CN108414127A - 补偿式微推力测量扭秤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种补偿式微推力测量扭秤，所述扭秤包括支架、扭丝夹具、扭丝、扭摆、标准力产生装置，配重、油阻尼、标准力产生装置支架、激光器、反射镜和标尺。所述测量方法是：测量过程中，标准力产生装置施加与微推进器相反方向的力，扭秤平衡时，标准力产生装置施加的力的大小与微推进器推力大小相等，扭秤平衡可以通过反射镜反射激光在测量前后位置是否重合确定，而微推进器产生的力可以通过测量前标定所得的电压与力的关系得出。与现有技术相比，本发明的有益效果是通过标准力补偿的方式，使得扭秤在微推进器产生推力前后的状态相同，可以有效避免传统扭秤测量过程中测量扭转角度带来的误差，从而提高扭秤的准确度。

Description

补偿式微推力测量扭秤

技术领域

本发明涉及微小力测量领域，特别是涉及一种补偿式微推力测量扭秤。

背景技术

随着微小卫星技术的发展，空间任务需求的增加，对其推进系统提出了更高的要求，微型推进器技术取得了长足进步，因此适用于微推进器推力性能的评价技术和方法的研究成为当前迫切的需求。不同于传统较大推力推进器的测量技术和方法，微推力的测量对精度和准确度有着更高的要求。而在微小力测量方面，扭秤有很长时间的应用历史，如1789年卡文迪许应用扭秤测量得出了万有引力常数，1784-1785年库伦应用扭秤进行实验发现了库伦定律。传统扭秤通常是通过测量施加力后扭丝的扭转角来获得力的大小。

但测量微小力时扭转角极小，且会受空气扰动及环境各种因素影响，导致扭秤平衡位置漂移不定，影响扭转角测量的准确度，进而影响微小力的测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种补偿式微推力测量扭秤，解决扭秤测力过程中测量扭转角度带来的误差，提高扭秤测量的准确度。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一种补偿式微推力测量扭秤，包括支架、扭丝夹具、扭丝、标准力产生装置、配重、扭摆、油阻尼、标准力产生装置支架和光路放大系统；所述光路放大系统包括反射镜、激光器和标尺；所述扭丝上、下端分别通过扭丝夹具和扭摆固定，所述扭丝夹具固定在支架的顶部中间位置；所述扭摆水平方向的一端固定有配重，另一端固定有标准力产生装置；所述标准力产生装置连接有标准力产生装置支架；所述油阻尼置于扭秤装置所处平面上，通过另一扭丝连接在扭摆上；所述反射镜镶嵌在扭摆垂直方向的上端；所述整个扭秤装置置于真空罐内；所述激光器和标尺位于真空罐外，与反射镜高度齐平。

进一步的，所述标准力产生装置由两片正对的静电梳齿结构组成，一片固定在扭摆上，一片固定于标准力产生装置支架上。

进一步的，所述扭摆还用于安装微推进器。

进一步的，所述光路放大系统用于对扭摆的微小扭转进行放大，所述反射镜用于反射激光光束；所述激光器用于向反射镜发射激光光束；所述标尺用于接受反射激光。

进一步的，所述油阻尼通过金属片与另一扭丝相连。

本发明的有益效果是：由于静电梳相比于其它微小力产生装置，力与电压的关系更为准确，产生的微小力的精确度更高，在作为标准力产生装置时，可以使得补偿力与推进器推力大小精确相等，测量结果更加准确；采用标准力补偿的方法，使得扭秤在微推进器产生推力前后的状态相同，排除了真空容器玻璃窗口对光线折射的影响，且可以有效避免传统扭秤测量过程中测量扭转角度带来的误差，从而提高扭秤的准确度。

附图说明

图1为本发明所述的补偿式微推力测量扭秤正面结构示意图。

图2为本发明所述的补偿式微推力测量扭秤测量示意图。

图3为本发明的标准力产生装置示意图。

附图标记：101、支架；102、扭丝夹具；103、扭丝；104、反射镜；105、标准力产生装置；106、配重；107、扭摆；108、油阻尼；109、标准力产生装置支架；201、激光器；202、标尺。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明作进一步详细说明。

如图1、图2所示，本发明所述的补偿式微推力测量扭秤，包括支架101、扭丝夹具102、扭丝103、扭摆107、油阻尼108、标准力产生装置支架109和光路放大系统；其中，支架101用于支撑整个扭秤装置，置于真空罐内；扭丝103上、下端分别通过扭丝夹具102和扭摆107固定，扭丝夹具102用于夹紧扭丝103；扭摆107水平方向的一端固定有配重106，另一端固定有标准力产生装置105，扭摆107还用于安装微推进器及反射镜104；标准力产生装置105用于产生标准的补偿力与微推进器推力平衡，其中，标准力产生装置105产生的力F1与微推进器推力F2是相等反方向的力；配重106用于保持扭摆107平衡；油阻尼108置于扭秤装置所处平面上，通过金属片与另一扭丝相连，扭丝连接在扭摆107上，油阻尼108用于使扭摆更快达到平衡和减弱扭摆107的单摆方向的运动；光路放大系统用于对扭摆107的微小扭转进行放大，包括反射镜104、激光器201和标尺202；反射镜104用于反射激光光束；激光器201用于向反射镜104发射激光光束；标尺202用于接受反射激光；所述激光器201和标尺202位于真空罐外，与反射镜104高度齐平。

如图2所示反射镜104、激光器201与标尺202组成的光路放大系统。如果激光发射的入射光固定，那么镜面转动一个角度，反射光线会偏折，反射光线投射到远方的标尺上，那么这个微小角度变化会使得光斑移动一个很大的距离。

如图3所示，标准力产生装置105由两片正对的静电梳齿结构组成，一片固定在扭摆107上，一片固定于标准力产生装置支架109上，用于产生标准的补偿力与微推进器推力平衡。

标准力产生装置105产生的力可以通过测量前标定所得的电压与力的关系得出。所述标准力产生装置105，采用静电梳装置，由两片正对的静电梳齿结构组成。使用时，在静电梳两端加上相同极性的高电压，梳齿结构之间会产生斥力，斥力大小可以用公式表出：

式中：N为梳齿对个数，ε为介电常数，V为两静电梳间电压，x₀为交叉的梳齿的半深度，c为梳齿半宽度，g为梳齿间半距离。再进一步可通过高精度分析天平对静电梳进行标定，得出静电力大小与电压之间更为精确的关系。

本实施例的推力测量方法如下：

在测量前，将扭秤装置置于真空容器内，调节扭秤使反射镜104位置正对真空容器的玻璃窗口，激光器201发射激光射到反射镜104上，反射镜104反射激光到标尺202，在标尺202上标记此时反射激光位置。测量时，微推进器启动后，产生的推力使扭摆107转动，此时通过高压电源对标准力产生装置105施加电压，使标准力产生装置105施加与微推进器的推力相反方向的力来使扭秤平衡，此时可通过多次调节施加电压大小来控制补偿力的大小使之与微推进器推力精确相等，当反射镜104反射激光的位置与测量前标记位置重合时，扭秤平衡，此时标准力产生装置105施加的力的大小与微推进器推力大小相等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种补偿式微推力测量扭秤，其特征在于，包括支架（101）、扭丝夹具（102）、扭丝（103）、标准力产生装置（105）、配重（106）、扭摆（107）、油阻尼（108）、标准力产生装置支架（109）和光路放大系统；所述光路放大系统包括反射镜（104）、激光器（201）和标尺（202）；所述扭丝（103）上、下端分别通过扭丝夹具（102）和扭摆（107）固定，所述扭丝夹具（102）固定在支架（101）的顶部中间位置；所述扭摆（107）水平方向的一端固定有配重（106）， 另一端固定有标准力产生装置（105）；所述标准力产生装置（105）连接有标准力产生装置支架（109）；所述油阻尼（108）置于扭秤装置所处平面上，通过另一扭丝连接在扭摆（107）上；所述反射镜（104）镶嵌在扭摆（107）垂直方向的上端；

所述整个扭秤装置置于真空罐内；所述激光器（201）和标尺（202）位于真空罐外，与反射镜（104）高度齐平。

2.根据权利要求1所述的一种补偿式微推力测量扭秤，其特征在于：所述标准力产生装置（105）由两片正对的静电梳齿结构组成，一片固定在扭摆（107）上，一片固定于标准力产生装置支架（109）上。

3.根据权利要求1所述的一种补偿式微推力测量扭秤，其特征在于：所述扭摆（107）还用于安装微推进器。

4.根据权利要求1所述的一种补偿式微推力测量扭秤，其特征在于：所述光路放大系统用于对扭摆的微小扭转进行放大，所述反射镜（104）用于反射激光光束；所述激光器（201）用于向反射镜（104）发射激光光束；所述标尺（202）用于接受反射激光。

5.根据权利要求1所述的一种补偿式微推力测量扭秤，其特征在于：所述油阻尼（108）通过金属片与另一扭丝相连。