CN104391259B - 磁矩实时测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁力矩器在地面环境试验过程中的磁矩实时测试系统，包括磁通测试单元、电阻测试单元、温度测试单元、恒流驱动单元和测控单元，其中，磁力矩器放置高低温试验容器中，磁力矩器中部设置温度传感器，测试线圈固定在磁力矩器一侧的固定位置上，并通过磁通计实时测量磁力矩器的磁矩，控制器分别与磁通计、温度变送器、电压测量模块、电流测量模块以及H桥换向电路电通信，利用恒流驱动单元对磁力矩器加载工作电流，并接收磁矩、温度、电压、电流的测量值信号并将其在显示系统中进行实时显示。此外，也公开了利用该系统进行磁矩实时测量的方法。

Description

磁矩实时测试系统及测试方法

技术领域

本发明属于航天器磁力矩器的磁性测量技术领域，具体涉及一种磁力矩器在常压热、热真空等地面环境试验过程中的磁矩实时测试系统和测试方法。

背景技术

磁力矩器是航天器制导、导航和控制分系统的执行部件，它通过自身的磁矩和环境磁场相互作用而产生力矩，适用于对航天器进行姿态控制和角动量控制，以及减少环境力矩引起的姿态漂移。一旦磁力矩器由于工作环境恶劣而发生故障，将导致整个卫星寿命的缩短。因此，磁力矩器的可靠性和寿命将直接关系到卫星的寿命及可靠性。而复杂的空间环境，会对磁力矩器的工作性能产生影响，因此必须通过在空间环境模拟设备中进行试验，来对这些变化进行评估。

目前，通常采用赤道作图法对磁力矩器的磁矩进行测试，试验过程如下：将被测磁力矩器放置在转动平台的中心，在试件的赤道平面内，放置三台或四台三分量磁场探测器，且离开转动平台中心一定的距离，被测磁力矩器绕垂直轴旋转360°，每隔一定角度测量一次磁场值，一般选取每10°测量一次，这样得到一系列磁场和角度的测量值，再通过公式计算反演出磁矩值。整个测试过程在常温常压下进行，且转台的操作由人工完成。磁力矩器进行常压热、热真空等地面环境试验时需要在空间环境模拟设备中进行，而空间环境模拟设备尺寸有限，且内部需要经历高低温等环境的变化，所以赤道作图法无法实现磁力矩器在空间环境模拟设备中的磁矩测试，这就迫切地需要采用新的测试系统和测试方法来对地面环境试验过程中的磁力矩器的磁矩进行实时测试，以完成对常压热、热真空等环境下的磁力矩器的工作性能的监控。

针对上述问题，需要开发一种新型的磁力矩器地面环境试验的磁矩原位标定方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁力矩器在常压热、热真空等地面环境试验过程中的磁矩实时测试系统和测试方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种磁力矩器在地面环境试验过程中的磁矩实时测试系统，包括磁通测试单元、电阻测试单元、温度测试单元、恒流驱动单元和测控单元，磁通测试单元包括彼此电连接的测试线圈和磁通计，电阻测试单元包括电压测量模块和电流测量模块，电压测量模块和电流测量模块分别与磁力矩器电连接以分别对磁力矩器上的电压和电流进行电测量，温度测试单元包括彼此电连接的温度传感器和温度变送器，恒流驱动单元包括恒流电源及H桥换向电路，磁力矩器的一端上设置测试点，测试点通过H桥换向电路与恒流电源电连接，测控单元包括控制器和显示系统，其中，磁力矩器放置高低温试验容器中，磁力矩器中部设置温度传感器，测试线圈固定在磁力矩器一侧的固定位置上，并通过磁通计实时测量磁力矩器的磁矩，控制器分别与磁通计、温度变送器、电压测量模块、电流测量模块以及H桥换向电路电通信，利用恒流驱动单元对磁力矩器加载工作电流，并接收磁矩，温度，电压和电流的测量值信号并将其在显示系统中进行实时显示。

其中，采用伏安法进行磁力矩器的电阻测量。

其中，测试线圈包括线圈骨架、线圈绕组以及接线柱,线圈骨架包括两片形状对称的平行相对的耐高低温且不导电材料板,每片板的形状为椭圆形,两片板之间连接设置有圆柱体,圆柱体的圆心轴与两片板的椭圆形的中心轴相一致且圆柱体的外径小于椭圆形的短轴长度以在两片板之间形成绕制测量线圈的空间,上述两片板与圆柱体沿着共同的中心轴穿设有通孔,通孔的内径略大于待测量磁力矩器的外径，线圈绕组沿着线圈骨架两片板之间圆柱体的外径绕制，接线柱固定在线圈骨架两片板椭圆形长轴的两侧，线圈绕组的两端连接到接线柱上。

其中，线圈的匝数可随磁力矩器的磁矩大小的不同而进行调整。

其中，所述不导电材料板为环氧树脂板。

一种利用上述测试系统测量航天器磁力矩器磁矩的方法，主要包括以下步骤：

第一步，在试验室用常规的磁矩测量方法测量磁力矩器的磁矩，并记录下工作电流；

第二步，将磁力矩器放置高低温试验容器中，试验容器不工作，将测试系统的测试线圈固定在磁力矩器侧的固定位置上，利用测试系统的恒流驱动单元对磁力矩器加载第一步中记录的工作电流，磁通测试单元中的磁通计对测试线圈中的感应电动势进行积分，得到数值，并将数值发送到控制器，控制器计算磁力矩器的工作磁矩与测量的磁通值的比值，将其存入磁矩磁通对应关系数据库，用于计算磁矩；

第三步，使高低温试验容器运行工作，在某一设定温度持续一段时间，用温度测试单元读取温度值，待温度值恒定时，控制器记录其温度值；

第四步，停止恒流驱动单元的输出电流并且使磁通计读数置零，然后再给磁力矩器加载第一步骤中记录的工作电流，控制器读取磁通计的读数，调用磁矩磁通对应关系数据库，换算出此温度值下的磁力矩器工作磁矩；

第五步，重新按照步骤三、四，依次测量磁力矩器在不同温度下的磁矩。

其中，常规的磁矩测量方法包括赤道作图法和偶极子法。

其中，磁通计可替换为伏秒计或其他电压积分电路。

其中，磁通计的量程与测试线圈产生的磁通大小相适应。

其中，所述固定位置紧邻磁力矩器的安装耳片。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)可以测量高低温变化环境下的磁力矩器的工作磁矩，不再局限于在常温下进行测试；

2)由于测试的是磁通量的变化，不受地磁场的干扰，因此该测试方法精度高，抗干扰能力强；

3)该系统为自动化测量设备，测量步骤简单，易操作。

附图说明

图1为本发明的航天器磁力矩器磁矩的实时测试系统示意图。

图2为本发明的航天器磁力矩器磁矩实时测试系统中测试线圈结构示意图。

其中，1为线圈骨架，2为接线柱，3为线圈绕组。

具体实施方式

以下介绍的是作为本发明所述内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明的所述内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。

本发明的磁力矩器磁矩实时测试系统，包括磁通测试单元、电阻测试单元、温度测试单元、恒流驱动单元和测控单元。磁通测试单元包括测试线圈和磁通计，测试线圈包括线圈骨架1、线圈绕组3以及接线柱2,线圈骨架1包括两片形状对称的平行相对的耐高低温且不导电材料(如环氧树脂板),每片板的形状为椭圆形,两片板之间连接设置有圆柱体,圆柱体的圆心轴与两片板的椭圆形的中心轴相一致且圆柱体的外径小于椭圆形的短轴长度以在两片板之间形成绕制测量线圈的空间,上述两片板与圆柱体沿着共同的中心轴穿设有通孔,通孔的内径略大于待测量磁力矩器的外径，线圈绕组3沿着线圈骨架1两片板之间圆柱体的外径绕制，线圈的匝数可随磁力矩器的磁矩大小的不同而进行调整，接线柱2固定在线圈骨架两片板椭圆形长轴的两侧，线圈绕组的两端连接到接线柱2上。电阻测试单元包括电压测量模块和电流测量模块，采用伏安法进行磁力矩器的电阻测量，温度测试单元包括温度传感器和温度变送器，温度传感器可采用铂电阻或热电偶，恒流驱动单元包括恒流电源及电流换向电路，电流换向电路采用H桥电路形式，测控单元包括控制器和显示系统，显示系统实时显示测量的数据和曲线，并进行供电电流大小及方向的控制。

在一具体实施方式中，恒流驱动单元包括恒流电源及H桥换向电路，磁力矩器的一端上设置测试点，测试点通过H桥换向电路与恒流电源电连接，测控单元包括控制器和显示系统，其中，磁力矩器放置高低温试验容器中，磁力矩器中部设置温度传感器，测试线圈固定在磁力矩器一侧的固定位置上，并通过磁通计实时测量磁力矩器的磁矩，控制器分别与磁通计、温度变送器、电压测量模块、电流测量模块以及H桥换向电路电通信，利用恒流驱动单元对磁力矩器加载工作电流，并接收磁矩，温度，电压和电流的测量值信号并将其在显示系统中进行实时显示。

利用上述测试系统对磁力矩器在常压热、热真空等地面环境试验过程中的磁矩进行实时测试，测试方法具体包括：

第一步，在常温下，让磁力矩器在某一恒定电流下工作，利用常规的赤道作图法测量磁力矩器的磁矩，记录下磁力矩器的工作磁矩及此时的工作电流；

第二步，将磁力矩器放置在常压热、热真空等高低温试验容器中，保持常温状态，将测试系统的测试线圈安装在磁力矩器的固定位置上，一般应紧邻磁力矩器的耳片，将测试线圈的接线柱通过导线连接到测试系统的磁通计接口，在磁力矩器表面粘贴温度传感器，磁力矩器的电连接器与测试系统的电源输出端子对应接好；

第三步，在上位机软件中设置磁力矩器的工作电流，开始测试，软件将磁通计读数置零，对磁力矩器加载工作电流，待电流值稳定后，读取磁通计读数；

第四步，上位机软件计算磁力矩器的工作磁矩与测量的磁通值的比值，记为k，存入磁矩磁通对应关系数据库；

第五步，使高低温试验容器运行工作，测试系统读取磁力矩器表面粘贴的温度传感器测量的温度值；

第六步，测试系统控制磁力矩器断电，然后使磁通计读数置零；

第七步，对磁力矩器加载工作电流，上位机软件记录此时磁通计的读数Φ；

第八步，上位机软件读取磁矩磁通对应关系数据库中的k值，计算在此温度时的磁力矩器工作磁矩M＝k×Φ；

第九步，改变高低温试验容器中的设定温度，重复第五步-第八步的步骤进行；

第十步，当测试完所有温度条件下的磁矩值后，试验结束。

采用本发明的测试系统和测试方法进行磁矩测试的结果与赤道作图法测试的结果偏差很小，不到1％。由于省去了对磁力矩器进行360°旋转的试验过程，因此此法测试速度很快。磁通计测量的是线圈内通过的磁通量的变化值，对于不发生变化的磁通量不会产生读数。而磁通量的变化主要是由于磁力矩器的工作磁矩发生变化而引起的，地磁场和空间环境模拟设备等产生的磁场是恒定的，不会引起线圈内的磁通量的变化。因此，此法可以避免地磁场和空间环境模拟设备等的影响。不受空间环境模拟设备的影响，可应用于高低温环境试验过程中的磁力矩器磁矩实时测试。

尽管上文对本发明的具体实施方式进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，我们可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。

Claims (10)

1.一种磁力矩器在地面环境试验过程中的磁矩实时测试系统，包括磁通测试单元、电阻测试单元、温度测试单元、恒流驱动单元和测控单元，磁通测试单元包括彼此电连接的测试线圈和磁通计，电阻测试单元包括电压测量模块和电流测量模块，电压测量模块和电流测量模块分别与磁力矩器电连接以分别对磁力矩器上的电压和电流进行电测量，温度测试单元包括彼此电连接的温度传感器和温度变送器，恒流驱动单元包括恒流电源及H桥换向电路，磁力矩器的一端上设置测试点，测试点通过H桥换向电路与恒流电源电连接，测控单元包括控制器和显示系统，其中，磁力矩器放置高低温试验容器中，磁力矩器中部设置温度传感器，测试线圈固定在磁力矩器一侧的固定位置上，并通过磁通计实时测量磁力矩器的磁矩，控制器分别与磁通计、温度变送器、电压测量模块、电流测量模块以及H桥换向电路电通信，利用恒流驱动单元对磁力矩器加载工作电流，并接收磁矩，温度，电压和电流的测量值信号并将其在显示系统中进行实时显示。

2.如权利要求1所述的磁矩实时测试系统，其中，采用伏安法进行磁力矩器的电阻测量。

3.如权利要求1所述的磁矩实时测试系统，其中，测试线圈包括线圈骨架、线圈绕组以及接线柱,线圈骨架包括两片形状对称的平行相对的耐高低温且不导电材料板,每片板的形状为椭圆形,两片板之间连接设置有圆柱体,圆柱体的圆心轴与两片板的椭圆形的中心轴相一致且圆柱体的外径小于椭圆形的短轴长度以在两片板之间形成绕制测量线圈的空间,上述两片板与圆柱体沿着共同的中心轴穿设有通孔,通孔的内径略大于待测量磁力矩器的外径，线圈绕组沿着线圈骨架两片板之间圆柱体的外径绕制，接线柱固定在线圈骨架两片板椭圆形长轴的两侧，线圈绕组的两端连接到接线柱上。

4.如权利要求3所述的磁矩实时测试系统，其中，线圈的匝数可随磁力矩器的磁矩大小的不同而进行调整。

5.如权利要求3所述的磁矩实时测试系统，其中，所述不导电材料板为环氧树脂板。

6.一种利用权利要求1-5任一项所述的测试系统测量航天器磁力矩器磁矩的方法，主要包括以下步骤：

第一步，在试验室用常规的磁矩测量方法测量磁力矩器的磁矩，并记录下工作电流；

第二步，将磁力矩器放置高低温试验容器中，试验容器不工作，将测试系统的测试线圈固定在磁力矩器侧的固定位置上，利用测试系统的恒流驱动单元对磁力矩器加载第一步中记录的工作电流，磁通测试单元中的磁通计对测试线圈中的感应电动势进行积分，得到数值，并将数值发送到控制器，控制器计算磁力矩器的工作磁矩与测量的磁通值的比值，将其存入磁矩磁通对应关系数据库，用于计算磁矩；

第三步，使高低温试验容器运行工作，在某一设定温度持续一段时间，用温度测试单元读取温度值，待温度值恒定时，控制器记录其温度值；

第四步，停止恒流驱动单元的输出电流并且使磁通计读数置零，然后再给磁力矩器加载第一步骤中记录的工作电流，控制器读取磁通计的读数，调用磁矩磁通对应关系数据库，换算出此温度值下的磁力矩器工作磁矩；

第五步，重新按照步骤三、四，依次测量磁力矩器在不同温度下的磁矩。

7.如权利要求6所述的方法，其中，常规的磁矩测量方法包括赤道作图法和偶极子法。

8.如权利要求6所述的方法，其中，磁通计可替换为伏秒计或其他电压积分电路。

9.如权利要求6所述的方法，其中，磁通计的量程与测试线圈产生的磁通大小相适应。

10.如权利要求6所述的方法，其中，所述固定位置紧邻磁力矩器的安装耳片。