CN107764387B - 一种在轨质量测量仪地面校准装置及校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在轨质量测量仪地面校准装置，包括微重力环境模拟装置和校准过程状态监测系统，所述微重力环境模拟装置包括高塔悬吊机构和可调水平工作台，所述校准过程状态监测系统包括悬吊绳拉力监测模块、被测物偏转角监测模块以及被测物加速度监测模块。本发明通过高空悬吊的方式抵消重力，在悬吊平衡点附近的水平面上模拟微重力环境，同时通过搭建的校准过程状态监测系统，实时监测校准过程，判断校准过程是否满足设定的边界条件，对于满足设定边界条件的测量过程所对应的在轨质量测量仪示值即视为地面校准的有效值，为在轨质量测量仪的地面校准提供了全新的解决途径。本发明在规范校准操作的同时，实现该类设备在地面环境下的有效校准，为该类特殊环境下使用的设备提供计量保障。
Description
技术领域
本发明属于航空航天技术领域，特别涉及一种在轨微重力环境下使用的质量测量仪在地面环境下的校准装置及校准方法。
背景技术
针对在轨微重力环境下使用牛顿第二定律进行质量测量的设备，以下简称在轨质量测量仪。在轨质量测量仪是用于微重力环境下的质量测量设备，为了完成该设备的计量校准，需在地面环境下模拟失重状态，然而通常采用落塔和飞行器抛物线飞行两种方式产生的失重环境，持续时间短，无法满足校准要求，且费用昂贵。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种能够在地面环境下模拟微重力环境，并通过对悬吊绳拉力、被测物加速度、被测物偏转姿态的实时监测，判断校准过程是否满足设定的边界条件，从而实现对在轨质量测量仪在地面进行有效校准的校准装置及校准方法。
本发明的技术方案是这样实现的：一种在轨质量测量仪地面校准装置，其特征在于：包括微重力环境模拟装置和校准过程状态监测系统，所述微重力环境模拟装置包括高塔悬吊机构和可调水平工作台，所述校准过程状态监测系统包括悬吊绳拉力监测模块、被测物加速度监测模块以及被测物偏转角监测模块，所述高塔悬吊机构通过安装有悬吊绳拉力监测模块的悬吊绳将被测物体进行悬吊，所述被测物加速度监测模块、被测物偏转角监测模块以及在轨质量测量仪的加速度传感器均安装在被测物体上，所述悬吊绳拉力监测模块、被测物偏转角监测模块以及被测物加速度监测模块用于监测被测物体在运动过程中的运动状态，并将数据实时传给信号采集系统，所述在轨质量测量仪放置在可调水平工作台上，所述在轨质量测量仪通过施力绳与被测物体连接。
本发明所述的在轨质量测量仪地面校准装置，其在所述被测物体上安装有束缚带，所述被测物加速度监测模块以及在轨质量测量仪的加速度传感器通过同一调整工装安装在束缚带上，所述被测物偏转角监测模块通过另一调整工装安装在束缚带上。
本发明所述的在轨质量测量仪地面校准装置，其所述被测物偏转角监测模块、被测物加速度监测模块以及在轨质量测量仪的加速度传感器均安装在与被测物体运动方向相反的端面上。
本发明所述的在轨质量测量仪地面校准装置，其所述被测物体悬吊后处于完全自由状态，在所述被测物体安装加速度监测模块的一侧设置有倚靠物，所述倚靠物用于确保被测物体位于悬吊平衡点处且不转动，并使被测物体只能朝在轨质量测量仪的方向运动。
本发明所述的在轨质量测量仪地面校准装置，其所述悬吊绳拉力监测模块安装在靠近高塔悬吊机构的位置，所述悬吊绳拉力监测模块通过单独成束的信号线与信号采集系统连接。
本发明所述的在轨质量测量仪地面校准装置，其所述被测物加速度监测模块以及在轨质量测量仪的监测加速度传感器的Z轴均指向重力加速度方向。
本发明所述的在轨质量测量仪地面校准装置，其所述在轨质量测量仪通过拖板工装设置在可调水平工作台上，通过对拖板工装施加拉力，带动在轨质量测量仪移动，所述在轨质量测量仪通过施力绳带动被测物体同步移动。
本发明所述的在轨质量测量仪地面校准装置，其所述施力绳拉直状态下的连接点与在轨质量测量仪中的测力传感器轴心在同一高度。
一种在轨质量测量仪地面校准装置的校准方法，其特征在于：包括以下步骤：
a）将被测物加速度监测模块以及在轨质量测量仪的加速度传感器通过同一调整工装安装在束缚带上，将被测物偏转角监测模块通过相应的调整工装安装在束缚带上，将悬吊绳拉力监测模块安装在靠近高塔悬吊机构的悬吊绳上；
b）将束缚带捆扎在作为校准标准的被测物体上，通过高塔悬吊机构将被测物体悬吊，并检查被测物体悬吊后摆动是否灵活；
c）将在轨质量测量仪固定在拖板工装上，拖板工装放置在高度可调的可调水平工作台上；
d）分别将悬吊绳拉力监测模块、被测物偏转角监测模块以及被测物加速度监测模块接入信号采集系统，并上电，通过调整工装，使束缚带上的被测物加速度监测模块以及在轨质量测量仪的加速度传感器的Z轴均指向重力加速度方向，使束缚带上的被测物偏转角监测模块输出为测量范围的中间值；
e）在被测物体处于完全自由状态时，在被测物体安装传感器的一侧，调整倚靠物的高度和位置，确保被测物体在其悬吊平衡点处且不旋转，并只能朝高度可调水平工作台的方向摆动；
f）安装施力绳，通过观察，调整可调水平工作台的高度，使在轨质量测量仪中的测力传感器的高度与施力绳拉直状态下的连接点在同一高度；
g）在轨质量测量仪上电工作，并通过拖板工装拉动，实施监测数据采集系统反馈信息，对于满足边界条件的测量过程所对应的在轨质量测量仪示值进行保存，并将其作为设备校准的有效数据；
h）重复步骤（g）完成在轨质量测量仪的设备校准工作。
本发明所述的在轨质量测量仪地面校准装置的校准方法，其所述可调水平工作台的水平误差不超过±30″，高度最小可调值不大于10um，高度可调范围不小于600mm；高塔悬吊机构的高度不小于20m，悬吊能力不低于1000N；悬吊绳的拉力监测系统测量范围不小于1000N，测量误差不超过±0.03%FS；被测物体的偏转角监测系统测量范围不小于20°，示值误差不超过±30″；被测物加速度监测模块的测量范围-0.2g～+1.1g，零位输出0.5V±0.1V，灵敏度保持2V/g，测量误差不超过±1%，与在轨质量测量仪所用加速度传感器一致。
本发明通过高空悬吊的方式抵消重力，在地面环境下模拟微重力环境，同时通过搭建的校准过程状态监测系统，对悬吊绳拉力、被测物加速度及被测物偏转姿态进行实时监测，判断校准过程是否满足设定的边界条件，进而判定过程数据是否被采用，对于满足设定边界条件的测量过程所对应的在轨质量测量仪示值即视为地面校准的有效值，为在轨质量测量仪的地面校准提供了全新的解决途径。本发明在规范校准操作的同时，实现该类设备的快速高效校准，为该类特殊环境下使用的设备提供计量保障。
本发明有效解决了地面环境下模拟失重状态，结合设计的校准过程状态监测系统，解决了在轨质量测量仪在地面环境下的校准问题，为在轨质量测量仪在微重力环境下的功能、性能、及精度验证提供了平台，同时，为宇航员，即在轨质量测量仪的最终操作者提供了动作规范性参考标准。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中标记：1为高塔悬吊机构，2为可调水平工作台，3为悬吊绳拉力监测模块，4为被测物偏转角监测模块，5为被测物加速度监测模块，6为悬吊绳，7为被测物体，8为在轨质量测量仪，9为施力绳，10为束缚带，11为拖板工装，12为信号采集系统。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种在轨质量测量仪地面校准装置，包括微重力环境模拟装置和校准过程状态监测系统，所述微重力环境模拟装置包括高塔悬吊机构1和可调水平工作台2，所述校准过程状态监测系统包括悬吊绳拉力监测模块3、被测物偏转角监测模块4以及被测物加速度监测模块5，在本实施例中，所述悬吊绳拉力监测模块3为悬吊测力传感器，所述被测物偏转角监测模块4为被测物倾角传感器，所述被测物加速度监测模块5为被测物加速度传感器，所述高塔悬吊机构1通过安装有悬吊绳拉力监测模块3的悬吊绳6将被测物体7进行悬吊，在所述被测物体7上设置有束缚带10，所述被测物加速度监测模块5以及在轨质量测量仪8的监测加速度传感器通过同一调整工装安装在束缚带10上，所述被测物偏转角监测模块4通过另一调整工装安装在束缚带10上，所述被测物偏转角监测模块4、被测物加速度监测模块5以及在轨质量测量仪8的监测加速度传感器均安装在与被测物体7运动方向相反的端面上，所述悬吊绳拉力监测模块3、被测物偏转角监测模块4以及被测物加速度监测模块5用于监测被测物体7在运动过程中的运动状态，并将数据实时传给信号采集系统12，所述在轨质量测量仪8通过拖板工装11设置在可调水平工作台2上，所述在轨质量测量仪8通过施力绳9与被测物体7连接，通过对拖板工装11施加拉力，带动在轨质量测量仪8移动，所述在轨质量测量仪8通过施力绳9带动被测物体7同步移动。
其中，在被测物体运动距离一定的前提下，为减小悬吊绳拉力在水平方向上的分力，高塔悬吊机构应在条件允许的情况下，其高度尽可能的高，另外，保证悬吊能力的条件下，其结构质量尽可能小，为减小监测用悬吊绳拉力监测模块及其信号传输线质量对测量结果的影响，所述悬吊绳拉力监测模块3设置在靠近高塔悬吊机构1的位置，所述悬吊绳拉力监测模块3通过单独成束的信号线与信号采集系统12连接。
在校准工作前，应通过调整安装工装，使所述被测物加速度监测模块5以及在轨质量测量仪8的监测加速度传感器的Z轴均指向重力加速度方向，所述被测物体7悬吊后处于完全自由状态，在所述被测物体7安装加速度传感器的一侧设置有倚靠物，所述倚靠物用于确保被测物体7位于悬吊平衡点处且不转动，并使被测物体7只能朝在轨质量测量仪8的方向运动，而且所述施力绳9拉直状态下的连接点与在轨质量测量仪8中的测力传感器轴心在同一高度。
一种在轨质量测量仪地面校准装置的校准方法，包括以下步骤：
a）将被测物加速度监测模块以及在轨质量测量仪的监测加速度传感器通过同一调整工装安装在束缚带上，将监测被测物体姿态的被测物偏转角监测模块通过相应的调整工装安装在束缚带上，所述被测物偏转角监测模块的安装位置在加速度传感器安装位置的附近，将悬吊绳拉力监测模块安装在靠近高塔悬吊机构的悬吊绳上。
b）将束缚带捆扎在作为校准标准的被测物体上，通过高塔悬吊机构将被测物体悬吊，并检查被测物体悬吊后摆动是否灵活。
c）将在轨质量测量仪固定在拖板工装上，拖板工装设置在高度可调的可调水平工作台上。
d）分别将被测物加速度监测模块、被测物偏转角监测模块以及悬吊绳拉力监测模块接入信号采集系统，并上电，通过调整工装，使束缚带上的被测物加速度监测模块以及在轨质量测量仪的监测加速度传感器的Z轴指向重力加速度方向，使束缚带上的被测物偏转角监测模块输出为测量范围的中间值。
e）在被测物体处于完全自由状态时，在被测物体安装传感器的一侧，调整倚靠物的高度和位置，确保被测物体在其悬吊平衡点处且不旋转，并只能朝高度可调水平工作台的方向摆动。
f）安装施力绳，通过观察，调整可调水平工作台的高度，使在轨质量测量仪中的测力传感器的高度与施力绳拉直状态下的连接点在同一高度。
g）在轨质量测量仪上电工作，并通过拖板工装拉动，实施监测数据采集系统反馈信息，对于满足边界条件的测量过程所对应的在轨质量测量仪示值进行保存，并将其作为设备校准原始数据。
h）重复步骤（g）完成在轨质量测量仪的设备校准工作。
其中，为减小在轨质量测量仪拉力在垂直方向上的分力，在校准工作前，需使可调水平工作台完成自动调平，且所述可调水平工作台的水平误差不超过±30″，高度最小可调值不大于10um，高度可调范围不小于600mm；高塔悬吊机构的高度不小于20m，悬吊能力不低于1000N；悬吊绳的拉力监测系统测量范围不小于1000N，测量误差不超过±0.03%FS；被测物体的偏转角监测系统测量范围不小于20°，示值误差不超过±30″；被测物加速度监测模块的测量范围-0.2g～+1.1g，零位输出0.5V±0.1 V，灵敏度保持2V/g，测量误差不超过±1%，与在轨质量测量仪所用加速度传感器一致。
本发明通过高塔悬吊机构对被测物体施加向上的拉力，抵消被测物自身重力；通过高度可调水平工作台，为在轨质量测量仪拉动被测物提供水平支承台面，同时确保在轨质量测量仪的测力传感器的高度与施力绳拉直状态下的连结点在同一高度；使被测物体在二维水平面上拉动时，近似于微重力环境受力运动状态；另外，为确保校准过程中被测物在二维水平面上处于规定的近似微重力环境，通过搭建校准过程状态监测系统，用以判断校准过程是否满足设定的边界条件，以判定该校准过程所对应的测量仪示值是否可以被采用，从而完成地面环境中对在轨质量测量仪的校准工作。
本发明解决了地面环境中模拟微重力环境的难题，通过各监测模块的协同工作，筛选出与在轨使用环境尽可能相近的校准结果，为该设备在微重力环境下的使用提供坚实的计量保障。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种在轨质量测量仪地面校准装置，其特征在于：包括微重力环境模拟装置和校准过程状态监测系统，所述微重力环境模拟装置包括高塔悬吊机构（1）和可调水平工作台（2），所述校准过程状态监测系统包括悬吊绳拉力监测模块（3）、被测物偏转角监测模块（4）以及被测物加速度监测模块（5），所述高塔悬吊机构（1）通过安装有悬吊绳拉力监测模块（3）的悬吊绳（6）将被测物体（7）进行悬吊，所述悬吊绳拉力监测模块（3）设置在靠近高塔悬吊机构（1）的位置，所述悬吊绳拉力监测模块（3）通过单独成束的信号线与信号采集系统（12）连接，在所述被测物体（7）上设置有束缚带（10），所述被测物加速度监测模块（5）以及在轨质量测量仪（8）的监测加速度传感器通过同一调整工装安装在束缚带（10）上，所述被测物偏转角监测模块（4）通过另一调整工装安装在束缚带（10）上，所述悬吊绳拉力监测模块（3）、被测物偏转角监测模块（4）以及被测物加速度监测模块（5）用于监测被测物体（7）在运动过程中的运动状态，并将数据实时传给信号采集系统（12），所述在轨质量测量仪（8）设置在可调水平工作台（2）上，所述在轨质量测量仪（8）通过施力绳（9）与被测物体（7）连接。
2.根据权利要求1所述的在轨质量测量仪地面校准装置，其特征在于：所述被测物偏转角监测模块（4）、被测物加速度监测模块（5）以及在轨质量测量仪（8）的监测加速度传感器均安装在与被测物体（7）运动方向相反的端面上。
3.根据权利要求2所述的在轨质量测量仪地面校准装置，其特征在于：所述被测物体（7）悬吊后处于完全自由状态，在所述被测物体（7）安装加速度传感器的一侧设置有倚靠物，所述倚靠物用于确保被测物体（7）位于悬吊平衡点处且不转动，并使被测物体（7）只能朝在轨质量测量仪（8）的方向运动。
4.根据权利要求1所述的在轨质量测量仪地面校准装置，其特征在于：所述被测物加速度监测模块（5）以及在轨质量测量仪（8）的监测加速度传感器的Z轴均指向重力加速度方向。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的在轨质量测量仪地面校准装置，其特征在于：所述在轨质量测量仪（8）通过拖板工装（11）设置在可调水平工作台（2）上，通过对拖板工装（11）施加拉力，带动在轨质量测量仪（8）移动，所述在轨质量测量仪（8）通过施力绳（9）带动被测物体（7）同步移动。
6.根据权利要求5所述的在轨质量测量仪地面校准装置，其特征在于：所述施力绳（9）拉直状态下的连接点与在轨质量测量仪（8）中的测力传感器轴心在同一高度。
7.一种如权利要求1至6中任意一项所述的在轨质量测量仪地面校准装置的校准方法，其特征在于：包括以下步骤：
a）将被测物加速度监测模块以及在轨质量测量仪的加速度传感器通过同一调整工装安装在束缚带上，将被测物偏转角监测模块通过相应的调整工装安装在束缚带上，将悬吊绳拉力监测模块安装在靠近高塔悬吊机构的悬吊绳上；
b）将束缚带捆扎在作为校准标准的被测物体上，通过高塔悬吊机构将被测物体悬吊，并检查被测物体悬吊后摆动是否灵活；
c）将在轨质量测量仪固定在拖板工装上，拖板工装放置在高度可调的可调水平工作台上；
d）分别将悬吊绳拉力监测模块、被测物偏转角监测模块以及被测物加速度监测模块接入信号采集系统，并上电，通过调整工装，使束缚带上的被测物加速度监测模块以及在轨质量测量仪的加速度传感器的Z轴均指向重力加速度方向，使束缚带上的被测物偏转角监测模块输出为测量范围的中间值；
e）在被测物体处于完全自由状态时，在被测物体安装传感器的一侧，调整倚靠物的高度和位置，确保被测物体在其悬吊平衡点处且不旋转，并只能朝高度可调水平工作台的方向摆动；
f）安装施力绳，通过观察，调整可调水平工作台的高度，使在轨质量测量仪中的测力传感器的高度与施力绳拉直状态下的连接点在同一高度；
g）在轨质量测量仪上电工作，并通过拖板工装拉动，实施监测数据采集系统反馈信息，对于满足边界条件的测量过程所对应的在轨质量测量仪示值进行保存，并将其作为设备校准的有效数据；
h）重复步骤（g）完成在轨质量测量仪的设备校准工作。
8. 根据权利要求7所述的在轨质量测量仪地面校准装置的校准方法，其特征在于：所述可调水平工作台的水平误差不超过±30″，高度最小可调值不大于10um，高度可调范围不小于600mm；高塔悬吊机构的高度不小于20m，悬吊能力不低于1000N；悬吊绳拉力监测模块测量范围不小于1000N，测量误差不超过±0.03%FS；被测物偏转角监测模块测量范围不小于20°，示值误差不超过±30″；被测物加速度监测模块的测量范围-0.2g～+1.1g，零位输出0.5V±0.1 V，灵敏度保持2V/g，测量误差不超过±1%，与在轨质量测量仪所用加速度传感器一致。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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