CN114486029A - 一种悬臂式微小推力测量系统及其电磁标准力标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及悬臂式微小推力测量系统及其电磁标准力标定方法，以解决现有测量系统对外界干扰敏感，很难准确测量微小推力，现有标定方法线性差、误差大的技术问题。该系统包括真空室、固定支架和由测量靶、电磁阻尼器及位移传感器构成的测量单元；电磁阻尼器包括缠绕电磁线圈的金属骨架和设置有两对永磁铁的阻尼器支架，且电磁线圈有间隙的设置于两对永磁铁之间。该方法包括：将电磁阻尼器设置在天平上，通入不同强度的电流，测量产生的电磁标准力，得电流强度与电磁标准力的关系；将电磁阻尼器设置在测量靶上，通入不同强度电流，测得测量靶位移值，得电流强度与测量靶位移值的关系；换算得电磁标准力与测量靶位移值的对应关系。

Description

一种悬臂式微小推力测量系统及其电磁标准力标定方法

技术领域

本发明涉及微小推力测量装置，具体涉及一种悬臂式微小推力测量系统及其电磁标准力标定方法。

背景技术

随着航天和微电子技术的发展，以重量轻、体积小、成本低、研制周期短为突出特点的微小卫星受到瞩目，尤其是商业、科学和军事等近地轨道卫星向微小卫星的发展已成为重要趋势之一。当然，微小卫星对其推进系统也提出了较为苛刻的要求，要求推进系统具有高精度的姿态调整和控制功能，而这些推进系统所提供的推力一般在mN到N量级。

在推进系统研制阶段，通过试验方法精确测量推进系统的微推力可以真实、直观地反映推进系统的基本性能，从而为推进系统优化改进提供可靠的评判依据，但由于推进系统推力很小，测量系统对外界干扰极其敏感，导致采用常规方法很难准确获得推力。因此，微推力的精确测量已成为微推进系统研制和产品交付阶段必须也是急需突破的关键技术。

现有微小推力测试的标定一般采用砝码重力标定技术，该技术标定过程中摩擦力较大，产生的误差大，图5所示即为现有砝码重力标定技术标定结果的一个示意图，从图5可以看出，其对应的标定结果线性较差。

发明内容

本发明目的在于解决现有测量系统对外界干扰极其敏感，导致采用常规方法很难准确测量微小推力，同时现有推力测试标定方法的标定结果线性差、误差大的技术问题，提出一种悬臂式微小推力测量系统及其电磁标准力标定方法。

本发明提供的技术方案为：

一种悬臂式微小推力测量系统，其特殊之处在于：包括真空室、设置在真空室内的固定支架和测量单元；

所述固定支架上固定设置有垂直于水平方向的弹性梁；

所述测量单元包括测量靶、与测量靶相连接的电磁阻尼器及位移传感器；

所述测量靶连接在所述弹性梁的下端；

所述电磁阻尼器包括阻尼器支架、第一对永磁铁、第二对永磁铁、电磁线圈及金属骨架；

所述电磁线圈缠绕在金属骨架上；

所述阻尼器支架一侧固定设置在测量靶的背侧中部，阻尼器支架另一侧垂直于测量靶的方向具有第一凹槽和第二凹槽，所述第一对永磁铁对称设置在第一凹槽的两个侧面，第二对永磁铁对称设置在第二凹槽的两个侧面；

所述金属骨架插入第一凹槽和第二凹槽，用于使电磁线圈位于第一对永磁铁之间，同时位于第二对永磁铁之间，且所述电磁线圈与第一对永磁铁和第二对永磁铁之间具有间隙，即不与第一对永磁铁和第二对永磁铁接触；

所述位移传感器通过支架设置于测量靶的背面，用于测量测量靶的位移值。

进一步地，所述阻尼器支架为方形碳钢阻尼器支架，所述金属骨架为与方形碳钢阻尼器支架相适配的U型金属骨架。

进一步地，所述固定支架包括水平设置的底板、固定在底板上且垂直于底板的竖梁及固定在竖梁的横梁，所述弹性梁固定安装在横梁上并沿垂直于水平面的方向自由下垂。

进一步地，所述弹性梁为弹性元件，由无磁性材料制成，弹性梁的弹性与弹性梁的长度、厚度和宽度的关系公式为：

其中，E为弹性梁的杨氏弹性模量，F为待测推力设备的最大推力，L为弹性梁长度，ω为弹性梁的轴向位移，b为弹性梁的宽度，h为弹性梁的厚度。

进一步地，所述测量靶为无磁性、耐高温材料制成。

进一步地，所述测量靶为不锈钢或石墨或陶瓷材料。

本发明还提供一种电磁标准力标定方法，其特殊之处在于，基于上述的悬臂式微小推力测量系统，包括以下步骤：

S1、将电磁阻尼器设置在天平上：阻尼器支架放置在天平上，第一凹槽和第二凹槽开口向上，将缠绕电磁线圈的金属骨架插入第一凹槽和第二凹槽，所述金属线圈位于第一凹槽之间，同时位于第二凹槽之间，且不与第一对永磁铁和第二对永磁铁接触；所述缠绕电磁线圈的金属骨架使用电磁线圈支撑架支撑；

S2、向电磁线圈通入不同强度的电流，使用天平测量磁场作用下产生的电磁标准力，得到电流强度与电磁标准力之间的对应关系；

S3、将步骤1中的同一电磁阻尼器设置在测量靶的中部，向电磁线圈通入不同强度电流，电磁阻尼器产生的电磁标准力使测量靶产生位移，得到电流强度与测量靶位移值之间的对应关系；

S4、根据步骤S2中电流强度与电磁标准力之间的对应关系和步骤S3中电流强度与测量靶位移值之间的对应关系进行换算，得到电磁标准力与测量靶位移值之间的对应关系。

本发明的有益效果：

1、本发明一种悬臂式微小推力测量系统，通过两对可产生匀强磁场的永磁铁与方形金属骨架的电磁线圈组成电磁阻尼器，当方形金属骨架上的电磁线圈在磁场中相对运动后，可产生阻尼力，用于抑制弹性梁和测量靶的激烈震荡，使其迅速平衡，实现了推力测量系统的快速响应，大幅减小测量误差，提高测试精度。

2、电磁标准力标定利用两对永磁铁产生均匀的平行电磁场，而电磁线圈根据通入电流的不同，可以在均匀磁场下可产生不同大小的电磁力，用该电磁力模拟推力器的推力，进而标定电磁力与测量靶的水平位移的对应关系，与原有大气环境下砝码重力标定技术，该方式减少了标定中摩擦力产生的误差，提高了标定精度，实现了真空环境下的在线标定。

3、本发明将电磁阻尼器作为整体结构进行标定后，用于对微小推力进行测量，设计巧妙，使用方便，增加了推力测量的精度和准确性，可用于对mN级以及N级火箭发动机以及电推进推力器的真空环境下的微推力测试，适用范围广泛。

附图说明

图1为本发明实施例悬臂式微小推力测量系统结构示意图；

图2为本发明实施例中电磁阻尼器立体结构示意图；

图3为本发明实施例中电磁阻尼器侧视图；

图4为本发明实施例中电磁标准力标定示意图；

图5为现有砝码重力标定技术标定结果示意图；

图6为在与现有技术同级量程范围内采用本发明实施例的电磁标准力标定方法标定结果示意图；

图7为本发明实施例中电磁标准力标定时电流强度与电磁力对应关系第一次结果示意图；

图8为本发明实施例中电磁标准力标定时电流强度与电磁力对应关系第二次结果示意图；

图9为本发明实施例中电磁标准力标定时电流强度与测量靶位移对应关系第一次结果示意图；

图10为本发明实施例中电磁标准力标定时电流强度与测量靶位移对应关系第二次结果示意图；

图11为本发明实施例中电磁标准力标定时电流强度与测量靶位移对应关系第三次结果示意图；

图12为本发明实施例中电磁标准力标定时电流强度与测量靶位移对应关系第四次结果示意图。

附图标记如下：

1-真空室，2-固定支架，3-竖梁，4-横梁，5-电磁阻尼器，51-电磁线圈，52-金属骨架，53-阻尼器支架，54-第一对永磁铁，55-第二对永磁铁，6-位移传感器，7-弹性梁，8-测量靶，9-待测推力设备，10-天平，11-电磁线圈支撑架。

具体实施方式

本实施例中，两对永磁铁产生均匀的平行磁场，向电磁线圈51通不同的强度的电流，电磁线圈51在均匀平行磁场下可产生不同大小的电磁力，定义所述电磁力为电磁标准力。测量靶8接受待测推力设备9推力作用的一面为正面，另一面为背面。

参见图1至图3，本实施例提供一种悬臂式微小推力测量系统，该系统包括真空室1、设置在真空室1内的固定支架2和测量单元。

固定支架2包括水平设置的底板、固定在底板上且与底板垂直的竖梁3及固定在竖梁3上的横梁4，所述弹性梁7固定安装在横梁4上且弹性梁7沿垂直于水平面的方向自由下垂；在底板上还设置有多个调整支脚，用于调节支架的平衡。

弹性梁7是一种细长型弹性元件，由无磁性材料制成，弹性梁7的弹性与弹性梁7的长度、厚度和宽度的关系公式为：

其中，E为弹性梁7的杨氏弹性模量，F为待测推力设备的最大推力，L为弹性梁7长度，ω为弹性梁7的轴向位移，b为弹性梁7的宽度，h为弹性梁7的厚度。弹性梁7上端固定在横梁4上，下端与测量靶8固定在一起自由垂悬，受到水平方向的力后可产生较大的水平位移，产生的水平位移与受到的水平方向的力近似线性关系，当水平方向的力消失后，弹性梁7又会回到原自由位置，重复性好。

测量单元包括测量靶8、与测量靶8相连接的电磁阻尼器5和设置在测量靶8背面的位移传感器6。

测量靶8连接在弹性梁7的下端；测量靶8是一种圆形对称板状元件，用于接收垂直于测量靶8平面的待测推力设备9的全部羽流，将待测推力设备9的羽流水平速度滞止为零。测量靶8选择无磁性、高强度、变形小、耐高温材料，例如，可以选择不锈钢或石墨或陶瓷。

电磁阻尼器5包括阻尼器支架53、第一对永磁铁54、第二对永磁铁55、电磁线圈51及金属骨架52；电磁线圈51缠绕设置在金属骨架52外侧；

阻尼器支架53一侧固定设置在测量靶8的背侧中心，阻尼器支架53另一侧垂直于测量靶8的方向具有第一凹槽和第二凹槽，第一对永磁铁54对称设置在第一凹槽的两个侧面，第二对永磁铁55对称设置在第二凹槽的两个侧面；

金属骨架52插入第一凹槽和第二凹槽，用于使电磁线圈51位于第一对永磁铁54之间，同时位于第二对永磁铁55之间且电磁线圈51不与第一对永磁铁54和第二对永磁铁55接触；具体的，阻尼器支架53为方形碳钢阻尼器支架，所述金属骨架52为与方形碳钢阻尼器支架相适配的U型金属骨架52。

位移传感器6通过位移传感线与真空室1外的变换器相接，位移传感器6用于测量测量靶8的水平位移值并将数据传输至变换器，该位移传感器6是可以感知测量靶8百纳米级微小水平位移变化的高精度位移传感器，该位移传感器6可在真空环境下使用。

在使用悬臂式微小推力测量系统测量推力之前，需要先对电磁阻尼器5产生的电磁标准力与测量靶8之间的位移关系进行标定，具体标定的步骤为：

S1、将电磁阻尼器5设置在天平10上：阻尼器支架53放置在天平10上，第一凹槽和第二凹槽开口向上，将缠绕电磁线圈51的金属骨架52插入第一凹槽和第二凹槽，所述金属线圈位于第一凹槽之间，同时位于第二凹槽之间，且不与第一凹槽和第二凹槽接触；缠绕电磁线圈51的金属骨架52使用电磁线圈支撑架11支撑，参见图4；

S2、向电磁线圈51通入不同强度的电流，测量磁场作用下产生的电磁标准力，得到电流强度与电磁标准力之间的对应关系，本实施例中两次的测量结果参见图7和图8；

S3、将步骤1中同一的电磁阻尼器5设置在测量靶8的中心，向电磁线圈51通入不同强度电流，电磁阻尼器5产生的电磁标准力使测量靶8产生水平位移，得到电流强度与测量靶8水平位移之间的对应关系；参见图9至图12为本实施例提供的悬臂式微小推力测量系统进行测量过程中，电流强度与测量靶8水平位移之间的对应关系的四次测量结果，图中横坐标中电压值相当于测量靶8位移，与现有砝码重力标定方法中的电压值相当于位移值具有相同的意义，由图中可以看出，本发明提供的标定方式的线性和重复性更好。

S4、根据步骤S2中电流强度与电磁标准力之间的对应关系和步骤S3中电流强度与测量靶8水平位移之间的对应关系进行换算，得到电磁标准力与测量靶8水平位移之间的对应关系。

与现有砝码重力标定技术相比较，在测量靶8受力为0～40mN的标定量程范围内，参见图5和图6，采用本实施例提供的电磁标准力标定方法，电流强度与电磁标准力之间的对应关系线性好，且因为电磁标准力标定时进行的是无接触相对运动，没有摩擦力，误差较小，标定结果更准确。

悬臂式微小推力测量系统进行工作时，将标定后的电磁阻尼器5按照与步骤S3相同的方式设置在测量靶8相同位置上，电磁线圈51不施加电流，使用待测推力设备9向测量靶8持续施加推力，当测量靶8受到待测推力设备9施加的推力时，测量靶8和弹性梁7会产生水平方向的剧烈震荡，而缠绕电磁线圈51的U型金属骨架52在磁场中产生无剐蹭的相对运动，可产生阻尼力阻止测量靶8和弹性梁7的激烈震荡，使其迅速平衡，缩短推力测量装置的响应时间，当测量靶8与待测推力设备9施加的推力达到相对平衡时，记录此时测量靶8水平位移，根据标定结果中电磁标准力与测量靶8水平位移之间的对应关系，即可计算求得待测推力设备9向测量靶8施加的推力。

Claims (7)

1.一种悬臂式微小推力测量系统，其特征在于：包括真空室(1)、设置在真空室(1)内的固定支架(2)和测量单元；

所述固定支架(2)上固定设置有垂直于水平方向的弹性梁(7)；

所述测量单元包括测量靶(8)、与测量靶(8)相连接的电磁阻尼器(5)及位移传感器(6)；

所述测量靶(8)连接在所述弹性梁(7)的下端；

所述电磁阻尼器(5)包括阻尼器支架(53)、第一对永磁铁(54)、第二对永磁铁(55)、电磁线圈(51)及金属骨架(52)；

所述电磁线圈(51)缠绕设置在金属骨架(52)外侧；

所述阻尼器支架(53)一侧固定设置在测量靶(8)的背侧中部，阻尼器支架(53)另一侧垂直于测量靶(8)的方向具有第一凹槽和第二凹槽，所述第一对永磁铁(54)对称设置在第一凹槽的两个侧面，第二对永磁铁(55)对称设置在第二凹槽的两个侧面；

所述金属骨架(52)插入第一凹槽和第二凹槽，用于使电磁线圈(51)位于第一对永磁铁(54)之间，同时位于第二对永磁铁(55)之间，且所述电磁线圈(51)与第一对永磁铁(54)和第二对永磁铁(55)之间具有间隙；

所述位移传感器(6)通过支架设置于测量靶(8)的背面，用于测量测量靶(8)的位移值。

2.根据权利要求1所述的悬臂式微小推力测量系统，其特征在于：

所述阻尼器支架(53)为方形碳钢阻尼器支架，所述金属骨架(52)为与方形碳钢阻尼器支架相适配的U型金属骨架(52)。

3.根据权利要求2所述的悬臂式微小推力测量系统，其特征在于：

所述固定支架(2)包括水平设置的底板、固定在底板上且垂直于底板的竖梁(3)及固定在竖梁(3)上的横梁(4)，所述弹性梁(7)固定安装在横梁(4)上并沿垂直于水平面的方向自由下垂。

4.根据权利要求3所述的悬臂式微小推力测量系统，其特征在于：

所述弹性梁(7)为弹性元件，由无磁性材料制成，弹性梁(7)的弹性与弹性梁的长度、厚度和宽度的关系公式为：

其中，E为弹性梁(7)的杨氏弹性模量，F为待测推力设备(9)的最大推力，L为弹性梁(7)的长度，ω为弹性梁(7)的轴向位移，b为弹性梁(7)的宽度，h为弹性梁(7)的厚度。

5.根据权利要求3所述的悬臂式微小推力测量系统，其特征在于：

所述测量靶(8)为无磁性，耐高温材料制成。

6.根据权利要求3所述的悬臂式微小推力测量系统，其特征在于：

所述测量靶(8)为不锈钢或石墨或陶瓷材料。

7.一种电磁标准力标定方法，其特征在于，基于权利要求1-6所述的悬臂式微小推力测量系统，包括以下步骤：

S1、将电磁阻尼器(5)设置在天平(10)上：阻尼器支架(53)放置在天平(10)上，第一凹槽和第二凹槽开口向上，将缠绕电磁线圈(51)的金属骨架(52)插入第一凹槽和第二凹槽，所述金属线圈位于第一凹槽之间，同时位于第二凹槽之间，且与第一对永磁铁(54)和第二对永磁铁(55)之间具有间隙；所述缠绕电磁线圈(51)的金属骨架(52)使用电磁线圈支撑架(11)支撑；

S2、向电磁线圈(51)通入不同强度的电流，使用天平(10)测量磁场作用下产生的电磁标准力，得到电流强度与电磁标准力之间的对应关系；

S3、将电磁阻尼器(5)设置在测量靶(8)的背面中部，向电磁线圈(51)通入不同强度电流，电磁阻尼器(5)产生的电磁标准力使测量靶(8)产生位移，得到电流强度与测量靶(8)位移值之间的对应关系；

S4、根据步骤S2中电流强度与电磁标准力之间的对应关系和步骤S3中电流强度与测量靶(8)位移值之间的对应关系进行换算，得到电磁标准力与测量靶(8)位移值之间的对应关系。

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