CN104019940B - 基于差动测量的高精度气浮垂向调节机构 - Google Patents

Abstract

基于差动测量的高精度气浮垂向调节机构，属于地面全物理仿真领域。为了解决在测量垂向运动机构测量气腔压力时压力传感器量程过大而带来的精度变差、非线性度及偏差相应增大的问题，所述气浮垂向调节机构由垂向运动机构、基准压力气腔、绝对压力传感器、相对压力传感器构成，垂向运动机构旁安置有基准压力腔，绝对压力传感器安置于基准压力腔内，垂向运动机构由垂向气浮轴承外套和垂向气浮轴承内套组成，垂向气浮轴承外套和垂向气浮轴承内套之间为垂向气腔，相对压力传感器安置于垂向气腔与基准压力腔之间。本发明在测量垂向运动机构绝对压力时采用基准压力腔绝对压力与相对压力叠加的方式，具有较高的测量精度，可达到较为良好的实验效果。

Description

基于差动测量的高精度气浮垂向调节机构

技术领域

本发明属于地面全物理仿真领域，涉及一种基于差动测量的高精度气浮垂向调节机构。

背景技术

飞行器必须要进行一定的测试和实验才可使用，因此需设计并研制出一种可以在地面上模拟卫星在太空空间飞行状态的方法，此方法须最真实地预演卫星在空间的各项动作性能，另外还要能方便地作出各种修改，以验证其是否有符合性能要求的动态特性。对姿控系统来说，空间飞行器测试的特殊要求之一就是要求外部力矩接近于零，同时要能准确的复现卫星等设备的六个自由度运动。气浮台的工作原理就是将气体压缩在储气瓶(一般是碳纤维或者钢制)中，通过气瓶来提供高压气体，此气体充斥在气浮轴承和轴承基座之间，这样可以形成一层高压空气膜，提供了一个近似无摩擦阻力的相对运动环境和条件，另外安置在不同方向的气嘴喷气，依靠喷气产生的反作用力为气浮台的平面运动提供动力，整套气浮台系统用来模拟人造卫星以及飞行器在太空空间中小干扰力矩的环境。

六自由度气浮仿真试验系统分别提供3个自由度平动和3个转动自由度，其中重力补偿装置提供的是补偿垂轴负载重力的解决方案。通过调压，重力补偿装置可以提供一个与负载重力大小相等，方向相反的压力作用于负载，模拟出太空中的无重力环境从而创造垂向的动力学仿真条件。

六自由度仿真平台在垂方向的运动，当空气喷嘴不工作时，完全由底部的气囊腔内的气压决定。平台向下运动时减小气囊腔内部的气压，平台向上运动则增大气囊腔内的气压，达到垂向动态平衡。此时保持压力环的锁定状态，即保持补偿的重力大小不变。依靠安置在姿态上平台上的4组冷喷气装置，需要微小的上升时，冷喷气装置向下方喷出气体，使平台产生向上的力，整个平台缓缓上升，到需要的高度时，停止气体的喷出即可；需要微小的向下运动时，则打开冷喷气装置向上的喷气阀门，气体喷出，产生向下的冲量，整个平台就可以向下运动。

压力传感器作为测量气腔压力必备原件，在大量程测量时，其相应的误差也会增大，导致控制精度降低，实验效果较差。

CN102539068A公开了一种塑性测压敏感元件自动测量压力判读装置和方法，虽然自动化程度较高，测量结果更加准确，判定更加准确，但是其结构复杂，需要上位机、精密测量机构、对称测量子系统以及压力测量子系统，且加入了光栅等光源敏感部件，增加了系统整体的成本；另外需要多点、多次测量，使用过程较为不便。

CN102818673A公开了一种高精度静态超高压力传感器及测量压力的方法，其包含的超高压力传感器能保证高精度的测量，并且响应较为迅速。但是其量程过大(可达1200MPa)，而在气浮台仿真实验时绝对达不到此数量级，造成了测量单位的不匹配和一定资源的浪费。

发明内容

为了解决在测量垂向运动机构测量气腔压力时压力传感器量程过大而带来的精度变差、非线性度及偏差相应增大的问题，本发明提出了一种基于差动测量的高精度气浮垂向调节机构。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于差动测量的高精度气浮垂向调节机构，由垂向运动机构、基准压力气腔、绝对压力传感器、相对压力传感器构成，垂向运动机构旁安置有基准压力腔，绝对压力传感器安置于基准压力腔内，垂向运动机构由垂向气浮轴承外套和垂向气浮轴承内套组成，垂向气浮轴承外套和垂向气浮轴承内套之间为垂向气腔，相对压力传感器安置于垂向气腔与基准压力腔之间。

本发明在垂向运动机构的基础上附加了一个基准压力气腔，采用两套压力测量装置，一套测量基准压力腔内绝对压力，另一套测量垂向运动气腔与基准压力腔相对压力。本发明在测量垂向运动机构绝对压力时采用基准压力腔绝对压力与相对压力叠加的方式，具有较高的测量精度，可达到较为良好的实验效果。

附图说明

图1为垂向气浮轴承结构示意图；

图2为差动测量原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限如此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种基于差动测量的高精度气浮垂向调节机构，如图1所示，垂向运动机构1为由立柱型垂向气浮轴承外套6和垂向气浮轴承内套8两个重要部件组成的垂向运动的气浮轴；垂向气浮轴承外套6中安装有若干喷嘴，在垂向气浮轴承外套6和垂向气浮轴承内套8之间有垂向气腔2，起均衡气体压力的作用，垂向气腔2内部填充高压气体，且在垂向气浮轴承内套8上升或下降时垂向气腔2内压强保持恒定。

垂向气浮轴承内套8是主要的运动部件，满足垂向0-200mm运动行程的要求。负载的垂轴位移和垂向气腔2内的压力则分别可以通过光栅尺7和压力传感器3实时读出，压力调节器可以通过调节进气量来影响垂向气腔2内的气体压力。

压力传感器3作为气浮台垂向运动敏感元件，其分辨率与精度如何将直接影响气浮台运动效果。

压力传感器3灵敏度、非线性度、零点偏差、量程偏差均与其量程有关，通常用％FS来表示。通常压力传感器量程越大，其非线性度及偏差也越大，精度也越差。

假设当平台无载重时，垂向气腔的承重为472.25Kg，纵向运动机构承受气压的面积是S₁＝0.0196m²，根据F＝P·S₁，可以知道，所需要的气压P＝0.24MPa，考虑到大气压力Pa＝0.1MPa，即所需气压为P＝0.34MPa，就可以支撑住整个平台了。当载重最大质量为150kg时，所需要的压力是P＝0.42MPa。因此通常选取量程为几倍于地表大气压力的压力传感器，因此在测量精度上会有一定欠缺。

为了解决此问题，本发明采用一种基于差动测量的高精度气浮垂向调节机构，如图2所示，在上述垂向运动机构1旁安置一个基准压力腔4，内部可根据实际需要填充一定压强的高压气体，并采用两套压力传感装置，一套绝对压力传感器5安置于此基准压力腔4内，用于测量基准压力腔4内静态压强，设测量到的压强值为P₁；另一套压力传感器3安置于垂向气腔2与基准压力腔4之间，测量两者之间相对压强(即压强差)，设测量到的压强值为P₂。设垂向运动机构1垂向气腔2中的绝对压强为P₃，则有关系式：

P₃＝P₁+P₂。

此时垂向运动机构压力测量装置的精度将主要取决于相对压力传感器，即P₂的数值。通过这两套压力传感装置并采用差动测量的方式，即可测的垂向气腔内部压强，且测量相对压强的压力传感器并不需要太大的量程，因此测量的数据误差大大减小，精度也大幅度提高，可具有较好的精度。

此基准压力腔内填空高压气体，在上例中，可选取为0.3MPa，因此用于测量两腔压力差的压力传感器量程即可选为0-0.15MPa，大大缩小了所需量程。由于量程的减少，与满量程成一定比例关系(％FS)的非线性度、偏差也相应大大减小，在垂向运动时可以得到更为精确的气腔内部压强，整体系统可以达到一个更为良好的控制效果。

Claims (3)

1.一种基于差动测量实现高精度气浮垂向调节的方法，所述的方法利用垂向运动机构实现的，所述的垂向运动机构为由立柱型垂向气浮轴承外套和垂向气浮轴承内套组成的垂向运动的气浮轴，垂向气浮轴承外套和垂向气浮轴承内套之间为垂向气腔；其特征在于所述方法是：在垂向运动机构旁安置一个基准压力腔，所述的基准压力腔内填充高压气体，所述的高压气体压力为0.3MPa；采用两套压力传感器，一套为绝对压力传感器，所述的绝对压力传感器安置于基准压力腔内，用于测量基准压力腔内静态压强，设测量到的压强值为P ₁ ；另一套为相对压力传感器，所述的相对压力传感器安置于垂向气腔与基准压力腔之间，用于测量垂向气腔与基准压力腔两者之间相对压强，设测量到的相对压强值为P ₂ ；两套压力传感器量程均为0-0.15MPa，设垂向运动机构的垂向气腔中的绝对压强为P ₃ ，则有关系式：

P ₃ =P ₁ +P ₂ ；

此时垂向运动机构压力测量装置的精度主要取决于相对压力传感器，即P ₂ 的数值；通过这两套压力传感器并采用差动测量的方式，即能测出垂向气腔内部压强。

2.根据权利要求1所述的基于差动测量实现高精度气浮垂向调节的方法，其特征在于所述垂向气浮轴承内套的垂向运动行程为0-200mm。

3.根据权利要求1所述的基于差动测量实现高精度气浮垂向调节的方法，其特征在于所述垂向气浮轴承外套中安装有若干喷嘴。