CN117346926B - 微推力测量方法 - Google Patents
微推力测量方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117346926B CN117346926B CN202311657431.0A CN202311657431A CN117346926B CN 117346926 B CN117346926 B CN 117346926B CN 202311657431 A CN202311657431 A CN 202311657431A CN 117346926 B CN117346926 B CN 117346926B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- cantilever
- frequency
- thrust
- formula
- driving 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.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 30
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 31
- 230000009471 action Effects 0.000 claims abstract description 11
- 238000013016 damping Methods 0.000 claims description 21
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 19
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 15
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 claims description 11
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 8
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims description 5
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims description 5
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 4
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 claims description 3
- 238000004556 laser interferometry Methods 0.000 claims description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 13
- 230000005284 excitation Effects 0.000 abstract description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- HOWHQWFXSLOJEF-MGZLOUMQSA-N systemin Chemical compound NCCCC[C@H](N)C(=O)N[C@@H](CCSC)C(=O)N[C@@H](CCC(N)=O)C(=O)N[C@@H]([C@@H](C)O)C(=O)N[C@@H](CC(O)=O)C(=O)OC(=O)[C@@H]1CCCN1C(=O)[C@H]1N(C(=O)[C@H](CC(O)=O)NC(=O)[C@H](CCCN=C(N)N)NC(=O)[C@H](CCCCN)NC(=O)[C@H](CO)NC(=O)[C@H]2N(CCC2)C(=O)[C@H]2N(CCC2)C(=O)[C@H](CCCCN)NC(=O)[C@H](CO)NC(=O)[C@H](CCC(N)=O)NC(=O)[C@@H](NC(=O)[C@H](C)N)C(C)C)CCC1 HOWHQWFXSLOJEF-MGZLOUMQSA-N 0.000 description 1
- 108010050014 systemin Proteins 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/10—Measuring force or stress, in general by measuring variations of frequency of stressed vibrating elements, e.g. of stressed strings
-
- 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)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
本申请涉及一种微推力测量方法，通过设计固有频率可避开环境中主要噪声频率的悬臂结构，并建立驱动力作用下悬臂的振动模型，计算悬臂的初始共振频率，控制驱动器所输出驱动力的频率等于初始共振频率，获得此条件下悬臂的最大振幅作为设定振幅。当被测推力器产生推力时，通过控制驱动器在悬臂自由端主动实施扫频激励并进行振幅调制，以悬臂自由端实时振幅与设定振幅的绝对差值最小时的驱动力频率作为当前共振频率，根据当前共振频率解析被测推力器的推力值。采用这样的方式，基于共振原理可对环境振动等背景噪声有效滤除，受环境振动干扰较小，降低了微推力测量的难度，并提高测量精度，本申请的测量方法具有相对鲁棒的环境适应性。
Description
技术领域
本申请涉及微推力测量技术领域，特别是涉及一种微推力测量方法。
背景技术
推力精确测量可以真实、直观地反映微推力器电参数、介质参数变化引起的推力变化，从而为微推力器的研制、设计、参数选择及性能评价提供必要的技术途径。
目前微推力测量方法主要是将微推力器直接安装在推力测量装置上，微推力器产生推力作用到对应的推力测量台架上，引起振动幅值或转动位移等物理量的变化，通过位移测量并结合标定实验，进而反演计算得到对应推力的大小。
现有技术中，微推力测试技术多是采用对测试台架目标（单摆或者悬臂）进行无驱动力的静态测距，大量复杂的环境振动噪声将不可必避免的叠加在测力台架上，导致实际推力需要从大量背景噪声信号中提取，增加了微推力测量的难度以及测量精度。
在一些改进技术中，微推力测量系统采用多种隔振技术以降低测试环境振动噪声，然而由于微推力器必须工作在真空环境，真空泵运转及环境随机振动等必将引入大量噪声源，因而采用此方式也并不能降低测试噪声的影响。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术的微推力测量中，环境振动噪声叠加在测力台架上，增加了微推力测量的难度以及测量精度，且并无有效的措施滤除环境噪声的问题，提供一种微推力测量方法。
本申请提供一种微推力测量方法，应用至微推力测量系统，所述微推力测量系统包括悬臂和驱动器；被测推力器固定安装至所述悬臂的自由端；驱动器用于输出驱动力至所述悬臂的自由端；
所述微推力测量方法包括：
采集测试环境的噪声数据进行频谱分析，获得测试环境中主要噪声的频率范围；
根据所述测试环境中主要噪声的频率范围设计悬臂结构，以使悬臂的固有频率避开环境中主要噪声的频率；
根据悬臂结构建立驱动力作用下的振动模型；
根据所述振动模型计算所述悬臂的初始共振频率；
获取驱动力频率等于初始共振频率时悬臂的最大振幅，将此时悬臂的最大振幅定义为设定振幅；
根据实时获取的被测推力器产生推力时悬臂自由端的振动位移，控制驱动器在初始共振频率附近快速扫频，将悬臂实时振幅与设定振幅的绝对差值最小时的驱动力频率作为当前共振频率；
根据当前共振频率解析被测推力器的推力值。
本申请涉及一种微推力测量方法，通过设计固有频率可避开环境中主要噪声频率的悬臂结构，并建立驱动力作用下悬臂的振动模型，计算悬臂的初始共振频率，控制驱动器所输出驱动力的频率等于初始共振频率，获得此条件下悬臂的最大振幅作为设定振幅。当被测推力器产生推力时，通过控制驱动器在悬臂自由端主动实施扫频激励并进行振幅调制，以悬臂自由端实时振幅与设定振幅的绝对差值最小时的驱动力频率作为当前共振频率，根据当前共振频率解析被测推力器的推力值。采用这样的方式，基于共振原理可对环境振动等背景噪声有效滤除，受环境振动干扰较小，降低了微推力测量的难度，并提高测量精度，本申请的测量方法具有相对鲁棒的环境适应性。
附图说明
图1为本申请一实施例提供的微推力测量方法的流程示意图。
图2为本申请一实施例提供的微推力测量方法中不同阻尼比下悬臂的幅频特性曲线图。
图3为本申请一实施例提供的微推力测量系统的结构示意图。
图4为本申请一实施例提供的微推力测量系统中悬臂的结构示意图。
图5为本申请一实施例提供的微推力测量系统中悬臂的部分结构的正视图。
图6为本申请一实施例提供的微推力测量系统中悬臂的侧视图。
图7为本申请另一实施例提供的微推力测量系统的部分结构示意图。
附图标记：
100-微推力测量系统；110-悬臂；111-固定部；112-承载部；
112a-自由端；113-柔性部；113a-半椭圆缺口；113b-第一端；
113c-第二端；120-位移检测装置；121-反光镜；122-激光干涉仪；
130-驱动器；140-上位机；150-磁阻尼装置；161-温度传感器；
162-主动加热装置；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。
本申请提供一种微推力测量方法，应用至微推力测量系统100，如图3所示，所述微推力测量系统100包括悬臂110，驱动器130和位移检测装置120。悬臂110和驱动器130均位于真空环境中。被测推力器200固定安装至所述悬臂110的自由端112a。驱动器130用于输出驱动力至所述悬臂110的自由端112a，可选的，驱动器130采用压电陶瓷。所述位移检测装置120用于检测悬臂110自由端112a的振动位移。
此外，本申请提供的微推力测量方法不限制其执行主体。可选地，本申请提供的微推力测量方法的执行主体的可以为一种上位机140，所述驱动器130和位移检测装置120分别信号连接至所述上位机140。
如图1所示，在本申请的一实施例中，所述微推力测量方法包括如下S100至S700。
S100，采集测试环境的噪声数据进行频谱分析，获得测试环境中主要噪声的频率范围。
S200，根据所述测试环境中主要噪声的频率范围设计悬臂110结构，以使悬臂110的固有频率避开环境中主要噪声的频率。
S300，根据悬臂110结构建立驱动力作用下的振动模型。
S400，根据所述振动模型计算所述悬臂110的初始共振频率。
S500，获取驱动力频率等于初始共振频率时悬臂110的最大振幅，将此时悬臂110的最大振幅定义为设定振幅。
S600，根据实时获取的被测推力器200产生推力时悬臂110自由端112a的振动位移，控制驱动器130在初始共振频率附近快速扫频，将悬臂110实时振幅与设定振幅的绝对差值最小时的驱动力频率作为当前共振频率。
具体而言，所述悬臂110自由端112a的振动位移采用激光干涉方法测量或者光杠杆方法测量。优选的，如图3所示，本申请的位移检测装置120包括激光干涉仪122和反光镜121，所述反光镜121固定连接至所述悬臂110的自由端112a，激光干涉仪122和反光镜121配合对悬臂110自由端112a的振动位移进行测量。当然，采用激光干涉仪122测振动位移为现有技术，具体细节不再赘述。
S700，根据当前共振频率解析被测推力器200的推力值。
在本实施例中，通过设计固有频率可避开环境中主要噪声频率的悬臂110结构，并建立驱动力作用下悬臂110的振动模型，计算悬臂110的初始共振频率，控制驱动器130所输出驱动力的频率等于初始共振频率，获得此条件下悬臂110的最大振幅作为设定振幅。当被测推力器200产生推力时，通过控制驱动器130在悬臂110自由端112a主动实施扫频激励并进行振幅调制，以悬臂110自由端112a实时振幅与设定振幅的绝对差值最小时的驱动力频率作为当前共振频率，根据当前共振频率解析被测推力器200的推力值。采用这样的方式，基于共振原理可对环境振动等背景噪声有效滤除，受环境振动干扰较小，降低了微推力测量的难度，并提高测量精度，本申请的测量方法具有相对鲁棒的环境适应性。
如图4至图6所示，在本申请的一实施例中，所述悬臂110沿靠近自由端112a方向依次包括固定部111、柔性部113以及承载部112。所述柔性部113的两侧分别设置有半椭圆缺口113a，两侧的半椭圆缺口113a对称设置。当承载部112受外力作用时，柔性部113发生弯曲，以此实现悬臂110的振动。
所述S200包括如下S210至S220。
S210，根据所述悬臂110的结构参数计算所述悬臂110的刚度。所述悬臂110的刚度的计算公式如式1所示：
式1
其中，k表示悬臂110的刚度，h表示柔性部113最薄处的宽度，a表示椭圆缺口短半轴长度，b表示椭圆缺口的长半轴长度，c表示悬臂110的厚度，表示机构有效长度，E表示悬臂110的弹性模量。
S220，计算所述悬臂110的固有频率，通过与环境中主要噪声频率的比对，对悬臂110的结构参数进行优化。
具体而言，通过以上获得的悬臂110的刚度结合悬臂110的质量计算悬臂110的固有频率。
在本实施例中，通过对悬臂110刚度的计算，使得悬臂110的固有频率避开环境中主要噪声频率区间，从而悬臂110在后续受迫达到共振时，受环境振动干扰较小。
在本申请的一实施例中，所述S300包括如下S310至S320。
S310，采用点质量模型分析悬臂110动力学响应，驱动力为时间的周期函数，驱动力的表达式如式2所示：
式2
其中，A表示驱动力的幅值，ω表示驱动力的角频率，t表示时间。
S320，在驱动力作用下，悬臂110自由端112a运动微分方程如式3所示：
式3
其中，z表示悬臂110的自由端112a偏离平衡位置的位移，表示z的一阶导数，/>表示z的二阶导数，μ表示粘性阻力系数，k表示悬臂110的刚度，m表示悬臂110的有效质量，具体的，悬臂110的有效质量指悬臂110本身，驱动器130、被测推力器200以及反光镜121等总体的质量。
在本申请的一实施例中，所述S400包括如下S410至S440。
S410，根据悬臂110的刚度和有效质量计算悬臂110的固有频率为：
式4
其中，表示悬臂110的固有频率，m表示悬臂110的有效质量，k表示悬臂110的刚度。
S420，计算有阻尼系统在简谐驱动下，悬臂110运动微分方程的其中一个特解设为：
式5
其中，ω表示驱动力的角频率，t表示时间，B表示稳态受迫振动的振幅大小，α表示相位滞后差。
将式4和式5带入式3，进一步计算可得：
式6
式7
其中，μ表示粘性阻力系数。
设频率比、阻尼比/>和振幅放大系数/>分别如式8所示：
式8
其中，如图3所示，表示驱动力角频率/>取0时的振幅大小。
具体的，将带入至式6可得：
式6-1
S430，将式8代入至式6和式7，通过形式变换，进一步可得：
式9
式10
通过上式9和式10可知，稳态受迫振动的振幅放大系数和相位滞后差与初始条件无关，仅取决于微推力测量系统100的特性和驱动力的特性。
具体而言，以上的初始条件指悬臂110自由端112a的初始位置和初始运动状态等条件。微推力测量系统100的特性包括粘性阻力系数、有效质量等，驱动力的特性包括驱动力的频率和悬臂110固有频率的频率比。
S440，推导获得初始共振频率与固有频率之间的关系如式11所示：
式11
其中，表示初始共振频率。
在本实施例中，通过以上的方法，获得驱动力作用下的初始共振频率和悬臂110固有频率之间的直观联系，进而获取驱动力的频率的大致范围，当驱动力频率等于悬臂110共振频率时，则悬臂110产生共振，悬臂110自由端112a振幅迅速增大，便于振动位移的检测。
在本申请的一实施例中，在所述S440之后，所述微推力测量方法还包括：
S450，初始共振频率与固有频率之间的关系，计算初始共振频率的存在条件。
具体而言，从式11可以看出，二阶系统中阻尼比在大于等于0至小于0.707的范围内，初始共振频率一定存在。同时阻尼比越小，则初始共振频率越接近固有频率。
优选的，阻尼比的取值为0.1。如图2所示，当阻尼比/>为0.1，悬臂110振幅放大系数为5.0。
S460，调节所述微推力测量系统100至满足共振频率的存在条件。
在本实施例中，通过解析共振频率的存在条件，并调节微推力测量系统100满足这一条件，使得在后续驱动力的作用下，悬臂110能实现共振。另外，通过对阻尼比的调节，使得悬臂110自由端112a具有合适的振幅。
如图3所示，在本申请的一实施例中，所述微推力测量系统100还包括磁阻尼装置150，所述磁阻尼装置150固定安装至所述悬臂110。
所述S460包括如下S461。
S461，调节作用于磁阻尼装置150的磁场强度，进而调节悬臂110的阻尼比至预设范围或预设值。
具体而言，磁阻尼装置150固定安装于悬臂110的自由端112a。通过调节作用于磁阻尼装置150的磁场强度，调节阻尼比至满足以上共振频率的存在条件。
在本申请的一实施例中，所述S700包括如下S710至S720。
S710，计算被测推力器工作产生推力f时，悬臂110的固有频率为：
式12
其中，表示被测推力器工作产生推力时悬臂110的固有频率，m表示悬臂110的有效质量，k表示悬臂110的刚度，f表示被测推力器的推力，g表示重力加速度，/>等效表示被测推力器工作产生推力时悬臂110质量的增量。
S720，根据当前共振频率和悬臂110的固有频率解析被测推力器的推力，计算方式如式13所示：
式13
其中，表示悬臂110实时振幅与设定振幅的绝对差值最小时的驱动力频率或当前共振频率。
进一步得到如式14所示关于被测推力器推力的计算公式：
式14
其中，f表示被测推力器的推力，m表示悬臂110的有效质量，k表示悬臂110的刚度，g表示重力加速度。
在本实施例中，通过计算被测推力器工作产生推力f时，悬臂110的固有频率，并以当前共振频率等效固有频率求解被测推力器的推力，对于微推力的解析精度可达pN量级。
由于被测推力器工作会产生大量热量，且真空环境下热量主要通过热辐射和热传导向悬臂110扩散，易使得悬臂110产生非均匀温度分布，特别是柔性段的非均匀温度分布会对弹性模量造成影响，进而使得固有频率改变，降低推力测量的精度。
在本申请的一实施例中，所述微推力测量方法还包括如下S810至S830。
S810，在悬臂110延伸方向上，分别获取所述柔性部113的第一端113b和第二端113c的实时温度值。
具体而言，如图7所示，第一端113b为柔性段的上端，第二端113c为柔性段的下端，分别在第一端113b和第二端113c布置温度传感器161，准确获得实时温度。具体的温度传感器161采用贴片式传感器。
S820，根据所述第一端113b和第二端113c的实时温度值计算温度差值。
S830，根据所述温度差值对第一端113b或/和第二端113c的温度进行主动调节，以使柔性部113的温度趋向均匀分布。
具体而言，在第一端113b还布置有主动加热装置162，根据对温度差值对第一端113b进行主动加热。
在本实施例中，通过对第一端113b和第二端113c的实时温度值进行监测，并根据温度差值进行温度调节，使得使柔性部113的温度趋向均匀分布，避免非均匀温度分布对固有频率造成影响，从而提高推力测量的精度。
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 (6)
1.一种微推力测量方法，应用至微推力测量系统，所述微推力测量系统包括悬臂和驱动器，被测推力器固定安装至所述悬臂的自由端，驱动器用于输出驱动力至所述悬臂的自由端，其特征在于，所述微推力测量方法包括：
采集测试环境的噪声数据进行频谱分析，获得测试环境中主要噪声的频率范围；
根据所述测试环境中主要噪声的频率范围设计悬臂结构，以使悬臂的固有频率避开环境中主要噪声的频率；
根据悬臂结构建立驱动力作用下的振动模型；
根据所述振动模型计算所述悬臂的初始共振频率；
获取驱动力频率等于初始共振频率时悬臂的最大振幅，将此时悬臂的最大振幅定义为设定振幅；
根据实时获取的被测推力器产生推力时悬臂自由端的振动位移，控制驱动器在初始共振频率附近快速扫频，将悬臂实时振幅与设定振幅的绝对差值最小时的驱动力频率作为当前共振频率；
根据当前共振频率解析被测推力器的推力值；
所述悬臂沿靠近自由端方向依次包括固定部、柔性部以及承载部；所述柔性部的两侧分别设置有半椭圆缺口；当承载部受外力作用时，柔性部发生弯曲；
所述根据所述测试环境中主要噪声的频率范围设计悬臂结构，以使悬臂的固有频率避开环境中主要噪声的频率包括：
根据所述悬臂的结构参数计算所述悬臂的刚度；所述悬臂的刚度的计算公式如式1所示；
式1；
其中，k表示悬臂的刚度，h表示柔性部最薄处的宽度，a表示椭圆缺口短半轴长度，b表示椭圆缺口的长半轴长度，c表示悬臂的厚度，E表示悬臂的弹性模量；
计算所述悬臂的固有频率，通过与环境中主要噪声频率的比对，对悬臂的结构参数进行优化；
所述根据悬臂结构建立驱动力作用下的振动模型包括：
采用点质量模型分析悬臂动力学响应，驱动力为时间的周期函数，驱动力的表达式如式2所示；
式2；
其中，A表示驱动力的幅值，ω表示驱动力的角频率，t表示时间；
在驱动力作用下，悬臂自由端运动微分方程如式3所示：
式3；
其中，z表示悬臂的自由端偏离平衡位置的位移，表示z的一阶导数，/>表示z的二阶导数，μ表示粘性阻力系数，m表示悬臂的有效质量，k表示悬臂的刚度；
所述根据所述振动模型计算所述悬臂的初始共振频率包括：
根据悬臂的刚度和有效质量计算悬臂的固有频率为：
式4；
其中，表示悬臂的固有频率，m表示悬臂的有效质量，k表示悬臂的刚度；
计算有阻尼系统在简谐驱动下，悬臂运动微分方程的其中一个特解设为：
式5；
其中，ω表示驱动力的角频率，t表示时间，B表示稳态受迫振动的振幅大小，α表示相位滞后差；
将式4和式5代入式3，进一步计算可得：
式6；
式7；
其中，μ表示粘性阻力系数；
设频率比、阻尼比/>和振幅放大系数/>分别如式8所示：
式8；
其中，表示驱动力角频率/>取0时的振幅大小；
将式8代入至式6和式7，通过形式变换，进一步可得：
式9；
式10；
通过式9和式10可知，稳态受迫振动的振幅放大系数和相位滞后差取决于微推力测量系统和驱动力的特性；
推导获得初始共振频率与固有频率之间的关系如式11所示：
式11；
其中，表示初始共振频率；
所述根据当前共振频率解析被测推力器的推力包括：
计算被测推力器工作产生推力f时，悬臂的固有频率为：
式12；
其中，表示被测推力器工作产生推力时悬臂的固有频率，m表示悬臂的有效质量，k表示悬臂的刚度，f表示被测推力器的推力，g表示重力加速度，/>等效表示被测推力器工作产生推力时悬臂质量的增量；
根据当前共振频率和悬臂的固有频率解析被测推力器的推力，计算方式如式13所示：
式13；
其中，表示悬臂实时振幅与设定振幅的绝对差值最小时的驱动力频率或当前共振频率；
进一步得到如式14所示关于被测推力器推力的计算公式：
式14；
其中，f表示被测推力器的推力，m表示悬臂的有效质量，k表示悬臂的刚度，g表示重力加速度。
2.根据权利要求1所述的微推力测量方法，其特征在于，在所述推导获得初始共振频率与固有频率之间的关系之后，所述微推力测量方法还包括：
初始共振频率与固有频率之间的关系，计算初始共振频率的存在条件；
调节所述微推力测量系统至满足共振频率的存在条件。
3.根据权利要求2所述的微推力测量方法，其特征在于，所述微推力测量系统还包括磁阻尼装置，所述磁阻尼装置固定安装至所述悬臂；
所述调节所述微推力测量系统至满足共振频率的存在条件包括：
调节作用于磁阻尼装置的磁场强度，进而调节悬臂的阻尼比至预设范围或预设值。
4.根据权利要求3所述的微推力测量方法，其特征在于，所述阻尼比的取值在大于等于0至小于0.707的范围内。
5.根据权利要求1所述的微推力测量方法，其特征在于，所述微推力测量方法还包括：
在悬臂延伸方向上，分别获取所述柔性部的第一端和第二端的实时温度值；
根据所述第一端和第二端的实时温度值计算温度差值；
根据所述温度差值对第一端或/和第二端的温度进行主动调节，以使柔性部的温度趋向均匀分布。
6.根据权利要求1所述的微推力测量方法，其特征在于，所述根据实时获取的被测推力器产生推力时悬臂自由端的振动位移中，所述悬臂自由端的振动位移采用激光干涉方法测量或者光杠杆方法测量。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311657431.0A CN117346926B (zh) | 2023-12-06 | 2023-12-06 | 微推力测量方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311657431.0A CN117346926B (zh) | 2023-12-06 | 2023-12-06 | 微推力测量方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117346926A CN117346926A (zh) | 2024-01-05 |
| CN117346926B true CN117346926B (zh) | 2024-04-09 |
Family
ID=89367145
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311657431.0A Active CN117346926B (zh) | 2023-12-06 | 2023-12-06 | 微推力测量方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117346926B (zh) |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001183257A (ja) * | 1999-12-28 | 2001-07-06 | Mitsutoyo Corp | プローブの検査方法及び装置 |
| CN111373875B (zh) * | 2009-12-30 | 2013-09-18 | 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 | 高精度宽量程微推力测量系统 |
| WO2015141378A1 (ja) * | 2014-03-20 | 2015-09-24 | 三菱電機株式会社 | 推力測定装置及び推力測定方法 |
| CN105784237A (zh) * | 2016-05-13 | 2016-07-20 | 中国科学院力学研究所 | 一种微推力测试系统及方法 |
| CN107631817A (zh) * | 2017-08-14 | 2018-01-26 | 中国科学院力学研究所 | 一种微牛级微推力测试系统及测试方法 |
| CN110413015A (zh) * | 2019-06-27 | 2019-11-05 | 北京控制工程研究所 | 基于闭环控制的微牛量级微推力动态测试台及测试方法 |
| CN110715717A (zh) * | 2019-10-18 | 2020-01-21 | 聂豪成 | 一种航天员质量测量方法及装置 |
| CN113405753A (zh) * | 2021-05-10 | 2021-09-17 | 中山大学 | 一种基于振动传感器的地面振动噪声共模抑制方法及系统 |
| CN114218750A (zh) * | 2021-11-16 | 2022-03-22 | 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 | 基于数字滤波器的星载微推力器推力响应时间测量方法 |
| CN115200819A (zh) * | 2022-07-13 | 2022-10-18 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种悬臂梁共振频率和品质因子的测量方法和装置 |
| CN116907716A (zh) * | 2023-09-13 | 2023-10-20 | 国科大杭州高等研究院 | 基于热噪声抑制扭摆式微推力测量装置及方法 |
-
2023
- 2023-12-06 CN CN202311657431.0A patent/CN117346926B/zh active Active
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001183257A (ja) * | 1999-12-28 | 2001-07-06 | Mitsutoyo Corp | プローブの検査方法及び装置 |
| CN111373875B (zh) * | 2009-12-30 | 2013-09-18 | 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 | 高精度宽量程微推力测量系统 |
| WO2015141378A1 (ja) * | 2014-03-20 | 2015-09-24 | 三菱電機株式会社 | 推力測定装置及び推力測定方法 |
| CN105784237A (zh) * | 2016-05-13 | 2016-07-20 | 中国科学院力学研究所 | 一种微推力测试系统及方法 |
| CN107631817A (zh) * | 2017-08-14 | 2018-01-26 | 中国科学院力学研究所 | 一种微牛级微推力测试系统及测试方法 |
| CN110413015A (zh) * | 2019-06-27 | 2019-11-05 | 北京控制工程研究所 | 基于闭环控制的微牛量级微推力动态测试台及测试方法 |
| CN110715717A (zh) * | 2019-10-18 | 2020-01-21 | 聂豪成 | 一种航天员质量测量方法及装置 |
| CN113405753A (zh) * | 2021-05-10 | 2021-09-17 | 中山大学 | 一种基于振动传感器的地面振动噪声共模抑制方法及系统 |
| CN114218750A (zh) * | 2021-11-16 | 2022-03-22 | 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 | 基于数字滤波器的星载微推力器推力响应时间测量方法 |
| CN115200819A (zh) * | 2022-07-13 | 2022-10-18 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种悬臂梁共振频率和品质因子的测量方法和装置 |
| CN116907716A (zh) * | 2023-09-13 | 2023-10-20 | 国科大杭州高等研究院 | 基于热噪声抑制扭摆式微推力测量装置及方法 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| A closed-loop torsional micro-thrust measurement system;Wang, JB 等;MEASUREMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY;第34卷(第12期);全文 * |
| A study of grid failure mode drivers and methods for accelerated life testing of a 30cm diameter ion thruster;孙明明 等;Plasma Science and Technology;136-146 * |
| 一种基于悬臂梁结构的动态推力测量方法;王大鹏;周伟静;曹继宏;张闪;史晓云;何龙;;中国空间科学技术(第05期);全文 * |
| 一种基于悬臂梁结构的微冲量测量方法;王大鹏;叶继飞;李南雷;王青;王健博;;仪表技术与传感器(第03期);全文 * |
| 闭环控制下单丝扭摆微牛级推力测量系统;王嘉彬 等;电子测量与仪器学报;第37卷(第9期);93-101 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117346926A (zh) | 2024-01-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7722310B2 (en) | System and method for measuring clearance between two objects | |
| Heath et al. | A survey of blade tip-timing measurement techniques for turbomachinery vibration | |
| EP3105599B1 (en) | An optical sensor system and methods of use thereof | |
| US11609114B2 (en) | Method and system for monitoring rotor blades of a turbomachine using blade tip timing (BTT) | |
| Neumann et al. | A laser-optical sensor system for blade vibration detection of high-speed compressors | |
| Ghemari et al. | Improvement of the vibratory diagnostic method by evolution of the piezoelectric sensor performances | |
| CN106644052B (zh) | 一种微振镜的反馈系统及方法 | |
| Lei et al. | A high-precision two-dimensional micro-accelerometer for low-frequency and micro-vibrations | |
| CN111121819A (zh) | 硅微陀螺仪振动状态角位移误差测试方法 | |
| CN117346926B (zh) | 微推力测量方法 | |
| Li et al. | Structural design and simulation of a micro-gyroscope based on nano-grating detection | |
| Patil et al. | A multi-view digital image correlation for extracting mode shapes of a tire | |
| US9297711B2 (en) | Position sensor using Fiber Bragg Gratings to measure axial and rotational movement | |
| CN117387819B (zh) | 微推力测量装置 | |
| Cortés-Pérez et al. | Performance optimization and mechanical modeling of uniaxial piezoresistive microaccelerometers | |
| Wang et al. | A combined tri-dimensional fiber Bragg grating accelerometer for multi-directional measurements | |
| Enami et al. | Mode shift detection of coupled resonators through parametric resonance and its application to mass sensing | |
| Gudkov et al. | A method of automatic verification of Coriolis flowmeters in the field | |
| KR102207614B1 (ko) | Mems 미러 스캐너 구동 방법 및 위 방법을 이용한 mems 미러 스캐너 구동 장치 | |
| Persoons et al. | Calibration of an oscillating hot-wire anemometer for bidirectional velocity measurements | |
| Li et al. | Design and simulations of a resonant accelerometer | |
| Li et al. | Closed‐loop control for self‐calibration of accelerometer achieved through integrated sensor and actuator system | |
| Pfister et al. | Novel Dynamic Rotor and Blade Deformation and Vibration Monitoring Technique | |
| RU2806248C2 (ru) | Способ компенсации перекрестных погрешностей в измерительных каналах динамически настраиваемого гироскопа | |
| Baek | Modeling on a Gimbal with an Antenna and Investigation on the Influence of Backlash |
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 |