CN102853954B - 高温超导悬浮微小力测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温超导悬浮微小力测量装置，包括真空舱、高速摄影仪、永磁平台、超导体平台、低温系统、标定撞针、CCD激光测速器和起浮机构；通过标定撞针结构提供不同大小的撞击标定力，之后配置的四个CCD激光位移传感器分别得到不同标定力对应的永磁平台沿竖直方向和水平方向的振动数据，从而形成标定力与永磁平台运动的一一对应关系。当电推力器微小推力作用于永磁平台时，CCD激光位移传感器将得到永磁平台竖直和水平方向的振动特性，然后根据之前标定得到的力与永磁平台运动的一一对应关系，计算得到电推力器微小推力的大小。

Description

高温超导悬浮微小力测量装置

技术领域

本发明专利涉及推力测量装置，尤其是能识别小推力和微小冲量的高温超导悬浮微小力测量装置。

背景技术

关于微小推力测量，目前的各种方法多采用扭摆元件支撑、垂直软连接和测量动力响应的方案。电推力器等的微小推力是非常不稳定的小力值，推力器工作时的电路、气路引入都会产生附加误差，而推力器本身发热引起的测量干扰也很难解决。因此目前达成共识的是，采用应变式或半导体力传感器直接测量推力的常规测力方法基本不可行，其原因是如此小量程的力传感器对温度变化和振动非常敏感，从而测量精度得不到保证；可靠的做法是通过观测微推力作用下推力台架的位移、速度等力学响应量从而间接得到推力或脉冲量，这种方式已被证明能有效地提高测量精度。

线性运动位移测量方案如1991年NASA Lewis中心开发的大功率微推力器推力测试系统。推进器水平放置，在推力作用下系统左右摆动。通过静态标定，用LVDT测试位移然后换算为推力值。该系统的推力测量范围较大（63mN～5N），5N推力时LVDT测试的位移量达50mm，因此该测量系统的优点是测量位移大，从而可以忽略台架振动。但是所测推力精度受推力器重量影响较大，对μN量级的小推力测试不适合。

弹性轴支撑的扭转测量方案如1997年NASA Lewis中心开发的微推测量系统。该系统为扭转形台架结构，可以测试单脉冲冲量和等离子推力器连续脉冲点火平均推力。通过砝码标定法确定推力与台架扭摆位移之间的关系，通过摆式撞击标定法确定冲量作用的台架响应（台架位移及固有频率）。

细丝吊挂的扭转测量方案如2000年NASA Golddard空间飞行中心开发的扭摆微推测量系统。推力器放在光纤扭摆的一侧，另外一侧用来配重。扭摆的转动角度通过镜反光来测量，用已知质量来调节扭摆的转动惯量，起调节扭摆周期作用。该设备的优点是可以测量很小的推力，一般小于100μN，而且分辨率较高，达到0.1μN。但由于受到光纤拉伸强度性能限制，该系统不适合于质量较大的推力器测试。此外，国外还开发了双摆和多摆推力测量系统，可以测量较重的推力器微推力，但不足之处在于采用了多个活动关节（Pivots），因此摩擦力增加，测试单脉冲时，位移振动信号衰减很快。

磁悬浮微小推力测量与弹性轴支承微小推力测量的作用原理类似，都是一种提供低损耗旋转支承而测量“微小扭转位移”反算推力的方法。不同的是，前者采用磁悬浮支承方式而后者采用弹性枢轴支承方式。经过多年发展，后者技术相对成熟并且应用于多套微小推力测量装置中，然而其显著缺陷在于承载能力有限。磁悬浮支承方式恰恰相反，其本身摩擦损耗很小，而且在不影响摩擦损耗的前提下有望大幅度提高承载能力（可达100kg以上），因此磁悬浮微小推力测量是一种适合于大载重量推力器的小推力测试新途径。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种高温超导悬浮微小力测量装置。

一种高温超导悬浮微小力测量装置，包括真空舱、高速摄影仪、永磁平台、超导体平台、低温系统、标定撞针、CCD激光测速器和起浮机构；

低温系统固定在真空舱底部，超导体平台位于低温系统上端，低温系统对超导体平台进行低温冷却；

超导体平台包括超导体和结构容器。结构容器为圆柱形结构，径向设有2个环形槽，超导体沿周向均匀地排列于结构容器的环形槽中；超导体平台底侧还设有环状金属结构，环状金属结构一面接触超导体，另一面接触低温系统，实现传导制冷功能。

永磁平台包括永磁体瓦片、工业纯铁和特氟龙结构件。永磁体瓦片包括大磁瓦和小磁瓦，大磁瓦构成外层磁环，小磁瓦构成内层磁环；工业纯铁位于大磁瓦外壁面、大小磁瓦之间和小磁瓦内部；永磁体瓦片的上表面也都采用工业纯铁，从而使上表面的磁场形成闭环来产生屏蔽作用；永磁平台的最上部为特氟龙结构件，用于粘结和装夹永磁体和工业纯铁两部分形成一个整体；特氟龙结构件上设有一个肋状突起，作为标定撞针标定时的撞击位置。

起浮机构包括支撑座、水平导轨、竖直支撑座、竖直导轨、直线滑动轴承、水平步进电机、竖直步进电机、丝杠和支撑平板。水平导轨固定在支撑座上，竖直支撑座下端设有直线滑动轴承，直线滑动轴承能够在水平导轨上水平滑动；竖直支撑座上端设有竖直步进电机，竖直步进电机连接竖直导轨，竖直导轨连接支撑平板，竖直步进电机启动，控制竖直导轨上下运动，带动支撑平板上下移动；水平导轨右端设有水平步进电机，水平步进电机通过丝杠连接竖直支撑座，水平步进电机启动，控制竖直支撑座水平方向移动，从而实现支撑平板的水平移动，支撑平板用于放置永磁平台。

标定撞针结构含有撞针，对肋状突起按照给定大小的力进行碰撞，使悬浮的永磁平台产生振动和绕中心轴线产生相应角度的转动。

CCD激光位移传感器设有四个，采用四点布局，同一水平面内水平方向每间隔120度设有一个，竖直方向垂直于永磁平台上表面设有一个。CCD激光位移传感器通过吊杆连接在真空舱上，吊杆可调节高度以保证永磁平台悬浮后CCD激光位移传感器在工作范围内。竖直方向CCD激光位移传感器得到永磁平台的竖直方向振动数据，即竖直方向振动频率和振幅，三个水平方向架设的CCD激光位移传感器获取永磁平台的水平方向振动数据，即绕竖直方向的转动速度与水平方向振动频率和振幅。

通过标定撞针结构提供不同大小的撞击标定力，CCD激光位移传感器得到不同力对应的永磁平台竖直方向振动特性和水平方向振动特性，从而形成标定力与永磁平台运动的一一对应关系。当待测量的脉冲力作用于悬浮平台时，通过CCD激光位移传感器得到对应的永磁平台竖直方向振动数据和水平方向振动数据，根据标定得到的标定力与永磁平台运动的一一对应关系，换算得到待测脉冲力的大小。

本发明的优点在于：

（1）本发明采用的高温超导悬浮为无源自稳定悬浮方式，无需额外控制环节来维持悬浮状态；

（2）本发明中悬浮摩擦系数达到10^-6，能够在悬浮载荷100kg的条件下，满足mN级推力的测试要求；

（3）本发明装置的悬浮测试状态能够有效隔离各种干扰，如各种输线管路的连接干扰、推力器热干扰等；

（4）本发明有利于直接测试和验证冲量作用效果，实现微推力器全系统或卫星姿控系统的动量控制半实物仿真测试试验。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明超导体平台的结构示意图；

图3是本发明永磁平台的底面结构示意图；

图4是本发明永磁平台的剖面结构示意图；

图5是本发明起浮机构的结构示意图；

图6是本发明标定撞针结构的局部示意图；

图7是本发明标定撞针结构的结构示意图；

图8是本发明CCD激光位移传感器的布局示意图；

图中：

1—真空舱              2—高速摄影仪        3—永磁平台

4—超导体平台          5—低温系统          6—标定撞针结构

7—CCD激光位移传感器   8—起浮机构

301—工业纯铁环        302—特氟龙结构件    303—大磁瓦

304—小磁瓦            401—超导体          402—结构容器

601—倒“凹”型壳体    602—静光栅          603—光源

604—动光栅            605—光敏元件        606—撞针

801—支撑座            802—水平导轨        803—竖直支撑座

804—竖直导轨          805—直线滑动轴承    806—水平步进电机

807—竖直步进电机      808—丝杠            809—支撑平板

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种高温超导悬浮微小力测量装置，如图1所示，包括真空舱1、高速摄影仪2、永磁平台3、超导体平台4、低温系统5、标定撞针结构6、CCD激光测速器7和起浮机构8。

低温系统5固定在真空舱1底部，超导体平台4位于低温系统5上端，低温系统5实现对超导体平台4的低温冷却。超导体平台4上方还设有一个环氧树脂盖，厚度3mm，产生对超导体上表面的压紧作用。

超导体平台4包括超导体401和结构容器402，如图2所示。所述的结构容器402为圆柱形结构，沿径向设有2个环形槽，超导体401采用36块Φ30×18mm的YBaCuO超导体，沿周向均匀地排列于结构容器402的环形槽中，所述的结构容器402采用环氧材质。超导体平台4底侧设有环状金属结构，采用0Cr18Ni9Ti不锈钢材质制作，该环状金属结构一面接触超导体401，另一面接触低温系统5，实现对超导体的传导制冷功能。

为保证YBaCuO超导体401的性能均一性，采用力测量装置测试各超导体401与Φ30×25mm的NdFeB永磁体在间隙1mm处的排斥力，以排斥力误差不超过5%为标准来选择超导体401。此外，超导体401的尺寸精度控制在±0.5mm以内，超导体401的周向安装精度控制在±0.5mm以内，从而提高整个超导作用平面的均匀性。低温系统5采用G-M二级制冷机，制冷机冷头直接接触环形金属结构，0Cr18Ni9Ti不锈钢材质的涡流效应很弱，可以尽可能避免涡流损耗。

永磁平台3如图3和图4所示，包括永磁体瓦片、工业纯铁环301和特氟龙结构件302。其中，采用牌号N40的NdFeB永磁体瓦片，永磁体瓦片包括大磁瓦303和小磁瓦304，大磁瓦303的内径180、外径280、高25mm，采用18块大磁瓦303构成外层磁环，小磁瓦304的内径80、外径160、高25mm，采用12块小磁瓦304构成内层磁环。

工业纯铁301位于大磁瓦303外壁面、大磁瓦303与小磁瓦304之间和小磁瓦304内侧，永磁体瓦片的一侧也都采用工业纯铁301，实现磁场在上表面闭合后被屏蔽掉，从而避免对永磁平台3上方承载实验设备造成不利的磁场影响。

永磁平台3的最上部为特氟龙结构302，该结构作为主要的承载平台。特氟龙结构302上还设有一个长15mm、厚10mm和高10mm的肋状突起，作为标定撞针结构6中的撞针606标定时的碰撞位，材料也为特氟龙。

通过严格控制永磁体瓦片选材和工业纯铁环301材料的均匀性，控制加工和安装工艺，使工业纯铁环301下方不同位置的周向磁场不均匀度在1%以内，从而尽可能减少周向磁场不均匀导致的悬浮摩擦损耗。工业纯铁301采用DT4牌号，外层磁环与内层磁环极性相对，使磁通在中间的工业纯铁环301中聚集，从而在工业纯铁环301下表面实现高磁感应强度（1T），同时在工业纯铁环301下方一定距离内产生较大的磁场梯度，该磁场梯度在与超导体401作用时将产生显著的感应电流从而促进大的悬浮承载力。

如图5所示，起浮机构8是包括支撑座801、水平导轨802、竖直支撑座803、竖直导轨804、直线滑动轴承805、水平步进电机806、竖直步进电机807、丝杠808和支撑平板809。

水平导轨802固定在支撑座801上，竖直支撑座803下端设有直线滑动轴承805，直线滑动轴承805能够在水平导轨802上水平滑动，竖直支撑座803上端设有竖直步进电机807，竖直步进电机807连接竖直导轨804，竖直导轨804连接支撑平板809，竖直步进电机807启动，控制竖直导轨804上下运动，从而，带动支撑平板809上下移动。水平导轨802右端设有水平步进电机806，水平步进电机806通过丝杠808连接竖直支撑座803，水平步进电机806启动，控制竖直支撑座803水平方向移动，从而实现支撑平板809的水平移动。

在工作之前，支撑平板809用于放置永磁平台3，起到支撑作用。

标定撞针结构6如图6和图7所示，包括倒“凹”型壳体601、静光栅602、光源603、动光栅604、光敏元件605、撞针606。

倒“凹”型壳体601通过吊臂固定在真空舱1上，吊臂为两根直线光轴，撞针606通过两根等长的钢丝细线悬挂在倒“凹”型壳体的凹槽内，倒“凹”型壳体601一侧设有光源603，另一侧光敏元件605，光栅贴在撞针606上，形成动光栅604，另一个光栅贴在光敏元件605与光源603之间，形成静光栅602。光源603发出光，撞针606晃动，动光栅604与静光栅602形成双光栅系统，光敏元件605进行接收，形成干涉条纹，光敏元件605进行接收，获取动光栅604的移动速度，同时测得撞针606撞击肋状突起前后的速度，从而得到撞针606碰撞传递给永磁平台3的冲量。

CCD激光位移传感器7设有四个，采用四点布局，示意如图8所示。水平方向采用三个在同一水平面内间隔120度的CCD传感器，竖直方向垂直于永磁平台3上表面安装一个CCD传感器。CCD激光位移传感器7通过吊杆连接在真空舱1上，吊杆可调节架设高度以保证永磁平台3悬浮后，CCD激光位移传感器7在合适的测量范围内。CCD激光位移传感器7发射激光，激光照射永磁平台3后，反射回CCD激光位移传感器7。竖直方向CCD激光位移传感器7可得到永磁平台3的竖直方向振动数据，即竖直方向振动频率和振幅。三个水平方向架设的CCD激光位移传感器7可得到永磁平台3的的水平方向振动数据，即绕竖直方向的转动速度和水平方向振动频率和振幅。

高速摄影仪2使用吊杆连接在真空舱1上，吊杆的尾端使用焊接连接在真空舱1内表面，高速摄影仪2实现实验过程的观察和记录功能。通过标定撞针结构6产生不同大小的标定脉冲力，CCD激光位移传感器7得到不同力对应的永磁平台竖直和水平方向的振动特性，形成力与永磁平台运动的一一对应关系。当电推力器微小推力作用于永磁悬浮平台3时，CCD激光位移传感器将得到永磁平台3竖直方向振动数据和水平方向振动数据，然后根据之前标定得到的力与永磁平台运动的一一对应关系，计算得到电推力器微小推力的大小。

测量系统标定过程说明：

测量系统的标定是通过标定撞针606撞击永磁悬浮台上表面的肋状突起进行的。标定撞针上的动光栅605在绕着钢丝线顶端点摆动时与静光栅603形成双光栅系统，光源通过双光栅系统后形成的干涉条纹被光敏元件接收，经计算可得到动光栅的移动速度，同时测得撞针撞击碰撞位前后的速度，从而得到撞针碰撞时所传递的冲量。标定撞针碰撞永磁平台后，永磁平台产生运动，通过CCD激光位移传感器记录永磁平台的运动数据。通过进行不同摆动幅度下的撞击，整理出不同撞击冲量时永磁平台对应的运动数据，制作出标定量表。

测量装置的工作过程：

首先，当超导体平台4处于室温环境时，永磁平台3不受悬浮力，此时将永磁平台3放置在支撑平板809上，并保证永磁平台3与超导体平台4中心轴在同一直线上。关闭真空舱舱门开始抽真空，直到真空度达到工作要求。通过外部计算机控制系统控制竖直电机807动作，从而调节永磁平台3的初始高度，高度调节完毕后，低温系统5中的制冷机开始制冷，超导体平台4温度逐步降低，直到低于80K时，超导体平台4进入超导状态。此时降低竖直电机807，永磁平台3跟随下降过程中将稳定悬浮于超导体平台4上，然后控制水平电机806水平移动抽出支撑平板809并完全离开测量区域。调节CCD激光位移传感器7架设高度，使4个CCD激光位移传感器都处于合理的测量位置。

将待测量系统放置于永磁平台3上方的特氟龙平台302上，以微小推力电推力器系统为例，其产生的微小推力在微牛~毫牛之间。推力产生后，由动量定理可知永磁平台3将产生绕其中心轴线的周向转动。通过CCD激光位移传感器7记录永磁平台3的竖直方向振动数据和水平方向振动数据，再通过标定量表计算得出发动机脉冲推力。

Claims (10)

1.一种高温超导悬浮微小力测量装置，其特征在于，包括真空舱、高速摄影仪、永磁平台、超导体平台、低温系统、标定撞针、CCD激光位移传感器和起浮机构；

低温系统固定在真空舱底部，超导体平台位于低温系统上端，低温系统实现对超导体平台的低温冷却；

超导体平台包括超导体和结构容器，结构容器为圆柱形结构，径向设有2个环形槽，超导体沿周向均匀地排列于结构容器的环形槽中，超导体平台底侧还设有环状金属结构，环状金属结构一面接触超导体，另一面接触低温系统，实现对超导体的传导制冷功能；

永磁平台包括永磁体瓦片、工业纯铁和特氟龙结构件，永磁体瓦片包括大磁瓦和小磁瓦，大磁瓦构成外层磁环，小磁瓦构成内层磁环；工业纯铁位于大磁瓦外壁面、大磁瓦和小磁瓦之间、小磁瓦内侧，永磁体瓦片的上表面也都采用工业纯铁；永磁平台的最上部为特氟龙结构件，作为承载待测量微小推力系统的平台，特氟龙结构件上还设有一个肋状突起，作为标定撞针结构的撞针标定时的碰撞位置；

起浮机构包括支撑座、水平导轨、竖直支撑座、竖直导轨、直线滑动轴承、水平步进电机、竖直步进电机、丝杠和支撑平板；水平导轨固定在支撑座上，竖直支撑座下端设有直线滑动轴承，直线滑动轴承能够在水平导轨上水平滑动，竖直支撑座上端设有竖直步进电机，竖直步进电机连接竖直导轨，竖直导轨连接支撑平板，竖直步进电机启动，控制竖直导轨上下运动，带动支撑平板上下移动；水平导轨右端设有水平步进电机，水平步进电机通过丝杠连接竖直支撑座，水平步进电机启动，控制竖直支撑座水平方向移动，从而实现支撑平板的水平移动，支撑平板用于放置永磁平台；

标定撞针结构内含有撞针，对肋状突起按照给定大小的力进行碰撞，使悬浮的永磁平台产生振动和沿中心轴线产生相应角度的转动；

CCD激光位移传感器设有四个，采用四点布局，同一水平面内水平方向每间隔120度设有一个，竖直方向垂直于永磁平台上表面设有一个，CCD激光位移传感器通过吊杆连接在真空舱上，吊杆可调节架设高度以保证永磁平台悬浮后，CCD激光位移传感器在工作范围内，竖直方向CCD激光位移传感器得到永磁平台的竖直方向振动数据，即竖直方向振动频率和振幅，水平方向的CCD激光位移传感器得到永磁平台的水平方向振动数据，即绕竖直方向的转动速度与水平方向振动频率和振幅；

通过标定撞针结构提供不同大小的撞击标定力，CCD激光位移传感器得到不同力对应的永磁平台竖直方向振动特性和水平方向振动特性，从而形成标定力与永磁平台运动的一一对应关系，当待测量的脉冲力作用于悬浮平台时，通过CCD激光位移传感器得到对应的永磁平台竖直方向振动数据和水平方向振动数据，根据标定得到的标定力与永磁平台运动的一一对应关系，换算得到待测脉冲力的大小。

2.根据权利要求1所述的一种高温超导悬浮微小力测量装置，其特征在于，所述的超导体平台上方还设有一个环氧树脂盖，结构容器采用环氧材质。

3.根据权利要求1所述的一种高温超导悬浮微小力测量装置，其特征在于，所述的超导体为YBaCuO超导体，YBaCuO高温超导体实现低损耗的自稳定悬浮。

4.根据权利要求1所述的一种高温超导悬浮微小力测量装置，其特征在于，所述的环状金属结构采用0Cr18Ni9Ti不锈钢材质。

5.根据权利要求1所述的一种高温超导悬浮微小力测量装置，其特征在于，所述的低温系统采用G-M二级制冷机，制冷机冷头直接接触环形金属结构。

6.根据权利要求1所述的一种高温超导悬浮微小力测量装置，其特征在于，所述的工业纯铁采用DT4牌号。

7.根据权利要求1所述的一种高温超导悬浮微小力测量装置，其特征在于，所述的永磁体瓦片为牌号N40的NdFeB永磁体瓦片。

8.根据权利要求1所述的一种高温超导悬浮微小力测量装置，其特征在于，所述的大磁瓦采用18块大磁瓦构成，小磁瓦采用12块小磁瓦构成。

9.根据权利要求1所述的一种高温超导悬浮微小力测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括高速摄影仪，高速摄影仪使用吊杆连接在真空舱上，高速摄影仪实现实验过程的观察和记录功能。

10.根据权利要求1所述的一种高温超导悬浮微小力测量装置，其特征在于，所述标定撞针结构包括倒“凹”型壳体、静光栅、光源、动光栅、光敏元件、撞针；倒“凹”型壳体通过吊臂固定在真空舱上，撞针通过两根等长的钢丝细线悬挂在倒“凹”型壳体的凹槽内，倒“凹”型壳体一侧设有光源，另一侧光敏元件，光栅贴在撞针上，形成动光栅，光栅贴在光敏元件与光源之间，形成静光栅，光源发出光，撞针晃动，动光栅与静光栅形成双光栅系统，光敏元件进行接收，形成干涉条纹，光敏元件进行接收，获取动光栅的移动速度，同时测得撞针撞击肋状突起前后的速度，从而得到撞针碰撞时所传递的冲量。