一种扭摆型的微推力测试系统及测量方法

本发明属于微推力测量领域，具体涉及一种扭摆型的微推力测试系统及测量方法。

背景技术：

1、近年来，随着微纳卫星的快速发展和广泛应用，微推进系统成为微纳卫星研究的重点，也对微推力的精确测量提出了新的要求。微推进器产生的推力非常小，一般为mn量级甚至更低，给微推力的精确测量带来了一定的困难，因此十分有必要研发出一种高精度的微推力测试系统。

2、根据微推力测量的基本原理，国内外人员研究出了多种类型的微推力测试系统以满足不同种类微推力器的要求。常见的微推力测试系统有扭摆型、天平型、单摆型、悬丝型等。其中天平型的微推力测试系统可实现mn～n量级的微推力测量，但分辨率不高；单摆型的能实现μn～mn量级微推力测量，但无法消重力对测试结果的影响；悬丝型精度高，体积小，但容易受到环境干扰；扭摆型的能实现μn量级的微推力测量，且能实现重力和推力分离，分辨率高。

3、目前，国内也设计研究出了多种扭摆型微推力测试系统。公开号cn114964588a公开了一种扭摆式微推力测量装置和方法，公开cn115248120a公开了一种微推力测量装置及方法，这两种微推力测量装置均采用永磁铁和电磁线圈组合的方式来产生微小推力，但永磁铁与通电线圈在测量环境中分开放置，会受空间中电磁场的干扰，对测量装置的电磁力输出精度造成影响。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有微推力测试系统技术的不足，提供一种结构简单、精度高的扭摆型毫牛级微推力测试系统。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种扭摆型的微推力测试系统，包括工作底板以及设置在工作底板上的扭摆横梁，挠性枢轴，微推力发动机，配重，固定装置，微推力产生装置，位移测量装置，阻尼结构和标定模块；

3、所述扭摆横梁通过固定装置实现扭摆横梁在工作底板上的悬置，所述扭摆横梁上表面的两端通过单轴位移平台分别设有微推力发动机和配重；阻尼结构安装在与扭摆横梁同一水平线的工作底板上，产生电磁阻力使得扭摆横梁停止水平摆动，并提供测量所需的阻尼比；微推力产生装置安装在扭摆横梁一侧的工作底板上，由两个相对安装的电磁线圈和通电导线组合来产生微小推力，位移测量装置(7)安装在扭摆横梁与微推力产生装置(6)相对侧的工作底板上，通过电涡流位移传感器测得其与扭摆横梁侧表面的相对距离数据；标定模块(9)安装在与微推力产生装置同一侧的工作底板上，用于对微小推力与电流的函数关系的标定。

4、进一步的，扭摆横梁为工字型梁，扭摆横梁为执行部件，当微推力作用时会发生水平摆动。

5、进一步的，挠性枢轴作为测量敏感元件，当扭摆横梁摆动时，挠性枢轴相应发生扭转；挠性枢轴与扭摆横梁相对固定，挠性枢轴两端为刚性固定。

6、进一步的，固定装置包括直角固定块、光轴固定环、调节机构和支撑组件；

7、直角固定块固定在调节机构的上顶端，支撑组件穿过扭摆横梁上相应的通孔并和扭摆横梁固定连接，支撑组件中部设有供挠性枢轴穿过的通孔，挠性枢轴和支撑组件不可相对移动的连接，挠性枢轴上下两端分别通过光轴固定环和直角固定块和转接板连接；调节机构为三轴位移调节平台。

8、进一步的，位移测量装置从上到下依次包括电涡流传感器和固定支架；

9、电涡流传感器包括电涡流探头和调整电路前置器，电涡流探头通过固定支架安装在固定底板上，调整电路前置器放置在固定支架一侧的工作底板上并与外接电源相连。

10、进一步的，阻尼结构包括两个上下相对设置的相同规模的电磁铁、一端设置在两个电磁铁之间的阻尼片、直角固定块、z向单轴位移台和光学面包板；

11、直角固定块通螺栓固定在光学面包板上，上侧的电磁铁固定在悬空的直角固定块的下表面，下侧的电磁铁通过转接块固定在工作底板上；

12、阻尼片另一端和工字梁腰板的下表面固定连接。

13、进一步的，微推力产生装置包括上下相对设置的规格相同的电磁线圈、第一通电导线和固定支架；

14、固定支架包括直角转接件、面包板、z向单轴位移台、固定块、框架、极柱，导线固定支架和y向单轴位移台；

15、上侧电磁线圈通过上侧的竖直极柱安装在框架上端，下侧电磁线圈通过下侧的框架通过下侧的竖直极柱与上侧电磁线圈竖直相对安装；框架在右侧通过固定块和螺栓安装在z向单轴位移台上，z向单轴位移台通过螺栓安装在面包板上端，面包板下端通过直角转接件固定在工作底板上；第一通电导线在磁场中的长度不低于38mm，通电导线通过水平放置的导线固定支架固定在两电磁线圈的中间位置，导线固定支架下端通过螺栓安装在y向单轴位移台上，y向单轴位移台下端安装在扭摆横梁上表面。

16、进一步的，标定模块包括左右相对设置的电磁线圈、第二通电导线和固定支架；

17、固定支架包括面包板垂直支架、面包板、z向单轴位移台、直角转接件、固定块、框架、极柱、导线固定支架；

18、一侧电磁线圈通过该侧极柱水平安装在框架上，另一侧的电磁线圈通过极柱与框架连接；框架上端通过固定块安装在悬空的直角转接件上，直角转接件在左侧通过螺栓安装在z向单轴位移台上，z向单轴位移台通过螺栓固定在面包板上端，面包板下端通过面包板垂直支架固定在工作底板上，第二通电导线在磁场中的长度不低于38mm，导线通过竖直的导线固定支架水平固定在两电磁线圈的中间位置。

19、进一步的，还包括与标定模块配合使用的并和标定模块设置在同侧的电子天平。

20、一种采用上述的测试系统进行测量的方法，包括如下步骤：

21、步骤(1)：调节调节机构的微调旋钮，使挠性枢轴垂直于工作底板，并使得扭摆横梁与工作底板保持水平；

22、步骤(2)：对微推力测试系统微的微推力进行标定；

23、步骤(21)：微小推力和电流函数关系标定：对电子天平进行归零和校准，将标定模块通过螺栓安装在工作底板上，对标定模块中的两个电磁线圈通电使其产生高密度磁场，将第二通电导线通过竖直导线固定块固定于两电磁线圈的中间位置，竖直导线固定块置于电子天平上，对第二通电导线通以直流电，导线在磁场中受到竖直方向安培力的作用，重力发生改变，通过电子天平测得重力的改变值，重力的改变值即为微推力的大小，多次进行上述操作，可以得到微小推力与电流之间的函数关系；

24、步骤(22)：微位移与电流函数关系标定：将微推力产生装置通过螺栓固定在工作底板上，将微推力产生装置中两个电磁线圈通过极轴安装在框架上，并使得两电磁线圈的间隙与标定模块的两个电磁线圈的间隙相同，将第一通电导线通过水平的导线固定块固定于两电磁线圈中间位置，水平导线固定支架通过单轴位移台固定在扭摆横梁上；对第一通电导线通以与第二通电导线相同的直流电产生相同的微推力，使得扭摆横梁摆动，通过电涡流传感器测得电涡流传感器探头与扭摆横梁侧表面的相对距离数据，多次进行上述操作，可以得到微位移与电流之间的函数关系；

25、步骤(23)：将步骤(21)和(22)得到的微推力与电流的函数关系以及微位移与电流的函数关系进行拟合，得到微推力测试系统微推力与位移的之间的函数关系；

26、步骤(3)：微推力发动机安装：将微推力发动机和配重分别固定在扭摆横梁上，调节单轴位移台使二者配平，再次调节固定装置中调节机构的微调旋钮，使挠性枢轴垂直于工作底板，并使得扭摆横梁与固定底板保持水平；

27、步骤(4)：微推力发动机的微推力测量：通过无线方式启动微推力发动机，由电涡流传感器测得传感器探头与扭摆横梁侧表面的相对距离数据，并由阻尼结构产生阻力使扭摆横梁逐渐恢复到平衡位置，最后利用步骤(2)标定得到的微推力与位移之间的函数关系，即可计算出微推力发动机产生的微推力的数值。

28、本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

29、本发明的微推力产生装置采用两个规格相同的电磁线圈和通电导线相组合的方式来产生微小推力；两个相同规格的电磁线圈作为磁极通过极柱相对安装产生磁场，将通电导线通过导线固定块固定在磁场中，并通用以直流电，导线将受到安培力的作用，安培力即为产生的微小标定力；导线固定块下端固定在单轴位移台上，可通过调节位移台调整导线固定块的位置从而使得通电导线工作区域处于均匀磁场中，避免了磁极面边缘产生的漏磁对测量精度的影响。另外，本发明可实现微推进系统毫牛量级微小推力的测量。