CN114608771A - 集电磁力和静电力的基于扭秤的推力架的标定装置与方法 - Google Patents

集电磁力和静电力的基于扭秤的推力架的标定装置与方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114608771A
CN114608771A CN202210277656.2A CN202210277656A CN114608771A CN 114608771 A CN114608771 A CN 114608771A CN 202210277656 A CN202210277656 A CN 202210277656A CN 114608771 A CN114608771 A CN 114608771A
Authority
CN
China
Prior art keywords
force
current
torsion
calibration
capacitor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202210277656.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114608771B (zh
Inventor
郑叶龙
陶默然
王彬
杨永
黄银国
赵美蓉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tianjin University
Original Assignee
Tianjin University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin University filed Critical Tianjin University
Priority to CN202210277656.2A priority Critical patent/CN114608771B/zh
Publication of CN114608771A publication Critical patent/CN114608771A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114608771B publication Critical patent/CN114608771B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M5/00—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings
    • G01M5/0041—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings by determining deflection or stress
    • G01M5/005—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings by determining deflection or stress by means of external apparatus, e.g. test benches or portable test systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0028—Force sensors associated with force applying means
    • G01L5/0038—Force sensors associated with force applying means applying a pushing force
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)
  • Reciprocating, Oscillating Or Vibrating Motors (AREA)

Abstract

一种集电磁力和静电力的基于扭秤的推力架的标定装置，包括有扭丝，悬挂在所述扭丝下端的扭秤推力臂，在扭秤推力臂一侧面的端部设置有由永磁体和载流线圈以及用于给所述载流线圈提供电流的第一数字源表构成的电磁力标定机构，在扭秤推力臂的另一侧面且远离永磁体和载流线圈的那一端设置有用于测量扭秤推力臂位移响应的激光干涉仪，在扭秤推力臂上位于激光干涉仪的这一侧面且与所述永磁体和载流线圈同一端，设置有由平行平板电容器和用于给所述平行平板电容器提供电源的第二数字源表构成的静电力标定机构。本发明能够利用电磁力宽力值范围，静电力高分辨力的优点，实现高精度和大范围力的扭秤推力架刚度的标定。

Description

集电磁力和静电力的基于扭秤的推力架的标定装置与方法
技术领域
本发明涉及一种测力标定装置。特别是涉及一种集电磁力和静电力的基于扭秤的推力架的标定装置与方法。
背景技术
基于扭秤的推力架在测试微牛顿量级推进器的推力性能测试中有重要的应用。基于扭秤的推力架的需要同时实现高精度(分辨力微牛顿级别)大范围(量程几毫牛顿)标定。现有的推力架的标定方法主要有接触式和非接触式，接触式的标定方法易于搭建但是误差很大。非接触式的气体动力学不能溯源到标准量，且产生的校准力非常小，在纳牛顿和亚微牛顿之间。
如图1所示的电磁力非接触，包括有扭丝1，悬挂在所述扭丝1下端的扭秤推力臂2，设置在扭秤推力臂2一端侧的永磁体4和载流线圈3，与所述载流线圈3相连的第一数字源表6，以及设置在扭秤推力臂2另一端且与所述永磁体4和载流线圈3同侧的激光干涉仪8。该电磁力非接触的标定装置产生标定力的范围可以从几十微牛顿到几十毫牛顿，但是其在较小的标定力时精度不高。
如图2所示的静电力非接触，包括有包括有扭丝1，悬挂在所述扭丝1下端的扭秤推力臂2，设置在扭秤推力臂2一端侧的平行平板电容器5和与所述平行平板电容器5相连的第二数字源表7，以及设置在扭秤推力臂2另一端且与所述平行平板电容器5同侧的激光干涉仪8。该静电力非接触的标定装置可以满足高精度的标定需求，且标定力的范围在几百纳牛顿到几千微牛顿，但由于其需要很高的电压才能产生很大的标定力，无法标定大范围的推力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，为了克服现的技术的不足，提供一种用于高精度、大范围的推力架刚度标定的集电磁力和静电力的基于扭秤的推力架的标定装置与方法。
本发明所采用的技术方案是：一种集电磁力和静电力的基于扭秤的推力架的标定装置，包括有扭丝，悬挂在所述扭丝下端的扭秤推力臂，在扭秤推力臂一侧面的端部设置有由永磁体和载流线圈以及用于给所述载流线圈提供电流的第一数字源表构成的电磁力标定机构，在扭秤推力臂的另一侧面且远离永磁体和载流线圈的那一端设置有用于测量扭秤推力臂位移响应的激光干涉仪，在扭秤推力臂上位于激光干涉仪的这一侧面且与所述永磁体和载流线圈同一端，设置有由平行平板电容器和用于给所述平行平板电容器提供电源的第二数字源表构成的静电力标定机构。
所述的永磁体固定连接在扭秤推力臂上，所述的平行平板电容器中的一个极板与扭秤推力臂固定连接。
一种集电磁力和静电力的基于扭秤的推力架的标定装置的标定方法，包括如下步骤：
1)进行电容梯度dC/dz标定：将平行平板电容器的一个电容器极板固定，使用电控位移台带动另一个电容器极板向着被固定的电容器极板移动恒定步长，并通过电容电桥测量两个电容器极板间的电容值C，然后进行反向移动同样步长，再测一次，取正反向的平均值，重复3次以上，拟合3次以上的电容总平均值与位移的曲线，由于被测推力架的静电力很小，所以在标定电容梯度时两个电容器极板间距z变化微小，在微小间距z变化时，曲线视为一条直线，将该直线的斜率作为平行平板电容器的平均电容梯度值，表示为dC/dz。
2)进行电磁力系数k1标定：将永磁铁固定在电子天平上，载流线圈同轴平行固定在永磁铁上方，间距一定，为载流线圈施加不同大小的电流I1，使载流线圈产生轴向的不同大小的电磁力F1，根据电磁力有限元公式知道电磁力与施加电流成正比，拟合电流和电磁力的曲线为直线，设该直线的斜率为电磁力系数k1，得到关系式：
F1＝k1·I1 (1)
式中，电流I1的取值是根据被测推力架的测力范围确定；
3)、将集电磁力和静电力的基于扭秤的推力架的标定装置中的平行平板电容器与第二数字源表的正负极相连，控制第二数字源表在平行平板电容器的两端从零开始恒定步进增加电压，步进电压值为ΔU，施加在电容器极板间的电压大小为U＝nΔU，其中，n≥3，产生增量微牛顿级别的静电吸引力F2，利用激光干涉仪测量扭秤推力臂的另一端的位移响应x，直到静电力大小达到几百微牛顿级别的ΔF1，静电力和电压的关系式表示为：
Figure BDA0003556330920000021
4)再将载流线圈与第一数字源表的正负极相连，使得载流线圈和与永磁体之间产生一个大小为NΔF1＝k1I2的电磁力，其中，N取0、1、2、3、···，I2的大小随N的取值不同；将电磁力NΔF1和静电吸引力F2的合力作为推力架的标定力F：
F＝NΔF1+F2；
5)拟合推力架的标定力F与位移响应x的直线，所述直线的斜率为推力架的刚度，表示为：
Figure BDA0003556330920000022
本发明的集电磁力和静电力的基于扭秤的推力架的标定装置与方法，适用于高精度、大测力范围的推力架的刚度标定。本发明能够利用电磁力宽力值范围，静电力高分辨力的优点，同时可以实现高精度和大范围力的扭秤推力架刚度的标定的优点，能够突破现有扭秤推力架标定高精度和推力大范围相互矛盾的局限性。
附图说明
图1是现有技术的静电力非接触的标定装置；
图2是现有技术的电磁力非接触的标定装置；
图3是本发明集电磁力和静电力的基于扭秤的推力架的标定装置的整体结构示意图；
图4是图3的侧视图；
图5是本发明标定方法中进行电容梯度标定的结构示意图；
图6是本发明标定方法中进行进行电磁力系数标定的结构示意图；
图7是推力架的标定力随时间施加力的示意图。
图中
1：扭丝 2：扭秤推力臂
3：载流线圈 4、永磁体
5、平行平板电容器 6、第一数字源表
7：第二数字源表 8、激光干涉仪
9：电容电桥 10：电控位移台
11：电子天平
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的集电磁力和静电力的基于扭秤的推力架的标定装置与方法做出详细说明。
如图3、图4所示，本发明的集电磁力和静电力的基于扭秤的推力架的标定装置，包括有扭丝1，悬挂在所述扭丝1下端的扭秤推力臂2，在扭秤推力臂2一侧面的端部设置有由永磁体4和载流线圈3以及用于给所述载流线圈3提供电流的第一数字源表6构成的电磁力标定机构，在扭秤推力臂2的另一侧面且远离永磁体4和载流线圈3的那一端设置有用于测量扭秤推力臂2位移响应的激光干涉仪8，在扭秤推力臂2上位于激光干涉仪8的这一侧面且与所述永磁体4和载流线圈3同一端，设置有由平行平板电容器5和用于给所述平行平板电容器5提供电源的第二数字源表7构成的静电力标定机构。
所述的永磁体4固定连接在扭秤推力臂2上，所述的平行平板电容器5中的一个极板与扭秤推力臂2固定连接。
本发明的集电磁力和静电力的基于扭秤的推力架的标定装置的标定方法，包括如下步骤：
1)进行电容梯度dC/dz标定：如图5所示，将平行平板电容器5的一个电容器极板固定，使用电控位移台10带动另一个电容器极板向着被固定的电容器极板进行恒定步长的移动，并通过用于测量极板间电容的电容电桥9测量每次移动时两个电容器极板间的电容值C，然后进行反向移动同样步长，再进行同样的测量，取正反向的平均值，重复3次以上，拟合3次以上的电容总平均值与位移的曲线，由于被测推力架的静电力很小，所以在标定电容梯度时两个电容器极板间距z变化微小，在微小间距z变化时，曲线视为一条直线，将该直线的斜率作为平行平板电容器的平均电容梯度值，表示为dC/dz。
图5中所示的电容电桥9和电控位移台10是采用PI公司生产的高精度电控位移台。
2)进行电磁力系数k1标定：如图6所示，将永磁铁固定在用于测量电磁力大小的电子天平11上，载流线圈同轴平行固定在永磁铁上方，间距一定，为载流线圈施加不同大小的电流I1，使载流线圈产生轴向的不同大小的电磁力F1，根据电磁力有限元公式知道电磁力与施加电流成正比，拟合电流和电磁力的曲线为直线，设该直线的斜率为电磁力系数k1，得到关系式：
F1＝k1·I1 (1)
式中，电流I1的取值是根据被测推力架的测力范围确定；
图6是所示的电子天平11是采用舜宇恒平的JA3003。
3)将集电磁力和静电力的基于扭秤的推力架的标定装置中的平行平板电容器5与第二数字源表7的正负极相连，控制第二数字源表7在平行平板电容器5的两端从零开始恒定步进增加电压，步进电压值为ΔU，施加在电容器极板间的电压大小为U＝nΔU，其中，n≥3，产生增量微牛顿级别的静电吸引力F2，标定力施加的示意图如图7所示。利用激光干涉仪测量扭秤推力臂2的另一端的位移响应x，直到静电力大小达到几百微牛顿级别的ΔF1，静电力和电压的关系式表示为：
Figure BDA0003556330920000041
4)再将载流线圈3与第一数字源表6的正负极相连，使得载流线圈3和与永磁体4之间产生一个大小为NΔF1＝k1I2的电磁力，其中，N取0、1、2、3、···，I2的大小随N的取值不同；将电磁力NΔF1和静电吸引力F2的合力作为推力架的标定力F：
F＝NΔF1+F2 (3)；
5)拟合推力架的标定力F与位移响应x的直线，所述直线的斜率为推力架的刚度，表示为：
Figure BDA0003556330920000042

Claims (3)

1.一种集电磁力和静电力的基于扭秤的推力架的标定装置，包括有扭丝(1)，悬挂在所述扭丝(1)下端的扭秤推力臂(2)，在扭秤推力臂(2)一侧面的端部设置有由永磁体(4)和载流线圈(3)以及用于给所述载流线圈(3)提供电流的第一数字源表(6)构成的电磁力标定机构，在扭秤推力臂(2)的另一侧面且远离永磁体(4)和载流线圈(3)的那一端设置有用于测量扭秤推力臂(2)位移响应的激光干涉仪(8)，其特征在于，在扭秤推力臂(2)上位于激光干涉仪(8)的这一侧面且与所述永磁体(4)和载流线圈(3)同一端，设置有由平行平板电容器(5)和用于给所述平行平板电容器(5)提供电源的第二数字源表(7)构成的静电力标定机构。
2.根据权利要求1所述的集电磁力和静电力的基于扭秤的推力架的标定装置，其特征在于，所述的永磁体(4)固定连接在扭秤推力臂(2)上，所述的平行平板电容器(5)中的一个极板与扭秤推力臂(2)固定连接。
3.一种权利要求1所述的集电磁力和静电力的基于扭秤的推力架的标定装置的标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)进行电容梯度dC/dz标定：将平行平板电容器(5)的一个电容器极板固定，使用电控位移台带动另一个电容器极板向着被固定的电容器极板移动恒定步长，并通过电容电桥测量两个电容器极板间的电容值C，然后进行反向移动同样步长，再测一次，取正反向的平均值，重复3次以上，拟合3次以上的电容总平均值与位移的曲线，由于被测推力架的静电力很小，所以在标定电容梯度时两个电容器极板间距z变化微小，在微小间距z变化时，曲线视为一条直线，将该直线的斜率作为平行平板电容器的平均电容梯度值，表示为dC/dz。
2)进行电磁力系数k1标定：将永磁铁固定在电子天平上，载流线圈同轴平行固定在永磁铁上方，间距一定，为载流线圈施加不同大小的电流I1，使载流线圈产生轴向的不同大小的电磁力F1，根据电磁力有限元公式知道电磁力与施加电流成正比，拟合电流和电磁力的曲线为直线，设该直线的斜率为电磁力系数k1，得到关系式：
F1＝k1·I1 (1)
式中，电流I1的取值是根据被测推力架的测力范围确定；
3)、将集电磁力和静电力的基于扭秤的推力架的标定装置中的平行平板电容器(5)与第二数字源表(7)的正负极相连，控制第二数字源表(7)在平行平板电容器(5)的两端从零开始恒定步进增加电压，步进电压值为ΔU，施加在电容器极板间的电压大小为U＝nΔU，其中，n≥3，产生增量微牛顿级别的静电吸引力F2，利用激光干涉仪测量扭秤推力臂(2)的另一端的位移响应x，直到静电力大小达到几百微牛顿级别的ΔF1，静电力和电压的关系式表示为：
Figure FDA0003556330910000011
4)再将载流线圈(3)与第一数字源表(6)的正负极相连，使得载流线圈(3)和与永磁体(4)之间产生一个大小为NΔF1＝k1I2的电磁力，其中，N取0、1、2、3、···，I2的大小随N的取值不同；将电磁力NΔF1和静电吸引力F2的合力作为推力架的标定力F：
F＝NΔF1+F2；
5)拟合推力架的标定力F与位移响应x的直线，所述直线的斜率为推力架的刚度，表示为：
Figure FDA0003556330910000021
CN202210277656.2A 2022-03-21 2022-03-21 集电磁力和静电力的基于扭秤的推力架的标定装置与方法 Active CN114608771B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210277656.2A CN114608771B (zh) 2022-03-21 2022-03-21 集电磁力和静电力的基于扭秤的推力架的标定装置与方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210277656.2A CN114608771B (zh) 2022-03-21 2022-03-21 集电磁力和静电力的基于扭秤的推力架的标定装置与方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114608771A true CN114608771A (zh) 2022-06-10
CN114608771B CN114608771B (zh) 2023-05-30

Family

ID=81864601

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210277656.2A Active CN114608771B (zh) 2022-03-21 2022-03-21 集电磁力和静电力的基于扭秤的推力架的标定装置与方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114608771B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115290239A (zh) * 2022-07-31 2022-11-04 天津大学 基于平行四边弹性形机构的微小推进力测量装置及方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007085815A (ja) * 2005-09-21 2007-04-05 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 微小押し込み試験装置
CN103335769A (zh) * 2013-07-03 2013-10-02 中国科学院力学研究所 一种电推进器弱力测量装置
CN105241599A (zh) * 2015-11-05 2016-01-13 清华大学 静电卡盘静电力的检测系统及检测方法
CN108414127A (zh) * 2018-02-01 2018-08-17 南京航空航天大学 补偿式微推力测量扭秤
CN112798205A (zh) * 2020-12-15 2021-05-14 东莞理工学院 一种原子力显微镜微悬臂弹性系数标定装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007085815A (ja) * 2005-09-21 2007-04-05 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 微小押し込み試験装置
CN103335769A (zh) * 2013-07-03 2013-10-02 中国科学院力学研究所 一种电推进器弱力测量装置
CN105241599A (zh) * 2015-11-05 2016-01-13 清华大学 静电卡盘静电力的检测系统及检测方法
CN108414127A (zh) * 2018-02-01 2018-08-17 南京航空航天大学 补偿式微推力测量扭秤
CN112798205A (zh) * 2020-12-15 2021-05-14 东莞理工学院 一种原子力显微镜微悬臂弹性系数标定装置

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
叶继飞;洪延姬;: "基于扭秤的激光干涉差动测量微小冲量方法", 应用光学 *
马隆飞;贺建武;薛森文;段俐;康琦;: "双丝扭秤微推力测量系统", 推进技术 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115290239A (zh) * 2022-07-31 2022-11-04 天津大学 基于平行四边弹性形机构的微小推进力测量装置及方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN114608771B (zh) 2023-05-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7378837B2 (en) Method and system for calibrating a micro-electromechanical system (MEMS) based sensor using tunneling current sensing
JP2936286B2 (ja) 精密容量性トランスデューサ回路と方法
US7741832B2 (en) Micro-electromechanical system (MEMS) based current and magnetic field sensor using tunneling current sensing
CN109163012B (zh) 一种单自由度磁液双悬浮轴承控制系统及其控制方法
CN101514928B (zh) 一种微小推力的标定方法
CN114608771B (zh) 集电磁力和静电力的基于扭秤的推力架的标定装置与方法
Chetwynd et al. A controlled-force stylus displacement probe
WO2024088154A1 (zh) 压力测量和震动反馈的传感器模组及其压力测量方法
CN1547034A (zh) 一种电流传感器
CN105572173B (zh) 通过螺旋位移放大结构测量逆挠曲电系数的装置及方法
CN1071249A (zh) 用隧道效应原理测量微位移的方法
CN101862905A (zh) 陶瓷压力传感器压力芯片零位电阻的激光修调方法
CN109884344A (zh) 一种原子力显微镜微悬臂弹性系数标定方法
CN116448286A (zh) 一种硅谐振压力传感器及其在线校准方法
CN104993735A (zh) 超磁致伸缩驱动的二自由度精密微定位系统和方法
CN117420359A (zh) 一种全动态范围高精度阻值测量结构及其测量方法
CN211857320U (zh) 一种直流标准源电压输出量精细化调节装置
CN113459053A (zh) 一种基于压电驱动的运动平台装置
CN111273203A (zh) 一种具有磁力梯度测量及悬浮超导球位置的反馈控制装置
CN111175542A (zh) 作为afm位置传感器的惠斯通电桥的温度补偿方法
RU2797751C1 (ru) Устройство для измерения технических характеристик механоэлектрических преобразователей с емкостным выходом и способ измерения коэффициента преобразования по заряду (варианты)
CN117214552B (zh) 基于扭秤周期变化的导体表面电势测量方法
CN213092189U (zh) 一种恒流源激励传感器电路
CN219738060U (zh) 一种uA级别高精度恒流源系统
CN220709182U (zh) 一种加速度传感器敏感组件及加速度传感器芯片结构

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant