一种用于微牛级推力测试的快响应二级摆装置

1.本发明属于微推进器推力测量技术领域，更具体地，涉及一种用于微牛级推力测试的快响应二级摆装置。


背景技术：

2.随着科学技术的发展，人类对空间探测的需求越来越强烈，对卫星的无拖曳控制提出了更高的要求。为了提高无拖曳控制精度，微推进系统的分辨率要求达到微牛甚至亚微牛量级。同时对微推进器的快速响应同样提出很高的要求，微推进器工作时，其推力上升时间最小可为几十毫秒，为了精确反映微推进器推力上升过程，获取微推进器动态推力性能，因此需要研究一种精度高和响应速度快的微牛级微推进器推力测量装置来满足日益增长的科技发展需求。


技术实现要素：

3.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于微牛级推力测试的快响应二级摆装置，旨在解决现有技术中为了达到高精度测量的目的，测试装置的刚度要足够小，导致测试装置的周期较长且响应速度慢的问题。
4.本发明提供了一种用于微牛级推力测试的快响应二级摆装置，包括：悬挂模块、微推进器、第一加速度计、第二加速度计、摆架框和监测模块；所述悬挂模块与所述摆架框连接，所述摆架框可绕水平方向或者竖直方向转动；所述微推进器用于对所述摆架框施加水平方向推力；所述第一加速度计和所述第二加速度计设置在摆架框上端和下端，用于差分测量摆架框的加速度；所述监测模块用于监测所述摆架框的位移变化，并提供角度基准，对摆架框位移与角度变化之间系数进行标定。
5.更进一步地，悬挂模块为扭丝或者簧片。当悬挂模块为扭丝时，扭丝为金属或玻璃材料，扭丝可以为圆柱形；当悬挂模块为簧片时，簧片为两个薄的矩形条状。
6.其中，当悬挂模块为扭丝时，摆架框可以为矩形结构，摆架框绕竖直轴转动；当悬挂模块为簧片时，摆架框可以为日字型结构，摆架框绕水平轴转动。
7.更进一步地，监测模块包括：电容位移传感单元、反射镜、自准直仪和数据采集处理单元；当悬挂模块为簧片时，所述电容位移传感单元设置在所述摆架框的底部，所述反射镜设置于所述摆架框的下端，；当悬挂模块为扭丝时，无电容位移传感单元，所述反射镜设置于所述摆架框侧面中间位置。所述自准直仪均放置在室外。电容位移传感单元测量摆架框转动引起的位移变化。反射镜用于反射自准直仪的入射光线，自准直仪接收反射光线后可得到摆架框的角度变化，利用自准直仪测量的摆架框角度变化值(即摆角)，得出电容位移传感单元的位移与摆角系数，利用此系数将电容位移传感单元的位移量转化为摆角。所述数据采集处理单元用于采集所述电容位移传感单元输出的位移信号和所述自准直仪输出的角度信号。
8.其中，电容位移传感单元包括：摆架电容极板与固定电容极板；固定电容极板与真
空容器固定，摆架电容极板与所述摆架框固定。
9.作为本发明的一个实施例，快响应二级摆装置还包括：微推进器支架，用于将所述微推进器安装在所述摆架框上。
10.作为本发明的一个实施例，快响应二级摆装置还包括：标定支架，在所述标定支架上放置有已知质量的标定质量，用于对所述微推进器的推力进行标定。
11.在本发明实施例中，快响应二级摆装置还包括：配重和电磁力单元，所述配重用于平衡所述微推进器的重力；所述磁力单元用于接受外界施加的已知电磁力。
12.通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于采用扭摆和加速度计共同测试微推进器推力，扭摆的本征周期在秒量级，加速度计本征周期可以达到ms量级，拥有更优秀的高频性能；能够在高精度测量微推进器推力的同时，快速响应推力变化。
附图说明
13.图1为本发明实施例提供的用于微牛级推力测试的快响应二级摆装置在水平轴扭摆工作模式下的正视图；
14.图2为本发明实施例提供的用于微牛级推力测试的快响应二级摆装置在水平轴扭摆工作模式下的侧视图；
15.图3为本发明实施例提供的用于微牛级推力测试的快响应二级摆装置在水平轴扭摆工作模式下的结构图；
16.图4为本发明实施例提供的用于微牛级推力测试的快响应二级摆装置在竖直轴扭摆工作模式下的正视图；
17.图5为本发明实施例提供的用于微牛级推力测试的快响应二级摆装置在竖直轴扭摆工作模式下的侧视图；
18.图6为本发明实施例提供的用于微牛级推力测试的快响应二级摆装置在竖直轴扭摆工作模式下的结构图。
19.下面说明每个部件名称：
20.1为支架，2为悬挂模块，3为标定支架，4为微推进器，5为反射镜，6为第一加速度计，7为第二加速度计，8为摆架框，9为微推进器支架，10为电容极板，11为配重，12为电磁力单元。
具体实施方式
21.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
22.本发明提供了一种用于微牛级推力测试的快响应二级摆装置，可以解决微推进器推力高精度与快响应测试之间的矛盾，利用高频的加速度计快速测量微推进器施加在摆上的加速度，通过不同位置的加速度计差分测量微推进器工作时产生的摆架框的加速度，根据传递函数进而得到微推进器推力，通过电容位移传感单元和自准直仪测量摆的角度变化，能够在高精度测量推力的同时实现推力的快速动态测量。
23.本发明实施例提供的装置主体为摆结构，具体为支架、悬挂模块、摆架框和监测模
块；其中，摆架框被悬挂模块悬挂起来，摆架框在重力或者扭丝回复力的作用下会做周期性的往复运动，微推进器通过微推进器支架安装在摆架框上，通过调节微推进器固定支架的位置可以调整摆架框的姿态，当微推进器推力作用时，摆架框所受加速度会发生改变，推力力矩在新的平衡位置和重力力矩或者扭丝回复力矩达到平衡，此时摆架框的平衡位置会发生改变，根据电容位移传感电路监测到的位移信号和自准直仪测得的角度信号，就能得到所测推力的大小。在微推进器施加推力时，加速度计可以实时监测摆架框的加速度变化，通过传递函数可以动态获得微推进器推力。
24.电容位移传感电路将测量的位移的变化以电压形式向外界输出，根据高精度自准直仪监测到的摆架框角度变化(即摆角)，对电容位移传感电路得到的电压进行高精度的系数标定，可以直接把位移传感电路得到的差分电压信号转变成摆角信号。
25.本发明在摆上放置高频率的加速度计直接测量摆架框的加速度，同时对摆架框角度变化进行精确测量(具体地，可以根据高精度自准直仪监测到的摆角对电容位移传感电路得到的电压进行高精度的系数标定，可以直接把位移传感电路得到的差分电压信号转变成摆角信号，即对角度进行精确测量)，在水平轴扭摆的情况下可通过重力矩对摆的参数进行标定，竖直轴扭摆情况下通过外加电磁力对摆的参数进行标定。进而根据传递函数得到推力的大小和推力的动态变化。由于加速度计的频率很高，对微推进器推力的响应速度很快，可以达到几十毫秒，满足微推进器动态响应测试需求。通过两个加速度计差分测量，可以减小外界振动和重力加速度等干扰因素对待测加速度的影响。整个安装测试过程操作简单、使用方便。
26.如图1-6所示，本发明实施例提供的用于微牛级推力测试的快响应二级摆装置包括：悬挂模块2、微推进器4、第一加速度计6、第二加速度计7、摆架框8和监测模块；微推进器4用于对摆架框8施加水平方向推力；第一加速度计6和第二加速度计7设置在摆架框8上不同位置，用于差分测量摆架框8的加速度，减小外部振动和重力加速度对摆架框8的影响，测得微推进器的动态性能；悬挂模块2与摆架框8连接，摆架框8可绕水平方向或者竖直方向转动；监测模块用于监测摆架框8的位移变化，并提供角度基准，对电容位移传感单元测量的位移变化与摆架框角度变化的比例系数进行标定。
27.在本发明实施例中，悬挂模块2可以为扭丝或者簧片，当悬挂模块2为簧片时，摆架框8绕水平方向转动并构成水平轴扭摆；当悬挂模块2为扭丝时，摆架框8绕竖直方向转动并构成竖直轴扭摆。其中，水平轴扭摆为绕水平轴扭转的摆的总称，典型形式为复摆；竖直轴扭摆为绕竖直轴扭转的摆的总称，典型形式为扭秤。
28.作为本发明的一个实施例，悬挂模块2可以为簧片或扭丝，当悬挂模块2为扭丝时，扭丝可以为金属或玻璃材料，为圆柱形，摆架框绕竖直轴转动；当悬挂模块2为簧片时，簧片可以为两个薄的矩形条状，摆架框绕竖直轴转动，悬挂模块上端与支架固连，下端与摆架框8固连。
29.作为本发明的一个实施例，悬挂模块2中的簧片可以为金属材料，厚度为几十至几百微米；扭丝可以为金属或玻璃材料，直径从几十微米到几百微米，可以根据待测微推进器推力范围和摆质量对扭丝直径进行适配。
30.本发明实施例提供的快响应二级摆装置可以通过悬挂模块连接起来，水平轴扭摆工作模式下通过在摆架框8上的标定支架上放置标定质量来测量整个装置的周期、转动惯
量等参数。竖直轴扭摆工作模式下通过施加已知电磁力对整个装置的周期、转动惯量等参数进行标定。通过已知参数结合电容位移传感单元测得的角度变化和加速度计测得的摆架框8加速度，根据传递函数可以得到推力的大小和动态性能。
31.作为本发明的一个实施例，摆架框8可以为金属材料或玻璃材料，其形状可根据其安装零部件进行加工改造。水平轴扭摆工作模式下为日字型，竖直轴扭摆工作模式下为矩形。
32.具体地，第一加速度计6和第二加速度计7安装在摆架框8上，可差分测量摆的加速度。
33.本发明实施例中，电磁力单元由磁铁和阻尼盘构成，仅在竖直轴工作模式使用，穿过悬挂模块，用于增加摆架的阻尼；在摆架框8侧面设置有正对摆架框8的磁铁，用于对摆的摆动提供阻尼。
34.在本发明实施例中，监测模块包括：电容位移传感单元、反射镜5、自准直仪和数据采集处理单元，包括：电容位移传感单元、反射镜、自准直仪和数据采集处理单元，当悬挂模块为簧片时，所述电容位移传感单元设置在所述摆架框的底部，所述反射镜设置于所述摆架框的下端；当悬挂模块为扭丝时，无电容位移传感单元，所述反射镜设置于所述摆架框侧面中间位置。所述自准直仪均放置在室外。电容位移传感单元测量摆架框转动引起的位移变化。反射镜用于自准直仪的入射光线，自准直仪接收反射光线后可得到摆架框的角度变化，利用自准直仪测量的摆架框角度变化值得出电容位移传感单元的位移与摆角系数，利用此系数将电容位移传感单元的位移量转化为摆架框的角度变化值。所述数据采集处理单元用于采集所述电容位移传感单元输出的位移信号和所述自准直仪输出的角度信号。
35.通过电容位移传感单元得到摆架框8的位移变化并以电压的形式表示出来，自准直仪可以提供角度基准，通过反射镜5对电压与角度变化之间系数进行标定。通过第一加速度计6和第二加速度计7差分得到摆架框8的加速度变化，三者结合可以高精度快响应地测出微推进器的推力。
36.其中，电容位移传感单元由摆架电容极板10与固定电容极板构成，用于监测摆架框8的运动位移。摆架电容极板固定在摆架框的底端，固定电容极板与真空容器固连。摆架框转动导致摆架电容极板与固定电容极板间的距离发生变化，进而引起电容位移传感单元的电容发生改变，电容位移传感单元利用测量电容变化量得到摆架框的位移变化。
37.在本发明实施例中，快响应二级摆装置还包括：标定支架3、微推进器支架9、配重11和电磁力单元12，在标定支架3上放置有已知质量的标定质量，用于对微推进器的推力进行标定；配重11，当为竖直轴工作模式，其处于摆架框一侧，与微推进器处于相反的一端，用于平衡微推进器4的重力对摆架框倾斜姿态的影响；当为水平轴工作模式，其处于摆架框中间，用于平衡微推进器4的重力对摆架框弹性系数的影响；磁力单元12，当为竖直轴工作模式，其处于摆架框侧面，与微推进器处于相反的一端，用于产生已知大小的水平推力，结合测量的摆架框的角度变化值，测量摆架框的弹性系数。当为水平轴工作模式，无磁力单元，采用重力方法测量摆架框弹性系数；
38.其中，微推进器4通过微推进器支架9安装在摆架框8上，微推进器4施加推力时摆架框8的运动状态会发生改变，绕悬挂模块转动，引起电容位移传感单元电容变化，电容位移传感单元测量电容变化量进而得到摆架框位移变化量。
39.微推进器支架9可以调节微推进器4的位置和姿态，通过调节微推进器4的位置可以调节摆架框8的姿态，使其竖直，减小微推进器和摆架框重力分量对微推进器推力测量值的耦合，降低推力测量值误差。
40.在本发明实施例中，快响应二级摆装置还包括：固定支架1，固定支架1固定不动，用于将整个装置固定在真空容器内。
41.其中，摆架框8下端放有微推进器支架9，通过调整微推进器支架9位置可以调整摆架框8的姿态。摆架框8上固定有反射镜5，可以通过自准直仪对摆架框8运动角度进行测量和标定。摆架框8上不同位置安装有两个加速度计，可以差分测量摆架框8的加速度。水平轴扭摆工作模式下：摆架框8最下端固定有电容极板，摆架框8下方的电容极板位于位移传感电路的两块电容极板之间，构成差分电容。在摆架框8侧面可以用来固定气管和微推进器的电路系统。摆架框8正面中间位置安装有标定支架，通过在标定支架上放置标定质量可以对摆架框8转动惯量等参数和推力的大小进行标定。竖直轴扭摆工作模式下：沿竖直轴安装气管和微推进器的电路系统。
42.本发明可以在高精度测量的同时快速响应微推进器推力的变化，动态性能好。
43.本发明利用上述装置获得微推进器推力的方法，具体包括如下步骤：
44.(1)将微推进器安装调节到位，通过竖直方向基准和反射镜确保摆架框8竖直。
45.(2)标定装置相关参数：水平轴扭摆模式下在标定支架上放置标定质量，其质量为m，标定质量到悬点距离为lm，竖直轴扭摆模式下在摆上施加电磁力fe，电磁力力臂为le，摆架框8的运动方程可以表示为：式中i、λ、k、θ(t)、τ分别表示摆架框8的整体转动惯量、阻尼系数、刚度、摆偏转角度和外力矩，根据公式mgl＝kδθ或者fele＝kδθ，其中g为本地重力加速度，δθ为摆架框8平衡位置的角度变化量，得到摆架框8的刚度k，通过摆架框8的角度变化拟合出摆架框8的运动周期t，根据公式k＝4π2i/t2，可以得到摆架框8的转动惯量i，同时根据角度变化量δθ对应的电容位移传感单元的电压变化量δv给出角度与电压之间对应系数。
46.(3)对微推进器进行测试，微推进器施加推力，摆架框8角度变化由电容位移传系统和自准直仪共同监测，摆架框8加速度由加速度计监测。当加速度计水平安装在摆架框8上，加速度计测得水平方向上的加速度，通过在距离悬点不同位置处放置两个加速度计，则第一加速度计测得的加速度为第二加速度计测得的加速度为其中θ为摆架框8的运动角度，g为本地重力加速度，l1和l2分别为第一加速度计和第二加速度计到转轴的距离。两者之差为通过差分可消除当地重力加速度对所测得加速度的影响。将这个方程同样进行拉普拉斯变化，可得到摆架框8系统角度θ到加速度计差分后外界加速度δa的传递函数根据角度到推力的传递函数
其中l为微推进器的推力力臂，则加速度到推力的传递函数为根据传递函数代入参数，将其进行反拉普拉斯变化，得到微推进器推力f随时间t的表达式，则根据所测加速度和角度可以快速测量推力的值。
47.本发明实施例中采用二级摆的形式，可以同时测量摆架框8的加速度和摆架框8的角度变化，具有高精度和快响应的优点，在测量微牛甚至亚微牛量级推力的同时，能够快速测量微推进器推力的上升过程，反映推力变化，对微推进器的研制和发展具有重要意义。
48.在本发明实施例中，标定方法具体为：
49.水平轴扭摆工作模式下通过对标定质量的测量及其力臂的测量给出力矩大小，进而测量微推进器的力臂对推力进行标定。竖直轴扭摆工作模式下通过对电磁力和电磁力力臂在装置外标定，进而测量微推进器的力臂对推力进行标定。
50.根据高精度自准直仪监测到的摆角对电容位移传感电路得到的电压进行高精度的系数标定。
51.在本发明实施例中，水平轴扭摆工作模式下通过重力矩进行标定可以溯源到重力基准，同时重力标定不受外界环境影响，标定结果更为精确。竖直轴扭摆工作模式下通过电磁力进行标定，可以对装置进行连续标定，更为方便。
52.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。