CN114993531A - 一种基于冷气推力器闭环控制的弱力测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于冷气推力器闭环控制的弱力测量装置及测量方法，包括：机架；悬挂机构，一端连接于机架上；平衡梁，连接于悬挂机构另一端且悬挂设置；还包括：待测推力器，设置于平衡梁一端，用于施加使所述平衡梁绕悬挂机构转动的作用力；标准冷气推力器，设置于平衡梁另一端，用于产生校准标准推力且在标定结束后产生驱使平衡梁回复至初始位置的回复力。本发明将标准冷气推力器同时作为校准标准力源与回复执行机构，大大简化了机构构成，简化了实验步骤，缩短了实验进程，且冷气推力器作为回复力源参与扭摆的闭环控制，实现推力测量过程中的零偏移，从而实现零偏摆。
Description
技术领域
本发明涉及微推力测量技术领域，具体涉及一种基于冷气推力器闭环控制的弱力测量装置及测量方法。
背景技术
随着科学技术的进步，微推力器技术在航空航天等许多领域都有广泛的应用，推力器地面试验中微小推力测量技术是一项关键技术。现有微推力器的弱力测量装置多使用标准力来对扭摆进行标定，常见的标定方法有电磁力矩，静电力，流体阻尼力与扭摆相关参量计算进行标定，上述方法对电子天平的依赖程度较高，精度也很大程度上取决于电子天平的精度于稳定度，容易引入误差，导致测量推力出现偏差。同时，标定的标准力源与回复力源一般为两套独立装置，对设备装配要求较高。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供了一种基于冷气推力器闭环控制的弱力测量装置，将标准冷气推力器同时作为校准标准力源与回复执行机构，大大简化了机构构成，简化了实验步骤，缩短了实验进程，且冷气推力器作为回复力源参与扭摆的闭环控制，实现推力测量过程中的零偏移，从而实现零偏摆。
同时，提供了一种基于冷气推力器闭环控制的弱力测量方法，实现对待测推力器的弱力测量。
本发明采用以下技术方案：
一种基于冷气推力器闭环控制的弱力测量装置，包括：
机架；
悬挂机构，一端连接于机架上；
平衡梁，连接于悬挂机构另一端且悬挂设置；
还包括：待测推力器，设置于平衡梁一端，用于施加使所述平衡梁绕悬挂机构转动的作用力；
标准冷气推力器，设置于平衡梁另一端，用于产生校准标准推力且在标定结束后产生驱使平衡梁回复至初始位置的回复力；将标准冷气推力器同时作为校准标准力源与回复执行机构，大大简化了机构构成，简化了实验步骤，缩短了实验进程，且冷气推力器作为回复力源参与扭摆的闭环控制，实现推力测量过程中的零偏移，从而实现零偏摆。
作为优选，还包括平衡装置，所述平衡装置包括：
至少一个配重单元，设置于平衡梁上，设有配重物；
配重调节机构，连接于配重单元上，用于调节配重物的重量来调节平衡梁的平衡；减小平衡梁因为不平衡对实验结果产生的误差。
作为优选，所述配重单元包括容腔、位于容腔内的活塞组件和驱动容腔运动的驱动电机，所述容腔与活塞组件端面之间布满配重物，减小因为实验过程中配重物的晃动造成的影响。
作为优选，所述活塞组件包括与配重物相抵的活塞本体和驱使活塞本体抵于配重物上的驱动部，所述活塞本体与配重物相抵的端面为斜面或者曲面。
作为优选，所述驱动电机为设置于平衡梁上的旋转电机，其驱动端连接容腔用于驱动容腔转动以改变容腔的重心位置；
或者，所述驱动电机为设置于容腔内的旋转电机，所述驱动部的驱动端连接有驱动板，所述驱动部连接于驱动板上，所述驱动电机驱动活塞组件转动以改变容腔的重心位置。
作为优选，所述悬挂机构包括悬挂丝、固定悬挂丝一端的第一固定机构、固定悬挂丝另一端的第二固定机构，所述第一固定机构设置于机架上，第二固定机构连接于平衡梁上。
作为优选，还包括平衡检测组件，所述平衡检测组件包括设置于平衡梁上的激光反射镜、移动配合于机架上且与激光反射镜配合实现平衡检测的激光位移传感器；通过激光反射镜与激光反射镜进行配合，可以直观地反映出横梁是否平衡；
或者所述平衡检测组件包括垂直设置的两个水平尺，操作简单，使用方便。
作为优选，还包括设置于平衡梁上的束线模块，待测推力器、标准冷气推力器的气体管路与电路被引导至束线模块且穿过束线模块设置，且所述束线模块位于悬挂机构的扭转中心正下方，束线模块使线路与管路统一的从扭转中心下方输出，最大程度地避免了线路和管路对扭摆扭转的影响，确保了弱力测量的精确性。
作为优选，还包括设置于机架上的阻尼组件，所述阻尼组件包括位于平衡梁上的阻尼端，所述平衡梁上设有与阻尼端配合实现平衡梁快速稳定的阻尼部。
一种基于冷气推力器闭环控制的弱力测量方法，包括：
S100:使用标准冷气推力器给定一系列标准推力，致使平衡梁发生多次偏移，并通过激光位移传感器获取多个第一偏移量并拟合获得初始标定线；
S200：通过标准冷气推力器、待测推力器的重心与悬挂机构的水平距离配合初始标定线来获得推力标定线；
S300：待平衡梁复位后，待测推力器工作致使平衡梁旋转偏移，并通过激光位移传感器获取第二偏移量；
S400：通过第二偏移量与推力标定线得出待测推力器产生的待测推力，以完成开环测量过程。
作为优选，还包括：S500：标准冷气推力器产生回复力致使平衡梁在初始位置附近进行周期性扭转；
S600：激光位移传感器持续测量平衡梁的极限偏移量并持续传递给处理器，根据极限偏移量的大小和正负实时调节回复力的大小，使极限偏移量趋向于零，完成推力测量的闭环控制。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供了一种基于冷气推力器闭环控制的弱力测量装置，将标准冷气推力器同时作为校准标准力源与回复执行机构，大大简化了机构构成，简化了实验步骤，缩短了实验进程，且冷气推力器作为回复力源参与扭摆的闭环控制，实现推力测量过程中的零偏移，从而实现零偏摆。
2、本发明在平衡梁左右两端各设有一个配重单元，并通过配重调节机构来调节两端力源部分结构的重心位置来调节平衡梁的左右两侧的平衡，再通过驱动电机来调节平衡梁前后两端的平衡，减小由于平衡梁的不平衡造成对待测力源测量结构的影响。
3、束线模块使线路与管路统一的从扭转中心下方输出，最大程度的避免了线路和管路对扭摆扭转的影响，确保了弱力测量的精确性。
附图说明
图1为弱力测量装置的结构示意图。
图2为弱力测量装置的部分结构示意图。
图3为配重单元的结构示意图。
图4为实施例2的配重单元结构示意图。
图中，机架1、底板11、安装架12、悬挂机构2、悬挂丝21、第一固定机构22、第二固定机构23、平衡梁3、阻尼部31、待测推力器4、标准冷气推力器5、平衡装置6、配重单元61、容腔611、活塞组件612、活塞本体6121、驱动部6122、驱动电机613、配重调节机构62、电磁阀63、平衡检测组件7、激光反射镜71、激光位移传感器72、束线模块8、阻尼组件9、阻尼端91。
具体实施方式
为了便于理解本发明技术方案，以下结合附图与具体实施例进行详细说明。
实施例1
如图1-3所示，一种基于冷气推力器闭环控制的弱力测量装置，包括：
机架1，包括底板11和设置于底板11上的安装架12；
悬挂机构2，其上端连接于机架1上；
平衡梁3，连接于悬挂机构2另一端且悬挂设置；
待测推力器4，设置于平衡梁3一端，用于施加使所述平衡梁3绕悬挂机构2转动的作用力以产生偏移量；
标准冷气推力器5，设置于平衡梁3另一端，安装方向与待测推力器4相同，用于产生校准标准推力进行标定工作，且在标定工作结束后产生驱使平衡梁3回复至初始位置的回复力。
本发明提供了一种基于冷气推力器闭环控制的弱力测量装置，将标准冷气推力器同时作为校准标准力源与回复执行机构，大大简化了机构构成，简化了实验步骤，缩短了实验进程，且标准冷气推力器5作为回复力源参与扭摆的闭环控制，实现推力测量过程中的零偏移，从而实现零偏摆。
由于在待测推力器4的推力标定过程中，标准力源与待测力源在平衡梁3上的平衡性与标定结果有直接关系，一旦平衡发生变化，容易引入误差，导致测量推力出现偏差，最终影响待测推力器4的标定结果。故本发明设置了平衡装置6。
所述平衡装置6包括：至少一个配重单元61，设置于平衡梁3上，设有配重物；
配重调节机构62，连接于配重单元61上，用于调节配重物的重量来调节平衡梁3的平衡，具体通过增加或者减少配重物的数量来配重单元61的重量以此来改变平衡梁3端部结构的重心来实现平衡的调节。
如图3所示，为了方便操作，本实施例在平衡梁3两端均设有配重单元61，且所述配重调节机构62单独控制两个配重单元61，提高平衡梁3端部结构重心调整的可操作性。
作为一种实施方式，所述配重单元61具有容腔611，配重调节机构62为泵组件且通过软质管道连接于容腔611上，所述配重物为水等液体。为了方便表述，本实施例以水作为说明对象，所述配重调节机构62用于增加或者减少容腔611内的水量来实现调节平衡的效果。
由于上述部分只能调节平衡梁3左右两侧的平衡，而平衡梁3前后两侧的平衡同样对标定结果具有很大影响。故作为本发明的一种优选方案，所述配重单元61包括容腔611、位于容腔内的活塞组件612和驱动容腔611运动的驱动电机613，所述容腔611与活塞组件612端面之间布满水，并且活塞组件612与水相接触的部分为斜面结构，使得整个配重单元61的重心并不处于配重单元61的结构中心。
通过前述方法调整完平衡臂3的左右平衡之后，通过驱动电机613转动容腔611，使得配重单元61的重心绕着驱动电机613的旋转中心缓缓转动，从而微调平衡臂3两端部分的重心位置，使得平衡臂3前后平衡。
其中，所述活塞组件612与水相接触的部分也可以为曲面结构或者其他可以使得配重单元61的重心并不处于配重单元61的结构中心的结构均可。
为了使得活塞组件612可以紧贴配重物设置，且可以随着配重物的增加或者减少而进行自动调整，本实施例的活塞组件612包括与配重物相抵的活塞本体6121和驱使活塞本体6121抵于配重物上的驱动部6122，所述活塞本体6121与配重物相抵的端面为斜面或者曲面。
作为一种实施方式，所述驱动部6122可以为弹簧，所述弹簧一端连接于容腔611上壁面，另一端连接于活塞本体6121上，且所述弹簧一直位于压缩状态，以便使得活塞组件612可以紧贴配重物设置。
所述驱动电机613为设置于平衡梁3上的旋转电机，其驱动端连接容腔611用于驱动容腔611转动以改变容腔611的重心位置。
作为一种优选方式，所述平衡梁3为空心长方体结构，驱动电机613设置于该空心长方体结构内，便于安装。同时，将平衡梁3设置于空心长方体结构，可以减小质量，减小对标定的影响。
所述悬挂机构2包括悬挂丝21、固定悬挂丝21一端的第一固定机构22、固定悬挂丝21另一端的第二固定机构23，第二固定机构23连接于平衡梁3上，实现对平衡梁3的悬挂设置。
具体的，所述第一固定机构22包括夹持悬挂丝21的第一夹具和驱动第一夹具转动的转动电机。
还包括平衡检测组件7，所述平衡检测组件包括设置于平衡梁3上的激光反射镜71、移动配合于机架上且与激光反射镜71配合实现平衡检测的激光位移传感器72；所述激光位移传感器72通过三坐标移动台设置于机架1上，通过三坐标移动台来驱动激光位移传感器72进行移动，实现激光位移传感器72运动至与激光反射镜71正对设置且位于同一高度，同时，调节激光位移传感器72的位置使得激光位移传感器72与激光反射镜71的距离约等于基准距离30mm。
还包括设置于平衡梁3上的束线模块8，待测推力器4、标准冷气推力器5的气体管路与电路被引导至束线模块8且穿过束线模块8设置，且所述束线模块8位于悬挂机构2的扭转中心正下方。其中，所述束线模块8内部为中空结构，待测推力器4、标准冷气推力器5与电路可以通过平衡梁3内部的空心结构引导至束线模块8处，并穿过束线模块8，被统一引导到外部，可有效避免电路与气体管路对实验结果的影响，尤其是可有效减弱参与扭转后引起平衡梁3的非线性转动。
本发明在使用时，首先通过平衡装置6调节平衡梁3的平衡，再通过控制转动电机缓缓转动平衡梁3使得激光位移传感器72与激光反射镜71的镜面相互平行，再通过三坐标移动台控制激光位移传感器72的位置使得激光位移传感器72与激光反射镜71正对设置且位于同一高度。一般调节至激光反射镜71与激光位移传感器72镜面大致平行，激光位移传感器72上位机软件的接受反射角接近零度即可。调节完成后在本次实验中三坐标移动台和转动电机将处于关机状态，确保实验过程中的一致与稳定性，并防止其中的电信号对推力测量的影响。
作为一种优选方式，还包括设置于机架1上的阻尼组件9，所述阻尼组件9包括位于平衡梁3上的阻尼端91，所述平衡梁3上设有与阻尼端91配合实现平衡梁3快速稳定的阻尼部31。
作为一种实施方式，所述阻尼端91上设有磁铁，阻尼部31上设有线圈，在一次实验完成后，平衡梁3会有一定的水平方向的往复转动，移动阻尼组件9使得阻尼端91位于平衡梁3上方，通过磁铁与线圈配合通过楞次定律实现阻尼效果，使平横臂3更快速的趋于稳定状态。
所述阻尼组件9通过二坐标移动台设置于机架1上，实验进行时，每结束一次标定，操控二坐标移动台将阻尼组件9向前运动轻轻抵于平衡梁3上，加速停止平衡梁3的扭转。推力测量前，移动阻尼组件9，使阻尼端91对准平衡梁3的阻尼部31上，推力测量开始后，关闭二坐标移动台，在标准冷气推力器5回复力作用后，平衡梁3会在零偏基线位置上周期性扭转，标准冷气推力器5可有效的使平衡梁3的扭转快速衰减，使平衡梁3快速趋于稳定状态，阻尼组件9加速了标定与实验进程，提升实验效率。
其中，本实例的测量原理如下述：
由于工作环境为近似真空环境，平衡梁3的扭转状态为极微弱阻尼的衰减周期性扭转，激光位移传感器上位机软件上的位移图像相应的呈现出逐渐衰减的正弦波，取多个稳定周期(例如5个)，取其振幅平均值为此状态下的中心线。在无待测推力时，取此时的中心线为基线，即零位移零推力线。待测推力器4产生推力后，基线会偏移到一条特定的中心线上，平衡梁3围绕此中心线做衰减周期扭转，基线的偏移量对应一个特定的偏转角度，通过该偏转角度可以直接反应推力值的大小。
由扭摆的静态公式：T·L＝kθ，其中为T推力，可知推力值与偏转角度呈正比例关系。在激光反射镜71距悬挂丝24的距离远大于基线偏移量时，偏转角度近似等于偏转位移，即基线偏转位移与待测推力呈正比例关系，满足公式：T·L＝kΔx。确定基线偏移量Δx与待测推力之间的线性表达式即可完成对本微牛级弱力测量系统的标定。
一种基于冷气推力器闭环控制的弱力测量方法，包括：
准备工作：调整平衡装置6使得平衡梁3处于稳定的水平状态，调节悬挂机构2的转动电机使平衡梁3处于初始零偏移位置；调节三坐标移动台使得激光位移传感器72与激光反射镜71正对设置且位于同一高度并使激光位移传感器72与激光反射镜71的距离为标准基准距离30mm；调节二坐标移动台，使阻尼组件9与平衡梁3处于同一水平高度，并适当调节阻尼组件9与平衡梁3的前后位置；
检测过程：
S100：使用标准冷气推力器5给定一系列标准推力，致使平衡梁3发生多次偏移，并通过激光位移传感器72获取多个第一偏移量并拟合获得初始标定线；使用标准冷气推力器5作为标准力源，用于产生校准标准推力，进行在线标定；
其中，标准冷气推力器5的理论推力公式为：
其中
为质量流量，
其中M为气体摩尔质量，f为以sccm为单位的气体流量值，Vm为气体摩尔体积。
ve为出口气体流速，
k为比热比，Rm为气体常数，T0为气体温度，pout为喷管出口处压强，pin为喷管入口处压强。
pa为环境压强。
Ae为喷管出口截面积。
整合得到
操作时，使用标准冷气推力器5给定一系列标准推力F1，F2，F3…..，可得到一系列偏转角对应的第一偏移量Δx1，Δx2，Δx3……，拟合后可得到初始标定线Fs＝aΔx，其中a为线性拟合常数；
S200：通过标准冷气推力器5、待测推力器4的重心与悬挂机构2的水平距离配合初始标定线来获得推力标定线；具体的，根据扭摆力矩平衡Fs·L2＝T·L1，其中L1为待测推力器4重心到悬挂丝21的水平距离，L2为标准冷气推力器5重心到悬挂丝21的水平距离；
推力标定线即为：
即推力值T与测量所得的基线偏移量Δx间的线性关系。
S300：待平衡梁3复位后，待测推力器4上电上气开始工作，产生一个推力值T，并对应一个扭转旋转角度θ，此扭转角度又可反应为基线偏移(取平衡梁3初始位置为标准基线，此时的极限偏移量为Δx＝0)，在激光位移传感器上位机软件上可读取到相应的位移波形，从中提取五个稳定周期并取其中线作为该推力工作点下的偏移基线，并可计算得到第二偏移量Δx；
S400：通过第二偏移量Δx与推力标定线
得出待测推力器4产生的待测推力，即得出相应的待测推力大小，以完成开环测量过程；待测推力器4产生不同的待测推力，通过上述方法测得相应的推力大小。
S500：为了使平衡梁3在工作状态时回复至初始基线位置，从而实现零偏摆，实现推力的闭环测量，将该待测推力数据传递至处理器，根据扭摆力矩平衡Fs·L2＝T·L1公式，处理器计算出标准冷气推力器5需产生的回复推力Fs，并迅速的执行此推力，使标准冷气推力器5产生回复力Fs，致使平衡梁3在初始位置附近进行周期性扭转；
平衡梁3满足Fs·L2＝T·L1后将在初始基线位置附近进行周期性扭转，并在阻尼组件9的阻尼作用下进行衰减的周期扭转，逐渐趋于稳定状态；
S600：激光位移传感器72会持续测量极限偏移量Δx并持续传递给处理器，根据Δx的大小和正负实时调节回复推力Fs的大小，使基线的偏移量趋向于零，完成推力测量的闭环控制。
测量结束，同时关闭待测推力器4与标准冷气推力器5，关闭激光位移传感器72等结构。
实施例2
如图4所示，实施例2与实施例1的区别在于，所述驱动电机613为设置于容腔611内的旋转电机，所述配重单元61上设有连接于平衡梁3上的连接柱，所述驱动部6122的驱动端连接有驱动板，所述驱动部6122连接于驱动板上，所述驱动电机613驱动活塞组件612转动以改变容腔611的重心位置。本实施例将所述驱动电机613内置于容腔611内，减少驱动电机613工作时与平衡梁3之间产生的震动。
所述平衡检测组件包括垂直设置的两个水平尺，所述两个水平尺用于检测左右和前后两个方向的平衡度。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围以权利要求所限定的范围为准，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内做出的若干改进和润饰，也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于冷气推力器闭环控制的弱力测量装置，包括：
机架(1)；
悬挂机构(2)，一端连接于机架(1)上；
平衡梁(3)，连接于悬挂机构(2)另一端且悬挂设置；
其特征在于，还包括：
待测推力器(4)，设置于平衡梁(3)一端，用于施加使所述平衡梁(3)绕悬挂机构(2)转动的作用力；
标准冷气推力器(5)，设置于平衡梁(3)另一端，用于产生校准标准推力且在标定结束后产生驱使平衡梁(3)回复至初始位置的回复力。
2.根据权利要求1所述的一种基于冷气推力器闭环控制的弱力测量装置，其特征在于，还包括平衡装置(6)，所述平衡装置(6)包括：
至少一个配重单元(61)，设置于平衡梁(3)上，设有配重物；
配重调节机构(62)，连接于配重单元(61)上，用于调节配重物的重量来调节平衡梁(3)的平衡。
3.根据权利要求2所述的一种基于冷气推力器闭环控制的弱力测量装置，其特征在于，所述配重单元(61)包括容腔(611)、位于容腔内的活塞组件(612)和驱动容腔(611)运动的驱动电机(613)，所述容腔(611)与活塞组件(612)端面之间布满配重物。
4.根据权利要求3所述的一种基于冷气推力器闭环控制的弱力测量装置，其特征在于，所述活塞组件(612)包括与配重物相抵的活塞本体(6121)和驱使活塞本体(6121)抵于配重物上的驱动部(6122)，所述活塞本体(6121)与配重物相抵的端面为斜面或者曲面。
5.根据权利要求4所述的一种基于冷气推力器闭环控制的弱力测量装置，其特征在于，所述驱动电机(613)为设置于平衡梁(3)上的旋转电机，其驱动端连接容腔(611)用于驱动容腔(611)转动以改变容腔(611)的重心位置；
或者，所述驱动电机(613)为设置于容腔(611)内的旋转电机，所述驱动部(6122)的驱动端连接有驱动板，所述驱动部(6122)连接于驱动板上，所述驱动电机(613)驱动活塞组件(612)转动以改变容腔(611)的重心位置。
6.根据权利要求1所述的一种基于冷气推力器闭环控制的弱力测量装置，其特征在于，所述悬挂机构(2)包括悬挂丝(21)、固定悬挂丝(21)一端的第一固定机构(22)、固定悬挂丝(21)另一端的第二固定机构(23)，所述第一固定机构(22)设置于机架上，第二固定机构(23)连接于平衡梁(3)上。
7.根据权利要求1所述的一种基于冷气推力器闭环控制的弱力测量装置，其特征在于，还包括平衡检测组件(7)，所述平衡检测组件包括设置于平衡梁(3)上的激光反射镜(71)、移动配合于机架上且与激光反射镜(71)配合实现平衡检测的激光位移传感器(72)；
或者所述平衡检测组件包括垂直设置的两个水平尺。
8.根据权利要求1所述的一种基于冷气推力器闭环控制的弱力测量装置，其特征在于，还包括设置于平衡梁(3)上的束线模块(8)，待测推力器(4)、标准冷气推力器(5)的气体管路与电路被引导至束线模块(8)且穿过束线模块(8)设置，且所述束线模块(8)位于悬挂机构(2)的扭转中心正下方。
9.一种基于冷气推力器闭环控制的弱力测量方法，其特征在于，包括：
S100:使用标准冷气推力器(5)给定一系列标准推力，致使平衡梁(3)发生多次偏移，并通过激光位移传感器(72)获取多个第一偏移量并拟合获得初始标定线；
S200：通过标准冷气推力器(5)、待测推力器(4)的重心与悬挂机构(2)的水平距离配合初始标定线来获得推力标定线；
S300：待平衡梁(3)复位后，待测推力器(4)工作致使平衡梁(3)旋转偏移，并通过激光位移传感器(72)获取第二偏移量；
S400：通过第二偏移量与推力标定线得出待测推力器(4)产生的待测推力，以完成开环测量过程。
10.根据权利要求9所述的一种基于冷气推力器闭环控制的弱力测量方法，其特征在于，还包括：
S500：标准冷气推力器(5)产生回复力致使平衡梁(3)在初始位置附近进行周期性扭转；
S600：激光位移传感器(72)持续测量平衡梁(3)的极限偏移量并持续传递给处理器，根据极限偏移量的大小和正负实时调节回复力的大小，使极限偏移量趋向于零，完成推力测量的闭环控制。
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