CN112213015A - 一种微推力测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微推力测量装置，属于测力装置技术领域，具体涉及微推力测量技术领域，包括支架，所述支架的上部一侧设置有固定架，所述固定架上安装有两个左右对称的XY位移平台，所述固定架的下方设置有力臂，所述力臂的一端通过顶针与所述支架活动连接，所述力臂上设置有可移动的推进器固定座，每个所述XY位移平台与所述力臂之间通过扭丝连接，所述扭丝、所述力臂及位于所述XY位移平台上的所述扭丝的连接线之间形成直角梯形。在推力器的推力不变的情况下，根据测试实际所用真空仓的大小，对测量装置的L、L3、L2、L1中的单个或者几个长度值进行更改，使角位移变大，实现对灵敏度的提升，使分辨力变小，测量更加精确。

Description

一种微推力测量装置
技术领域
一种微推力测量装置，本发明属于测力装置技术领域，具体涉及微推力测量技术领域。
背景技术
随着科学技术的发展，微推进器正受到更多的关注和应用。它是空间任务极其重要的组成部分，其性能也决定了空间任务的执行质量甚至成败。微推进器的推力通常在毫牛甚至微牛级别，传统力学测量方法无法实现。
目前国内外公开的测量推力器推力的装置有以下五种典型结构，分别是天平、扭摆、单摆、形变结构和三线摆。其中天平结构存在摩擦力的问题，单摆结构存在推进器重力问题，重力会对精度产生影响，变形结构存在振动问题；扭摆结构调平困难，三线摆因为有三根扭丝，扭丝对精度的影响很大。
申请号CN201010601029.7公开了扭摆式高精度微推力测量系统，支撑架的横杆上设有位置调节器，所述刚性轴的底端连接有石蜡固化杯，翅片结构设在石蜡固化杯内、并以刚性轴为中心轴中心对称的设在刚性轴下部上；推力杠杆的长臂端上设有微推进器，以及与微推进器相配的线性位移传感器；推力杠杆短臂端上设有配重杯；所述推力杠杆通过柔性铰链以保持水平状态的与刚性轴的顶端连接；所述连接线一端悬吊连接在位置调节器上，另一端连接在柔性铰链的轴线上；连接线上端所连接的位置调节器，可以自由调节棉线悬挂点的位置；旋转杠杆系统通过连接线上端悬挂于该位置调节器。本发明结构简单、体积小、精度高、使用方便，能满足微推力装置的实验测量要求，具有良好的应用前景。
上述专利由于调整位置的挠性轴上方连接线在测试过程中易收到外部扰动而引入测量精度低的问题。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种微推力测量装置，以解决现有的测量精度低的问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种微推力测量装置，包括支架，所述支架的上部一侧设置有固定架，所述固定架上安装有两个左右对称的XY位移平台，所述固定架的下方设置有力臂，所述力臂的一端通过顶针与所述支架活动连接，所述力臂上设置有可移动的推进器固定座，每个所述XY位移平台与所述力臂之间通过扭丝连接，所述扭丝、所述力臂及位于所述XY位移平台上的所述扭丝的连接线之间形成直角梯形。
本申请中：当推力器开始工作时，使力臂以顶针为轴旋转一定角度θ，为后续测量提供可测的角位移量。旋转角度θ的理论推导如下：
推进器固定座上安装有推进器，竖直的扭丝与倾斜扭丝上部水平距离为L1，倾斜扭丝与顶针的距离为L3，推进器在L3上可以任意位置固定，力臂为L，当推力器工作，力臂的角位移从0变为θ，由于θ的变化很小，可以认为，受力平面从L3变为L3′，相应的力臂与倾斜扭丝上端固定点之间的距离为L2′，此时扭丝L4在摆动平面上投影为I′，此时转轴θ角时，L4与I′的夹角为
Figure BDA0002646973530000021
Figure BDA0002646973530000022
倾斜扭丝上的拉力随着力臂转角的改变而发生变化，其分量产生的回复力距也不断变化，当力臂转角为θ时，产生的回复力为Fb
Figure BDA0002646973530000023
式中，Fb为倾斜扭丝拉力在水平方向的分量，G为倾斜扭丝所受的重力；
倾斜扭丝产生的回复力距为：
Figure BDA0002646973530000024
lb为Fb的力矩，γ为L3′转过θ角时力臂与I′的夹角；
当力臂在恒定推力作用下达到稳定态时，倾斜扭丝产生的回复力矩与推力力矩达到平衡，即Fb*lb＝F*L，所以
Figure BDA0002646973530000025
由于θ的变化很小，所以认为L3约等于L3′、L2′约等于L2且sinθ约等于θ，其中L2为竖直扭丝的竖向距离，因此L3＝L3′、L2′＝L2且sinθ＝θ，则
Figure BDA0002646973530000026
简化为：
Figure BDA0002646973530000027
即：
Figure BDA0002646973530000028
根据公式可知，在推力器的推力不变的情况下，根据测试实际所用真空仓的大小，对测量装置的L、L3、L2、L1中的单个或者几个长度值进行更改，使角位移变大，实现对灵敏度的提升，使分辨力变小，测量更加精确；同时，由于XY位移平台的存在，通过调节装置中扭丝的长度可以提高分辨力，此外通过调节扭丝的长度使力臂调平更容易，操作更加简单快捷。
优选的，每个所述XY位移平台设置有多个固定孔。固定孔用于固定扭丝的上端，多个固定孔的设置用于安装不同长度的扭丝。
优选的，每个所述XY位移平台设置有安装孔。安装孔的设置用于固定XY位移平台，XY位移平台可以左右上下移动，从而使固定孔的位置上下移动或左右移动，从而方便调节扭丝的长度。
优选的，所述支架的上部一侧固定有安装杆，所述固定架固定在所述安装杆上。安装杆固定在支架上，固定架固定在安装杆上。
优选的，每根所述扭丝为纯度大于99.95％的钨丝。
优选的，所述支架和所述固定架的材质为硬质铝合金。
优选的，所述顶针的材料为硬质合金钢。
所述直角梯形的直角位于所述顶针所在的一侧。L2的长度确定好后，竖直扭丝是不动的。
本申请的微推力测量装置用于真空环境。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明中，在推力器的推力不变的情况下，根据测试实际所用真空仓的大小，对测量装置的L、L3、L2、L1中的单个或者几个长度值进行更改，使角位移变大，实现对灵敏度的提升，使分辨力变小，测量更加精确；
2、同时，由于XY位移平台的存在，通过调节装置中扭丝的长度可以提高分辨力，此外通过调节扭丝的长度使力臂调平更容易，操作更加简单快捷；
3、顶针能更好的消除摩擦力及重力的影响，可以测量大重量微推力器。
附图说明
图1为本发明一种微推力测量装置的原理图；
图2为本发明一种微推力测量装置的结构示意图。
图中标记：1-支架，2-XY位移平台，3-固定架，4-安装杆，5-安装孔，6-固定孔，7-扭丝，8-顶针，9-力臂，10-推进器固定座。
具体实施方式
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。
实施例1
如图1-2所示，一种微推力测量装置，包括支架1，所述支架1的上部一侧设置有固定架3，所述固定架3上安装有两个左右对称的XY位移平台2，所述固定架3的下方设置有力臂9，所述力臂9的一端通过顶针8与所述支架1活动连接，所述力臂9上设置有可移动的推进器固定座10，每个所述XY位移平台2与所述力臂9之间通过扭丝7连接，所述扭丝7、所述力臂9及位于所述XY位移平台2上的所述扭丝7的连接线之间形成直角梯形。
本申请中：当推力器开始工作时，使力臂9以顶针8为轴旋转一定角度θ，为后续测量提供可测的角位移量。旋转角度θ的理论推导如下：
推进器固定座10上安装有推进器，竖直的扭丝与倾斜扭丝上部水平距离为L1，倾斜扭丝与顶针8的距离为L3，推进器在L3上可以任意位置固定，力臂9为L，当推力器工作，力臂9的角位移从0变为θ，由于θ的变化很小，可以认为，受力平面从L3变为L3′，相应的力臂9与倾斜扭丝上端固定点之间的距离为L2′，此时扭丝L4在摆动平面上投影为I′，此时转轴θ角时，L4与I′的夹角为
Figure BDA0002646973530000041
Figure BDA0002646973530000042
倾斜扭丝上的拉力随着力臂9转角的改变而发生变化，其分量产生的回复力距也不断变化，当力臂9转角为θ时，产生的回复力为Fb
Figure BDA0002646973530000043
式中，Fb为倾斜扭丝拉力在水平方向的分量，G为倾斜扭丝所受的重力；
倾斜扭丝产生的回复力距为：
Figure BDA0002646973530000044
lb为Fb的力矩，γ为L3′转过θ角时力臂与I′的夹角；
当力臂9在恒定推力作用下达到稳定态时，倾斜扭丝产生的回复力矩与推力力矩达到平衡，即Fb*lb＝F*L，所以
Figure BDA0002646973530000045
由于θ的变化很小，所以认为L3约等于L3′、L2′约等于L2且sinθ约等于θ，其中L2为竖直扭丝的竖向距离，因此L3＝L3′、L2′＝L2且sinθ＝θ，则
Figure BDA0002646973530000051
简化为：
Figure BDA0002646973530000052
即
Figure BDA0002646973530000053
根据公式可知，在推力器的推力不变的情况下，根据测试实际所用真空仓的大小，对测量装置的L、L3、L2、L1中的单个或者几个长度值进行更改，使角位移变大，实现对灵敏度的提升，使分辨力变小，测量更加精确；同时，由于XY位移平台的存在，通过调节装置中扭丝的长度可以提高分辨力，此外通过调节扭丝的长度使力臂调平更容易，操作更加简单快捷。
实施例2
如图2所示，在实施例1的基础上，每个所述XY位移平台2设置有多个固定孔6。固定孔6用于固定扭丝7的上端，多个固定孔6的设置用于安装不同长度的扭丝7。
实施例3
如图2所示，在实施例1的基础上，每个所述XY位移平台2设置有安装孔5。安装孔5的设置用于固定XY位移平台2，XY位移平台2可以左右上下移动，从而使固定孔6的位置上下移动或左右移动，从而方便调节扭丝7的长度。
实施例4
如图2所示，在实施例1的基础上，所述支架1的上部一侧固定有安装杆4，所述固定架3固定在所述安装杆4上。安装杆4固定在支架1上，固定架3固定在安装杆4上。
实施例5
在实施例1的基础上，每根所述扭丝7为纯度大于99.95％的钨丝；所述支架1和所述固定架3的材质为硬质铝合金；所述顶针8的材料为硬质合金钢。
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)

1.一种微推力测量装置，其特征在于：包括支架(1)，所述支架(1)的上部一侧设置有固定架(3)，所述固定架(3)上安装有两个左右对称的XY位移平台(2)，所述固定架(3)的下方设置有力臂(9)，所述力臂(9)的一端通过顶针(8)与所述支架(1)活动连接，所述力臂(9)上设置有可移动的推进器固定座(10)，每个所述XY位移平台(2)与所述力臂(9)之间通过扭丝(7)连接，所述扭丝(7)、所述力臂(9)及位于所述XY位移平台(2)上的所述扭丝(7)的连接线之间形成直角梯形。
2.根据权利要求1所述的一种微推力测量装置，其特征在于：每个所述XY位移平台(2)设置有多个固定孔(6)。
3.根据权利要求1所述的一种微推力测量装置，其特征在于：每个所述XY位移平台(2)设置有安装孔(5)。
4.根据权利要求1所述的一种微推力测量装置，其特征在于：所述支架(1)的上部一侧固定有安装杆(4)，所述固定架(3)固定在所述安装杆(4)上。
5.根据权利要求1所述的一种微推力测量装置，其特征在于：每根所述扭丝(7)为纯度大于99.95％的钨丝。
6.根据权利要求1所述的一种微推力测量装置，其特征在于：所述支架(1)和所述固定架(3)的材质为硬质铝合金。
7.根据权利要求1所述的一种微推力测量装置，其特征在于：所述顶针(8)的材料为硬质合金钢。
8.根据权利要求1所述的一种微推力测量装置，其特征在于：所述直角梯形的直角位于所述顶针(8)所在的一侧。
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