CN116773138B - 冷气微推力响应时间测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种冷气微推力响应时间测量系统及方法，其中系统通过设置改进的离子规对羽流中的中性气体进行检测，并通过反应电信号和参数调节指令之间的时间差计算被测推力器的响应时间。其中，离子规在阴极和发射极之间设置控制极，通过调整控制极和阴极之间的偏压，稳定阴极的发射电流，保证对中性气体电离效率的稳定。并且通过相应调整发射极与阴极之间的偏压或收集极与发射极之间的偏压，提高离子规的原子密度测试范围，对于微弱羽流中性气体做到快速响应，具有良好的检测精度。本申请无需在冷气微推力器稳定工作情况下开展，适用范围广。

Description

冷气微推力响应时间测量系统及方法
技术领域
本申请涉及微推力测量技术领域，特别是涉及一种冷气微推力响应时间测量系统及方法。
背景技术
随着微推进技术的发展，配套的性能测量技术也得到了研究，推力响应时间是推力器重要的性能参数之一。对于冷气推进系统而言，推力响应时间包括致动部件供电、响应以及工质气体填充并喷出推力器的时间，其中工质的填充以及喷出占主要部分，其大小决定了冷气微推力器启动时间的快慢。冷气推进系统的推力响应时间通常在毫秒级，其测量存在着一定的难度。
目前在微推力测量领域内仍以使用传统扭摆式或扭称式推力架为代表的直接测量法为主，将推力信号转化为其他信号(如光电信号)并进行高频采集的间接测量法相对较少。
专利文献CN 112729641A公开了基于变介质电容桥测量冷气推力器响应时间的系统及方法。采用变介质电容桥法将推力信号转化为电压信号并采用运放电路进行信号放大，最后通过示波器可以实现μs级别的信号采集，以此满足推力响应时间的要求。由于一般气体的介电常数虽然略大于真空介电常数，但相对而言改变并不是特别明显，检测到中性气体时电容变化量微弱，甚至无法区分电容桥输出信号的背景噪声和变化的电压信号，使得该专利需要在冷气微推力器稳定工作情况下开展，限定了使用条件。
发明内容
基于此，有必要针对传统技术对于中性气体的响应较弱，对于冷气推力器响应时间测量需要在冷气微推力器稳定工作情况下开展，限定了使用条件的问题，提供一种冷气微推力响应时间测量系统及方法。
本申请提供一种冷气微推力响应时间测量系统，包括：
离子规，设置于被测推力器的羽流空间，用于在检测到被测推力器所喷射羽流中的中性气体时输出反应电信号；所述离子规包括阴极、控制极、发射极及收集极；所述阴极、控制极、发射极和收集极由内向外同轴设置；所述阴极用于发射电子；所述发射极用于对电子进行加速，以使中性气体在发射极与收集极之间被电子电离形成离子流；所述收集极用于收集离子流；所述控制极设置在所述阴极和发射极之间；所述控制极与阴极之间为负偏置，所述发射极与阴极之间为正向偏置，所述收集极与发射极之间为负偏置；
致动控制模块，用于输出参数调节指令至被测推力器；
收集控制模块，用于调整离子规中阴极、控制极、发射极及收集极的电势；
信号处理装置，用于根据所述反应电信号和参数调节指令之间的时间差计算被测推力器的响应时间；
所述致动控制模块和收集控制模块分别信号连接至所述信号处理装置。
本申请还提供一种冷气微推力响应时间测量方法，应用至如前述内容所述的冷气微推力响应时间测量系统，包括：
基于稀薄气体运动理论，建立冷气推力器的羽流分布模型；
根据所述羽流分布模型获得冷气推力器推力作用下原子密度空间分布范围；
根据冷气推力器推力作用下原子密度空间分布范围设计所述离子规参数，确定离子规的原子密度测试范围；
根据所述原子密度空间分布范围和原子密度测试范围确定离子规的检测位置；
控制致动控制模块输出包含参数调节指令的指令电信号至被测推力器，以使被测推力器以预设推力工作，同步采集离子规检测到中性气体所输出的反应电信号；
根据反应电信号和控制被测推力器以预设推力工作的参数调节指令的指令电信号之间的时间差计算被测推力器的响应时间。
本申请涉及一种冷气微推力响应时间测量系统及方法，其中系统通过设置改进的离子规对羽流中的中性气体进行检测，并通过反应电信号和参数调节指令之间的时间差计算被测推力器的响应时间。其中，离子规在阴极和发射极之间设置控制极，通过调整控制极和阴极之间的偏压，稳定阴极的发射电流，保证对中性气体电离效率的稳定。并且通过相应调整发射极与阴极之间的偏压或收集极与发射极之间的偏压，提高离子规的原子密度测试范围，对于微弱羽流中性气体做到快速响应，具有良好的检测精度。本申请无需在冷气微推力器稳定工作情况下开展，适用范围广。
附图说明
图1为本申请一实施例提供的冷气微推力响应时间测量系统的结构示意图。
图2为本申请一实施例提供的冷气微推力响应时间测量系统中离子规的结构示意图。
图3为本申请一实施例提供的冷气微推力响应时间测量系统中离子规和被测推力器的测试位置示意图。
图4为本申请一实施例提供的冷气微推力响应时间测量系统中描述阴极、控制极和挡流板位置关系的结构示意图。
图5为本申请一实施例提供的冷气微推力响应时间测量系统中离子规的挡流板的部分结构示意图。
图6为本申请一实施例提供的冷气微推力响应时间测量方法的流程示意图。
图7为本申请一实施例提供的冷气微推力响应时间测量方法中信号处理示意图。
图8为本申请另一实施例提供的冷气微推力响应时间测量方法中信号处理示意图。
附图标记：
100-冷气微推力响应时间测量系统；110-离子规；111-阴极；
112-控制极；113-发射极；114-收集极；115-基座；
120-致动控制模块；130-收集控制模块；141-同步触发器；
142-信号处理装置；150-挡流板；151-通孔；200-被测推力器。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请提供一种冷气微推力响应时间测量系统100。
如图1和图2所示，在本申请的一实施例中，所述冷气微推力响应时间测量系统100包括离子规110，致动控制模块120，收集控制模块130和信号处理装置142。
具体而言，离子规110设置于被测推力器200的羽流空间，用于在检测到被测推力器200所喷射羽流中的中性气体时输出反应电信号。
更具体的，所述离子规110包括阴极111、控制极112、发射极113及收集极114。所述阴极111、控制极112、发射极113和收集极114由内向外同轴设置，且均为栅极构型。所述阴极111用于发射电子。所述发射极113用于对电子进行加速，以使中性气体在发射极113与收集极114之间被电子电离形成离子流。所述收集极114用于收集离子流。
所述控制极112设置在所述阴极111和发射极113之间，通过调整控制极112和阴极111之间的偏压，稳定阴极111的发射电流，保证对中性气体电离效率的稳定。所述控制极112与阴极111之间为负偏置，所述发射极113与阴极111之间为正向偏置，所述收集极114与发射极113之间为负偏置。
所述离子规110还包括基座115，所述阴极111、控制极112、发射极113及收集极114分别固定连接至基座115。所述基座115的材料为绝缘材料。
致动控制模块120用于输出参数调节指令至被测推力器200，以使被测推力器200以设定推力工作。收集控制模块130用于调整离子规110中阴极111、控制极112、发射极113及收集极114的电势。具体的，在离子规工作时，可以根据被测推力器不同的设定推力或离子规的检测位置，设置各个电极的电势。
信号处理装置142用于根据所述反应电信号和参数调节指令之间的时间差计算被测推力器200的响应时间。所述致动控制模块120和收集控制模块130分别信号连接至所述信号处理装置142。
具体的，信号处理装置142可为示波器，将收集极114所产生的反应电信号(电压信号或电流信号)和参数调节指令的指令电信号通过示波器进行比对，计算两个信号之间的时间差，即为被测推力器200的响应时间。
在本实施例中，通过设置改进的离子规对羽流中的中性气体进行检测，并通过反应电信号和参数调节指令之间的时间差计算被测推力器200的响应时间。其中，离子规在阴极111和发射极113之间设置控制极112，通过调整控制极112和阴极111之间的偏压，稳定阴极111的发射电流，保证对中性气体电离效率的稳定。并且通过相应调整发射极113与阴极111之间的偏压或收集极114与发射极113之间的偏压，提高离子规的原子密度测试范围，对于微弱羽流的中性气体做到快速响应，具有良好的检测精度。本申请无需在冷气微推力器稳定工作情况下开展，适用范围广。
如图1所示，在本申请的一实施例中，所述冷气微推力响应时间测量系统100还包括同步触发器141，所述致动控制模块120和收集控制模块130分别信号连接至所述信号处理装置142。
在本实施例中，通过设置同步触发器141，进行时间精准控制，使被测推力器200的参数调节指令和离子规收集极114的反应电信号采集时间同步进行。
如图2和图3所示，在本申请的一实施例中，所述离子规包括挡流板150，在羽流喷射方向上，所述挡流板150位于所述阴极111和被测推力器200之间。
更具体的，所述挡流板150一端固定连接至基座115。
在本实施例中，通过设置挡流板150，减缓羽流中性气体对阴极111的冲刷效果，缓解羽流所引发的散热效应，进而维持发射电流的稳定性。同时调节控制极112电势以稳定阴极111发射电流，使得阴极111电子发射可避免空间电荷效应，提高测量上限，增加中性气体的原子密度测量范围。
如图3和图4所示，在本申请的一实施例中，在离子规110径向上，所述挡流板150位于控制极112和发射极113之间或位于控制极112与阴极111之间。
更具体的，挡流板150的位置和尺寸不作具体限定，以能挡住羽流对阴极111的直接冲刷为优。
如图3所示，在本申请的一实施例中，所述挡流板150设置为弧形板，以被测推力器200的羽流中心轴线M1和离子规110的中心轴线建立基准面，所述挡流板150相对基准面对称设置，进而羽流在挡流板150表面向两侧均匀分流，减少挡流板150对羽流空间中中性气体分布的影响。
具体的，如图5所示，所述挡流板150沿离子规110径向贯通设置有多个通孔151，使得部分中性气体能够通过通孔151补充至挡流板150与阴极111之间的空间，避免挡流板150的设置影响中性气体在离子规110中的分布。
更具体的，所述通孔151的内径沿靠近离子规110中心轴线的方向逐渐增大，使得由通孔151进入的中性气体的流速变缓，满足中性气体在离子规110中分布的同时，减少对阴极111的冲刷。
由于被测推力器200以不同的推力工作时，羽流空间中呈现不同的原子密度空间分布。在对被测推力器200不同推力的响应时间进行测试时，需要保证离子规110检测位置的原子密度在离子规110的测试范围内。
在本申请的一实施例中，所述冷气微推力响应时间测量系统100还包括位置调节装置，离子规110安装于位置调节装置，通过位置调节装置驱动所述离子规110在羽流方向上移动以调整检测位置。
具体的，位置调节装置可以为步进电机驱动的传送带装置，或者步进电机驱动的丝杠传动装置。由于传送带装置和丝杠传动装置为现有技术，且不是本申请的技术重点，未作图示。
在本实施例中，通过设置位置调节装置，在对被测推力器200不同推力的响应时间进行测试时，对离子规110的检测位置进行调节，保证检测位置的原子密度在离子规110的测试范围内，保证离子规110能够做出有效的响应。
在本申请的另一实施例中，对于被测推力器200不同推力响应时间的测试，在平行于羽流中心方向(羽流的中心轴线M1方向)上间隔设置有多个离子规110，所有所述离子规110在一个垂直于羽流方向的投影面上的投影轮廓相互错位，避免离子规110相互之间造成羽流的阻挡而影响分布。根据被测推力器200所产生的推力值，选择相应检测位置上的离子规110接入信号处理装置142，根据相应位置上的离子规110得反应信号和参数调节指令的时间差计算响应时间。
本申请还公开了一种冷气微推力响应时间测量方法。
如图6所示，在本申请的一实施例中，所述冷气微推力响应时间测量系统100包括如下S100至S300。
S100，基于稀薄气体运动理论，建立冷气推力器的羽流分布模型。
S200，根据所述羽流分布模型获得冷气推力器推力作用下原子密度空间分布范围。
S300，根据冷气推力器推力作用下原子密度空间分布范围设计所述离子规110的控制参数，确定离子规110的原子密度测试范围。
具体而言，离子规110的控制参数包括阴极111、控制极112、发射极113及收集极114的电势。
S400，根据所述原子密度空间分布范围和原子密度测试范围确定离子规110的检测位置。
具体而言，所述检测位置为离子规110相对被测推力器200在沿平行羽流中心轴线方向上的位置。
S500，控制致动控制模块输出包含参数调节指令的指令电信号至被测推力器，以使被测推力器200以预设推力工作，同步采集离子规110检测到中性气体所输出的反应电信号。
S600，根据反应电信号和控制被测推力器200以预设推力工作的参数调节指令的指令电信号之间的时间差计算被测推力器200的响应时间。
例如，下面介绍一种实施例，如图7所示，图7示出了被测推力器以预设推力启动时，示波器所采集的反应电信号和参数调节指令的指令电信号在时间上的电压变化。其中t0为参数调节指令的发出时刻，在t0时刻，指令电信号的电压值为f0，反应电信号的电压值为T0。t1为参数调节指令的指令电信号的响应时刻，从t1时刻开始，指令电信号的电压值稳定至f1。t2为离子规的响应时刻，从t2时刻开始，反应电信号的电压值稳定至T1。进而可通过以下公式1计算被测推力器的响应时间：
Δt1＝t2-t1 公式1
其中，Δt1表示被测推力器的启动响应时间。
在本实施例中，通过建立羽流分布模型计算冷气推力器推力作用下原子密度空间分布范围，并由此匹配离子规110的原子密度测试范围，进一步确定离子规110合适的检测位置，在此位置下，能够减小羽流冲刷离子规110的影响，同时保证离子规110的快速响应。
在本申请的一实施例中，所述S300包括如下S310至S320。
S310，获取被测推力器200最小推力fmin作用下的最小原子密度Nmin1和最大原子密度Nmax1。
S320，获取被测推力器200最大推力fmax作用下最小原子密度Nmin2和最大原子密度Nmax2。
S330，根据被测推力器200最小推力作用下和最大推力作用下的原子密度空间分布确定离子规110的原子密度测试范围。
其中，所述离子规110的原子密度测试范围的最小测试密度Nmin0小于Nmin1。所述离子规110的原子密度测试范围的最小测试密度Nmax0大于Nmax2。
在本实施例中，由被测推力器200最小推力作用下和最大推力作用下的原子密度空间分布确定离子规110的原子密度测试范围，保证离子规110可以适用于不同推力下的检测。
考虑到冷气微推力器的响应时间的实际应用需求，包括冷气微推力器启动时的响应时间和推力切换过程中的响应时间，这两方面的响应时间均需要做到精准测量。在本申请的一实施例中，所述S500包括如下S510至S520。
S510，控制被测推力器200以第一推力f1启动，采集离子规110检测到中性气体所输出的第一反应电信号。
具体而言，第一反应电信号和指令电信号在时间上的电压变化如图7所示，以第一反应电信号和启动被测推力器200的指令电信号之间的时间差计算被测推力器200的启动响应时间Δt1。
S520，控制被测推力器200由第一推力切换至以第二推力f2工作，采集离子规110检测到中性气体所输出的第二反应电信号。
例如，下面介绍一种实施例，如图8所示，图8示出了被测推力器推力切换过程中，示波器所采集的反应电信号和参数调节指令的指令电信号在时间上的电压变化。其中t2为参数调节指令的发出时刻，在t2时刻，指令电信号的电压值为f1，反应电信号的电压值为T1。t3为参数调节指令的指令电信号的响应时刻，从t3时刻开始，指令电信号的电压值稳定至f2。T4为离子规的响应时刻，从t4时刻开始，反应电信号的电压值稳定至T2。进而可通过以下公式2计算被测推力器的切换响应时间：
Δt2＝t4-t3 公式1
其中，Δt2表示被测推力器的切换响应时间。
在本实施例中，由于离子规110可以对不同的原子密度空间分布作出响应，因而在一次测试中，可以分别对被测推力器200的启动响应时间和同一被测推力器200在推力切换过程中的切换响应时间作出检测。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，各方法步骤也并不做执行顺序的限制，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种冷气微推力响应时间测量方法，应用于一种冷气微推力响应时间测量系统，其特征在于，所述冷气微推力响应时间测量系统，包括：
离子规，设置于被测推力器的羽流空间，用于在检测到被测推力器所喷射羽流中的中性气体时输出反应电信号；所述离子规包括阴极、控制极、发射极及收集极；所述阴极、控制极、发射极和收集极由内向外同轴设置；所述阴极用于发射电子；所述发射极用于对电子进行加速，以使中性气体在发射极与收集极之间被电子电离形成离子流；所述收集极用于收集离子流；所述控制极设置在所述阴极和发射极之间；所述控制极与阴极之间为负偏置，所述发射极与阴极之间为正向偏置，所述收集极与发射极之间为负偏置；
致动控制模块，用于输出参数调节指令至被测推力器；
收集控制模块，用于调整离子规中阴极、控制极、发射极及收集极的电势；
信号处理装置，用于根据所述反应电信号和参数调节指令之间的时间差计算被测推力器的响应时间；
所述致动控制模块和收集控制模块分别信号连接至所述信号处理装置；
同步触发器，所述致动控制模块和收集控制模块分别信号连接至所述信号处理装置；
所述冷气微推力响应时间测量方法，包括：
基于稀薄气体运动理论，建立冷气推力器的羽流分布模型；
根据所述羽流分布模型获得冷气推力器推力作用下原子密度空间分布范围；
根据冷气推力器推力作用下原子密度空间分布范围设计所述离子规参数，确定离子规的原子密度测试范围；
根据所述原子密度空间分布范围和原子密度测试范围确定离子规的检测位置；
控制致动控制模块输出包含参数调节指令的指令电信号至被测推力器，以使被测推力器以预设推力工作，同步采集离子规检测到中性气体所输出的反应电信号；
根据反应电信号和控制被测推力器以预设推力工作的参数调节指令的指令电信号之间的时间差计算被测推力器的响应时间。
2.根据权利要求1所述的冷气微推力响应时间测量方法，其特征在于， 所述离子规包括挡流板，在羽流喷射方向上，所述挡流板位于所述阴极和被测推力器之间。
3.根据权利要求2所述的冷气微推力响应时间测量方法，其特征在于，在离子规径向上，所述挡流板位于所述控制极和发射极之间或位于所述控制极与阴极之间。
4.根据权利要求3所述的冷气微推力响应时间测量方法，其特征在于，所述挡流板设置为弧形板，且所述挡流板沿离子规径向设置有多个通孔。
5.根据权利要求1所述的冷气微推力响应时间测量方法，其特征在于，所述冷气微推力响应时间测量系统还包括：
位置调节装置，用于驱动所述离子规在羽流方向上移动以调整检测位置。
6.根据权利要求1所述的冷气微推力响应时间测量方法，其特征在于，在平行于羽流中心方向上间隔设置有多个离子规，所有所述离子规在一个垂直于羽流方向的投影面上的投影轮廓相互错位；
根据被测推力器所产生的推力值，选择相应检测位置上的离子规接入信号处理装置。
7.根据权利要求1所述的冷气微推力响应时间测量方法，其特征在于，所述根据冷气推力器推力作用下原子密度空间分布范围设计所述离子规参数，确定离子规的原子密度测试范围包括：
获取被测推力器最小推力fmin作用下的最小原子密度Nmin1和最大原子密度Nmax1；
获取被测推力器最大推力fmax作用下最小原子密度Nmin2和最大原子密度Nmax2；
根据被测推力器最小推力作用下和最大推力作用下的原子密度空间分布确定离子规的原子密度测试范围；
其中，所述离子规的原子密度测试范围的最小测试密度Nmin0小于Nmin1；
所述离子规的原子密度测试范围的最小测试密度Nmax0大于Nmax2。
8.根据权利要求1所述的冷气微推力响应时间测量方法，其特征在于，所述控制被测推力器以预设推力工作，采集离子规检测到中性气体所输出的反应电信号包括：
控制被测推力器以第一推力启动，采集离子规检测到中性气体所输出的第一反应电信号；
控制被测推力器由第一推力切换至以第二推力工作，采集离子规检测到中性气体所输出的第二反应电信号。
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