CN106802213B - 一种微小电磁力检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微小电磁力检测装置，属于传感、测控领域，特别涉及输出推力为mN级或μN级电火箭及离子火箭发动机推力测试系统的静态标定。该装置包括支撑架、滚珠丝杠、位置显示器、电子天平、铁块以及由它们组成的检测系统。本发明的优点是能够精确地控制通电线圈与被吸引铁块之间的距离；并能保证通电线圈与被吸引铁块间的吸力位于电子天平中心位置处。本装置能够实现通电线圈与被吸引铁块间的距离以及两者之间微小吸力的检测，并且通过以上测量结果能够建立通电线圈与被吸引铁块间的距离以及两者之间微小吸力的函数关系。

Description

一种微小电磁力检测装置

技术领域

本发明属于传感、测控领域，特别应用于输出推力为mN级或μN级的电火箭及离子火箭发动机推力测试系统的静态标定，具体涉及一种微小电磁力检测装置，其可实现对推力输出量级为mN级或μN级电火箭及离子火箭发动机推力测试系统进行静态标定的目的。

背景技术

随着空间科学任务的不断增多，微小卫星和纳星在近年来得到了迅猛发展。作为微小卫星的动力系统，传统的推进器己不能满足微小卫星对推力输出量级、推力精度、推进器重量和体积等方面的苛刻要求。为了满足这些需求，多国科学家对采用新型工作原理的推进器进行了广泛深入的研究。在推进器的研发过程中，推力测量系统能够精确测量推进器的推力大小、推力噪声等，也可据此评价推进器的推力性能，为改进推进器的研究方向、缩短推进器的研发周期提供有效的技术途径。采用直接或间接的测量方法，国内外科学家开发了许多不同结构的推力测量系统，针对mN级或μN级推力测量系统的静态标定，目前尚未形成统一的测量标准。

通过小量级的砝码产生微力，绳子的一端通过定滑轮悬挂砝码，另一端固定在推进器安装位置处，采用这样的方法可以将竖直向下的力转化为水平方向的力，实现对水平方向上推力测量系统标定的目的。但是由于推力很小，细绳和滑轮之间的摩擦力已经超出了标定精度，达不到对测力系统进行标定的目的；利用压电材料的电致伸缩效应产生微小位移作用到悬臂梁上，通过悬臂梁的弹性变形来产生微力，这种微力发生装置对操作技术要求比较高，对悬臂梁的制作等也提出了很高的要求；采用静电平行板产生静电微力，常见的有平行板电容式和静电梳齿式两种，在电容的两极板间施加驱动电压即可产生静电力，通过改变两极板间的输入电压可以得到不同的静电微力，在加工制作时对两极板间距离的精确控制要求很高；采用电磁力产生微力，在磁场中，运动的通电导体通过切割磁感线即可产生洛伦兹力，但实际操作时，对整个微力发生装置的装配精度要求比较高；采用单级杠杆或多级杠杆的相关原理设计的微力缩小结构来获得微力，此种微力发生装置对杠杆的加工精度有很高的要求。

本发明装置采用通电线圈吸引铁块的方法获得微小力，通过改变通电线圈与铁块间的距离获得不同的微力，并在电子天平上对该微小力值进行测量。该装置能够精确地控制通电线圈与被吸引铁块之间的距离，并能保证通电线圈与被吸引铁块间的吸力位于电子天平中心位置处。此方法可以产生很小的微力并且测量量程很大，其测量量程为10^-11N～10^-2N。该微小电磁力检测装置可实现对mN级或μN级推力测量系统进行静态标定的目的。

随着我国航空航天事业的不断发展，微小卫星已经成为当代卫星发展的趋势，作为微小卫星动力系统的微推进器也向着重量轻、体积小、推力输出量级小、推力精度高的方向发展，其对微推进器推力的准确测量提出了更高的要求。因此，对微推力测试系统的标定是非常有必要的，其对我国微推力测试技术的发展具有重要的意义。

发明内容

本发明解决了对微推力测量系统进行静态标定的关键与难点问题。设计了一种微小电磁力检测装置，其可实现对输出推力为毫牛级的推进器推力测量系统进行静态标定的目的。

本发明的技术方案：

一种微小电磁力检测装置，包括线圈固定装置1、铁块2、防风玻璃罩3、电子天平4和电源箱5；线圈固定装置1置于电子天平4上，铁块2置于电子天平4的托盘上，并整体置于防风玻璃罩3中，线圈固定装置1上的线圈由电源箱5供电。

线圈固定装置1由支撑架1-11、丝杠1-10、滚珠丝杠螺母1-5、线圈固定板1-7、线圈1-8、位置显示器1-1、紧定螺钉1-2、卡簧1-3、推力球轴承1-4、第一螺钉1-6、第二螺钉1-9、限位轴1-12、第一螺母1-13、第二螺母1-14、螺栓1-15、活动上板1-16、第三螺母1-17和通孔梅花手柄旋钮1-18组成。

支撑架1-11由竖直固定板、上固定板和下固定板组成。竖直固定板上端设有4个槽孔；上固定板两侧设有加强筋，以增加其强度；上固定板上设有沉头孔和推力球轴承安装孔；卡簧1-3安装在位于推力球轴承1-4上方丝杠的卡簧1-3安装槽内；推力球轴承1-4由卡簧1-3和上固定板限位；下固定板为矩形板，该矩形板上设有1个阶梯孔和1个丝杠限位孔，由第一螺母1-13通过阶梯孔固定限位轴1-12，丝杠限位孔用于限制丝杠的轴向位移；该矩形板下端面设有下半圆槽，上端面设有上半圆槽，下半圆槽用于与电子天平4的托盘配合，上半圆槽与下半圆槽相通，上半圆槽半径小于下半圆槽半径是为了满足狭小空间内设置沉头孔和丝杠限位孔的同时不影响铁块的安放。

丝杠1-10分为固定部分和工作部分，工作部分插入下固定板丝杠限位孔中；位于推力球轴承1-4下端与上固定板下端面之间的丝杠1-10轴径为其轴径最大处，用于限制丝杠1-10的轴向位移；位于推力球轴承1-4上端丝杠上设有卡簧1-3安装槽；卡簧1-3安装槽上方丝杠1-10上铣有一个平面通过紧定螺钉1-2与位置显示器1-1锁紧固定，丝杠1-10顶端采用螺纹与通孔梅花手柄旋钮1-18连接，并通过第三螺母1-17固定。

线圈固定板1-7上设有4个螺纹孔、1个通孔和1个沉头孔，线圈固定板1-7由第二螺钉1-9通过4个螺纹孔贯穿固定在滚珠丝杠螺母1-5上，限位轴1-12穿过线圈固定板1-7上的通孔，用来限制线圈固定板1-7的周向位移；通过置于沉头孔内的第一螺钉1-6将线圈固定板1-7与线圈1-8固定。

限位轴1-12两端为螺纹，中间为光轴，其依次穿过上固定板、线圈固定板1-7和下固定板，其上、下端通过置于上固定板和下固定板沉头孔内的第一螺母1-13分别与上固定板和下固定板固定。

活动上板1-16为“T”字型结构，分为“T”字横向板和“T”字竖向板。“T”字横向板由螺栓1-15、垫片和第二螺母1-14通过4个槽孔固定在竖直固定板上；“T”字竖向板上设有1个限位孔和一个通孔，限位孔用于与位置显示器1-1上端固定柱配合，限制位置显示器1-1的周向位移，通孔用于使丝杠1-10穿过活动上板1-16的“T”字竖向板，以便在丝杠1-10上端安装通孔梅花手柄旋钮1-18。

本发明的有益效果：本发明装置可以精确控制通电线圈与被吸引铁块间的距离，并能保证两者之间的吸力与电子天平托盘中心轴线保持一致。采用上述结构，实现了通电线圈与被吸引铁块间距离的精确控制以及两者之间吸力的准确测量，达到了实验的目的。

附图说明

图1为线圈固定装置结构示意图。

图2为一种微小电磁力检测装置结构示意图。

图中：1线圈固定装置；2铁块；3防风玻璃罩；4电子天平；5电源箱；

1-1位置显示器；1-2紧定螺钉；1-3卡簧；1-4推力球轴承；

1-5滚珠丝杠螺母；1-6第一螺钉；1-7线圈固定板；1-8线圈；

1-9第二螺钉；1-10丝杠；1-11支撑架；1-12限位轴；1-13第一螺母；

1-14第二螺母；1-15螺栓；1-16活动上板；1-17第三螺母；

1-18通孔梅花手柄旋钮。

具体实施方式

结合技术方案和附图详细说明本发明的实施。如图1所示，支撑架1-11竖直放置，首先将滚珠丝杠螺母1-5与线圈固定板1-7通过4个第二螺钉1-9固定，将其置于上固定板下方合适位置处，使滚珠丝杠螺母1-5与上固定板上的推力球轴承1-4轴线保持一致，限位轴1-12依次穿过上固定板上的沉头孔、线圈固定板1-7上的通孔、下固定板上的沉头孔，第一螺母1-13置于上固定板和下固定板沉头孔中，通过限位轴1-12上下端螺纹部分将其与上固定板和下固定板固定。丝杠1-10依次穿过上固定板、滚珠丝杠螺母1-5，其下端插入下固定板丝杠限位孔内，丝杠1-10由下固定板上的丝杠限位孔和位于推力球轴承1-4下端与上固定板下端面之间丝杠1-10最大轴径的上端面限制其轴向位移；在上固定板的推力球轴承1-4中安装推力球轴承1-4，在位于推力球轴承1-4上方丝杠1-10的卡簧1-3安装槽内安装卡簧1-3，通过卡簧1-3和上固定板限制推力球轴承1-4的轴向位移。在丝杠1-10上通过紧定螺钉1-2固定位置显示器1-1，安装活动上板1-16，将位置显示器1-1上端固定柱插入活动上板1-16“T”字竖向板限位孔中，并由4个螺栓1-15、垫片、第二螺母1-14将活动上板1-16“T”字横向板与竖直板上端通过槽孔固定；在丝杠1-10顶端安装通孔梅花手柄旋钮1-18，并由螺母1-17将两者固定。

如图2所示，线圈固定装置1放置于电子天平4上，下固定板底端半圆槽与电子天平4托盘边缘贴合，铁块2置于电子天平4托盘上，线圈1-8由电源箱5供电。

如图2所示，微小电磁力检测装置组装完成后，初始位置时，线圈1-8未通电，其位于铁块2正上方，记录下电子天平4的示数；打开电源箱5，线圈1-8通电，铁块2被吸引，再次记录下电子天平4的示数，同时记录下位置显示器1-1的示数。此时，位置显示器1-1显示示数为0(位置显示器1-1示数为通电线圈与铁块之间的距离)，转动通孔梅花手柄旋钮1-18，通电线圈1-8上移一定距离，并记录下电子天平4与位置显示器1-1的示数。当电子天平4的示数与初始位置时示数之差与所需标定的推力力值相等时，停止转动通孔梅花手柄旋钮1-18，根据所记录的相关数据建立通电线圈1-8与铁块2之间的微小吸力和两者之间距离所对应的函数关系，由此得到所需的微小力值，达到实验的目的。

虽然本发明以上述较佳的实施例对本发明做出了详细的描述，但并非用上述实施例限定本发明。本领域的技术人员应当意识到在不脱离本发明所给出的技术特征和范围的情况下，对技术所作的增加及本领域一些同样内容的替换，均应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种微小电磁力检测装置，其特征在于，该微小电磁力检测装置包括线圈固定装置(1)、铁块(2)、防风玻璃罩(3)、电子天平(4)和电源箱(5)；线圈固定装置(1)置于电子天平(4)上，铁块(2)置于电子天平(4)的托盘上，并整体置于防风玻璃罩(3)中，线圈固定装置(1)上的线圈由电源箱(5)供电；

线圈固定装置(1)包括支撑架(1-11)、丝杠(1-10)、滚珠丝杠螺母(1-5)、线圈固定板(1-7)、线圈(1-8)、位置显示器(1-1)、紧定螺钉(1-2)、卡簧(1-3)、推力球轴承(1-4)、第一螺钉(1-6)、第二螺钉(1-9)、限位轴(1-12)、第一螺母(1-13)、第二螺母(1-14)、螺栓(1-15)、活动上板(1-16)、第三螺母(1-17)和通孔梅花手柄旋钮(1-18)；

支撑架(1-11)由竖直固定板、上固定板和下固定板组成；竖直固定板上端设有4个槽孔；上固定板两侧设有加强筋，以增加其强度；上固定板上设有沉头孔和推力球轴承安装孔；卡簧(1-3)安装在位于推力球轴承(1-4)上方丝杠的卡簧(1-3)安装槽内；推力球轴承(1-4)由卡簧(1-3)和上固定板限位；下固定板为矩形板，该矩形板上设有1个阶梯孔和1个丝杠限位孔，由第一螺母(1-13)通过阶梯孔固定限位轴(1-12)，丝杠限位孔用于限制丝杠的轴向位移；该矩形板下端面设有下半圆槽，上端面设有上半圆槽，下半圆槽用于与电子天平(4)的托盘配合，上半圆槽与下半圆槽相通，上半圆槽半径小于下半圆槽半径是为了满足狭小空间内设置沉头孔和丝杠限位孔的同时不影响铁块的安放；

丝杠(1-10)分为固定部分和工作部分，工作部分插入下固定板丝杠限位孔中；位于推力球轴承(1-4)下端与上固定板下端面之间的丝杠(1-10)轴径为其轴径最大处，用于限制丝杠(1-10)的轴向位移；位于推力球轴承(1-4)上端丝杠上设有卡簧(1-3)安装槽；卡簧(1-3)安装槽上方丝杠(1-10)上铣有一个平面通过紧定螺钉(1-2)与位置显示器(1-1)锁紧固定，丝杠(1-10)顶端采用螺纹与通孔梅花手柄旋钮(1-18)连接，并通过第三螺母(1-17)固定；

线圈固定板(1-7)上设有4个螺纹孔、1个通孔和1个沉头孔，线圈固定板(1-7)由第二螺钉(1-9)通过4个螺纹孔贯穿固定在滚珠丝杠螺母(1-5)上，限位轴(1-12)穿过线圈固定板(1-7)上的通孔，用来限制线圈固定板(1-7)的周向位移，通过置于沉头孔内的第一螺钉(1-6)将线圈固定板(1-7)与线圈(1-8)固定；

限位轴(1-12)两端为螺纹，中间为光轴，其依次穿过上固定板、线圈固定板(1-7)和下固定板，其上、下端通过置于上固定板和下固定板沉头孔内的第一螺母(1-13)分别与上固定板和下固定板固定；

活动上板(1-16)为“T”字型结构，分为“T”字横向板和“T”字竖向板；“T”字横向板由螺栓(1-15)、垫片和第二螺母(1-14)通过4个槽孔固定在竖直固定板上；“T”字竖向板上设有1个限位孔和一个通孔，限位孔用于与位置显示器(1-1)上端固定柱配合，限制位置显示器(1-1)的周向位移，通孔用于使丝杠(1-10)穿过活动上板(1-16)的“T”字竖向板，以便在丝杠(1-10)上端安装通孔梅花手柄旋钮(1-18)。