一种基于光偏振状态测量的推力冲量测量系统及测量方法与流程

本发明涉及一种基于光偏振状态测量的推力冲量测量系统及测量方法，涉及微推力/微冲量测量技术领域。

背景技术：

当前工程上推力测量多是把力的动态效应转换为测力台架的旋转角度或者振动幅度，借以表征推力的大小。这些测量方法存在响应度慢，且被测信号容易被机械振动和环境噪声所淹没。应力也是材料的一种力学特征的一种，材料只要受力就会产生应力。相对旋转角度与振动幅度来说，应力信号响应度更好，通过加载结构可实现“小推力-大应力”的设定，应力和推力之间的物理关系简单。

而微推力器作为卫星姿态控制、位置保持以及轨道机动的关键分系统，研制微小卫星离不开发展微型光电磁推力器技术，因此目前微型光电磁推力器已逐渐成为微纳卫星研究的重点之一。微推力器产生的推力与冲量一般比较小，其推力量级一般为纳牛量级到毫牛之间，冲量量级通常为纳牛秒到毫牛秒之间。尽管毫牛秒或牛秒量级的微冲量比较容易测量，然而，随着微冲量的降低，纳牛秒和微牛秒微冲量的准确测量则变得十分困难。

推力和冲量作为衡量推力器性能的重要参数指标，准确测量推力器的推力/冲量可实现推力器的高精度控制；同时以更高精度探究推力器推力和冲量的变化，助于理解推力器外部宏观特性与内部机理之间的联系，给推力器的优化设计提供有效的技术指导。因此，微推力和微冲量的精确测量是研制微推力器必须突破的技术难题。

从20世纪60年代开始，国内外研究者先后研制出天平、单摆、双摆、扭摆和悬臂梁等多种微推力/微冲量测量装置。这些装置的测量范围多为毫牛量级，针对更低量级的亦做了一些尝试：法国航空航天局基于倒摆结构，利用电容式位移传感器和重力加速计检测摆臂位置变化进而测量推力，可实现0～700μn的测量范围，且噪声低于1μn/hz；南非金山大学以扭摆为基础进行改进，可实现微牛量级的推力以及0.27～600μns范围的冲量的测量，误差小于4％；美国nasa研制了一种单端固定的扭丝悬挂扭摆，其分辨率可达到100nn，测力范围达到100nn～500μn，误差低于25％；日本东京大学研制了一种弹性枢轴式非等臂扭摆，可实现分辨率为0.7μns冲量的测量；中国华中科技大学通过对扭摆进行特殊的悬挂与扭力平衡设计，实现了分辨率0.09μn最大量程264μn的微推力测量和分辨率0.47μns最大量程1350μns的测量。

尽管微牛量级的推力和冲量的测量结果尚可，但针对纳牛量级的推力和冲量测量方法较少且精度不高，同时国际上现有的测量技术极难同时满足大量程、高分辨率和高精度的推力冲量一体化测量。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种同时满足大量程、高分辨率和高精度的推力冲量一体化测量系统。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于光偏振状态测量的推力冲量测量系统,包括偏振态产生模块，悬臂梁加载模块，偏振状态测量模块，计算处理模块，所述偏振态产生模块包括激光光源以及线偏振光生成模块，所述悬臂梁加载模块置于偏振态产生模块后部且设置为能产生双折射效应的悬臂梁，推力器对悬臂梁进行加载，激光光源射出光源并通过线偏振光生成模块生成线偏振光，线偏振光垂直穿过悬臂梁，偏振状态测量模块位于悬臂梁后部并将接收到的出射光的光信号转变为电信号，计算处理模块与偏振状态测量模块连接并将接收到的电信号数值化并计算得到推力值与冲量值。

作为优选，所述推力器对悬臂梁的底端部进行加载，线偏振光垂直穿过悬臂梁的顶端。

作为优选，所述线偏振光生成模块包括前部偏振片以及波片，波片位于前部偏振片后部。

作为优选，所述波片设置为四分之一波片，前部偏振片方位角为45°且四分之一波片和前部偏振片之间夹角为45°，用以生成测量所需要的45°线偏振光。

作为优选，所述悬臂梁设置为由聚碳酸酯材料制成悬臂梁。

作为优选，所述偏振状态测量模块包括多个分束镜以及多组偏振态测量组，多个分束镜呈直线排列，相邻的两个分束镜的镜片之间成90度夹角设置，最前部的分束镜处于悬臂梁后部的出射光线上，每组偏振态测量组均包括后偏振片以及面阵高速相机，每组偏振态测量组对应一个分束镜，每组偏振态测量组中的后偏振片分别处于对应的分束镜的折射光线上且具有不同的方位角，面阵高速相机置于后偏振片的后方并采集出射光的光强信号并以电信号进行记录。

作为优选，所述推力冲量测量系统还包括位移测量模块，位于悬臂梁的下端，包括位移传感器，所述位移传感器用于记录悬臂梁底端摆动位置与竖直平衡位置的位移值。

作为优选，所述推力冲量测量系统还包括pi摆动控制模块，当测量结束时，利用pi控制悬臂梁缓慢到平衡位置。

作为优选，所述悬臂梁与波片之间设有中部偏振片。

一种基于光偏振状态测量的推力冲量测量系统的测量方法,包括以下步骤，

步骤一，推力器工作，喷出羽流冲击到悬臂梁底端，使之处于应力状态，进而产生暂时性双折射效应，然后由激光光源发出激光，经过偏振片和波片后，生成线偏振光；

步骤二，线偏振光垂直穿射具有暂时双折射效应的悬臂梁的顶端，光的偏振状态会发生变化，且出射光的偏振状态随着推力变化而变化；

步骤三，按照规定位置摆放好分束镜、后偏振片以及面阵高速相机，并且将多个后偏振片分别处于不同的方位角状态，出射光穿过多个分束镜并实现透射和折射，透射光线或折射光线分别穿过不同方位角的后偏振片，从而得到不同偏振状态的偏振光线，然后利用对应的面阵高速相机记录不同的光线偏振状态的图像信息；

步骤四，面阵高速相机将得到的图形信号传输至计算处理模块，由计算处理模块对图像信息数值化并通过计算得到推力值以及冲量值。

与现有技术相比，本发明的有益之处是：所述基于光偏振状态测量的推力冲量测量系统及测量方法，具有以下优点，

一，本发明是非接触式测量，也是非破坏性的测量方法，具有响应度大、结构简单、精度高和不易受外界干扰的优点，可以实现推力冲量的一体化测量。

二，本发明以应力检测技术为核心提出一种“大推力、小应力”的推力测量思路，给推力测量提供了新思路，进而构建了一种在目前测力领域中全新的测量系统，可以降低机械振动、供电线缆对推力测量的干扰，解决目前常用微推力测量装置存在的零点漂移、平衡位置不稳定、标定困难以及精度低的问题。

附图说明：

下面结合附图对本发明进一步说明：

图1是本发明的整体系统流程示意图；

图2是图1中的悬臂梁的横截面的结构示意图；

图3是本发明的计算处理模块的计算机计算并输出的推力曲线图。

具体实施方式：

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围：

如图1、图2所示的一种基于光偏振状态测量的推力冲量测量系统,以微推力器的推力/冲量测量为背景，利用悬臂梁，实现推力—应力—光的偏振状态的转换，进而实现推力/冲量的测量，包括偏振态产生模块，悬臂梁加载模块，偏振状态测量模块，计算处理模块、位移测量模块、pi摆动控制模块。

所述偏振态产生模块包括激光光源laser以及线偏振光生成模块，为使得能生成所需要角度的线偏振光，所述线偏振光生成模块包括前部偏振片p以及波片w，波片位于前部偏振片后部，进一步地，所述波片设置为四分之一波片，前部偏振片方位角为45°且四分之一波片和前部偏振片之间夹角为45°，用以生成测量所需要的45°线偏振光，且所述悬臂梁与最前部的分束镜之间设有中部偏振片p0，主要起到检测偏振状态的作用，继而及时对光的偏振状态进行检测并及时调整波片和前偏振片的位置。

所述悬臂梁加载模块置于偏振态产生模块后部且设置为能产生双折射效应的悬臂梁m，在本实施例中，所述悬臂梁m设置为由聚碳酸酯材料制成悬臂梁，用以把推力转化为应力，同时处于应力和偏振光环境下的悬臂梁会发生暂时双折射效应，进而使得穿过悬臂梁的光的偏振态随着应力的变化而变化，推力器对悬臂梁进行加载，激光光源laser射出光源并通过线偏振光生成模块生成线偏振光，线偏振光垂直穿过悬臂梁，进一步地，所述推力器对悬臂梁的底端部进行加载，线偏振光垂直穿过悬臂梁的顶端，因而，当偏振光从悬臂梁顶端穿过，其可以保证出射光的偏振状态受悬臂梁的摆动影响最小，且推力器从悬臂梁底端进行加载保证了小推力大应力的测量设定，此时响应度才能达到最大，因而，更有效提高力的转换效果，提高测量精度以及稳定性。

偏振状态测量模块位于悬臂梁后部并将接收到的出射光的光信号转变为电信号，在本实施例中，所述偏振状态测量模块包括多个分束镜bs以及多组偏振态测量组，多个分束镜呈直线排列，相邻的两个分束镜的镜片之间成90度夹角设置，最前部的分束镜处于悬臂梁后部的出射光线上，其中，偏振态测量组数量至少设置为4n组，n为大于0的自然数，在本实施例中，偏振态测量组数设置为8组，每组偏振态测量组均包括后偏振片(p1，p2，p3,p4，p5，p6，p7,p8)以及面阵高速相机(d1，d2，d3，d4，d5，d6，d7，d8)，每组偏振态测量组对应一个分束镜，每组偏振态测量组中的后偏振片分别处于对应的分束镜的折射光线上且具有不同的方位角，且最后部的后偏振片p8位于最后部的分束镜的透射光线上，面阵高速相机置于后偏振片的后方并采集出射光的光强信号并以电信号进行记录，另外，在所述后偏振片与面阵高速相机之间可以设置凸透镜l，提高偏振光检测效果，在本实施例中，将分束镜设置为七个，后偏振片设置为8个，因而，除了最前部的分束镜之外，后部的两个分束镜都是处于前部分束镜的透射光线上，而其中7个后偏振片分别处于七个分束镜的折射光线上，最后一个分束镜处于最后部的分束镜的透射光线上，其中，后偏振片p1和后偏振片p5的方位角为0°、后偏振片p2和后偏振片p6的方位角为45°、后偏振片p3和后偏振片p7的方位角为90°、后偏振片p4和后偏振片p8的方位角为135°，继而相同方位角的4个后偏振片能得到一组偏振状态，因而在本实施例中能得到两组偏振状态数据，然后进行平均处理后得到平均值，继而提高测量精度，而后偏振片的后部均设有能接收到穿过后偏振片的光线的面阵高速相机，面阵高速相机用以采集出射光的光强信号并以电信号进行记录。

计算处理模块与偏振状态测量模块连接并将将电信号数值化，通过电子计算机进行一系列图形处理后，直接以数值的形式显示出射光偏振态，计算得到推力值，所述推力冲量测量系统还包括位移测量模块，位于悬臂梁的下端，包括位移传感器，所述位移传感器用于记录悬臂梁底端摆动位置与竖直平衡位置的位移值，当推力器连续工作时，采集悬臂梁底端位移变化和悬臂梁顶端出射光偏振状态，结合算法求得力的大小，且通过计算机可输出推力随着时间变化的曲线，当推力器的推力为脉冲力时，通过记录推力在脉冲时间之间变化曲线，可计算得到在脉冲时间范围内的力的冲量值。

在本实施例中，所述推力冲量测量系统还包括pi摆动控制模块，当测量结束时，利用pi控制悬臂梁缓慢到平衡位置。

结合上述基于光偏振状态测量的推力冲量测量系统，其测量方法，包括以下步骤，

步骤一，推力器工作，喷出羽流冲击到悬臂梁底端，使之处于应力状态，进而产生暂时性双折射效应，然后由激光光源发出激光，经过偏振片和波片后，生成线偏振光；

步骤二，线偏振光垂直穿射具有暂时双折射效应的悬臂梁的顶端，光的偏振状态会发生变化，且出射光的偏振状态随着推力变化而变化；

步骤三，按照规定位置摆放好分束镜、后偏振片以及面阵高速相机，并且将多个后偏振片分别处于不同的方位角状态，出射光穿过多个分束镜并实现透射和折射，透射光线或折射光线分别穿过不同方位角的后偏振片，从而得到不同偏振状态的偏振光线，然后利用对应的面阵高速相机记录不同的光线偏振状态的图像信息；

步骤四，面阵高速相机将得到的图形信号传输至计算处理模块，由计算处理模块对图像信息数值化并通过计算得到推力值以及冲量值。

以下为测试过程及原理的具体实施例，如图1、图2所示，设悬臂梁的顶端前侧位置为a，顶端后侧位置为b，悬臂梁顶端距离底端的距离为l，悬臂梁的厚度为b，宽度为2h，质量为m，梁的弹性模量为e，泊松比为v，截面惯性矩为i＝2bh³/3，激光从悬臂梁穿过的位置为a-b。

将推力等效为集中载荷，当推力器在悬臂梁底端部工作时，喷出的羽流冲击悬臂梁产生一个水平力f，进而带动悬臂梁摆动，产生应力，此时推力与应力间的计算公式为：

此时a、b两点的主应力差均为：

根据平面应力-光学定律，当一列平面偏振光e平垂直入射到宽度为2h的光弹性悬臂梁时，沿着主应力方向的偏振分量产生的相位延迟量δ与梁的宽度2h及主应力差△σ的关系为：

其中，c为光弹性悬臂梁的应力光学常数，λ为入射平面偏振光的波长。因此可通过求得平面偏振光通过光弹性悬臂梁后的相位延迟量δ来求得应力差。

当光弹性悬臂梁中存在应力时，其行为就像一个双折射片，以设置四组偏振状态测量组为例，四组偏振态测量组分别检测出射光的偏振状态，得到四个偏振状态值，假设以偏振状态为s(1，s1，s2，s3)的偏振光垂直入射悬臂梁，并得到其出射光偏振状态为s’(1，s1’，s2’，s3’)，根据偏振光传输理论，相位延迟量δ为：

由上式可知，只要得到出射和入射悬臂梁的偏振光的偏振状态，便可通过反余弦函数求出相位延迟量δ，可得出偏振状态前后变化和推力之间的关系：

利用偏振态产生模块，可以生成特定偏振状态的偏振光，通过将前部偏振片方位角设为45°且四分之一波片和前部偏振片之间夹角为45°，用以生成测量所需要的45°线偏振光，然后以45°线偏振光入射悬臂梁时，其偏振状态则为(1,0,1,0)，此时推力与出射光的偏振状态满足：

偏振状态测量模块以及计算处理模块的综合应用，可记录出射光的偏振状态变化，结合公式(6)可实现推力的测量。

在实际应用中，悬臂梁动态摆动时，摆动位置不同，重力会在横向有不同大小的分量，且此时力矩的长度不再是l，为了提高精度，通过位移测量模块进行修正，通过位移传感器对公式(6)修正，设位移传感器记录悬臂梁底端摆动位置与竖直平衡位置的位移为a，且位移变化的时间间隔为t，则此时力矩的长度重力在水平方向的分力为g_＝mga/l，而在悬臂梁顶端a-b点由于重力产生的主应力为：

此时，出射光的偏振状态与推力大小可修正为：

其中，a与f方向相同为正，否则为负。

当推力器连续工作时，采集悬臂梁底端位移变化和悬臂梁顶端出射光偏振状态，结合式(8)求得力的大小，由于面阵高速相机能高速实时拍摄偏振状态图像并实时转化为推力数值，因而可以通过计算机输出推力随着时间变化的曲线f(t)，然后通过计算即可得到推力对应的冲量值，如图3所示，对于连续力，力的大小是核心关键，而对于脉冲力而言，力的冲量大小是关键，尤其对于微推力器中，有很多是以脉冲力存在。此时，通过记录力在脉冲时间t1-t2之间变化曲线，可求得在脉冲时间△t内的冲量大小为：

至此完成对推力器推力和冲量的整个测量计算，实现微推力器的推力冲量一体化测量过程。

需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例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范围内。