CN116577009B - 一种用于检验质量释放冲量的三轴解耦测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于检验质量释放冲量的三轴解耦测量装置，包括：垂直悬挂模块的一侧固定，另一侧与双轴悬挂模块相连，以将双轴悬挂模块垂直悬挂，且与双轴悬挂模块相连的臂能随着双轴悬挂模块牵引力变化而上下移动；双轴悬挂模块一条臂的两端用于通过上层簧片与垂直悬挂模块连接，另一条臂的两端通过下层簧片与摆架连接；摆架承载被锁紧释放结构锁紧的检验质量，以便当机构释放检验质量时，释放产生的冲量引起摆架沿三个正交方向平移；位移测量模块，用于测量摆架在三个正交方向的位移，以结合检验质量的质量和确定检验质量在三个正交方向的释放冲量。本发明实现检验质量释放冲量3个分量的解耦和同时测量，提升了检验质量释放冲量的测量精度。
Description
技术领域
本发明属于空间探测技术领域，更具体地，涉及一种用于检验质量释放冲量的三轴解耦测量装置。
背景技术
引力波探测对广义相对论、天文观测和宇宙学等领域具有重要意义。惯性传感器作为空间引力波探测和卫星重力测量等核心载荷，其核心任务是要保证其内部的检验质量在框架内自由悬浮，而锁紧释放机构是实现检验质量在理想位置悬浮的核心关键技术之一。当卫星到达指定的轨道高度后，要求锁紧释放机构将检验质量以较高的定位精度、极低地残余速度释放，如果检验质量释放失败或者释放速度过大，电容控制系统将无法将检验质量拉回理想的悬浮状态，将导致整个任务失败。因此，我们需要在地面测试锁紧释放机构释放检验质量中产生的冲量。
但是目前测试只能同时测量检验质量释放冲量的一个或两个方向的分量，不能给出总冲量的大小和方向。因此需要研究一种能够同时测量冲量三个分量的大小，给出总冲量的大小和方向的装置，来满足日益增长的科技发展需求。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于检验质量释放冲量的三轴解耦测量装置，旨在解决测试只能同时测量检验质量释放冲量的一个或两个方向的分量，不能测量总冲量的大小和方向的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于检验质量释放冲量的三轴解耦测量装置，包括：垂直悬挂模块、双轴悬挂模块、摆架及位移测量模块；
所述垂直悬挂模块的一侧固定，另一侧用于与双轴悬挂模块相连，以将所述双轴悬挂模块垂直悬挂，且与双轴悬挂模块相连的臂能随着双轴悬挂模块作用的牵引力变化而上下移动；
所述双轴悬挂模块包括相互垂直的两个悬挂臂，一条悬挂臂的两端用于通过上层簧片与垂直悬挂模块连接，另一条悬挂臂的两端用于通过下层簧片与摆架连接；
所述摆架，用于承载被锁紧释放结构锁紧的检验质量，以便当所述锁紧释放机构释放检验质量时，释放产生的冲量引起摆架沿三个正交方向平移；其中，所述垂直悬挂模块带动摆架沿垂直方向平移，上层簧片和下层簧片分别带动摆架沿两个相互垂直的水平方向平移；
所述位移测量模块，用于测量摆架在三个正交方向的位移，以结合检验质量的质量和确定检验质量在三个正交方向的释放冲量。
在一个可能的示例中，所述垂直悬挂模块包括：固定架、顶杆、S型弹簧及悬挂臂；
所述固定架被固定在预设位置，其下端开有刀口凹槽；
所述顶杆的一端与所述刀口凹槽接触，另一端与悬挂臂连接；
所述S型弹簧的一端与固定架上端连接，另一端连接所述顶杆的另一端；
所述悬挂臂，用于连接双轴悬挂模块；当所述悬挂臂受到垂直方向的冲量时，所述S型弹簧为悬挂臂提供回复力。
需要说明的是，三轴解耦测量装置可以用于测量检验质量在真空环境中的释放冲量或非真空环境，本领域技术人员可根据实际需要将固定架固定在对应的环境中。因此，本发明不对三轴解耦测量装置的具体应用场景做任何限定。
在一个可能的示例中，所述固定架的刀口凹槽为三角形的凹槽，所述顶杠与刀口凹槽的接触点为所述三角形凹槽的凸起，所述顶杆以三角形凹槽的一个棱作为转轴进行旋转。
在一个可能的示例中，所述的S型弹簧由长方形的金属薄片折叠弯曲多次制作而成，抑制水平方向冲量引起的顶杆水平方向摆动，且能够在垂直方向随外力上下摆动。
在一个可能的示例中，所述上层簧片和下层簧片采用金属薄片制作得到，每层簧片包括两个薄片，两层簧片相互正交放置。
在一个可能的示例中，所述摆架包括：摆框架，其为摆架的主体，结构为回字型，上端与所述下层簧片连接，下端用于承载检验质量。
在一个可能的示例中，所述摆架还包括：反射镜，其固定在摆框架下端，用于辅助位移测量模块测量摆架在三个正交方向的位移。
在一个可能的示例中，所述反射镜包括至少3个相互正交的角锥棱镜。
在一个可能的示例中，所述位移测量模块通过向反射镜发出三个正交方向的光线并接受返回的光线来确定摆架的位移。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明提供一种用于检验质量释放冲量的三轴解耦测量装置，针对冲量沿竖直方向分量的测量难题，采用垂直悬挂模块悬挂，可直接测量竖直方向的分量，并且避免对其他方向分量的耦合。针对两个水平方向分量耦合的测量难题，采用双轴悬挂模块，将水平方向的分量解耦成两个相互垂直的分量，提高了水平分量的测量精度。本发明中的整套装置实现冲量3个分量的解耦和同时测量，给出总冲量的大小和方向，提升了检验质量释放冲量测量的可靠性，测量结果精度更高。
附图说明
图1是本发明实施例提供的检验质量释放冲量的三轴解耦测量装置的正视图；
图2是本发明实施例提供的S型弹簧的一种结构设计图；
图3是本发明实施例提供的检验质量释放冲量的三轴解耦测量装置的仰视图；
图4是本发明实施例提供的检验质量释放冲量的三轴解耦装置的冲量测量方法的实现流程图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：11为固定架，12为顶杆，13为S形簧片，21为十字框架，22为上层簧片，23为下层簧片，31为摆框架，32为检验质量，33为反射镜，4为位移测量模块，5为锁紧释放机构。
具体实施方式
为方便理解，下面先对本申请实施例所涉及的有关技术术语进行解释和描述。
下面结合本申请实施例中的附图对本申请实施例进行描述。
如图1所示，本发明实施例提供的检验质量释放冲量的三轴解耦测量装置包括：垂直悬挂模块1、双轴双轴悬挂模块2、摆架3和位移测量模块4。垂直悬挂模块1一侧固定在真空容器，另一侧与双轴悬挂模块2相连，双轴悬挂模块2可相对垂直悬挂模块1进行上下移动。双轴悬挂模块2通过上端簧片与双轴悬挂模块2连接，通过下端簧片与摆架3连接，摆架3可相对双轴悬挂模块2同时两个方向的转动。摆架3下端固定检验质量，当锁紧释放机构6在释放检验质量时，在小角度情况下，释放产生的冲量分别引起摆架3下端沿三个正交方向的平移。位移测量模块4由3个正交的激光干涉仪组成，可以同时测量检验质量3个方向的位移变化，根据检验质量的质量大小和位移变化给出冲量沿3个方向的分量。根据3个方向的分量大小可给出总冲量的大小和方向。
本发明解决冲量3个分量的解耦和同时测量的难题，给出总冲量的大小和方向，提升测量检验质量释放冲量的可靠性。
本发明实施例中，垂直悬挂模块1包含固定架11、顶杆12、S型弹簧13：固定架11固定在真空容器内部，下端开有刀口凹槽；顶杆12左侧为刀口，与刀口凹槽接触，顶杆12右侧下方连接双轴悬挂模块2，当受到双轴悬挂模块2传递的竖直方向的冲量，以刀口为转轴进行转动；S型弹簧13一端固定在固定架11的上方，另一段固定在顶杆12右侧上方，当受到竖直方向的冲量，为顶杆12的转动提供回复力。
固定架11和顶杆12采用刀口方式连接，固定架11加工一个三角形的凹槽，顶杠左侧为三角形凸起， 顶杠以凹槽的一个棱作为转轴进行旋转。
如图2所示，S型弹簧13可以采用热胀系数极小的殷钢等金属材料制作，将长方形的金属薄片折叠弯曲多次制作而成，抑制水平方向冲量引起的顶杆水平方向摆动，且能够在垂直方向上随外力上下摆动。所述的顶杆12采用热胀系数极小的微晶玻璃等材料制作，降低温度对测量精度的影响。S型弹簧13的形状为S型，簧片的弹性系数可通过改变金属薄片的厚度、宽度和弯曲次数进行改变，以适应不同测量范围的需求。
本发明实施例中，双轴悬挂模块2包括：十字框架21、上层簧片22、下层簧片23：十字框架21上表面与上层簧片22连接，下表面下层簧片23连接，两层簧片相互垂直；上层簧片22由2个形状、材料相同的簧片组成，分别固定在十字框架21的左右两侧；下层簧片23由2个形状、材料相同的簧片组成；分别固定在十字框架21的前后两侧；上下两层簧片相互垂直，摆架3在簧片作用下可绕两个相互垂直的水平轴进行转动。
具体地，上层簧片22和下层簧片23采用金属薄片制作，减小金属薄片对摆架3转动引入的弹性系数。
本发明实施例中，摆架3包括：摆框架31、检验质量32、反射镜33；摆框架31为摆架3主体，结构为回字型，上端与下层簧片23连接；检验质量固定在摆架3下端的上表面，当锁紧释放机构6在对检验质量进行释放时，释放产生的冲量分别引起摆框架31沿两个相互垂直水平轴的转动和沿竖直方向的上下移动，在小角度情况下，可以近似为摆框架31下端沿三个方向的平动；反射镜33固定在摆架3下端的下表面，用于反射位移测量仪器发出的光线。检验质量为正方体或者其他形状的几何体。反射镜33由3个相互正交的角锥棱镜组成，反射位移测量仪器发出的3个方向的光线。
本发明实施例中，如图3所示，位移测量模块4包括：位移测量仪器和信号采集设备；位移测量仪器用于向反射镜33发出光线并接受返回的光线，测量摆架3的位移信号；信号采集设备用于采集位移测量仪器输出的位移信号。位移测量仪器由3个位移测量仪器组成，位移测量仪器发出光线的方向平行于反射镜33平移的方向。
作为本发明的一个实施例，位移测量仪器可为激光干涉仪。
如图4所示，本发明还提供了一种基于上述的检验质量释放冲量的三轴解耦测量装置进行冲量测量的方法，包括下述步骤：
（1）锁紧释放机构装置根据外界控制端的控制信号释放检验质量；
（2）在检验质量受到释放冲量作用下，摆架3下端沿3个方向平动，位移测量模块4测量摆架3下端3个方向位移；
（4）根据检验质量的质量和位移计算释放冲量沿三个方向的分量大小，给出总冲量的大小和方向。
本发明实现检验质量释放冲量3个分量的解耦和同时测量，给出总冲量的大小和方向，提升了检验质量释放冲量测量的可靠性，测量结果精度更高。
应当理解的是，可以在本申请中使用的诸如“包括”以及“可以包括”之类的表述表示所公开的功能、操作或构成要素的存在性，并且并不限制一个或多个附加功能、操作和构成要素。在本申请中，诸如“包括”和/或“具有”之类的术语可解释为表示特定特性、数目、操作、构成要素、组件或它们的组合，但是不可解释为将一个或多个其它特性、数目、操作、构成要素、组件或它们的组合的存在性或添加可能性排除在外。
此外，在本申请中，表述“和/或”包括关联列出的词语中的任意和所有组合。例如，表述“A和/或B”可以包括A，可以包括B，或者可以包括A和B这二者。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是可拆卸地连接，也可以是不可拆卸地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。其中，“固定连接”是指彼此连接且连接后的相对位置关系不变。“转动连接”是指彼此连接且连接后能够相对转动。“滑动连接”是指彼此连接且连接后能够相对滑动。本申请实施例中所提到的方位用语，例如，“顶”、“底”、“内”、“外”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，因此，使用的方位用语是为了更好、更清楚地说明及理解本申请实施例，而不是指示或暗指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实施例的限制。
另外，在本申请实施例中，提到的数学概念，对称、相等、平行、垂直等。这些限定，均是针对当前工艺水平而言的，而不是数学意义上绝对严格的定义，允许存在少量偏差，近似于对称、近似于相等、近似于平行、近似于垂直等均可以。例如，A与B平行，是指A与B之间平行或者近似于平行，A与B之间的夹角在0度至10度之间均可。A与B垂直，是指A与B之间垂直或者近似于垂直，A与B之间的夹角在80度至100度之间均可。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种用于检验质量释放冲量的三轴解耦测量装置，其特征在于，包括：垂直悬挂模块、双轴悬挂模块、摆架及位移测量模块；
所述垂直悬挂模块的一侧固定，另一侧用于与双轴悬挂模块相连，以将所述双轴悬挂模块垂直悬挂，且与双轴悬挂模块相连的臂能随着双轴悬挂模块作用的牵引力变化而上下移动；所述垂直悬挂模块包括：固定架、顶杆、S型弹簧及悬挂臂；所述固定架被固定在预设位置，其下端开有刀口凹槽；所述顶杆的一端与所述刀口凹槽接触，另一端与悬挂臂连接；所述S型弹簧的一端与固定架上端连接，另一端连接所述顶杆的另一端；所述悬挂臂，用于连接双轴悬挂模块；当所述悬挂臂受到垂直方向的冲量时，所述S型弹簧为悬挂臂提供回复力；所述固定架的刀口凹槽为三角形的凹槽，所述顶杆与刀口凹槽的接触点为所述三角形凹槽的凸起，所述顶杆以三角形凹槽的一个棱作为转轴进行旋转；
所述双轴悬挂模块包括相互垂直的两个悬挂臂，一条悬挂臂的两端用于通过上层簧片与垂直悬挂模块连接，另一条悬挂臂的两端用于通过下层簧片与摆架连接；
所述摆架，用于承载被锁紧释放机构锁紧的检验质量，以便当所述锁紧释放机构释放检验质量时，释放产生的冲量引起摆架沿三个正交方向平移；其中，所述垂直悬挂模块带动摆架沿垂直方向平移，上层簧片和下层簧片分别带动摆架沿两个相互垂直的水平方向平移；
所述位移测量模块，用于测量摆架在三个正交方向的位移，以结合检验质量的质量和确定检验质量在三个正交方向的释放冲量。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述S型弹簧由金属薄片折叠弯曲多次制作而成。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述上层簧片和下层簧片采用金属薄片制作得到，每层簧片包括两个薄片，两层簧片相互正交放置。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述摆架包括：摆框架，其为摆架的主体，结构为回字型，上端与所述下层簧片连接，下端用于承载检验质量。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述摆架还包括：反射镜，其固定在摆框架下端，用于辅助位移测量模块测量摆架在三个正交方向的位移。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述反射镜包括至少3个相互正交的角锥棱镜。
7.根据权利要求1或5所述的装置，其特征在于，所述位移测量模块通过向反射镜发出三个正交方向的光线并接受返回的光线来确定摆架的位移。
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