CN111630946B - 激光干涉法差动测量微冲量扭摆装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光干涉法差动测量微冲量扭摆装置，解决现有扭摆的精度不高、离焦、及冲击力加载产生的平动问题。包括扭摆部分和激光干涉部分；其中扭摆部分包括竖杆、上横杆和下横杆组成的

形框架，斜梁，升降调节机构和平移调节机构；在

形框架的上横杆和下横杆之间悬挂摆丝，摆丝中部固定有与摆丝垂直的摆横梁，竖杆通过升降调节机构固定在斜梁的上端，斜梁的下端安装在平移调节机构上，平移调节机构固定在实验台上；激光干涉部分包括扩束镜，反射镜，分光棱镜，用于产生干涉光束的He-Ne激光器，光电探测器以及信号处理终端品。本发明的装置系统量程合理，测量精度更高，测量过程周期短，实现了高精度的激光微冲量测量。

Description

激光干涉法差动测量微冲量扭摆装置

技术领域

本发明属于空间推进技术领域，是一种激光微推进的微小冲量测量装置。

背景技术

激光微推进以激光为动力，烧蚀工作介质产生冲量，实现对空间飞行器的姿态和轨道控制。激光微推进的冲量测量对于研究激光微推进技术是至关重要的。激光微推进所产生的冲量范围通常在10^-6～10^-4N·s量级之间，冲量测量要求精度高、响应快、量程大(跨三个数量级)，测量装置需要进行特殊的设计以满足要求。

目前，国内外公开报道的微冲量测试方法中，最受关注的是扭摆测量方法。扭摆最初是一种用于测量微小力的装置，早在18世纪末，库伦和卡文迪许就曾采用扭摆测量的原理进行测量电荷之间和物体之间的微小静态力。在20世纪末，美国的Phipps小组采用扭摆测量激光等离子体微推进器所产生的微小冲量(LUKE J R，PHIPPS C R，MCDUFF G G，Laser plasmathruster[J]，Applied Physics A，2003,77,343-348.)；2005年，中国人民解放军装备指挥技术学院激光推进实验室在Phipps小组的基础上解决了扭摆标定的相关问题，针对激光微推进冲量测量发明了一种新的扭摆测量装置。(专利号：200510117852.X)

现有扭摆装置的基本结构包括：摆丝，摆丝中部固定有与摆丝垂直的横梁，横梁一端装被烧蚀材料靶，另一端为配重，与摆丝连接处的横梁上装有反射镜，指示光束发生器，标尺，摆丝的上端由夹紧机构固定，摆丝的下端接一重球置于阻尼油中。指示光束发生器发出的指示光成一定角度照射反射镜，反射光打在标尺上，当有微冲量作用到烧蚀材料靶上时，横梁绕摆丝转动，引起反射光束偏转，标尺上反射光束的光斑的移动反映微冲量大小。

现有扭摆应用过程中存在的问题是：

(1)扭摆系统精度不够，不能满足更高要求的微冲量测量。现有扭摆冲量测量范围一般为10^-6～10^-4N·s，系统的相对精度优于12％，不能满足系统精度优于5％的高精度要求；

(2)存在离焦问题。所谓离焦即在激光烧蚀扭摆一端的烧蚀材料时，激光脉宽时间内，扭摆发生转动，导致激光在烧蚀靶材过程中烧蚀位置发生偏离。离焦现象会影响激光烧蚀靶材产生冲量的大小，使冲量测量发生偏差；

(3)冲击力加载的平动问题。扭摆在受到激光烧蚀靶材产生的冲击力作用后，整个摆不仅发生绕摆丝的转动，还会产生与冲量方向相反的平动。平动的运动效果会影响摆角的测量，进而影响微冲量测量的准确程度；

(4)扭摆测量过程周期长，单次测量之间需要较长的准备时间。测量过程在真空中完成，由于扭摆系统的设计摆周期小，激光脉冲力单次加载后需要较长的时间，扭摆才能回复到稳定的平衡状态。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光干涉法差动测量微冲量扭摆装置，解决现有扭摆的精度不高、离焦、及冲击力加载产生的平动问题。

本发明的目的是这样实现的：

一种激光干涉法差动测量微冲量扭摆装置，包括扭摆部分和激光干涉部分；其中扭摆部分包括竖杆、上横杆和下横杆组成的

形框架，斜梁，升降调节机构和平移调节机构；在

形框架的上横杆和下横杆之间悬挂摆丝，摆丝中部固定有与摆丝垂直的摆横梁，摆丝与摆横梁之间靠摆横梁中部的夹丝机构固定，摆横梁一端安装烧蚀靶，另一端安装配重，在摆横梁两端对称装有近角隅棱镜和远角隅棱镜，镜面方向与烧蚀靶面方向相反，摆横梁后侧装有参考横梁安装槽，摆丝的上下两端由上夹紧机构和下夹紧机构固定，通过调整夹紧机构，使摆丝处于铅垂张紧状态，竖杆通过升降调节机构固定在斜梁的上端，斜梁的下端安装在平移调节机构上，平移调节机构固定在实验台上；

激光干涉部分包括扩束镜，反射镜，分光棱镜，用于产生干涉光束的He-Ne激光器，光电探测器以及信号处理终端；分光棱镜设置在摆横梁外侧的近角隅棱镜的正前方，He-Ne激光器设置在分光棱镜的正前方，近角隅棱镜、分光棱镜和He-Ne激光器的中心在同一条直线上，分光棱镜的半透半反面与该中心连线成45度角设置；反射镜与摆横梁上的远角隅棱镜正对，反射镜的反射面与分光棱镜的半透半反面平行设置，且两者中心连线垂直于分光棱镜与He-Ne激光器的中心连线；扩束镜与反射镜位置相对，设置在分光棱镜的另一侧，光电二极管与分光棱镜位置相对，设置在扩束镜的另一侧，光电二极管通过信号线与数据记录设备相连；

所述的数据记录设备是示波器。

工作时，整个测量系统置于真空环境，从He-Ne激光器发出的激光以45°角入射到分光棱镜的半透半反面上，使入射光束分成强度基本相等的反射光束和透射光束，反射光束又经反射镜反射后，垂直入射于摆横梁的远角隅棱镜，光束经远角隅棱镜反射回来，再经反射镜反射后，穿过分光棱镜，经扩束镜扩束，照射在光电二极管上；透射光束垂直入射于摆横梁的近角隅棱镜，经近角隅棱镜反射后，又由分光棱镜的半透半反面所反射，经过扩束镜照射在光电二极管上，照射在光电二极管上的两束光发生干涉；

半导体激光器发出的激光束经透镜聚焦于摆横梁的烧蚀靶上，靶材烧蚀反喷，产生作用力，进而产生微冲量，在冲量的作用下，摆横梁绕摆丝转动，干涉条纹发生移动，光电二极管和示波器检测到条纹的移动，由此计算出作用力对应的冲量。

本发明的应用于激光微推进冲量测量的优点有：

(1)系统量程更合理。本发明通过摆丝和摆横梁的质量和构型设计，实现了量程达到10^-7～10^-5N·s的高精度要求，且适当合理改变摆丝和摆横梁的质量可以实现不同量程冲量的测量；

(2)测量更准确。本发明通过改变扭摆部分系统周期，避免了离焦问题和冲击力产生的平动对角度的影响，使角度测量更准确，激光微冲量测量也更加准确；

(3)精度更高。本发明通过采用激光干涉的光测方法实现了角度的精确测量，提高了系统的测量精度，使系统在设计量程下的精度优于5％；

(4)测量过程周期短。本发明通过采用差动测量的方法，发明的扭摆测试系统只对转动敏感，对其他低频振动不敏感，对设备和环境要求较低，抗干扰能力强。在单次测量后，很快能够回复稳定的平衡状态。

本发明对扭摆重新设计和优化，除了满足扭摆测量量程和系统精度的要求外，还避免了离焦现象，也即满足瞬间作用模型要求，使冲击力的作用时间内横梁转动的最大线位移小于激光聚焦系统焦深。采用激光干涉形成差动的方法，解决了现有扭摆存在的离焦问题，避免了冲击力产生的平动对角度测量的影响，系统精度优于5％，实现了高精度的激光微冲量测量。

附图说明

图1 本发明的激光干涉法差动测量微冲量扭摆装置的扭摆部分结构装置示意图；

图2 本发明的激光干涉法差动测量微冲量扭摆装置的摆横梁实物图；

图3 本发明的激光干涉法差动测量微冲量扭摆装置的激光干涉法双角隅棱镜差动测角原理示意图；

图4 本发明的激光干涉法差动测量微冲量扭摆装置的工作状态图；

图5 本发明的激光干涉法差动测量微冲量扭摆装置的俯视图。

具体实施方式

现结合附图和实施例对本发明激光干涉法差动测量微冲量扭摆装置做进一步详细描述。

如图1所示，本发明的激光干涉法差动测量微冲量扭摆装置扭摆部分包括：竖杆2、上横杆3和下横杆4组成的

形框架，斜梁16，升降调节机构15和平移调节机构14；在

形框架的上横杆3和下横杆4之间悬挂摆丝5，摆丝5中部固定有与摆丝5垂直的摆横梁6，摆丝5与摆横梁6之间靠摆横梁中部的夹丝机构固定，摆横梁6一端安装烧蚀靶7，另一端安装配重8，在摆横梁6两端对称装有近角隅棱镜9和远角隅棱镜10，摆横梁6一侧装有参考横梁安装槽11，摆丝的上下两端由上夹紧机构12和下夹紧机构13固定，通过调整夹紧机构，使摆丝处于铅垂张紧状态，竖杆通过升降调节机构15固定在斜梁16的上端，斜梁16的下端安装在平移调节机构14上，平移调节机构14固定在实验台1上；

如图3所示，本发明的激光干涉法差动测量微冲量扭摆装置激光干涉部分包括：扩束镜17，反射镜18，分光棱镜19，用于产生干涉光束的He-Ne激光器20，光电探测器21以及信号处理终端22；分光棱镜19设置在摆横梁6外侧的近角隅棱镜9的正前方，He-Ne激光器20设置在分光棱镜19的正前方，近角隅棱镜9、分光棱镜19和He-Ne激光器20的中心在同一条直线上，分光棱镜19的半透半反面与该中心连线成45度角设置；反射镜18与摆横梁6上的远角隅棱镜10正对，反射镜18的反射面与分光棱镜19的半透半反面平行设置，且两者中心连线垂直于分光棱镜19与He-Ne激光器20的中心连线；扩束镜17与反射镜18位置相对，设置在分光棱镜19的另一侧，光电二极管21与分光棱镜19位置相对，设置在扩束镜17的另一侧，光电二极管21通过信号线与数据记录设备22相连；

从He-Ne激光器20发出的激光以45°角入射到分光棱镜19的半透半反面上，使入射光束分成强度基本相等的反射光束和透射光束，反射光束又经反射镜18反射后，垂直入射于摆横梁6的远角隅棱镜10，光束经远角隅棱镜10反射回来，再经反射镜18反射后，穿过分光棱镜19，经扩束镜17扩束，照射在光电二极管21上；透射光束垂直入射于摆横梁6的近角隅棱镜9，经近角隅棱镜9反射后，又由分光棱镜19的半透半反面所反射，经过扩束镜17照射在光电二极管21上，照射在光电二极管21上的两束光发生干涉。

实施例中，平移调节机构14选用Zolix TSA30-C电移台，升降调节机构15选用Zolix TSA150电移台，He-Ne激光器20选用大恒DH-JD3 He-Ne激光器，信号处理终端22采用示波器Tektronix TDS3032B。

进行结构设计时，摆丝5选取不同材料制作，例如铍青铜丝或钢丝，摆丝的选材、长度和芯径确定后，根据避免离焦要求，结合激光器脉宽可以设计选取扭摆的周期，由选定周期根据测量系统量程，得到摆角范围，结合焦深限制计算横梁摆动的最大线位移，最终确定横梁质量的可选范围。

例如，摆丝的材料选用钢丝，取芯径400μm，长0.38m；横梁长度选为0.15m，选取T＝1s，激光脉冲作用力持续时间约为50ms，焦深8μm，对于量程10^-6～10^-5N·s，横梁质量只要满足40.410g＜m＜103.009g即可。

激光微推进冲量测试原理及标定方法：

(1)测试原理

1)扭摆测量微冲量基本原理

根据瞬间作用模型要求，在单脉冲激光冲量I作用下，扭摆由平衡静止状态瞬间获得角速度

然后开始自由振动。根据动量矩定理可知

由式(4)可知，要求出单脉冲激光冲量，关键是求得扭摆系统获得的初始角速度。

单脉冲激光作用于工质，系统获得初始角速度

后，阻尼振动方程为

求解式(5)，可得自由振动的角度和角速度与初始角速度的关系为

为了把初始角速度

转换为实验中易测得的量θ_max，令

得到最大转角对应的时刻t_max为

把式(8)代入式(6)，得到扭摆的最大转角θ_max为

联立式(4)和(9)，可得到冲量I与最大转角θ_max的关系为

基于准无阻尼系统，在忽略阻尼条件下，扭摆的冲量计算数学模型为式(1)

2)激光干涉法测角基本原理

如图2所示，He-Ne激光器入射激光的波长为λ，在任何时刻，探测器检测到两相干光束的相位差

为

式中δ为光束L₁和L₂的光程差。

在某一时间间隔τ内(其值远大于光振动的周期)，干涉的相对强度

为

式中A₁和A₂分别为L₁和L₂的振幅。

由于相位差与时间无关，式(12)又可表示为

由式(11)知，两束相干光的光程差δ变化一个波长λ，相位差

变化2π，相对强度

变化一个周期，视场中会有一个条纹通过，采集卡就能采集到一条正弦曲线。测移动的条纹数目N，即采集卡采集正弦曲线的数目，就可以计算出两束相干光的光程差δ

δ＝Nλ(14)

光程差与转角的关系表达式为

δ＝2D₁tanθ(15)

式中，D₁为两个棱镜间的距离，θ为在单脉冲激光作用下横梁转动的角度。

当θ很小(＜5°)时，可以近似认为δ＝2D₁θ，整理得条纹数与转动角度的关系为

(2)标定方法

本发明沿用现有扭摆的标定方法，需要标定的系统参数有系统的转动惯量J和无阻尼振动频率ω_n，ω_n在实验中无法直接标定，通过标定阻尼振动周期T_d求得。

扭摆微冲量测试装置工作在真空舱中，基于准无阻尼系统，扭转摆的摆动可看成简谐振动，即可通过在定长时间Δt内计数观察准确得到扭转摆的摆动次数c，Δt除以c即可得到扭摆周期T，Δt取值越大，扭摆周期T精度越高，从而高精度获得扭摆无阻尼振动频率ω_n。

转动惯量J标定之前，需要制作一个长方形的薄片作为参考横梁，参考横梁的质量应与扭摆质量相当，通过测量其长度D和质量m，计算出其转动惯量J₀为

标定时把参考横梁固定在扭摆横梁上，由于悬丝的扭转弹性系数k是固定的，即附加参考横梁对悬丝的扭转弹性系数k没有影响。可得

式中，ω′_n表示附加参考横梁后系统的无阻尼振动频率。

如果

为附加参考横梁后的振动周期测量值，根据式(18)计算出系统的转动惯量为

本发明扭摆系统的参考设计量程为3.405×10^-7～1.362×10^-5N·s，精度优于3.77％，适合激光脉宽为57.5ms以下激光微推进冲量测试。

Claims (2)

1.一种激光干涉法差动测量微冲量扭摆装置，包括扭摆部分和激光干涉部分，其中扭摆部分包括竖杆(2)、上横杆(3)和下横杆(4)组成的“ㄈ”形框架，斜梁(16)，升降调节机构(15)和平移调节机构(14)；其特征在于：在“ㄈ”形框架的上横杆(3)和下横杆(4)之间悬挂摆丝(5)，摆丝(5)中部固定有与摆丝(5)垂直的摆横梁(6)，摆横梁(6)一端安装烧蚀靶(7)，另一端安装配重(8)，在摆横梁(6)两端对称装有近角隅棱镜(9)和远角隅棱镜(10)，摆横梁(6)后侧装有参考横梁安装槽(11)，摆丝的上下两端由上夹紧机构(12)和下夹紧机构(13)固定，竖杆通过升降调节机构(15)固定在斜梁(16)的上端，斜梁(16)的下端安装在平移调节机构(14)上，平移调节机构(14)固定在实验台(1)上；

干涉部分包括扩束镜(17)，反射镜(18)，分光棱镜(19)，用于产生干涉光束的He-Ne激光器(20)，光电探测器(21)以及信号处理终端(22)；分光棱镜(19)设置在摆横梁(6)外侧的近角隅棱镜(9)的正前方，He-Ne激光器(20)设置在分光棱镜(19)的正前方，近角隅棱镜、分光棱镜和He-Ne激光器的中心在同一条直线上，分光棱镜(19)的半透半反面与该中心连线成45度角设置；反射镜(18)与摆横梁(6)上的远角隅棱镜(10)正对，反射镜(18)的反射面与分光棱镜(19)的半透半反面平行设置；分光棱镜(19)设置在扩束镜(17)与反射镜(18)之间，扩束镜(17)设置在光电二极管(21)与分光棱镜(19)之间，光电二极管(21)通过信号线与数据记录设备(22)相连；

从He-Ne激光器(20)发出的激光以45度角入射到分光棱镜(19)的半透半反面上，使入射光束分成强度基本相等的反射光束和透射光束，反射光束又经反射镜(18)反射后，垂直入射于摆横梁(6)的远角隅棱镜(10)，光束经远角隅棱镜(10)反射回来，再经反射镜(18)反射后，穿过分光棱镜(19)，经扩束镜(17)扩束，照射在光电二极管(21)上；透射光束垂直入射于摆横梁(6)的近角隅棱镜(9)，经近角隅棱镜(9)反射后，又由分光棱镜(19)的半透半反面所反射，经过扩束镜(17)照射在光电二极管(21)上，照射在光电二极管(21)上的两束光发生干涉。

2.根据权利要求1所述的激光干涉法差动测量微冲量扭摆装置，其特征在于所述的数据记录设备(22)是示波器。

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