CN102169035B - 扭摆式高精度微推力测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了扭摆式高精度微推力测量系统，支撑架的横杆上设有位置调节器，所述刚性轴的底端连接有石蜡固化杯，翅片结构设在石蜡固化杯内、并以刚性轴为中心轴中心对称的设在刚性轴下部上；推力杠杆的长臂端上设有微推进器，以及与微推进器相配的线性位移传感器；推力杠杆短臂端上设有配重杯；所述推力杠杆通过柔性铰链以保持水平状态的与刚性轴的顶端连接；所述连接线一端悬吊连接在位置调节器上，另一端连接在柔性铰链的轴线上；连接线上端所连接的位置调节器，可以自由调节棉线悬挂点的位置；旋转杠杆系统通过连接线上端悬挂于该位置调节器。本发明结构简单、体积小、精度高、使用方便，能满足微推力装置的实验测量要求，具有良好的应用前景。

Description

扭摆式高精度微推力测量系统

技术领域

本发明涉及一种用于微推力装置的高精度微推力测量系统，特别是用于航天器件微推进器实验研究的高精度微推力测量系。 

背景技术

随着微机电系统(MEMS)技术的发展，微小卫星在近年来得到了迅猛的发展。用于微小卫星姿态调节和轨道调节的微推进器具有很高的性能要求：重量小，产生可控制的微牛量级推力。其工作方式可分为连续工作型和脉冲工作型。一般的测量装置对微推进器推力的精确测量比较困难。一方面，仪器的噪音信号会影响精度；同时，微推进器脉冲工作时传递给台架的瞬间力也会影响测量精度。因此，有必要研制一种新型的微推力测量装置来满足微小卫星发展的需求。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种能满足用于微纳卫星的微推进器性能测试需求的高精度微推力测量系统。 

为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案：扭摆式高精度微推力测量系统，包括有支撑架、推力杠杆、柔性铰链、刚性轴、线性位移传感器、翅片结构，连接线，所述支撑架的横杆上设有位置调节器，所述刚性轴的底端连接有石蜡固化杯，所述翅片结构设在石蜡固化杯内、并以刚性轴为中心轴中心对称的设在刚性轴下部上；所述推力杠杆的长臂端上设有微推进器，以及与微推进器相配的线性位移传感器；推力杠杆短臂端上设有配重杯；所述推力杠杆通过柔性铰链以保持水平状态的与刚性轴的顶端连接，并保证与刚性轴垂直，构成旋转杠杆系统；所述柔性铰链的顶端与联接轴连接，所述连接线一端悬吊在位置调节器上，另一端连接在联接轴的轴线位置；连接线上端所连接的位置调节器，可以自由调节棉线悬挂点的位置；旋转杠杆系统通过连接线上端悬挂于该位置调节器。 

悬挂后的旋转杠杆系统通过在推力杠杆的配重杯中增减配重块以调节至水平使旋转杠杆系统的重心在旋转轴之上，配重杯中的配重块用石蜡固定；旋转杠杆系统经调节水平后，向底座的石蜡固化杯添加熔融石蜡并冷却固化，使翅片结构与石蜡固化杯固定。位于杠杆长臂端的微推进器产生微小推力时，会产生旋转力矩使得旋转杠杆系统产生微小的旋转运动，杠杆长臂端的线性位移传感器检测出产生的旋转位移量，从而测量出微推进器产生的微小推力。 

所述推力杠杆的横截面为“工”字型，并采用硬质铝合金材料制作。 

所述位置调节器包括螺杆，在螺杆上设有滚动轴承以及多个螺母，所述连接线一端连接在滚动轴承上。 

所述连接线为棉线。棉线相对金属线更柔软，而且可拉伸性更好，不会对旋转杠杆系统的扭转刚度产生可测量出来的影响。 

本发明扭摆式高精度微推力测量系统主要由两部分组成：旋转杠杆系统和底座台架系统。此外还包括线性位移传感器。旋转杠杆系统由推力杆杆、柔性铰链、刚性轴及其底部的轴对称翅片结构四者装配而成，通过先上端连接线悬挂，再下端石蜡杯固定的方式将旋转杠杆系统安装到底座台架系统上。 

旋转杠杆系统的工作原理是利用推力杠杆长臂端产生的微小推力，对杠杆的支点产生一个力矩，杠杆的支点位于刚性轴轴心上且用柔性铰链连接。产生的力矩会使柔性铰链产生扭转变形，从而使杠杆长臂端产生一个微小位移。 

旋转杠杆系统的平衡调节通过向配重杯内添加砝码实现，并用石蜡固化的方法固定住防止测量过程中出现砝码移动的现象而影响杠杆系统的平衡。 

旋转杠杆系统与底座支架系统之间安装固定分为两步：第一步，用连接线悬吊旋转杠杆系统，调节平衡后，通过位置调节器使刚性轴的轴线与底座上石蜡固化杯的轴线重合。第二步，往石蜡固化杯里添加熔融的液态石蜡，待石蜡凝固后就能使旋转杠杆系统固定在底座上，并能承受扭矩的作用。 

由于推力测量系统的噪音信号大部分来自于环境的振动噪音，特别是当旋转杠杆系统得旋转中心与杠杆系统的质心不在一条铅垂线上时，这个现象会非常严重。为此本发明通过连接线悬吊的方式，利用不倒翁原理充分调节杠杆为水平状态。为了不至在固定过程中对推力测量系统有任何外力的影响而使推力测量系统发生倾斜，采用液态石蜡自然固化的方法固定刚性轴下端的轴对称翅片结构，从而固定刚性轴。 

旋转杠杆系统的旋转运动可通过推力杠杆长臂端的线性位移传感器来检测，此信号可转换为推力值。 

本发明与现有技术相比，具有如下优点：本发明结构简单、体积小、精度高、使用方便，能满足微推力装置的实验测量要求，具有良好的应用前景。 

附图说明

图1为本发明扭摆式高精度微推力测量系统的结构示意图； 

图2为图1中推力杠杆5的截面图； 

图3为图1中石蜡固化杯8与翅片结构9以及刚性轴7之间的装配示意图； 

图4为图1中位置调节器12的原理图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。 

实施例： 

请参阅图1所示，本发明的扭摆式高精度微推力测量系统主要包括：包括支撑架1、连接线3、推力杠杆5、柔性铰链6、刚性轴7、翅片结构9和线性位移传感器11。支撑架1的横杆上设有位置调节器12，刚性轴7的底端连接有石蜡固化杯8，翅片结构9设在石蜡固化杯8内、并以刚性轴7为中心轴中心对称的设在刚性轴7下部上，推力杠杆5的长臂端上设有微推进器10，以及与微推进器10相配的线性位移传感器11，推力杠杆5短臂端上设有配重杯2；推力杠杆5通过柔性铰链6以保持水平状态的与刚性轴7的顶端连接安装在一起形成有旋转杠杆系统；柔性铰链6的上端还与联接轴4连接，连接线3一端悬吊连接在位置调节器12上，另一端连接在联接轴4的轴线上，用于连接整个旋转杠杆系统，往配重杯2内添加砝码直至杠杆平衡后，通过位置调节器12调节刚性轴7位于石蜡固化杯8的中心位置。往石蜡固化杯9注入熔融石蜡并冷却固化，至此完成了系统的装配过程。当在推力杠杆的长臂端的微推进器10产生微小推力时，产生的扭矩会使柔性铰链6发生扭转变形，推力杠杆5的长臂端会产生相应的位移，位移量通过长臂端的线性位移传感器11转化为电压信号进入信号收集器。 

参照附图2所示，为推力杠杆5的横截面示意图，采用“工”字型的横截面设计在保证弯曲刚度的前提下大大地减小了杠杆的重量和旋转惯性矩。提高了系统的灵敏度和反应性。 

参照附图3为刚性轴7与翅片结构9以及石蜡固化杯8之间的装配位置关系。呈中心对称的翅片结构9安装在刚性轴7的下端，且使翅片结构9的对称中心轴与刚性轴7的轴线重合。将装配好的刚性轴7和翅片结构9放入石蜡固化杯8内，调节推力杠杆5水平之后，再通过位置调节器12调整装配好的刚性轴7与石蜡固化杯8之间的位置，使两者的轴线重合。然后往石蜡固化杯8倒入熔融石蜡，石蜡凝固后即实现了石蜡固化杯8连接的底座与刚性轴7支撑的旋转杠杆系统之间的固定装配。石蜡固化过程中会发生体积变小的过程，由于石蜡固化杯8内各处石蜡的凝固速度不一样，这会在石蜡内部产生拉应力，如果石蜡固化杯8与刚性轴7和翅片结构9组成的系统不呈中性对称，则石蜡固化过程产生的应力分布不对称会导致刚性轴7发生偏斜，进而影响推力杠杆5的水平。因此必须如上述步骤所述严格保证刚性轴7的轴线，翅片结构9的对称中心轴以及石蜡固化杯8的轴线三者的重合，从而使得各个方向石蜡产生的应力相同而不会影响推力杠杆5的水平度。 

参照附图4为位置调节器12的结构示意图。螺杆13两端用螺母15连接，并固定在支撑架1上，螺杆13的中部安装有滚动轴承14，滚动轴承14的外圈连接棉线3。旋动螺杆13，则其相对螺母15有左右的位置移动，从而带动棉线3在左右方向移动，实现位置调节的功能。 

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。 

Claims (5)

1.扭摆式高精度微推力测量系统，其特征在于：包括有支撑架(1)、推力杠杆(5)、柔性铰链(6)、刚性轴(7)、线性位移传感器(11)、翅片结构(9)和连接线(3)，所述支撑架(1)的横杆上设有位置调节器(12)，刚性轴(7)的底端连接有石蜡固化杯(8)，所述翅片结构(9)设在石蜡固化杯(8)内、并以刚性轴(7)为中心轴，中心对称地安装在刚性轴(7)下部；所述推力杠杆(5)的长臂端上设有微推进器(10)，以及与微推进器(10)相配的线性位移传感器(11)，推力杠杆(5)短臂端设有配重杯(2)；所述推力杠杆(5)保持水平的状态通过柔性铰链(6)与刚性轴(7)的顶端连接；所述柔性铰链(6)的上端还与联接轴(4)连接，所述连接线(3)一端悬吊连接在位置调节器(12)上，另一端连接在联接轴(4)的轴线位置。

2.如权利要求1所述的扭摆式高精度微推力测量系统，其特征在于：所述推力杠杆(5)的横截面为“工”字型，并采用硬质铝合金材料制作。

3.如权利要求1所述的的扭摆式高精度微推力测量系统，其特征在于：所述配重杯(2)内采用石蜡固定配重块。

4.如权利要求1所述的的扭摆式高精度微推力测量系统，其特征在于：所述位置调节器(12)包括螺杆(13)，在螺杆(13)上设有滚动轴承(14)以及多个螺母(15)，所述连接线(3)一端连接在滚动轴承(14)上。

5.如权利要求1到4中任一所述的的扭摆式高精度微推力测量系统，其特征在于：所述连接线(3)为棉线。

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