CN107091705A - 一种微推力测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微推力测量技术领域，尤其涉及一种微推力测量方法，同时本发明还提供一种单摆微推力测量装置和一种三丝扭摆微推力测量装置，在保持重力方向和微推力方向垂直状态下，通过机械平衡原理，将微推力物理量转化为位移的物理量，本发明解决了现有技术存在由于推力与重力在同一个方向或对推进器的质量变化敏感等因素的影响，从而导致精度低且误差大的问题，具有消除重力的影响、摩擦力小、减震效果好的有益技术效果。
Description
技术领域
本发明属于微推力测量技术领域，尤其涉及一种微推力测量方法，同时本发明还提供一种单摆微推力测量装置和一种三丝扭摆微推力测量装置。
背景技术
微推力测量技术是指测量几个微牛到几个牛顿之间的推力，这门技术是电推力器推力测试的一个主要内容，微推力测试有几个特点：一、敏感程度高，推力器所产生的推力介于几个微牛和几牛顿之间，对于如此小的推力，许多在通常情况下可以忽略的因素都足以将其淹没，比如，人走过的脚步声或者一般的实验操作等都可能对测试结果产生很大的影响，二、推重比非常小，相对于安装在推力平台上的推进装置和测量装置的重量，要测的推力十分小，微波推力器系统质量约为20公斤，而所测的力为毫牛级别，若其测量误差为1%，则推力测量误差绝对值仅为1×10–2毫牛，推重比小于10-7，这二个特点与弱力测量实验特点相似，但实验条件比弱力测量还要苛刻，可见微小推力的测量十分困难，因而微推力的测量也就对实验的设计有很高的要求，归纳起来可以看出目前常用的微推力测量装置主要为天平和摆式结构，天平结构的基本原理就是利用平衡原理，先将推力器整体预先平衡，再由测量元件来平衡推力器产生的微推力，摆式结构又有刚性摆和柔性摆两种，刚性摆采用转动力矩平衡原理，有正向摆，异向拜，倒摆等类型，柔性摆采用的是扭矩平衡或者推力平衡原理，有扭摆，单摆等类型，几种测量方法各有利弊，天平法精度高，结构也简单，但是平衡性不好，动态响应慢，对推进器的质量变化敏感，且多数情况下推力与重力在同一个方向上。
综上所述，现有技术存在由于推力与重力在同一个方向或对推进器的质量变化敏感等因素的影响，从而导致精度低且误差大的问题。
发明内容
本发明提供一种微推力测量方法及装置，以解决上述背景技术中提出了现有技术存在由于推力与重力在同一个方向或对推进器的质量变化敏感等因素的影响，从而导致精度低且误差大的问题。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种微推力测量方法，包括在保持重力方向和微推力方向垂直状态下，通过机械平衡原理，将微推力物理量转化为位移的物理量。
进一步，所述通过机械平衡原理，将微推力物理量转化为位移的物理量包括推力平衡测量方法和扭矩平衡测量方法。
进一步，所述推力平衡测量方法包括在倒挂摆平衡状态下，使倒挂摆受水平的微推力作用，根据倒挂摆微推力推算数学模型，将微推力物理量转化为位移的物理量。
进一步，所述推力平衡微推力推算数学模型为：；
所述光斑行程：
所述为摆线固定点到托盘底边的距离；
所述为读数尺与竖直状态反射镜的垂直距离；
所述为光斑行程。
进一步，所述扭矩平衡测量方法包括将等长且对称分布的三根扭丝的扭转平台通过配重调平，在平衡状态下，使扭转平台受水平的微推力作用，根据扭矩微推力推算数学模型，将微推力物理量转化为位移的物理量。
进一步，所述扭矩平衡微推力推算数学模型为：
所述为钨丝受拉力拉伸后长度；
所述θ为扭转平台扭转角度；
所述r为扭转平台扭转半径。
进一步，所述微推力测量方法还包括位移标定，所述位移标定通过光杠杆放大原理，标定位移物理量。
进一步，所述光杠杆放大原理包括激光垂直反射镜入射的初始状态，若被测物转动θ角时，则入射角与反射角为2θ，将初始状态与被测物偏转θ时的角度间隙转换为光斑位移。
同时，本发明还提供一种单摆微推力测量装置，包括具有托盘的倒挂摆装置，所述倒挂摆装置经悬挂装置悬挂于其上方水平固定面，所述托盘内固定连接使倒挂摆受水平的微推力作用的微波推力器，所述倒挂摆装置连接于通过光杠杆放大原理，标定位移物理量的位移标定装置。
同时，本发明还提供一种三丝扭摆微推力测量装置，包括一端悬接于支架上的三扭丝装置，其另一端悬挂连接于扭转平台，所述扭转平台一端连接使扭转平台受水平的微推力作用的微波推力器，其另一端连接使扭转平台平衡的配重，所述三扭丝装置连接于通过光杠杆放大原理，标定位移物理量的位移标定装置。
有益技术效果：
1、本专利采用在保持重力方向和微推力方向垂直状态下，通过机械平衡原理，将微推力物理量转化为位移的物理量，所述通过机械平衡原理，将微推力物理量转化为位移的物理量包括推力平衡测量方法和扭矩平衡测量方法，由于微波推力器推重比低，使重力方向和推力方向垂直，可以消除重力的影响。
2、本专利采用所述推力平衡测量方法包括在倒挂摆平衡状态下，使倒挂摆受水平的微推力作用，根据倒挂摆微推力推算数学模型，将微推力物理量转化为位移的物理量，所述推力平衡微推力推算数学模型为：，由于微波推力器系统固定于倒挂摆托盘上，推力器产生微推力，使倒挂摆摆动，通过光杠杆放大原理标定微推力，单摆微推力测量系统结构简单，灵敏度高，仅受悬丝拉伸强度的限制，不存在转动时摩擦力的影响，结合光杠杆放大原理，也可以测量微波推力器的推力。
本专利采用所述扭矩平衡测量方法包括将等长且对称分布的三根扭丝的扭转平台通过配重调平，在平衡状态下，使扭转平台受水平的微推力作用，根据扭矩微推力推算数学模型，将微推力物理量转化为位移的物理量，所述扭矩平衡微推力推算数学模型为：。由于如图6所示，三根钨丝等长且对称分布地把扭转平台系统悬挂起来，钨丝的三个悬点所在圆以平台的中心为原点，所在圆对应的钨丝为偏转前状态，三根钨丝竖直向下，扭转平台在微波推力力矩作用下扭转任意角度θ，则扭转平台中心在钨丝拉力作用下从抬升到，偏转后，在钨丝拉力作用下，三根钨丝对扭转平台产生反方向扭矩，在和的作用下，扭转平台产生往复摆动，如图7所示，扭转后，钨丝由AC位置偏转到AB位置，为平台扭转后的中心位置，θ为偏转角。D为钨丝AC与圆的交点，，扭摆微推力测量系统推力与重力方向垂直，可以消除推力器质量对推力的影响、结构简单，采用扭矩平衡和光杠杆放大原理，将微小推力转化为光斑的位移，适用于微波推力器的推力测量。
4、本专利采用所述微推力测量方法还包括位移标定，所述位移标定通过光杠杆放大原理，标定位移物理量，所述光杠杆放大原理包括激光垂直反射镜入射的初始状态，若被测物转动θ角时，则入射角与反射角为2θ，将初始状态与被测物偏转θ时的角度间隙转换为光斑位移，由于如图7所示，为光杠杆原理示意图，初始状态激光垂直反射镜入射，入射与反射夹角为0。当扭转平台转动θ角时，激光入射与反射夹角为2θ，以Δ表示初始状态与平台偏转θ时的光斑位移。
5、本专利提供一种单摆微推力测量装置，所述倒挂摆装置经悬挂装置悬挂于其上方水平固定面，所述托盘内固定连接使倒挂摆受水平的微推力作用的微波推力器，所述倒挂摆装置连接于通过光杠杆放大原理，标定位移物理量的位移标定装置，由于微波推力器系统固定于倒挂摆托盘上，推力器产生微推力，使倒挂摆摆动，通过光杠杆放大原理标定微推力，单摆微推力测量系统结构简单，灵敏度高，仅受悬丝拉伸强度的限制，不存在转动时摩擦力的影响。结合光杠杆放大原理，也可以测量微波推力器的推力，同时具有减震的效果。
6、本专利还提供一种三丝扭摆微推力测量装置，包括一端悬接于支架上的三扭丝装置，其另一端悬挂连接于扭转平台，所述扭转平台一端连接使扭转平台受水平的微推力作用的微波推力器，其另一端连接使扭转平台平衡的配重，所述三扭丝装置连接于通过光杠杆放大原理，标定位移物理量的位移标定装置，由于三丝扭摆微推力测量系统由金属支架、三根钨丝、扭转平台、千斤顶、激光器、升降台、光标系统、电源、微波推力器系统及数据采集系统组成。金属支架固定在水平地面上，测量的时候整个扭转平台被三根丝吊起，不用的时候扭转平台用千斤顶顶起来。激光器、反射镜和标尺组成光标和数据采集系统，通过调节标尺与扭盘之间的距离可以调整对偏转角的放大倍数。利用配重调整平台平衡使三根钨丝受力均匀，三根钨丝等长且对称分布地把扭转平台系统悬挂起来，钨丝的三个悬点所在圆以平台的中心为原点。所在圆对应的钨丝为偏转前状态，三根钨丝竖直向下。扭转平台在微波推力力矩作用下扭转任意角度θ，则扭转平台中心在钨丝拉力作用下从抬升到。偏转后，在钨丝拉力作用下，三根钨丝对扭转平台产生反方向扭矩，在和的作用下，扭转平台产生往复摆动，扭转后，钨丝由AC位置偏转到AB位置，为平台扭转后的中心位置，θ为偏转角。D为钨丝AC与圆的交点，，扭摆微推力测量系统推力与重力方向垂直，可以消除推力器质量对推力的影响。
附图说明
图1是本发明一种微推力测量方法的流程图；
图2是本发明一种微推力测量方法的推力平衡测量方法的原理图；
图3是本发明一种单摆微推力测量装置的结构示意图；
图4是本发明一种微推力测量方法的扭矩平衡测量方法实施例二的原理图；
图5是本发明一种三丝扭摆微推力测量装置的结构示意图；
图6是本发明一种微推力测量方法的扭矩平衡测量方法的原理分析图；
图7是本发明一种微推力测量方法的位移标定方法的原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步描述：
图中：
S101-保持重力方向和微推力方向垂直状态；
S102-通过机械平衡原理，将微推力物理量转化为位移的物理量；
S103-在倒挂摆平衡状态下，使倒挂摆受水平的微推力作用，根据倒挂摆微推力推算数学模型，将微推力物理量转化为位移的物理量；
S104-将等长且对称分布的三根扭丝的扭转平台通过配重调平，在平衡状态下，使扭转平台受水平的微推力作用，根据扭矩微推力推算数学模型，将微推力物理量转化为位移的物理量；
101-托盘，102-倒挂摆装置，103-悬挂装置，104-水平固定面，105-微波推力器，106-位移标定装置
201-支架，202-三扭丝装置，203-扭转平台，204-配重。
实施例：
本实施例：如图1所示，一种微推力测量方法，包括在保持重力方向和微推力方向垂直状态S1下，通过机械平衡原理，将微推力物理量转化为位移的物理量S2。
所述通过机械平衡原理，将微推力物理量转化为位移的物理量S2包括推力平衡测量方法和扭矩平衡测量方法。
由于采用在保持重力方向和微推力方向垂直状态下，通过机械平衡原理，将微推力物理量转化为位移的物理量，所述通过机械平衡原理，将微推力物理量转化为位移的物理量包括推力平衡测量方法和扭矩平衡测量方法，由于微波推力器推重比低，使重力方向和推力方向垂直，可以消除重力的影响。
如图2所示，所述推力平衡测量方法包括在倒挂摆平衡状态下，使倒挂摆受水平的微推力作用，根据倒挂摆微推力推算数学模型，将微推力物理量转化为位移的物理量S3。
所述推力平衡微推力推算数学模型为：
所述光斑行程：
所述为摆线固定点到托盘底边的距离；
所述为读数尺与竖直状态反射镜的垂直距离；
所述为光斑行程；
通常情况下θ很小，且，可以认为；
带入上述方程并简化得：。
因此，单摆法所测微推力F与光斑行程成正比。
由于采用所述推力平衡测量方法包括在倒挂摆平衡状态下，使倒挂摆受水平的微推力作用，根据倒挂摆微推力推算数学模型，将微推力物理量转化为位移的物理量，所述推力平衡微推力推算数学模型为：，由于微波推力器系统固定于倒挂摆托盘上，推力器产生微推力，使倒挂摆摆动，通过光杠杆放大原理标定微推力，单摆微推力测量系统结构简单，灵敏度高，仅受悬丝拉伸强度的限制，不存在转动时摩擦力的影响，结合光杠杆放大原理，也可以测量微波推力器的推力。
如图4、6所示，所述扭矩平衡测量方法包括将等长且对称分布的三根扭丝的扭转平台203通过配重204调平，在平衡状态下，使扭转平台203受水平的微推力作用，根据扭矩微推力推算数学模型，将微推力物理量转化为位移的物理量S5。
所述扭矩平衡微推力推算数学模型为：
由于采用所述扭矩平衡测量方法包括将等长且对称分布的三根扭丝的扭转平台通过配重调平，在平衡状态下，使扭转平台受水平的微推力作用，根据扭矩微推力推算数学模型，将微推力物理量转化为位移的物理量，所述扭矩平衡微推力推算数学模型为：由于；
所述为钨丝受拉力拉伸后长度；
所述θ为扭转平台扭转角度；
所述r为扭转平台扭转半径；
平台未扭转时，钨丝受重力拉伸后长度，平台扭转θ角，钨丝受拉力拉伸后长度：
；
；
；
因为θ是微小量，认为：
；
则：
；
由相似三角形得：
；
远小于H，所以：
；
即：
如图6所示，三根钨丝等长且对称分布地把扭转平台系统悬挂起来，钨丝的三个悬点所在圆以平台的中心为原点，所在圆对应的钨丝为偏转前状态，三根钨丝竖直向下，扭转平台在微波推力力矩作用下扭转任意角度θ，则扭转平台中心在钨丝拉力作用下从抬升到，偏转后，在钨丝拉力作用下，三根钨丝对扭转平台产生反方向扭矩，在和的作用下，扭转平台产生往复摆动，如图7所示，扭转后，钨丝由AC位置偏转到AB位置，为平台扭转后的中心位置，θ为偏转角。D为钨丝AC与圆的交点，，扭摆微推力测量系统推力与重力方向垂直，可以消除推力器质量对推力的影响、结构简单，采用扭矩平衡和光杠杆放大原理，将微小推力转化为光斑的位移，适用于微波推力器的推力测量。
如图7所示，所述微推力测量方法还包括位移标定，所述位移标定通过光杠杆放大原理，标定位移物理量。
所述光杠杆放大原理包括激光垂直反射镜入射的初始状态，若被测物转动θ角时，则入射角与反射角为2θ，将初始状态与被测物偏转θ时的角度间隙转换为光斑位移。
由于采用所述微推力测量方法还包括位移标定，所述位移标定通过光杠杆放大原理，标定位移物理量，所述光杠杆放大原理包括激光垂直反射镜入射的初始状态，若被测物转动θ角时，则入射角与反射角为2θ，将初始状态与被测物偏转θ时的角度间隙转换为光斑位移，由于如图7所示，为光杠杆原理示意图，初始状态激光垂直反射镜入射，入射与反射夹角为0。当扭转平台转动θ角时，激光入射与反射夹角为2θ，以Δ表示初始状态与平台偏转θ时的光斑位移。
如图3所示，同时，本发明还提供一种单摆微推力测量装置，包括具有托盘101的倒挂摆装置102，所述倒挂摆装置102经悬挂装置103悬挂于其上方水平固定面104，所述托盘101内固定连接使倒挂摆受水平的微推力作用的微波推力器105，所述倒挂摆装置102连接于通过光杠杆放大原理，标定位移物理量的位移标定装置106。
由于采用所述倒挂摆装置经悬挂装置悬挂于其上方水平固定面，所述托盘内固定连接使倒挂摆受水平的微推力作用的微波推力器，所述倒挂摆装置连接于通过光杠杆放大原理，标定位移物理量的位移标定装置，由于微波推力器系统固定于倒挂摆托盘上，推力器产生微推力，使倒挂摆摆动，通过光杠杆放大原理标定微推力，单摆微推力测量系统结构简单，灵敏度高，仅受悬丝拉伸强度的限制，不存在转动时摩擦力的影响。结合光杠杆放大原理，也可以测量微波推力器的推力，同时具有减震的效果。
如图5所示，同时，本发明还提供一种三丝扭摆微推力测量装置，其特征在于，包括一端悬接于支架201上的三扭丝装置202，其另一端悬挂连接于扭转平台203，所述扭转平台203一端连接使扭转平台203受水平的微推力作用的微波推力器105，其另一端连接使扭转平台203平衡的配重204，所述三扭丝装置202连接于通过光杠杆放大原理，标定位移物理量的位移标定装置106。
由于采用包括一端悬接于支架上的三扭丝装置，其另一端悬挂连接于扭转平台，所述扭转平台一端连接使扭转平台受水平的微推力作用的微波推力器，其另一端连接使扭转平台平衡的配重，所述三扭丝装置连接于通过光杠杆放大原理，标定位移物理量的位移标定装置，由于三丝扭摆微推力测量系统由金属支架、三根钨丝、扭转平台、千斤顶、激光器、升降台、光标系统、电源、微波推力器系统及数据采集系统组成。金属支架固定在水平地面上，测量的时候整个扭转平台被三根丝吊起，不用的时候扭转平台用千斤顶顶起来。激光器、反射镜和标尺组成光标和数据采集系统，通过调节标尺与扭盘之间的距离可以调整对偏转角的放大倍数。利用配重调整平台平衡使三根钨丝受力均匀，三根钨丝等长且对称分布地把扭转平台系统悬挂起来，钨丝的三个悬点所在圆以平台的中心为原点。所在圆对应的钨丝为偏转前状态，三根钨丝竖直向下。扭转平台在微波推力力矩作用下扭转任意角度θ，则扭转平台中心在钨丝拉力作用下从抬升到。偏转后，在钨丝拉力作用下，三根钨丝对扭转平台产生反方向扭矩，在和的作用下，扭转平台产生往复摆动，扭转后，钨丝由AC位置偏转到AB位置，为平台扭转后的中心位置，θ为偏转角。D为钨丝AC与O圆的交点，，扭摆微推力测量系统推力与重力方向垂直，可以消除推力器质量对推力的影响。
工作原理：
本专利通过在保持重力方向和微推力方向垂直状态下，通过机械平衡原理，将微推力物理量转化为位移的物理量，所述通过机械平衡原理，将微推力物理量转化为位移的物理量包括推力平衡测量方法和扭矩平衡测量方法，由于微波推力器推重比低，使重力方向和推力方向垂直，本发明解决了现有技术存在由于推力与重力在同一个方向或对推进器的质量变化敏感等因素的影响，从而导致精度低且误差大的问题，具有消除重力的影响、摩擦力小、减震效果好的有益技术效果。
利用本发明的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种微推力测量方法，其特征在于，包括在保持重力方向和微推力方向垂直状态下，通过机械平衡原理，将微推力物理量转化为位移的物理量；
其中，所述通过机械平衡原理，将微推力物理量转化为位移的物理量包括推力平衡测量方法和扭矩平衡测量方法。
2.根据权利要求1所述的一种微推力测量方法，其特征在于，所述推力平衡测量方法包括在倒挂摆平衡状态下，使倒挂摆受水平的微推力作用，根据倒挂摆微推力推算数学模型，将微推力物理量转化为位移的物理量。
3.根据权利要求2所述的一种微推力测量方法，其特征在于，所述推力平衡微推力推算数学模型为：；
所述光斑行程：
所述为摆线固定点到托盘底边的距离；
所述为读数尺与竖直状态反射镜的垂直距离；
所述为光斑行程。
4.根据权利要求2所述的一种微推力测量方法，其特征在于，所述扭矩平衡测量方法包括将等长且对称分布的三根扭丝的扭转平台通过配重调平，在平衡状态下，使扭转平台受水平的微推力作用，根据扭矩微推力推算数学模型，将微推力物理量转化为位移的物理量。
5.根据权利要求4所述的一种微推力测量方法，其特征在于，所述扭矩平衡微推力推算数学模型为：
所述为钨丝受拉力拉伸后长度；
所述θ为扭转平台扭转角度；
所述r为扭转平台扭转半径。
6.根据权利要求1所述的一种微推力测量方法，其特征在于，所述微推力测量方法还包括位移标定，所述位移标定通过光杠杆放大原理，标定位移物理量。
7.根据权利要求6所述的一种微推力测量方法，其特征在于，所述光杠杆放大原理包括激光垂直反射镜入射的初始状态，若被测物转动θ角时，则入射角与反射角为2θ，将初始状态与被测物偏转θ时的角度间隙转换为光斑位移。
8.一种单摆微推力测量装置，其特征在于，包括具有托盘的倒挂摆装置，所述倒挂摆装置经悬挂装置悬挂于其上方水平固定面，所述托盘内固定连接使倒挂摆受水平的微推力作用的微波推力器，所述倒挂摆装置连接于通过光杠杆放大原理，标定位移物理量的位移标定装置。
9.一种三丝扭摆微推力测量装置，其特征在于，包括一端悬接于支架上的三扭丝装置，其另一端悬挂连接于扭转平台，所述扭转平台一端连接使扭转平台受水平的微推力作用的微波推力器，其另一端连接使扭转平台平衡的配重，所述三扭丝装置连接于通过光杠杆放大原理，标定位移物理量的位移标定装置。
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