CN112729641A - 基于变介质电容桥测量冷气推力器响应时间的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于变介质电容桥测量冷气推力器响应时间的系统及方法，包括：电容桥电路部件、运放电路部件；所述电容桥电路部件与运放电路部件相连接；所述电容桥电路部件包括：电容C1、电容C2、电容C3、电容C4以及冷气推力器；所述电容C1的一端与电容C2的一端相连；所述电容C1的另一端与电容C3的一端相连；所述电容C2的另一端与电容C4的一端相连；所述电容C4的另一端与电容C3的另一端相连；所述电容C4的与冷气推力器相连接。本发明采用变介质电容桥法将推力信号转化为电压信号并采用运放电路进行信号放大，最后通过示波器可以实现μs级别的信号采集，以此满足推力响应时间的要求。
Description
技术领域
本发明涉及冷气推力器响应时间测量技术领域，具体地，涉及一种基于变介质电容桥测量冷气推力器响应时间的系统及方法。
背景技术
随着微推进技术的发展，配套的性能测量技术也得到了研究，推力响应时间是推力器重要的性能参数之一。对于冷气推进系统而言，推力响应时间包括制动部件供电、响应以及工质气体填充并喷出推力器的时间，其中工质的填充以及喷出占主要部分，其大小决定了微推力器启动时间的快慢。冷气推进系统的推力响应时间通常在毫秒级，其测量存在着一定的难度。
目前在微推力测量领域内仍以使用传统扭摆式或扭称式推力架为代表的直接测量法为主，将推力信号转化为其他信号(如光电信号)并进行高频采集的间接测量法使用较少。
专利文献CN107091705A公开了一种微推力测量方法，还提供一种单摆微推力测量装置和一种三丝扭摆微推力测量装置，在保持重力方向和微推力方向垂直状态下，通过机械平衡原理，将微推力物理量转化为位移的物理量，本发明解决了现有技术存在由于推力与重力在同一个方向或对推进器的质量变化敏感等因素的影响，从而导致精度低且误差大的问题。该专利在结构和技术性能上仍然有待提高的空间。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于变介质电容桥测量冷气推力器响应时间的系统及方法。
根据本发明提供的一种基于变介质电容桥测量冷气推力器响应时间的系统，包括：电容桥电路部件、运放电路部件；
所述电容桥电路部件与运放电路部件相连接；
所述电容桥电路部件包括：电容C1、电容C2、电容C3、电容C4以及冷气推力器；
所述电容C1的一端与电容C2的一端相连；
所述电容C1的另一端与电容C3的一端相连；
所述电容C2的另一端与电容C4的一端相连；
所述电容C4的另一端与电容C3的另一端相连；
所述电容C4的与冷气推力器相连接；
所述运放电路部件能够对电容桥电路部件输出的电压信号进行放大。
优选地，所述运放电路部件采用同相并联三运放结构。
优选地，所述运放电路部件包括：差分电路、整流电路。
优选地，所述电容C1、电容C2、电容C3均采用可调节电容。
所述可调节电容用于在测量前调节两个电容支路间的电压平衡，使可调节电容在测量前电压输出为零。
优选地，所述电容C4采用平行板电容。
所述平行板电容用于实现测量前后的电容改变，运放电路用于信号放大，示波器用于信号采集。
优选地，还包括：电容支路；所述电容C4的与冷气推力器一起置于真空环境中。
优选地，所述电容C4两极板之间的真空介电常数为1，当冷气推力器开始工作时，工质气体进入电容的两极板之间，由此电容C4两极板间介电常数；
所述电容C4电容值的改变能够使得两个电容支路间开始输出电压信号。
优选地，所述运放电路部件包括：第一级放大器；
所述第一级放大器能够增加电路的输入阻抗。
优选地，所述运放电路部件包括：第二级放大器、第三级放大器；
所述第二级放大器能够提高共模抑制比；
所述第二级放大器、第三级放大器串联连接。
根据本发明提供的一种基于变介质电容桥测量冷气推力器响应时间的方法，采用基于变介质电容桥测量冷气推力器响应时间的系统，获取冷气推力器响应时间测量结果信息。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明采用变介质电容桥法将推力信号转化为电压信号并采用运放电路进行信号放大，最后通过示波器可以实现μs级别的信号采集，以此满足推力响应时间的要求；
2、本发明结构合理，使用方便，能够克服现有技术的缺陷；
3、本发明能够将推力信号转化为其他信号(如光电信号)并进行高频采集的间接测量法。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例中的电容桥电路示意图。
图2为本发明实施例中的同相并联三运放电路示意图。
图3为本发明实施例中的放大后时间与电压信号关系示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明中的冷气推进系统的推力范围在微牛至毫牛级，推力测量响应时间需要达到百毫秒甚至10ms以内，传统的扭摆式或扭称式机械推力架无法在如此短的时间内进行推力响应，因此需要一种全新的方法来实现推力响应时间的测量。本发明采用变介质电容桥法将推力信号转化为电压信号并采用运放电路进行信号放大，最后通过示波器可以实现μs级别的信号采集，以此满足推力响应时间的要求。
一种基于变介质电容桥来测量冷气推进系统的推力响应时间的方法。具体方法包括将推力信号转化为电信号和对电信号进行放大采集。
(1)电容桥将推力信号转化为电信号。
作为机械结构的传统推力架采集推力信号频率必然不可能太高，故本发明在完全摒弃传统推力架的情况下，采用电容桥法将推力信号转化为电信号。
电容桥的具体电路如图1所示。图1中的电源输入交流电压信号，电容C1、C2以及C3都选用可调节电容，C4选用平行板电容，通过电容的变化在两条电容支路间输出电压信号，图1中的Vout1和Vout2为输出电压信号测量点。在推力测量开始之前，将平行板电容C4连同冷气推力器一起放置于真空环境中，并使得冷气推力器出口对准两极板之间，调节C1、C2和C3的电容值使得两条电容支路之间输出的电压信号为0，此时有：
其中平行板电容C4的电容计算公式为：
其中ε为真空介电常数，取为1，S为平行极板正对面积，k为静电常数，d为两极板间距。
当冷气推力器启动瞬间，工质气体开始填充并向推力器外喷出以产生推力，此时开始有气体进入平行板电容的两极板之间，由此改变了电容的介电常数，并使得平行板电容C4的电容值发生改变，两条电容支路之间开始输出电压信号。当推力稳定后，平行板电容C4的介电常数和电容值也随之稳定，此时的稳定电压值即对应着推力器的稳定推力，由此完成推力信号向电信号的转化过程。
(2)电信号的放大与采集。
一般气体的介电常数虽然略大于真空介电常数，但相对而言改变并不是特别明显，所以电容支路间输出的电压稳定值也相对较小，故需要运算放大电路对电压信号进行放大。
运放电路的具体电路如图2所示。该运放电路是一个同相并联三运放结构，主要由差分电路和整流电路两部分组成，其中A1、A2组成整个放大器的第Ⅰ级，其作用是增加整个电路的输入阻抗，图中的Vin1和Vin2对应着图1电容桥电路中的Vout1和Vout2，第Ⅱ级则是由A3、A4两个同相输入运算放大器电路并联组成，以提高共模抑制比，由A5组成的第Ⅲ级差分放大器与前一级串联连接，由此形成了一个具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移的同相并联三级运放电路。
在完成对电压信号的放大后，在图2运放电路中的Vout和接地点之间可利用示波器实现μs级别的信号采集。
具体地，在一个实施例中，一种测量冷气推进系统推力响应时间的电容桥法具体实施方式如下。
设定该冷气推力器工质气体采用氮气，将推力器和平行板电容C4一起放置于真空环境中，推力器出口对准电容C4的两块平行极板之间，为了后续方便计算，取平行板电容C4的电容值为1mF，输入电压源为频率50Hz电压220V的标准交流电压信号。在运放电路中，取Rp＝R2＝R5＝R6＝1kΩ，R1＝5kΩ，R3＝R4＝100Ω，使用示波器在运放电路的Vout和接地点之间采集经过放大后的输出电压信号。该运放电路的理论放大倍数为第Ⅱ级和第Ⅲ级的差模增益乘积，即
在启动推力器之前，调节可变电容C1、C2以及C3的电容值为1mF，使得两条电容支路之间的输出电压信号(即Vout1和Vout2之间的电压值)为零，此时有：
其中ε为真空介电常数，取为1。
启动冷气推力器之后，工质气体氮气填充推力器内部并从推力器喷口喷出进入平行板电容C4的两平行极板之间，此时两极板之间的介电常数发生改变，C4的电容值也随之发生改变，两电容支路之间开始输出电压信号。当推力器推力稳定后，平行极板之间的氮气介质随之稳定，氮气介电常数为1.00058，稳定后两电容支路之间的输出电压信号稳定值为31.89mV。该电压信号经过同相并联三运放电路放大后的实际输出电压信号稳定值为2.23V，很好地起到了信号放大的作用,放大后的时间-电压信号示意图如图3所示。输出电压信号的稳定值对应着系统稳定的推力大小，根据要求利用输出电压信号计算推力响应时间即可。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种基于变介质电容桥测量冷气推力器响应时间的系统，其特征在于，包括：电容桥电路部件、运放电路部件；
所述电容桥电路部件与运放电路部件相连接；
所述电容桥电路部件包括：电容C1、电容C2、电容C3、电容C4以及冷气推力器；
所述电容C1的一端与电容C2的一端相连；
所述电容C1的另一端与电容C3的一端相连；
所述电容C2的另一端与电容C4的一端相连；
所述电容C4的另一端与电容C3的另一端相连；
所述电容C4的与冷气推力器相连接；
所述运放电路部件能够对电容桥电路部件输出的电压信号进行放大。
2.根据权利要求1所述的基于变介质电容桥测量冷气推力器响应时间的系统，其特征在于，
所述运放电路部件采用同相并联三运放结构。
3.根据权利要求2所述的基于变介质电容桥测量冷气推力器响应时间的系统，其特征在于，所述运放电路部件包括：差分电路、整流电路。
4.根据权利要求1所述的基于变介质电容桥测量冷气推力器响应时间的系统，其特征在于，所述电容C1、电容C2、电容C3均采用可调节电容。
5.根据权利要求1所述的基于变介质电容桥测量冷气推力器响应时间的系统，其特征在于，所述电容C4采用平行板电容；
所述平行板电容用于实现测量前后的电容改变，运放电路用于信号放大，示波器用于信号采集。
6.根据权利要求1所述的基于变介质电容桥测量冷气推力器响应时间的系统，其特征在于，还包括：电容支路；
所述电容C4的与冷气推力器一起置于真空环境中。
7.根据权利要求1所述的基于变介质电容桥测量冷气推力器响应时间的系统，其特征在于，
所述电容C4两极板之间的真空介电常数为1，当冷气推力器开始工作时，工质气体进入电容的两极板之间，由此电容C4两极板间介电常数；
所述电容C4电容值的改变能够使得两个电容支路间开始输出电压信号。
8.根据权利要求1所述的基于变介质电容桥测量冷气推力器响应时间的系统，其特征在于，所述运放电路部件包括：第一级放大器；
所述第一级放大器能够增加电路的输入阻抗。
9.根据权利要求8所述的基于变介质电容桥测量冷气推力器响应时间的系统，其特征在于，所述运放电路部件包括：第二级放大器、第三级放大器；
所述第二级放大器能够提高共模抑制比；
所述第二级放大器、第三级放大器串联连接。
10.一种基于变介质电容桥测量冷气推力器响应时间的方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的基于变介质电容桥测量冷气推力器响应时间的系统，获取冷气推力器响应时间测量结果信息。
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