CN115290239A - 基于平行四边弹性形机构的微小推进力测量装置及方法 - Google Patents

基于平行四边弹性形机构的微小推进力测量装置及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115290239A
CN115290239A CN202210912894.6A CN202210912894A CN115290239A CN 115290239 A CN115290239 A CN 115290239A CN 202210912894 A CN202210912894 A CN 202210912894A CN 115290239 A CN115290239 A CN 115290239A
Authority
CN
China
Prior art keywords
micro
parallelogram
propeller
elastic mechanism
force
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.)
Pending
Application number
CN202210912894.6A
Other languages
English (en)
Inventor
杨永
赵美蓉
郑叶龙
黄银国
朱春源
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 CN202210912894.6A priority Critical patent/CN115290239A/zh
Publication of CN115290239A publication Critical patent/CN115290239A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • 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

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

Abstract

一种基于平行四边弹性形机构的微小推进力测量装置及方法，有平行四边形弹性机构、微推进器和位移传感器，平行四边形弹性机构的一端连接微推进器，位移传感器连接在所述微推进器上，用于采集微推进器输出微小推进力时平行四边形弹性机构的位移量，从而得到微推进器的推力值。本发明由于平行四边形弹性机构中柔性铰链的特殊结构，因此，具有结构简单、单自由度运动、高承载能力、无附加刚度，可以实现微小推进力的高精度测量的优点。本发明的微小推进力分辨力与承载推进器的能力，是由平行四边形弹性机构的材料、几何结构等参数决定，通过参数最优化设计，可以显著提高测量装置的性能参数。本发明能够突破现有微小推进力测量装置的小推重比测量难题。

Description

基于平行四边弹性形机构的微小推进力测量装置及方法
技术领域
本发明涉及一种微小推进力测量装置。特别是涉及一种基于平行四边弹性形机构的微小推进力测量装置及方法。
背景技术
未来空间引力波探测中，编队卫星平台需要处于超静超稳状态，必须采用无拖曳控制技术克服非保守力干扰。微推进器作为无拖曳控制技术的微推力补偿执行机构，应具备提供高精度低噪声微牛级推力的能力，如何准确测量微推进器推力是一个关键问题。微小推进力测量过程中存在推重比小的难题，即推进力相对于推进器重量过小，这就意味着需要更大的刚度来承载推进器的重量，导致测量分辨力不足，因此需要对微小推进力测量装置与方法展开研究。
根据测量台架是否与推进器直接连接可以将测量方法分为间接测量法和直接测量法，其中间接测量是一种非接触式测量方法，通过测量推进器工作过程中喷射羽流的冲击力来计算微小推进力，但是其无法直接反映推进器的推力大小，测量不确定度较大。直接测量法是将推进器与测量装置固定连接，将推力转换为测量装置的形变量，根据胡克定律，测得位移或转角，即可测量微小推进力。常见的推力测量系统如杠杆系统和扭摆系统，在测量过程中需要配重保持测量台架的平衡，随着推进剂的消耗，在重负载下难以保持稳定状态，会产生多自由度运动。而单摆结构会因为推进器本身的重量引入附加刚度，在位移测量分辨力一定的情况下，使微小推进力测量分辨力不足，难以满足高精度的测量需求。
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，提供一种具有结构简单、单自由度运动、高承载能力、无附加刚度的基于平行四边弹性形机构的微小推进力测量装置及方法。
本发明所采用的技术方案是：一种基于平行四边弹性形机构的微小推进力测量装置，包括有，平行四边形弹性机构、微推进器和位移传感器，其中，所述平行四边形弹性机构的一端连接微推进器，所述的位移传感器连接在所述微推进器上，用于采集微推进器输出微小推进力时平行四边形弹性机构的位移量，从而得到微推进器的推力值。
所述的平行四边形弹性机构包括有：构成平行四边形弹性机构横向平行的上弹性杆和下弹性杆，构成平行四边形弹性机构的纵向平行的左侧边为用于与其他部件相固定的固定边，右侧边为受力支撑边，所述受力支撑边连接所述微推进器。
所述的上弹性杆和下弹性杆结构相同，均是在杆体上一体形成有两个结构相同的椭圆弧柔性铰链。
所述的椭圆弧柔性铰链是由两个椭圆弧的弧底部一体连接形成。
所述的固定边上形成有用于与其他部件固定连接的通孔。
一种基于平行四边弹性形机构的微小推进力测量装置的测量方法，包括如下步骤：
1)将平行四边形弹性机构中的受力支撑边侧与微推进器固定连接，采用电磁标准力源(4)作为微小推进力输出标准电磁力到微推进器，进行整个测量装置的刚度标定，根据胡克定律，得到平行四边形弹性机构的刚度ky为：
Figure BDA0003774466450000021
其中，ΔFB为电磁标准力源输出的标准力，ΔyB为位移传感器测得的平行四边形弹性机构输出的位移；
2)进行微小力测量，微推进器工作输出推力，由位移传感器测得平行四边形弹性机构的位移Y，通过如下公式计算出微推进器的推力FT：
FT＝ky·Y。
本发明的基于平行四边弹性形机构的微小推进力测量装置及方法，由于平行四边形弹性机构中柔性铰链的特殊结构，因此，具有结构简单、单自由度运动、高承载能力、无附加刚度，可以实现微小推进力的高精度测量的优点。本发明装置的微小推进力分辨力与承载推进器的能力，是由平行四边形弹性机构的材料、几何结构等参数决定，通过参数最优化设计，可以显著提高测量装置的性能参数。并可根据不同的应用场景，改变相应参数以适应不同的测力范围与载重范围。本发明能够突破现有微小推进力测量装置的小推重比测量难题。
附图说明
图1是本发明基于平行四边弹性形机构的微小推进力测量装置的等轴侧视图；
图2是本发明基于平行四边弹性形机构的微小推进力测量装置的俯视图；
图3是本发明中椭圆弧柔性铰链的等轴侧视图；
图4是本发明中椭圆弧柔性铰链的俯视图；
图5是本发明中平行四边形弹性机构沿推进力方向(y轴方向)的刚度变化图；
图6是本发明中平行四边形弹性机构在微推进器的重力方向(z轴方向)的刚度变化图。
图中
1：平行四边形弹性机构 1.1：上弹性杆
1.2：上弹性杆下弹性杆 1.3：固定边
1.4：受力支撑边 1.5：椭圆弧柔性铰链
1.6：通孔 2：微推进器
3：位移传感器 4：电磁标准力源
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的基于平行四边弹性形机构的微小推进力测量装置及方法做出详细说明。
如图1、图2所示，本发明的基于平行四边弹性形机构的微小推进力测量装置，包括有，平行四边形弹性机构1、微推进器2和位移传感器3，其中，所述平行四边形弹性机构1的一端连接微推进器2，所述的位移传感器3连接在所述微推进器2上，用于采集微推进器2输出微小推进力时平行四边形弹性机构1的位移量，从而得到微推进器2的推力值。
所述的平行四边形弹性机构1包括有：构成平行四边形弹性机构1横向平行的上弹性杆1.1和下弹性杆1.2，构成平行四边形弹性机构1的纵向平行的左侧边为用于与其他部件相固定的固定边1.3，所述的固定边1.3上形成有用于与其他部件固定连接的通孔1.6，右侧边为受力支撑边1.4，所述受力支撑边1.4连接所述微推进器2。
所述的上弹性杆1.1和下弹性杆1.2结构相同，均是在杆体上一体形成有两个结构相同的椭圆弧柔性铰链1.5。所述的椭圆弧柔性铰链1.5是由两个椭圆弧的弧底部一体连接形成。
本发明的实施例中，所述的微推进器可以采用冷气推进器或离子推进器或化学推进器等。所述的标准力源可以是：电磁力(一个螺旋线圈通电产生磁场，另一个为永磁体受磁场力作用)、静电力(两个平行极板间通电存在静电力)。
本发明的基于平行四边弹性形机构的微小推进力测量装置的功能具体的实现过程如下。
1、利用电磁标准力源输出已知大小的微小力通过微推进器作用到平行四边形弹性机构上，位移传感器在微推进器另一侧测量从微推进器所反应出的平行四边形弹性机构的位移Δyi，将位移距离Δyi与电磁标准力源输出力ΔFi进行拟合，得到关系式：
ΔFi＝k·Δyi (1)
根据胡克定律，系数k即为平行四边形弹性机构的刚度，与平行四边形弹性机构的材料与结构参数有关。根据理论分析，平行四边形弹性机构的刚度可以表示为：
Figure BDA0003774466450000031
其中，kθ,M为平行四边形弹性机构中四个椭圆弧柔性铰链的角刚度，l为椭圆弧柔性铰链之间的距离，参考图1、图2、图3、图4所示。
2、如图3所示，同样参数下，绕y轴的角刚度kθ,My比绕z轴的角刚度kθ,Mz大很多。因此，由公式(2)可得，沿y轴方向(推进力方向)的刚度要比沿z轴方向(微推进器的重力方向)小很多。通过设计适当的参数，即可实现小推重比的微小推进力测量。
椭圆弧柔性铰链绕z轴的角刚度kθ,Mz(参考CHEN G,SHAO X,HUANG X 2008.A newgeneralized model for elliptical arc flexure hinges.Rev Sci Instrum[J],79:095103.)为：
Figure BDA0003774466450000032
Figure BDA0003774466450000033
其中，a，b分别为椭圆弧柔性铰链的长半轴和短半轴；w为椭圆弧柔性铰链的宽度；E为材料的弹性模量；t为椭圆弧柔性铰链的最小切割厚度，s＝b/t，
Figure BDA0003774466450000034
为椭圆弧柔性铰链的最大偏心角
Figure BDA0003774466450000041
如图1、图2、图3、图4所示。而微推进器的重力方向角刚度，即绕y轴的角刚度为：
Figure BDA0003774466450000042
Figure BDA0003774466450000043
设计不同的参数，可以满足不同的微推进器重量与微小推进力测量。由公式(2)可得，平行四边形弹性机构的沿推进力方向的刚度ky和沿推进器重力方向的刚度kz。当移传感器的位移分辨力为10nm时，满足微小推进力测量分辨力为1μN，则需要沿推进力方向刚度ky小于100N/m。当选用铝合金2024-T4作为平行四边形弹性机构的材料(E＝68Gpa)，并且结构参数为a＝30mm，b＝5mm，w＝60mm，l＝300mm，
Figure BDA0003774466450000044
时，刚度ky的理论值为97.7N/m，刚度kz的理论值为1.04×106N/m。变化参数w的刚度ky，kz大小变化，如图5、图6所示。
3、根据公式(1)，即可进行微小推进力测量。将微推进器加载到平行四边形弹性机构上，微推进器输出微小推进力到平行四边形弹性机构，通过位移传感器输出位移的变化可知相应的微小推进力大小ΔF。
由上述说明可知，利用基于椭圆弧柔性铰链的平行四边形弹性机构y轴、z轴刚度不同的特点，设计的本发明的基于平行四边弹性形机构的微小推进力测量装置，结构简单、单自由度运动、高承载能力、无附加刚度的装置，可以实现微小推进力的高精度测量。
本发明的基于平行四边弹性形机构的微小推进力测量装置的测量方法，包括如下步骤：
1)将平行四边形弹性机构1中的受力支撑边1.4侧与微推进器2固定连接，采用电磁标准力源4作为微小推进力输出标准电磁力到微推进器2，进行整个测量装置的刚度标定，根据胡克定律，得到平行四边形弹性机构1的刚度ky为：
Figure BDA0003774466450000045
其中，ΔFB为电磁标准力源输出的标准力，ΔyB为位移传感器3测得的平行四边形弹性机构1输出的位移；
2)进行微小力测量，微推进器2工作输出推力，由位移传感器3测得平行四边形弹性机构1的位移Y，通过如下公式计算出微推进器2的推力FT：
FT＝ky·Y (8)。
综上所述，本发明的基于平行四边弹性形机构的微小推进力测量装置及方法，利用柔性铰链的平行四边形机构的结构特点，装置具有结构简单、单自由度运动、高承载能力、无附加刚度的优点。

Claims (6)

1.一种基于平行四边弹性形机构的微小推进力测量装置，其特征在于，包括有，平行四边形弹性机构(1)、微推进器(2)和位移传感器(3)，其中，所述平行四边形弹性机构(1)的一端连接微推进器(2)，所述的位移传感器(3)连接在所述微推进器(2)上，用于采集微推进器(2)输出微小推进力时平行四边形弹性机构(1)的位移量，从而得到微推进器(2)的推力值。
2.根据权利要求1所述的基于平行四边弹性形机构的测量装置，其特征在于，所述的平行四边形弹性机构(1)包括有：构成平行四边形弹性机构(1)横向平行的上弹性杆(1.1)和下弹性杆(1.2)，构成平行四边形弹性机构(1)的纵向平行的左侧边为用于与其他部件相固定的固定边(1.3)，右侧边为受力支撑边(1.4)，所述受力支撑边(1.4)连接所述微推进器(2)。
3.根据权利要求2所述的基于平行四边弹性形机构的微小推进力测量装置，其特征在于，所述的上弹性杆(1.1)和下弹性杆(1.2)结构相同，均是在杆体上一体形成有两个结构相同的椭圆弧柔性铰链(1.5)。
4.根据权利要求3所述的基于平行四边弹性形机构的微小推进力测量装置，其特征在于，所述的椭圆弧柔性铰链(1.5)是由两个椭圆弧的弧底部一体连接形成。
5.根据权利要求2所述的基于平行四边弹性形机构的微小推进力测量装置，其特征在于，所述的固定边(1.3)上形成有用于与其他部件固定连接的通孔(1.6)。
6.一种权利要求1所述的基于平行四边弹性形机构的微小推进力测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将平行四边形弹性机构(1)中的受力支撑边(1.4)侧与微推进器(2)固定连接，采用电磁标准力源(4)作为微小推进力输出标准电磁力到微推进器(2)，进行整个测量装置的刚度标定，根据胡克定律，得到平行四边形弹性机构(1)的刚度ky为：
Figure FDA0003774466440000011
其中，ΔFB为电磁标准力源输出的标准力，ΔyB为位移传感器(3)测得的平行四边形弹性机构(1)输出的位移；
2)进行微小力测量，微推进器(2)工作输出推力，由位移传感器(3)测得平行四边形弹性机构(1)的位移Y，通过如下公式计算出微推进器(2)的推力FT：
FT＝ky·Y。
CN202210912894.6A 2022-07-31 2022-07-31 基于平行四边弹性形机构的微小推进力测量装置及方法 Pending CN115290239A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210912894.6A CN115290239A (zh) 2022-07-31 2022-07-31 基于平行四边弹性形机构的微小推进力测量装置及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210912894.6A CN115290239A (zh) 2022-07-31 2022-07-31 基于平行四边弹性形机构的微小推进力测量装置及方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115290239A true CN115290239A (zh) 2022-11-04

Family

ID=83825465

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210912894.6A Pending CN115290239A (zh) 2022-07-31 2022-07-31 基于平行四边弹性形机构的微小推进力测量装置及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115290239A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116124344A (zh) * 2023-01-04 2023-05-16 中国科学院力学研究所 一种基于Roberval平衡结构的微推力测量装置
CN117268611A (zh) * 2023-10-13 2023-12-22 中科星动力(北京)科技有限公司 一种竖直扭摆高精度微推力测量装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102169035A (zh) * 2010-12-22 2011-08-31 中国科学院广州能源研究所 扭摆式高精度微推力测量系统
CN102539028A (zh) * 2012-01-04 2012-07-04 天津大学 基于静电力原理的垂直式超微力值测量装置及其溯源方法
CN106482886A (zh) * 2016-12-19 2017-03-08 天津大学 基于自重平衡铰链的微力溯源装置和方法
CN114608771A (zh) * 2022-03-21 2022-06-10 天津大学 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

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102169035A (zh) * 2010-12-22 2011-08-31 中国科学院广州能源研究所 扭摆式高精度微推力测量系统
CN102539028A (zh) * 2012-01-04 2012-07-04 天津大学 基于静电力原理的垂直式超微力值测量装置及其溯源方法
CN106482886A (zh) * 2016-12-19 2017-03-08 天津大学 基于自重平衡铰链的微力溯源装置和方法
CN114608771A (zh) * 2022-03-21 2022-06-10 天津大学 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

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
朱春源等: "基于平行四边形机构的推力器推力测量研究", 仪器仪表学报, 30 April 2022 (2022-04-30), pages 98 - 107 *
蔡雪;赵美蓉;郑叶龙;张国强;: "用于10~(-6)N～10~(-5)N微力测量的柔性铰链机构设计", 传感技术学报, no. 11, 15 November 2014 (2014-11-15), pages 9 - 14 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116124344A (zh) * 2023-01-04 2023-05-16 中国科学院力学研究所 一种基于Roberval平衡结构的微推力测量装置
CN116124344B (zh) * 2023-01-04 2024-04-09 中国科学院力学研究所 一种基于Roberval平衡结构的微推力测量装置
CN117268611A (zh) * 2023-10-13 2023-12-22 中科星动力(北京)科技有限公司 一种竖直扭摆高精度微推力测量装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN115290239A (zh) 基于平行四边弹性形机构的微小推进力测量装置及方法
Yang et al. A torsion balance for impulse and thrust measurements of micro-Newton thrusters
Conner et al. Nonlinear behavior of a typical airfoil section with control surface freeplay: a numerical and experimental study
CN111099045B (zh) 双超卫星动力学与控制气浮平台全物理仿真方法
CN111373875B (zh) 高精度宽量程微推力测量系统
CN105784224B (zh) 基于零刚度挠性支承的扭矩校准测量装置
CN108897239B (zh) 一种航天器两级姿态控制模拟系统
Wang et al. A rod type linear ultrasonic motor utilizing longitudinal traveling waves: proof of concept
CN106742090B (zh) 平面运动气浮工作台上多柔性板结构振动测控装置与方法
Barrett et al. Post-buckled precompressed (PBP) actuators: enhancing VTOL autonomous high speed MAVs
Xu et al. A compound pendulum for thrust measurement of micro-Newton thruster
CN115165295A (zh) 微量气动载荷测量装置及其应用方法
Kakami et al. Magnetically-levitated thrust stand for evaluating 6-component thrust vector of 1-N class onboard propulsion devices
Walker et al. Experimental investigation of tape springs folded in three dimensions
Yu et al. Parametric design of mechanical dither with bimorph piezoelectric actuator for ring laser gyroscope
Schimke et al. Wind tunnel evaluation of a full scale piezoelectric flap control unit
US7893602B1 (en) Dual-use transducer for use with a boundary-stiffened panel and method of using the same
Neumann et al. The 250mN Thrust Balance for the DLR Goettingen EP Test Facility
Wang et al. A torsional thrust balance with asymmetrical configuration for microthruster performance evaluation
CN110333019A (zh) 一种用于测量电推力器动压特性的压力探针及测量系统
CN116520719A (zh) 适用于挠性航天器姿态动力学全物理仿真的方法及系统
Yu et al. Modeling analysis of a triaxial microaccelerometer with piezoelectric thin-film sensing using energy method
Seo et al. Design, fabrication, and calibration of a micro-load cell for micro-resistojet development
Woody et al. Performance comparison and modeling of PZN, PMN, and PZT stacked actuators in a levered flexure mechanism
CN111638721A (zh) 一种航天器三超控制全链路扰动传递验证系统及验证方法

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