CN107182257B - 一种微小推力测量系统的校准装置和方法 - Google Patents
一种微小推力测量系统的校准装置和方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种微小推力测量系统的校准装置和方法，属于电推力器微小推力测量技术领域。所述校准装置主要由推力器、弹性件、细丝和校准系统组成；校准系统主要由丝杠、电子拉力计、步进电机和平台组成；弹性件一端吊装在真空环境中，另一端与推力器连接，垂直于推力器的横向中心线；推力器的一端与电子拉力计一端通过细丝连接，细丝在拉直状态下的拉直方向与推力器的横向中心线方向一致；步进电机和丝杠固定在平台上，步进电机与丝杠连接，丝杠轴线方向与细丝拉直方向水平，电子拉力计固定在丝杠上，步进电机、电子拉力计和细丝顺序排列。所述校准装置的校准精度不需要评估摩擦力的影响；可以对推力测量系统进行实时校准。
Description
技术领域
本发明涉及一种微小推力测量系统的校准装置和方法，属于电推力器微小推力测量技术领域。
背景技术
专利号为：ZL 200610089041.8，公开日为：2007年02月21日，名称为：“一种适用于空间微小推力发动机的推力测量系统”的中国专利中公开了采用叉簧支撑的方式对电推力器进行微小推力的测量，该测量系统采用砝码通和滑轮的组合方式进行校准。这种方法虽然操作方便，但其不足之处是：不能有效地评估滑轮所产生的摩擦力大小，从而对校准的有效性产生了影响；不能实时地对测量系统进行校准。
发明内容
针对现有的采用叉簧支撑的方式对电推力器进行微小推力测量的测量系统中采用砝码通和滑轮的组合方式进行校准时存在的：不能有效地评估滑轮所产生的摩擦力大小以及不能实时地对测量系统进行校准的缺陷，本发明的目的之一是提供一种微小推力测量系统的校准装置。
本发明的目的之二是提供一种微小推力测量系统的校准方法，所述校准方法使用本发明所述的一种微小推力测量系统的校准装置对微小推力测量系统进行校准。
本发明的技术方案如下：
一种微小推力测量系统的校准装置，所述校准装置包括推力器、弹性件、细丝和校准系统；其中，校准系统包括丝杠、电子拉力计、步进电机和平台。在本发明一种微小推力测量系统的校准装置中，弹性件为长片状，一端吊装在真空环境中，另一端与推力器连接，垂直于推力器的横向中心线；推力器的一端与校准系统中的电子拉力计一端通过细丝连接，细丝在拉直状态下的拉直方向与推力器的横向中心线方向一致；校准系统中的步进电机和丝杠固定在平台上，步进电机与丝杠连接，丝杠的轴线方向与细丝拉直方向水平，电子拉力计固定在丝杠上，步进电机、电子拉力计和细丝在细丝拉直方向上顺序排列。
其中，所述弹性件在受力大小为0～200mN时，发生的位移量为0～2000μm(通过角位移转换)，热膨胀系数小于5.0×10-6m/℃，具有足够强度，在承受15kg的重力下，机械变形量小于1×10-6m；细丝在两端固定轴线方向不受力的自由状态下，对其两端分别连接的推力器和电子拉力计的作用力小于0.1mN；丝杠为滚珠丝杠，行程为：0～100mm，传动精度为0.001mm，可在真空度大于6×10-3Pa的真空环境下使用；电子拉力计的精度大于0.1％，数据采集速度大于1000次/秒，量程为：0～2N，可在真空度大于6×10-3Pa的真空环境下使用；步进电机的步距角为1.8°，步距角精度为±5％(整步，空载)，可在真空度大于6×10-3Pa的真空环境下使用；平台在高低和水平面方向二维可调，高低调节的范围为：500～1500mm，水平面内与推力器横向中心线垂直方向的调节范围为：0～200mm。
所述推力器的横向中心线方向与真空环境的横向中心线方向一致。
所述真空环境为真空度大于6×10-3Pa的真空环境。
校准系统中步进电机通过丝杠控制电子拉力计沿推力器横向中心线方向移动的范围为：0～5mm，精度为0.01μm。
电子拉力计拉力的方向真实模拟推力器产生的推力的方向，即推力器的横向中心线方向；所述推力器为圆柱形时，推力器的横向中心线即为推力器的轴线。
一种微小推力测量系统的校准装置工作过程如下：
调整校准系统的平台，使得连接推力器和电子拉力计的细丝处于拉直状态且拉直方向与推力器的横向中心线方向一致；抽真空，使真空环境的真空度大于6×10-3Pa；用校准系统上的步进电机驱动丝杠，使电子拉力计作微小位移，从而通过细丝拉动推力器发生微小位移，此时弹性件与推力器的连接端产生微小位移，弹性件与推力器连接端产生的微小位移值由激光干涉仪或位移传感器测出，步进电机驱动丝杠使电子拉力计作微小位移的拉力值由电子拉力计得到；通过步进电机控制不同的微小位移量，使弹性件与推力器的连接端产生不同的微小位移值，用激光干涉仪或位移传感器测出弹性件与推力器连接端产生的不同微小位移值，从电子拉力计上读出相应的拉力值大小，从而得到位移——拉力数据。
一种微小推力测量系统的校准方法，所述校准方法采用的校准装置为本发明所述的一种微小推力测量系统的校准装置，所述校准方法的具体步骤如下：
(1)调整校准系统的平台，使得连接推力器和电子拉力计的细丝处于拉直状态且拉直方向与推力器的横向中心线方向一致；
(2)抽真空，使真空环境的真空度大于6×10-3Pa；
(3)用校准系统上的步进电机驱动丝杠，使电子拉力计作微小位移，从而通过细丝拉动推力器发生微小位移，此时弹性件与推力器的连接端产生微小位移，弹性件与推力器连接端的微小位移值由激光干涉仪或位移传感器测出，步进电机驱动丝杠使电子拉力计作微小位移的拉力值由电子拉力计得到；
(4)通过步进电机控制不同的微小位移量，用激光干涉仪或位移传感器测出弹性件与推力器连接端产生的不同微小位移值，从电子拉力计上读出相应的拉力值大小，从而得到位移——拉力数据；
(5)通过所述位移——拉力数据得到二次差值函数即为微小推力测量系统的校准方程式；利用校准方程式即可对推力器的推力进行测量。
校准系统控制电子拉力计沿推力器横向中心线方向移动的范围为：0～5mm，精度为0.01μm。
电子拉力计拉力的方向真实模拟推力器产生的推力的方向，即推力器的横向中心线方向；当所述推力器为圆柱形时，推力器的横向中心线即为推力器的轴线。
有益效果：
1.本发明的一种微小推力测量系统的校准装置校准精度只取决于电子拉力计的精度，不需要评估摩擦力的影响；
2.本发明的一种微小推力测量系统的校准装置通过步进电机控制电子拉力计发生微小位移，可以对推力测量系统进行实时校准。
3.本发明的一种微小推力测量系统的校准方法得到的校准精度只取决于电子拉力计的精度，不需要评估摩擦力的影响；
4.本发明的一种微小推力测量系统的校准方法通过步进电机控制电子拉力计发生不同微小位移，可以对推力测量系统进行实时校准。
附图说明
图1为本发明一种微小推力测量装置的结构示意图。
图2为本发明一种微小推力测量装置中校准系统的结构示意图。
图中：1-真空室；2-推力器；3-弹性件；4-细丝；5-校准系统，6-丝杠，7-电子拉力计，8-步进电机，9-平台。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施方式作进一步详细说明。
如图1和图2所示，一种微小推力测量系统的校准装置，所述校准装置包括推力器2、弹性件3、细丝4和校准系统5；其中，所述校准系统5包括丝杠6、电子拉力计7、步进电机8和平台9。其中，弹性件3为长片状，一端与真空室1顶部连接，另一端与圆柱形推力器2连接，垂直于推力器2的轴线；推力器2的轴线方向与真空室1的横向中心线方向一致；推力器2一端与校准系统5中的电子拉力计7的一端通过细丝4连接，细丝4在拉直状态下的拉直方向与推力器2的轴线方向一致；校准系统5中的步进电机8和丝杠6固定在平台9上，步进电机8与丝杠6连接，丝杠6轴线方向与细丝4拉直方向水平，电子拉力计7固定在丝杠6上，步进电机8、电子拉力计7和细丝4在细丝4拉直方向上顺序排列。
其中，所述弹性件3在受力大小为0～200mN时，发生的位移量为0～2000μm(通过角位移转换)，热膨胀系数小于5.0×10-6m/℃，具有足够强度，在承受15kg的重力下，机械变形量小于1×10-6m；细丝4在两端固定轴线方向不受力的自由状态下，对其两端分别连接的电子拉力计7和推力器2的作用力小于0.1mN；丝杠6为滚珠丝杠，行程为：0～100mm，传动精度为0.001mm，可在真空度大于6×10-3Pa的真空环境下使用；电子拉力计7的精度大于0.1％，数据采集速度大于1000次/秒，量程为：0～2N，可在真空度大于6×10-3Pa的真空环境下使用，本实施例中用的电子拉力计7为YISIDA DS2-2N型；步进电机8的步距角为1.8°，步距角精度为±5％(整步，空载)，可在真空度大于6×10-3Pa的真空环境下使用，本实施例用的步进电机8为minet VSS19.200.1.2型；平台9在高低和水平面方向二维可调，高低调节的范围为：500～1500mm，水平面内与推力器2横向中心线垂直方向的调节范围为：0～200mm；。
所述真空环境为真空度大于3×10-3Pa的真空环境。
校准系统5中步进电机8通过丝杠6控制电子拉力计7沿推力器2横向中心线方向移动的范围为：0～5mm，精度为0.01μm。
电子拉力计7拉力的方向真实模拟推力器2产生的推力的方向，即推力器2的横向中心线方向。
一种微小推力测量系统的校准方法，所述校准方法采用的校准装置为本实施例所述的一种微小推力测量系统的校准装置，所述校准方法的具体步骤如下：
(1)调整校准系统5的平台9，使得连接电子拉力计7和推力器2的细丝4处于拉直状态且拉直方向与推力器2的轴线方向一致；
(2)抽真空，使真空室1的真空度达到3×10-3Pa；
(3)用校准系统5上的步进电机8驱动丝杠6，使电子拉力计7发生微小位移，从而通过细丝4拉动推力器2发生微小位移，此时弹性件3与推力器2的连接端产生微小位移，弹性件3与推力器2连接端的微小位移值由由激光干涉微小位移测量法测量，步进电机8驱动丝杠6使电子拉力计7作微小位移的拉力值由电子拉力计7得到；
(4)通过步进电机8控制获取不同的位移量，由激光干涉微小位移测量法测出弹性件3与推力器2连接端产生的不同微小位移值，从电子拉力计7上读出相应的拉力值大小，从而得到位移——拉力数据；
表1拉力——位移数据
| 电子拉力机读数：f(mN) | 激光干涉仪位移测量值：x(μm) |
| 45 | 543.3 |
| 43 | 512.4 |
| 56 | 674.3 |
| 75 | 908.8 |
| 94 | 1118.2 |
| 101 | 1203.5 |
通过表1得到二次差值函数：f＝-0.859+0.0847x，式中f为推力值，x为位移值，此即为微小推力测量系统的校准方程式；利用校准方程式即可对推力器2的推力进行测量，即推力器2工作时，用激光干涉仪测出x，利用f＝-0.859+0.0847x，即可算出推力f。
本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种微小推力测量系统的校准装置，其特征在于：所述校准装置包括推力器(2)、弹性件(3)、细丝(4)和校准系统(5)；其中，校准系统(5)包括丝杠(6)、电子拉力计(7)、步进电机(8)和平台(9)；其中，弹性件(3)为长片状，一端吊装在真空环境中，另一端与推力器(2)连接，垂直于推力器(2)的横向中心线；推力器(2)的一端与校准系统(5)中的电子拉力计(7)一端通过细丝(4)连接，细丝(4)在拉直状态下的拉直方向与推力器(2)的横向中心线方向一致；校准系统(5)中的步进电机(8)和丝杠(6)固定在平台(9)上，步进电机(8)与丝杠(6)连接，丝杠(6)的轴线方向与细丝(4)拉直方向水平，电子拉力计(7)固定在丝杠(6)上，步进电机(8)、电子拉力计(7)和细丝(4)在细丝(4)拉直方向上顺序排列；
其中，所述弹性件(3)在受力大小为0～200mN时，发生的位移量为0～2000μm，热膨胀系数小于5.0×10-6m/℃，在承受15kg的重力下，机械变形量小于1×10-6m；细丝(4)在两端固定轴线方向不受力的自由状态下，对其两端分别连接的推力器(2)和电子拉力计(7)的作用力小于0.1mN；丝杠(6)为滚珠丝杠，行程为：0～100mm，传动精度为0.001mm，可在真空度大于6×10-3Pa的真空环境下使用；电子拉力计(7)的精度大于0.1％，数据采集速度大于1000次/秒，量程为：0～2N，可在真空度大于6×10-3Pa的真空环境下使用；步进电机(8)的步距角为1.8°，步距角精度为±5％，可在真空度大于6×10-3Pa的真空环境下使用；平台(9)在高低和水平面方向二维可调，高低调节的范围为：500～1500mm，水平面内与推力器(2)横向中心线垂直方向的调节范围为：0～200mm；
所述真空环境为真空度大于6×10-3Pa的真空环境。
2.根据权利要求1所述的一种微小推力测量系统的校准装置，其特征在于：所述推力器(2)的横向中心线方向与真空环境的横向中心线方向一致。
3.根据权利要求1所述的一种微小推力测量系统的校准装置，其特征在于：电子拉力计(7)沿推力器(2)横向中心线方向移动的范围为：0～5mm，精度为0.01μm。
4.根据权利要求1所述的一种微小推力测量系统的校准装置，其特征在于：电子拉力计(7)拉力的方向真实模拟推力器(2)产生的推力的方向，即推力器(2)的横向中心线方向。
5.根据权利要求1所述的一种微小推力测量系统的校准装置，其特征在于：所述推力器(2)为圆柱形时，推力器(2)的横向中心线即为推力器(2)的轴线。
6.根据权利要求1所述的一种微小推力测量系统的校准装置的校准方法，其特征在于：具体步骤如下：
(1)调整校准系统(5)的平台(9)，使得连接推力器(2)和电子拉力计(7)的细丝(4)处于拉直状态且拉直方向与推力器(2)的横向中心线方向一致；
(2)抽真空，使真空环境的真空度大于6×10-3Pa；
(3)用校准系统(5)上的步进电机(8)驱动丝杠(6)，使电子拉力计(7)作微小位移，从而通过细丝(4)拉动推力器(2)发生微小位移，此时弹性件(3)与推力器(2)的连接端产生微小位移，弹性件(3)与推力器(2)连接端的微小位移值由激光干涉仪或位移传感器测出，步进电机(8)驱动丝杠(6)使电子拉力计(7)作微小位移的拉力值由电子拉力计(7)得到；
(4)通过步进电机(8)控制不同的微小位移量，用激光干涉仪或位移传感器测出弹性件(3)与推力器(2)连接端产生的不同微小位移值，从电子拉力计(7)上读出相应的拉力值大小，从而得到位移——拉力数据；
(5)通过所述位移——拉力数据得到二次差值函数即为微小推力测量系统的校准方程式；利用校准方程式即可对推力器(2)的推力进行测量。
7.根据权利要求6所述的一种微小推力测量系统的校准装置的校准方法，其特征在于：所述推力器(2)的横向中心线方向与真空环境的横向中心线方向一致。
8.根据权利要求6所述的一种微小推力测量系统的校准装置的校准方法，其特征在于：电子拉力计(7)沿推力器(2)横向中心线方向移动的范围为：0～5mm，精度为0.01μm。
9.根据权利要求6所述的一种微小推力测量系统的校准装置的校准方法，其特征在于：电子拉力计(7)拉力的方向真实模拟推力器(2)产生的推力的方向，即推力器(2)的横向中心线方向。
10.根据权利要求6所述的一种微小推力测量系统的校准装置的校准方法，其特征在于：所述推力器(2)为圆柱形时，推力器(2)的横向中心线即为推力器(2)的轴线。
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| CN106802213A (zh) * | 2017-01-10 | 2017-06-06 | 大连理工大学 | 一种微小电磁力检测装置 |
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