CN102721456B - 微推力与微冲量的直接标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明请求保护一种微推力与微冲量的直接标定方法。该方法利用了电磁铁气隙中磁感应强度分布均匀且漏磁很小的特点，将载流导线穿过气隙，导线将受到一安培力的作用，测定安培力大小和作用时间，即可进行微推力和微冲量标定。进行静态推力标定时，将受力线圈安装在测量装置的受力点，调整好电磁铁位置，使受力线圈的安培力方向为需要标定的推力方向，根据受力线圈的电流与所受安培力的线性关系，可实现静态推力的标定。进行微冲量标定时，通过测定受力线圈电流的大小和作用时间，利用已标定出的受力线圈电流与安培力的线性关系可得出安培力的冲量大小，从而实现动态冲量的标定。该方法弥补了现有标定方法的不足，具有误差小，精度高，标定范围广等突出优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种微推力与微冲量的直接标定方法，特别是应用于电推进、激光微推进等的微推力与微冲量测量设备，如扭摆、重力摆及电磁天平等的标定。
背景技术
对微推力器的推力与冲量的测量一般是将推力器放置在测量台架上，通过观察在微推力作用下推力测量装置的力学行为间接地得到推力或者冲量。微推力与微冲量测量装置有扭摆、重力摆和电磁天平等。
对微推力的直接标定目前实用的有两种方法，一是重力法，另外一种是电磁力法。
用重力法标定静态力有两种形式，一种是滑轮法，另外一种是三力平衡法。以扭摆为例，滑轮法是用一根细线通过滑轮将小砝码与扭摆横梁相连，滑轮与横梁之间的细线水平且垂直于横梁。小砝码质量即横梁受到的静态力，测出横梁的扭转角度既可得到扭摆横梁受力与转动的对应关系，从而实现扭摆的静态微推力标定。滑轮法简单，容易操作，但是细线经过滑轮相连，滑轮的摩擦将引入较大误差，不能对测量装置进行精确标定。三角平衡法也属于重力标定，静态微推力标定时，将三条细线的一端连接为一点，另一段分别与横梁、小砝码和可移动的杆架相连，调整杆架，使连接横梁的细线保持水平，已知小砝码重量并测出连接杆架的细线与竖直方向的夹角既可计算出横梁所受的力，进而测出横梁的转动角度既可实现扭摆的静态力标定。这个方法利用了作用于同一点的三力平衡原理，克服了滑轮法无法消除摩擦的缺点，但由于细线具有一定质量，且砝码重量很难做到微牛及微牛以下的量级，因此这种方法的标定下限较大，很难标定极微小的力。
在电磁方法标定静态力方面，汤海滨（Haibin Tang, Chenbo Shi, Xin’ai Zhang, et al. Pulsed thrust measurements using electromagnetic calibration techniques. Review of Scientific Instruments 82, 2011）制作了一个能产生一定范围的均匀磁场的永磁铁并将其固定于扭摆横梁，利用永磁铁和位置固定的通电线圈之间的作用力来标定静态力与扭摆横梁转动之间的关系。利用这种方法进行标定时，永磁铁产生磁场的均匀度不是很高，当标定过程中永磁铁与通电线圈之间相对位移较大时将产生较大误差。
对冲量的标定一般采用冲击法。电磁天平的标定方法是将已知质量的小球在已知高度上做自由落体运动，小球落到天平横梁上的挂篮里，认为小球动量全部传递给了电磁天平，这样即得到一个已知冲量与电磁天平动态响应的对应关系，从而实现冲量的直接标定。对于扭摆的冲量标定则是采用小球或小杆在一定水平速度下冲击横梁，用高速摄影等技术测量小球碰到横梁前后的速度，这样即可得到冲量与扭摆动态响应之间的关系。冲击法进行微冲量标定存在两个问题，一是碰撞时小球的速度测量误差及非弹性碰撞给标定带来较大误差，二是小球质量不可能做得太小，对极微小的冲量难于标定。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有微推力与微冲量直接标定方法误差大及过于微小的推力和冲量难于标定的问题，为扭摆、重力摆及电磁天平等测量装置提供一种误差小、标定范围广、精度高、简单可靠的微推力与微冲量标定方法。
本发明的技术解决方案是：利用带气隙的环形电磁铁2气隙中磁感应强度分布均匀且漏磁很小的特点，将一段载流导线穿过气隙，导线将受到安培力的作用，已知该安培力的大小和作用时间，即可进行微推力和微冲量标定。
进行微推力标定时，首先，利用高精度电子秤测量受力线圈1载流时在环形电磁铁2气隙磁场作用下所受安培力，根据测量数据获得受力线圈1电流与安培力的线性关系；然后，将受力线圈1安装在测量装置的受力点（如扭摆的横梁3上），调整好环形电磁铁2的位置并保持气隙磁场不变，使受力线圈1的安培力方向为需要标定的推力方向；最后，根据受力线圈1的电流与安培力的线性关系，获得扭摆横梁3受力与扭转角度之间的线性关系，从而实现微推力的标定。在标定过程中，环形电磁铁2也可采用环形永磁铁，该环形永磁铁的磁场分布与环形电磁铁2类似，并带气隙。
环形电磁铁的气隙宽度较窄，气隙之中的磁场分布均匀，磁芯和气隙之外漏磁很小。环形电磁铁磁芯由剩磁小的软磁材料组成，环形电磁铁线圈在通同样大小的稳恒电流时，气隙中磁场分布和磁感应强度基本相同。
进行微冲量标定时，给受力线圈1加载一已知大小和脉宽的脉冲电流，利用已标定出的受力线圈电流与安培力的线性关系可得出安培力的冲量大小，输入不同的脉冲电流即可得到不同冲量，测得不同冲量与扭摆横梁3响应之间的关系既可实现微冲量标定。
在标定微推力与微冲量过程中，在被标定装置允许的情况下，受力线圈1与环形电磁铁2的位置可以互换。
具体步骤：
（1）通过微质量测量装置，如高精度天平或电子秤等，测定受力线圈1在不同稳恒电流下受到的环形电磁铁2（或磁场分布与之类似的环形永磁铁）气隙中磁场的安培力大小，标定出受力线圈1在同一气隙磁场下电流与安培力的线性关系。
（2）将受力线圈1安装于微推力与微冲量测量装置的受力点上，调整环形电磁铁2的位置和姿态并保持磁场不变，使受力线圈1在气隙磁场作用下产生的安培力与要测量的推力作用方向一致；给受力线圈1加载已知的恒定电流，测量微推力与微冲量测量装置的响应，如横梁2扭转角度或摆幅等，根据已标定出的受力线圈1电流与安培力的线性关系可标定出静态推力与测量装置对力的响应的关系。
（3）在受力线圈1上加载一脉冲电流，由示波器等测出通过受力线圈1的电流大小和时间，由已标定出的受力线圈1的电流与安培力的线性关系可得脉冲电流所对应的冲量大小，测定微推力与微冲量测量装置的响应既可实现微冲量的标定。
本发明的有益效果为：
（1）由于受力线圈电流可做到很小，因此可标定100nNs甚至更小的力；（2）实现了微冲量的精确标定，且冲量标定范围大，可实现10nNs（甚至更小）到mNs范围的冲量标定；（3）采用环形永磁铁，或采用剩磁很小的坡莫合金铁芯的电磁铁，在电磁铁线圈通同样大小电流情况下，气隙磁场大小可重复性好，这样，微推力和微冲量标定准确度高、误差小。
附图说明
图1是扭摆微推力与微冲量标定示意图。
具体实施方式
图1所示为扭摆微推力与微冲量标定方法示意图，标定步骤如下：
1、将受力线圈1（0.15mm漆包铜线，20匝）放置于高精度电子秤的托盘之中，用辅助装置使之保持竖直状态并给受力线圈1通上已知大小的电流；对环形电磁铁2的线圈加载固定大小电流（或者直接用环形带气隙的永磁铁代替环形电磁铁2），用辅助装置使环形电磁铁2保持一定姿态，使受力线圈1的一段导线从环形电磁铁2的气隙中穿过，受力线圈在气隙磁场作用下受到一竖直向上或向下的安培力作用。导线穿过气隙的长度为10mm，磁感应强度为0.7特斯拉，若受力线圈1电流大小为1μA，根据安培力公式，则可得受力线圈1所受到的力约为140nN。
2、读取电子秤在受力线圈1加载电流之前和之后的数据，测得与受力线圈1电流对应的安培力的大小；保持环形电磁铁2气隙磁场不变，测量受力线圈1在不同电流下的安培力，标定出受力线圈1电流与安培力的线性关系。
3、将受力线圈1安装于扭摆横梁3上，受力线圈1和环形电磁铁2安装位置如图1所示，环形电磁铁2气隙磁场不变，给受力线圈1加载已知的恒定电流，测量扭摆横梁3转过的角度，根据安培力作用点和步骤2标定出的受力线圈1电流与安培力的线性关系可标定出微推力与扭摆转动角度的线性关系。
4、在受力线圈1上接一电阻，用信号发生器在受力线圈1上加载脉冲电压信号，由示波器可测出通过受力线圈1的电流大小和时间，由步骤2标定出的受力线圈1电流与安培力的线性关系可得出脉冲电压信号所对应的冲量大小，测定扭摆横梁3的摆动幅度既可实现扭摆冲量的标定。
Claims (5)
1.一种微推力与微冲量的直接标定方法，其特征在于，利用带气隙的环形电磁铁（2）气隙中磁感应强度分布均匀且漏磁很小的特点，将载流导线穿过气隙，导线将受到安培力的作用，已知该安培力的大小和作用时间，即可进行微推力和微冲量标定，
进行微推力标定时，首先，利用高精度电子秤测量受力线圈（1）载流时在环形电磁铁（2）恒定的气隙磁场作用下所受安培力，根据测量数据获得受力线圈（1）电流与安培力的线性关系；然后，将受力线圈（1）安装在测量装置的受力点，扭摆横梁(3)上，调整好环形电磁铁(2)的位置并保持气隙磁场不变，使受力线圈(1)的安培力方向为需要标定的推力方向；最后，根据受力线圈的电流与安培力的线性关系，获得扭摆横梁受力与扭转角度之间的对应关系，从而实现微推力的标定；
进行微冲量标定时，给受力线圈(1)加载一已知大小和脉宽的脉冲电流，利用已标定出的受力线圈电流与安培力的线性关系,得出安培力的冲量大小，输入不同的脉冲电流即可得到不同冲量，测得不同冲量与扭摆横梁响应之间的关系,即可实现微冲量标定。
2.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，环形电磁铁（2）也可用永磁铁代替，该永磁铁带气隙，且其气隙区域的磁场分布应与环形电磁铁（2）类似。
3.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，环形电磁铁的气隙宽度窄，气隙之中的磁场分布均匀，磁芯和气隙之外漏磁小。
4.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，环形电磁铁磁芯由剩磁小的软磁材料组成，环形电磁铁线圈在通同样大小的稳恒电流时，气隙中磁场分布和磁感应强度相同。
5.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，在标定微推力与微冲量过程中，受力线圈（1）与环形电磁铁(2)的位置可以互换。
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