相匹配的轴承，转轴前半段和后半段上分别缠绕有游丝，游丝的内端与转轴固定，位于转轴前半段的游丝外端固定在调偏旋钮上，位于转轴后半段的游丝外端固定在轴承上，且转轴前半段和后半段的游丝盘旋方向相反，转轴的两端是针尖状轴尖，轴尖支撑在轴承的凹槽中。
作为优选方式，所述外磁式电磁测力器的结构包括可动部分和固定的磁路系统；磁路系统包括永久磁铁、磁轭、极掌和圆柱形铁芯；两个扇形的极掌沿圆柱形铁心圆面上的直径对称分布且二者同心，圆柱形铁芯固定在外磁式电磁测力器支架上，用来减小磁阻，并使极掌和铁心间的空气隙中产生均匀辐射的磁场；两个磁轭沿圆柱形铁心圆面上的直径对称分布，永久磁铁和极掌夹在上下两磁轭之间，磁轭在磁路系统中起聚磁和传磁的作用；可动部分包括：两侧分别位于空气隙内的可动矩形线圈，矩形线圈上下固定连接着的转轴前半段和后半段，与转轴相匹配的轴承，转轴前半段和后半段上分别缠绕有游丝，游丝的内端与转轴固定，位于转轴前半段的游丝外端固定在调偏旋钮上，位于转轴后半段的游丝外端固定在轴承上，且转轴前半段和后半段的游丝盘旋方向相反，转轴的两端是针尖状轴尖，轴尖支撑在轴承的凹槽中。
作为优选方式，所述悬丝选用直径不大于0.2mm的细丝。所述悬丝选用拉伸应变较小的细丝，即传力杆通过细丝对重物施加Z方向上的力时，细丝发生的形变很小，几乎没有发生形变。
作为优选方式，所述游丝选用弹性模量较小的平卷簧，即游丝在可动线圈绕转轴转动时产生的反作用力矩很小，在不考虑游丝的反作用力矩的情况下，通电的可动线圈将一直保持着绕转轴转动；游丝刚性固定在转轴和支架上。
本实用新型的测量原理如下：
电磁测力器被支架支撑着，利用手动水平位移台、调节器和调偏旋钮，使得电磁测力测力器悬空置于电子分析天平托盘正上方，使得传力杆、悬丝和重物的位置关系如下：传力杆指向X方向，传力杆、悬丝和重物三者在XOZ平面内，且悬丝和传力杆相互垂直；当电磁测力器内的可动线圈通过一定的电流时，由于永久磁铁产生匀强辐射磁场和载流线圈产生的磁场相互作用，使得可动线圈在产生的电磁力矩的作用下绕着转轴转动；与转轴固定在一起的传力杆也会转动，传力杆的转动通过悬丝对重物有一个Z方向的拉力，改变了重物对电子分析天平托盘上的压力；电子分析天平根据托盘上压力的变小而产生电磁力，从而补偿掉悬丝对重物的拉力。当得知当地的重力加速度后，电子分析天平产生的电磁力矩大小可以通过显示屏上的示数变化值换算得到。
假设电磁测力器产生的电磁力矩为T，电子分析天平的示数变化值显示为ΔM，测得当地的重力加速度为g，传力杆小孔距电磁测力器的前半转轴的距离为L2。根据力矩平衡原理就可以计算出电磁测力器产生的电磁力矩T。
T＝ΔM·g·L2 (1)
本实用新型的有益效果为：该标定装置采用安培定律和力矩平衡原理，将电磁测力器产生的微小电磁力转化为对重物的拉力，再用电子分析天平显示出重物的示数变化值，计算出重物受到的拉力，从而得到待测电磁力矩。其中，重物的重力矩大于电磁力矩，传力杆和可动线圈的转动角位移为零，克服了游丝因可动线圈转动而产生反作用力矩带来的影响；另外，该标定装置采用电磁力法模拟微推力器产生的推力，电磁力法具有较大的优势：1、幅值可连续调整；2、具有良好的线性关系；3、适合在真空环境下远程控制。整个测试过程的操作、控制和使用简便，易于掌握。
附图说明
图1所示为本实用新型的电磁测力器的标定装置前视示意图。
图2所示为本实用新型的电磁测力器的标定装置后视示意图。
图3所示为本实用新型的支架示意图。
图4所示为本实用新型的电磁测力器的内磁式结构俯视图。
图5所示为本实用新型的电磁测力器的内磁式主视剖视图。
图6所示为本实用新型的电磁力矩产生原理图。
图7所示为本实用新型的力矩平衡原理图。
图8所示为本实用新型的电磁测力器的外磁式结构俯视图。
图9所示为本实用新型的电磁测力器的外磁式主视剖视图。
图10所示为本实用新型的电磁测力器的电磁力矩和电流的趋势线。
其中，1为电子分析天平；2为支架底座；3为底座位移旋钮；4为支撑杆；5为水平支撑杆；6为固定杆；7为二维调节器；8为调节器固定旋钮；9为调节器X方向位移旋钮；10为调节器Z方向位移旋钮；11为电磁测力器；12为传力杆；13为悬丝；14为重物；15为非导磁载物台；16为电子分析天平托盘；17为调节器固定杆；18为圆柱形磁铁；19为导磁环；20为可动矩形线圈；21为测力器支架；22为调偏旋钮；23为空气隙；24为游丝；25为轴承；26为转轴；27为永久磁铁；28为磁轭；29为极掌；30为圆柱形铁芯；31为支架。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。
如图1至图9所示，一种适用于微推力器测试系统电磁测力器的标定装置，包括支架31、二维调节器7、电磁测力器11、传力杆12、悬丝13、重物14、非导磁载物台15和电子分析天平1；其中，所述电磁测力器11外接稳流电路，稳流电路为电磁测力器提供工作电流；支架底座2置于电子分析天平1的底座上；支架由左、右支撑杆4、水平支撑杆5和固定杆6组成，固定杆6用于连接支架31和二维调节器7，固定杆5和水平支撑杆6相互垂直；支架31的左右底座上配置有手动水平位移台，手动水平位移台的底座位移旋钮3用于使二维调节器在Y方向上移动；二维调节器7的二维调节器固定杆17上固定着电磁测力器11，二维调节器X方向位移旋钮9和Z方向位移旋钮10分别用于使电磁测力器11在X和Z方向上移动；传力杆12一端上的小孔与悬丝13的一端固定连接，传力杆12另一端固定在电磁测力器的转轴26前半段上且配置有平衡锤，当传力杆绕转轴26转动时，转动部分的重心落在转轴26上；电磁测力器的调偏旋钮22也固定在转轴26前半段上，通过转动调偏旋钮22使其带动转轴26转动，从而使得传力杆12转动完成调偏操作；悬丝未与传力杆12连接的一端固定连接着重物14；重物搁置在非导磁载物台15上，并和非导磁载物台一起放置在电子分析天平托盘16上；通过旋转手动水平位移台和二维调节器的位移旋钮，使得电磁测力器悬空置于电子分析天平托盘正上方位置，传力杆在XOZ平面内转动；转动调偏旋钮22，使得传力杆12、悬丝13和重物14的位置关系如下：传力杆指向X方向，传力杆、悬丝和重物三者在XOZ平面内，且悬丝和传力杆相互垂直；电磁测力器的线圈通过恒定电流时，产生的电磁力矩等于重物的“变化重力矩”，其中，电磁力矩为位于匀强磁场中的线圈通过电流时产生的电磁力F1与线圈的宽度L1的乘积；重物的“变化重力矩”为电子分析天平的示数变化值ΔM、重力加速度g和传力杆的小孔距电磁测力器的转轴26的距离L2三者的乘积；所述重物的选取原则为：重物的重力矩mg·L2不小于电磁测力器产生的电磁力矩F1·L1，使得传力杆在整个测力过程的指向均为X方向，其中m为重物质量，g为重力加速度。
所述电磁测力器的结构为内磁式结构或外磁式结构；内磁式结构是指永久圆柱形磁铁位于矩形线圈内，矩形线圈外套有导磁环；外磁式结构是指磁铁位于矩形线圈外，矩形线圈位于两个极掌之间，圆柱形铁芯位于矩形线圈内。
如果电磁测力器为内磁式结构，则所述内磁式电磁测力器的结构包括固定的磁路系统和可动部分；磁路系统包括：固定在电磁测力器的支架上的圆柱形磁铁18和环抱于圆柱形磁铁18周围的与圆柱形磁铁18同心的导磁环19，圆柱形磁铁的磁感应线沿着圆面的直径方向，并且导磁环和圆柱形磁铁18之间的空气隙23处处相等，在空气隙中形成均匀辐射的磁场；圆柱形磁铁18和导磁环19固定在测力器支架21上；可动部分包括：两侧分别位于空气隙内的可动矩形线圈20，矩形线圈上下固定连接着的转轴26前半段和后半段，与转轴相匹配的轴承25，转轴26前半段和后半段上分别缠绕有游丝24，游丝24的内端与转轴26固定，位于转轴26前半段的游丝外端固定在调偏旋钮22上，位于转轴26后半段的游丝外端固定在轴承25上，且转轴26前半段和后半段的游丝盘旋方向相反，转轴26的两端是针尖状轴尖，轴尖支撑在轴承25的凹槽中。
如果电磁测力器为外磁式结构，则所述外磁式电磁测力器的结构包括可动部分和固定的磁路系统；磁路系统包括永久磁铁27、磁轭28、极掌29和圆柱形铁芯30；两个扇形的极掌29沿圆柱形铁心圆面上的直径对称分布且二者同心，圆柱形铁芯30固定在外磁式电磁测力器支架21上，用来减小磁阻，并使极掌和铁心间的空气隙23中产生均匀辐射的磁场；两个磁轭28沿圆柱形铁心圆面上的直径对称分布，永久磁铁27和极掌29夹在上下两磁轭28之间，磁轭在磁路系统中起聚磁和传磁的作用；可动部分包括：两侧分别位于空气隙内的可动矩形线圈20，矩形线圈上下固定连接着的转轴26前半段和后半段，与转轴相匹配的轴承25，转轴26前半段和后半段上分别缠绕有游丝24，游丝24的内端与转轴26固定，位于转轴26前半段的游丝外端固定在调偏旋钮22上，位于转轴26后半段的游丝外端固定在轴承25上，且转轴26前半段和后半段的游丝盘旋方向相反，转轴26的两端是针尖状轴尖，轴尖支撑在轴承25的凹槽中。
本实施例中，所述悬丝选用直径为0.1mm的细铜丝。所述悬丝选用拉伸应变较小的细丝，即传力杆通过细丝对重物施加Z方向上的力时，细丝发生的形变很小，几乎没有发生形变。
本实施例中，所述游丝选用弹性模量较小的平卷簧，平卷簧采用锡青铜制成，即游丝在可动线圈绕转轴转动时产生的反作用力矩很小，在不考虑游丝的反作用力矩的情况下，通电的可动线圈将一直保持着绕转轴转动；游丝刚性固定在转轴和支架上。
本实施例中，所述电磁测力器选用的是内磁式电磁测力器。
所述传力杆采用硬质铝材料制成，测得传力杆的小孔距电磁测力器的前半转轴的距离为20.29mm。
所述重物选用质量为5.3507g的纯铜。
所述稳流电路选用量程为30V的直流恒压源、5kΩ的电阻和mA级电流表串联。
所述电子分析天平的显示精度为10-4g，量程为300g，配置200g的校准砝码。
利用上述装置获取电流和电磁力矩关系的方法，包括如下步骤：
(1)将电子分析天平放置在光学平台上，对天平进行调平和校准操作，用游标卡尺测量传力杆的小孔距电磁测力器的转轴的距离L2；
(2)将电磁测力器固定在二维调节器上，二维调节器固定在支架上，电磁测力器外接稳流电路，调整支架在光学平台上的位置，使得电磁测力器悬空在天平托盘上方位置；
(3)旋转手动水平位移台和二维调节器的旋钮，使得电磁测力器悬空置于电子天平托盘正上方位置，转动调偏旋钮，使得传力杆、悬丝和重物的位置关系如下：传力杆指向X方向，传力杆、悬丝和重物三者在XOZ平面内，且悬丝和传力杆相互垂直；
(4)按下天平的“去皮”按钮，待得天平的显示器的示数值为零且稳定后进行下一步；
(5)接通稳流电路的电源，为电磁测力器的可动线圈提供直流电；通电的可动线圈产生的磁场与空气隙间的稳恒磁场相互作用产生电磁力，使得可动线圈具有绕着转轴转动的作用力矩，该转动力矩作用在传力杆上使其向上提拉重物；传力杆对悬丝产生一个垂直向上的拉力，传力杆指向X方向，即传力杆对悬丝产生了一个Z方向的拉力；悬丝对重物有一个Z方向的拉力，使得重物对天平托盘的压力改变；电子分析天平利用自身的电磁力自动补偿电路原理会根据托盘上受到的压力减少而产生电磁力，使得托盘上受到的压力和电磁力为一对平衡力；其中，电子分析天平产生的电磁力与显示屏上的示数变化值成正比，电磁测力器产生的电磁力与悬丝对重物的拉力大小相等；重物的重力通过悬丝对绕轴转动的传力杆有一个阻力的作用，从而产生一个反作用力矩，也叫做“变化重力矩”，从而与电磁测力器产生的电磁力矩平衡；
(6)读取电子分析天平的示数变化值ΔM和稳流电路的电流值I；
(7)旋转稳流电路的输出电流旋钮，使得输出电流在0mA—5mA之间选值，步进为0.07mA；其中，每一个输出电流值均对应着相应的天平示数变化值；
(8)观察并记录下每一个与电流值对应的天平示数变化值ΔM和输出电流值I，从而通过公式(1)计算出每一个输出电流值相对应的电磁力矩值；
(9)根据所记录的输出电流值和电磁力矩值画出电磁力矩随电流变化的趋势线，从而通过测量电磁测力器的工作电流，便可得知电磁测力器产生的电磁力矩。
图10所示为本实用新型的电磁测力器的电磁力矩和电流的趋势线。
上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。