CN102937496A

CN102937496A - 微型固体化学推进器推力测量装置

Info

Publication number: CN102937496A
Application number: CN2012104048138A
Authority: CN
Inventors: 苑伟政; 申强; 张和民; 郝永存; 谢建兵
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2012-10-22
Filing date: 2012-10-22
Publication date: 2013-02-20

Abstract

本发明公开了一种用于测量微化学推进器推力的测量装置。所述装置包括：主要包括支撑部件、力平衡天平、MEMS惯性测量组合7、电容传感器13、微型固体化学推进器10，信号与处理系统。本发明的特点在于：通过力平衡天平实现了消除推进系统和传感器自重对测量结果的影响；采用多传感器测量组合，避免由于单一传感器误差造成的测量不确定性，提高了测量的精确度与可信度；通过MEMS惯性测量组合与电容传感器相结合可以测量出微化学推进器的最大推力，由于采用了高精度的MEMS加速度计、MEMS陀螺仪以及高采样频率的信号处理电路，同时可以实时监测推力的大小变化。

Description

微型固体化学推进器推力测量装置

所属领域：

本发明涉及了一种微型固体化学推进器的推力测量装置

背景技术：

推进系统是大多数航天器的关键子系统，主要用于航天器的位置保持、姿态控制、引力补偿和轨道调整等。随着微型航天器，如微卫星、纳卫星、皮卫星技术的不断成熟，若需要微型航天器完成某些特殊任务，如卫星编队飞行，则需要给这些微型航天器配备推进系统。由于传统的推进系统体积和质量都比较大，不能适用于微型航天器，因此迫切需求适合于微型卫星的高可靠性、低功耗、微推力、微冲量的微型推进系统。

如何测量微型推进系统的推力一直是研究热点，通过对微型推进系统推力的测量可以为微型卫星推力系统的研究提供必要的参考。刘明侯在“微推进器推力测试技术”^[1]中给出了几种微推进器推力的测量方法并指出用位移传感器侧惟一的方法目前比较适合国内的推力测试研究，对于uN级的推力测量一般有扭摆结构，双摆结构或者四壁配重结构等。熊继军在“实现微牛级动态推力测试的方法和实验研究”^[2]中给出了一种利用位移来测量动态推力的方法。但是利用位移传感器来测量微小推力会受限于位移传感器的测量精度，会有比较大的测量误差（文献2中测量误差为10%）。随着MEMS加速度计和MEMS陀螺仪精度的不断提高，使得测量天平梁瞬时运动过程中的角加速度和角速度成为可能，角速度、角加速度和位移结合分析计算可以丰富测量手段，并减小因单一传感器测量造成的误差。

发明内容：

本发明目的是提供一种微型固体化学推进器的推力测量装置，通过力平衡天平消除推进系统和传感器自重对测量结果的影响；采用多传感器测量组合，减小因单一传感器测量造成的测量误差，提高测量精度；通过实时监测传感器的数据可以得出微化学推进器的推力随时间的变化，为μN级微型固体化学推进器的设计改进和微型卫星动力系统的设计提供重要参考。本发明的解决方案是：

微型固体化学推进器推力测量装置，主要包括支撑部件、力平衡天平、MEMS惯性测量组合7、电容传感器13、微型固体化学推进器10，信号与处理系统；

所述支撑部件用于容纳其余部件，包括在真空腔1内放置的防震垫11，以及固定于防震垫11上的支撑底座17；

所述电容传感器13通过支架与所述支撑部件固连；

所述力平衡天平为等臂天平，包括横梁2、竖梁12和微调平衡装置；所述横梁2和竖梁12固连成对称的十字架结构，且通过横梁2中心放置于支撑底座17上的天平支刀5上；所述微调平衡装置使得横梁2处于水平方向；

所述MEMS惯性测量组合7固定于竖梁12上，包括一个单轴MEMS加速度计和一个单轴MEMS陀螺仪；

所述微型固体化学推进器10固定于竖梁12上；且微型固体化学推进器10产生推力方向不与竖梁12平行；

所述信号与处理系统包括一个具有模拟信号放大滤波和数模转化的信号处理电路15和固定于竖梁12上的信号总线14；所述信号总线14包括电容传感器输出信号线18、MEMS惯性测量组合输出信号线19和微化学推进器点火控制信号线；信号总线14用卡线座8固定在天平支撑底座17上，通过天平支刀5连接到MEMS惯性测量组合7和微化学推进器10并用卡线座8固定在竖梁12上；在竖梁12与横梁2连接的部分有信号线冗余。

测量时，首先通过调整微调平衡装置的配重砝码6使得横梁2基本处于水平方向，然后通过调平螺母3仔细调节使得横梁2水平；通过固定在天平竖梁12上的信号线给微型固体化学推进器10点火，点火之后产生推力使得天平竖梁12产生摆动，MEMS惯性测量组合7测量竖梁12在运动过程中的加速度和角加速度，电容传感器13测量其与竖梁12之间的电容，MEMS惯性测量组合与电容传感器的信号均通过固定于天平竖梁12上的信号线传输给真空腔1外边的信号处理电路，信号处理电路对信号进行放大滤波数模转换等处理之后传输给计算机进行处理计算得到微型固体化学推进器10的推力变化曲线。

本发明的有益效果：通过力平衡天平实现了消除推进系统和传感器自重对测量结果的影响；采用多传感器测量组合，减小因单一传感器测量造成的测量误差，提高测量精度；通过MEMS惯性测量组合与电容传感器相结合可以测量出微化学推进器的最大推力，同时可以实时监测推力的大小变化。

附图说明：

图1为本发明的装置结构图

图2为本发明的力平衡天平的装配侧视图

图中：1-真空腔；2-横梁；3-调平螺母；4-紧固螺栓；5-天平支刀；6-配重砝码；7-MEMS惯性测量组合；8-卡线座；9-微化学推进器控制信号线；10-微化学推进器；11-防震垫；12-竖梁；13-电容传感器；14-信号总线；15-信号处理电路；16-处理显示计算机；17-支撑底座；18-电容传感器输出信号线；19-MEMS惯性测量组合输出信号线。

具体实施方式：

实施例1：

微型固体化学推进器推力测量装置，该装置包括力平衡天平、MEMS惯性测量组合7、电容传感器13、微型固体化学推进器10、信号与处理系统；

参阅图1，本实施例中的微型固体化学推进器推力测量装置，主要包括支撑部件、力平衡天平、MEMS惯性测量组合7、电容传感器13、微型固体化学推进器10，信号与处理系统；

所述支撑部件用于容纳其余部件，包括在真空腔1内放置的防震垫11，以及固定于防震垫11上的支撑底座17；防震垫11用于隔绝外界振动对天平的影响；

所述电容传感器13通过支架与所述支撑部件固连；电容传感器13用来测量天平竖梁12的位移；

所述力平衡天平为等臂天平，包括横梁2、竖梁12和微调平衡装置；所述横梁2和竖梁12材料均为密度小于400kg/m³，厚度小于5mm的纤维板，以减轻质量，增大竖梁12在运动中的加速度、角速度和位移信号，横梁2和竖梁12固连成对称的十字架结构，且通过横梁2中心放置于支撑底座17上的天平支刀5上；所述微调平衡装置使得横梁2处于水平方向；本实施例中的微调平衡装置包括分别位于横梁2两端的两个配重砝码6以及固定于横梁中心的调平螺母3；

所述MEMS惯性测量组合7固定于竖梁12上，包括一个单轴MEMS加速度计和一个单轴MEMS陀螺仪；MEMS加速度计用来测量天平竖梁12在运动过程中的加速度，MEMS陀螺仪用来测量天平竖梁12在运动过程中的角加速度；

所述微型固体化学推进器10固定于竖梁12上；且微型固体化学推进器10产生推力方向与竖梁12垂直；

所述信号与处理系统包括一个具有模拟信号放大滤波和数模转化的信号处理电路15和固定于竖梁12上的信号总线14；所述信号总线14包括电容传感器输出信号线18、MEMS惯性测量组合输出信号线19和微化学推进器点火控制信号线；为了减小信号线的运动对于测量的影响，本实施例中采用绝缘外径小于0.5mm的柔性信号线；信号总线14用来采集所述电容传感器和MEMS惯性测量组合产生的电压信号；信号总线14用卡线座8固定在天平支撑底座17上，通过天平支刀5连接到MEMS惯性测量组合7和微化学推进器10并用卡线座8固定在竖梁12上；在竖梁12与横梁2连接的部分有信号线冗余。

作为替代方式，本实施例中的横梁2和竖梁12的材料也可以是胶合板，LDPE塑料板等板材；

本实施例的工作过程：首先按照图1所示将装置装配起来，装配好以后调整两个配重砝码6的质量使得天平竖梁12的方向近似于重力加速度方向，然后细微调整调平螺母3使得天平竖梁12方向与重力加速度方向相同；开启控制计算机16和信号处理电路15处于工作状态，计算机发出点火信号通过信号线14传递到微化学推进器10，使微化学推进器10点火产生推力，推动力平衡天平的竖梁12运动；信号处理电路15采集MEMS惯性测量组合7和电容传感器13传出的数据并进行数模转换和放大滤波等处理，将信号传输给计算机16进行计算得出并显示推力大小曲线，实现了实时监测推力大小的变化。

Claims

1.微型固体化学推进器推力测量系统，其特征在于：主要包括支撑部件、力平衡天平、MEMS惯性测量组合（7）、电容传感器（13）、微型固体化学推进器（10），信号与处理系统；

所述支撑部件用于容纳其余部件，包括在真空腔（1）内放置的防震垫（11），以及固定于防震垫（11）上的支撑底座（17）；

所述电容传感器（13）通过支架与所述支撑部件固连；

所述力平衡天平为等臂天平，包括横梁（2）、竖梁（12）和微调平衡装置；所述横梁（2）和竖梁（12）固连成对称的十字架结构，且通过横梁（2）中心放置于支撑底座（17）上的天平支刀（5）上；所述微调平衡装置使得横梁（2）处于水平方向；

所述MEMS惯性测量组合（7）固定于竖梁（12）上，包括一个单轴MEMS加速度计和一个单轴MEMS陀螺仪；

所述微型固体化学推进器（10）固定于竖梁（12）上；且微型固体化学推进器（10）产生推力方向不与竖梁（12）平行；

所述信号与处理系统包括一个具有模拟信号放大滤波和数模转化的信号处理电路（15）和固定于竖梁（12）上的信号总线（14）；所述信号总线（14）包括电容传感器输出信号线（18）、MEMS惯性测量组合输出信号线（19）和微化学推进器点火控制信号线；信号总线（14）用卡线座（8）固定在天平支撑底座（17）上，通过天平支刀（5）连接到MEMS惯性测量组合（7）和微化学推进器（10）并用卡线座（8）固定在竖梁（12）上；在竖梁（12）与横梁（2）连接的部分有信号线冗余。

2.如权利要求1所述的微型固体化学推进器推力测量系统，其特征在于：所述所述横梁（2）和竖梁（12）材料为密度小于400kg/m³，厚度小于5mm的纤维板。

3.如权利要求1所述的微型固体化学推进器推力测量系统，其特征在于：所述所述横梁（2）和竖梁（12）材料为胶合板。

4.如权利要求1所述的微型固体化学推进器推力测量系统，其特征在于：所述所述横梁（2）和竖梁（12）材料为LDPE塑料板。