CN117686130B - 一种基于扭摆的预紧力地面模拟标定装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种基于扭摆的预紧力地面模拟标定装置及方法，属于空间引力波探测领域，其包括真空机构、检验质量、扭摆单元、锁紧与释放单元、预紧力测量单元、激光干涉仪和自准直仪，其中：检验质量由扭摆单元悬挂于真空机构的内部；锁紧与释放单元和预紧力测量单元设置在真空机构的内部并位于检验质量的两侧，分别用于对检验质量施加预紧力并测量标定出预紧力；激光干涉仪和自准直仪设置在真空机构的外部并位于检验质量的两侧，分别用于监测检验质量的位移和偏转。本申请采用单悬丝悬挂克服了检验质量的重力影响并使其具有较少的运动自由度，可以将检验质量锁紧在其自由运动的平衡状态，从而模拟测量并标定在轨锁紧与释放中顶针施加的预紧力。
Description
技术领域
本申请属于空间引力波探测领域，更具体地，涉及一种基于扭摆的预紧力地面模拟标定装置及方法。
背景技术
空间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。在空间引力波探测任务中，惯性传感器是其中一项关键载荷，其内部的检验质量、锁紧与释放机构和电容控制系统等是重要组成部分。
在卫星到达一定轨道高度后，惯性传感器中的锁紧与释放机构需要将检验质量释放，使其悬浮在惯性传感器中作为引力波探测的惯性基准。由于在释放过程中检验质量两侧粘附力不对称现象，会使其释放后产生一个残余速度，如果释放残余速度过大，电容控制系统则无法将检验质量拉回理想的悬浮位置，从而导致引力波探测任务的失败。其中，顶针在锁紧检验质量时施加的预紧力是影响粘附力，进而影响检验质量释放残余速度的一个重要因素。因此，需要在地面测试中模拟测量并标定出顶针施加给检验质量的预紧力。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本申请的目的在于提供一种基于扭摆的预紧力地面模拟标定装置及方法，旨在解决现有的惯性传感器中锁紧与释放机构三级释放顶针施加给检验质量的预紧力未知的问题。
为实现上述目的，按照本申请的一方面，提供了一种基于扭摆的预紧力地面模拟标定装置，其包括真空机构、检验质量、扭摆单元、锁紧与释放单元、预紧力测量单元、激光干涉仪和自准直仪，其中：所述真空机构用于模拟太空真空环境；所述检验质量由扭摆单元悬挂于真空机构的内部；所述锁紧与释放单元和预紧力测量单元设置在真空机构的内部并位于检验质量的两侧，分别用于对检验质量施加预紧力并测量标定出预紧力；所述激光干涉仪和自准直仪设置在真空机构的外部并位于检验质量的两侧，分别用于监测检验质量的位移和偏转。
作为进一步优选地，所述预紧力地面模拟标定装置还包括隔振平台，所述隔振平台设置在真空机构的下方，用于抑制地面振动对预紧力地面模拟标定装置的影响。
作为进一步优选地，所述扭摆单元包括真空导引、悬丝、夹具和反射镜，所述真空导引从外部伸入真空机构的内部并固定在真空机构的顶端；所述悬丝的上端与真空导引连接，其下端通过夹具与检验质量连接，用于悬挂检验质量；所述反射镜安装于夹具的两侧，用于与激光干涉仪和自准直仪配合实现检验质量位移和偏转的监测。
作为进一步优选地，所述锁紧与释放单元包括顶针、第一转接板和第一电动位移台，所述顶针通过第一转接板固定在第一电动位移台上，用于施加预紧力锁紧检验质量，所述第一电动位移台用于带动顶针移动。
作为进一步优选地，所述预紧力测量单元包括探针、力传感器、第二转接板和第二电动位移台，所述探针通过力传感器与第二转接板连接，并通过第二转接板固定在第二电动位移台上，用于测量检验质量被锁紧时受到的预紧力，所述第二电动位移台用于带动探针移动。
作为进一步优选地，所述顶针和探针的结构相同，均包括两段直径不同的圆柱体，并且与检验质量接触的第一圆柱体的直径小于远离检验质量的第二圆柱体的直径。
按照本申请的另一方面，提供了利用上述基于扭摆的预紧力地面模拟标定装置进行标定的方法，该方法包括如下步骤：
S1在激光干涉仪和自准直仪的监测下，调节预紧力测量单元使其与锁紧与释放单元对齐；
S2在锁紧与释放单元与检验质量的接触位置上控制锁紧与释放单元前进，并利用预紧力测量单元测量检验质量受到的预紧力，以标定出该接触位置下预紧力与锁紧与释放单元位移的对应关系；
S3调整锁紧与释放单元与检验质量的接触位置并重复步骤S1～S2，以此获得不同接触位置下预紧力与锁紧与释放单元位移的对应关系。
作为进一步优选地，步骤S1具体如下子步骤为：
S11通过第二电动位移台调整探针在y轴和z轴方向的位置；
S12分别利用第一电动位移台和第二电动位移台驱动顶针和探针靠近并接触检验质量，同时利用激光干涉仪确定检验质量被锁紧在位移为0的位置，然后在该位置利用自准直仪监测检验质量的摆动角和扭转角；
S13若检验质量的摆动角和扭转角不为0，则释放检验质量，并调整探针在y轴和z轴方向的位置；
S14重复步骤S12～S13直至检验质量被锁紧在位移为0的位置上时摆动角和扭转角均为0。
作为进一步优选地，步骤S2具体包括如下步骤：
S21利用第一电动位移台驱动顶针靠近并接触检验质量，直到激光干涉仪监测到检验质量的位置发生变化时停止运动，记此时顶针的位置为A位置，并利用第二电动位移台驱动探针靠近并接触检验质量；
S22利用第一电动位移台驱动顶针在A位置的基础上前进预设距离，同时利用第二电动位移台驱动探针移动预设距离，配合顶针将检验质量锁紧在其位移与偏转均为0的平衡状态，并利用预紧力测量单元测量该顶针位移处检验质量受到的预紧力；
S23重复步骤S22以标定出该接触位置下预紧力与顶针位移的对应关系。
总体而言，通过本申请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：
1．本申请利用真空机构模拟太空环境，并采用单悬丝悬挂克服了检验质量的重力影响，同时使检验质量具有较少的运动自由度，可以更容易地将检验质量锁紧在其自由运动的平衡状态，同时配合锁紧与释放单元、预紧力测量单元、激光干涉仪和自准直仪实现预紧力测量，从而模拟测量并标定在轨锁紧与释放中顶针施加的预紧力；
2．尤其是，考虑到在轨重复锁紧与释放中顶针与检验质量的接触位置很难重复，而不同接触位置处预紧力会有差异，本申请提出对锁紧与释放单元、预紧力测量单元的结构进行优化，以在地面模拟测量中对顶针与检验质量不同接触位置进行预紧力测量标定，进而充分满足真实情况下在轨锁紧与释放需求。
附图说明
图1是本申请实施例提供的基于扭摆的预紧力地面模拟标定装置的整体结构示意图；
图2是本申请实施例提供的顶针和探针的结构示意图；
图3是本申请实施例提供的检验质量被锁紧时的位移与偏转示意图，其中（a）为主视图，（b）为俯视图；
图4a是本申请实施例提供的基于扭摆的预紧力地面模拟标定方法中步骤S1的过程原理图；
图4b是本申请实施例提供的基于扭摆的预紧力地面模拟标定方法中步骤S2的过程原理图。
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：
1-真空结构，2-检验质量，3-扭摆单元，301-真空导引，302-悬丝，303-套管，304-夹具，305-反射镜，4-锁紧与释放单元，401-顶针，402-第一转接板，403-第一电动位移台，5-预紧力测量单元，501-探针，502-力传感器，503-第二转接板，504-第二电动位移台，6-激光干涉仪，7-自准直仪，8-隔振平台。
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。
如图1所示，本申请提供了一种基于扭摆的预紧力地面模拟标定装置，其包括真空机构1、检验质量2、扭摆单元3、锁紧与释放单元4、预紧力测量单元5、激光干涉仪6和自准直仪7，其中：
真空机构1用于模拟太空真空环境，其内部设置有检验质量2、扭摆单元3、预紧与释放单元4和预紧力测量单元5；
检验质量2由扭摆单元3悬挂于真空机构1的内部，在本申请的优选实施例中其为5cm×5cm×5cm的标准立方体，材料为金-铂合金，其表面经过抛光、打磨、镀膜等工艺；
扭摆单元3固定在真空机构1的上端，并向下延伸至真空机构1的内部，其底部与检验质量2连接，用于悬挂检验质量2以克服地球引力的影响；
锁紧与释放单元4和预紧力测量单元5设置在真空机构1的内部并位于检验质量2的左右两侧，锁紧与释放单元4用于施加预紧力从而锁紧检验质量2，预紧力测量单元5用于测量并标定检验质量被锁紧时的预紧力；
激光干涉仪6和自准直仪7设置在真空机构1的外部并位于检验质量2的两侧，分别用于监测检验质量2的位移和偏转，当检验质量2被锁紧或者被释放后自由运动时，可以通过激光干涉仪6和自准直仪7监测检验质量2的运动过程。
本申请提供的基于扭摆的预紧力地面模拟标定装置旨在对在轨锁紧与释放中顶针401施加在检验质量2上的预紧力进行地面的模拟测量并标定，从而用于探究顶针401预紧力对检验质量2释放残余速度的影响。本申请通过扭摆单元3悬挂检验质量2能够克服检验质量2的重力影响，同时使检验质量2具有较少的运动自由度，可以更容易地将检验质量2锁紧在其自由运动的平衡状态，从而模拟测量并标定在轨锁紧与释放中顶针401施加的预紧力。
进一步，预紧力地面模拟标定装置还包括安装于地面的隔振平台8，隔振平台8设置在真空机构1的下方，同时激光干涉仪6、自准直仪7也设置在隔振平台8上，用于抑制地面振动对预紧力地面模拟标定装置的影响。
进一步，扭摆单元3包括真空导引301、悬丝302、套管303、夹具304和反射镜305，真空导引301从外部伸入真空机构1的内部，并且与真空机构1密封固连，防止真空机构1漏气，并且可以调节其自身的初始偏心位置和高度；悬丝302的上端通过套管303与真空导引301下端相连，其下端通过套管303与夹具304上端相连，在本申请的优选实施例中悬丝302的材料为钨，长度约为80cm，直径约为80μm；夹具304的下端与检验质量2固定连接，以悬挂检验质量2来克服地球引力的影响；反射镜305安装于夹具304的两侧，用于与激光干涉仪6和自准直仪7配合实现检验质量2位移和偏转的监测，工作时激光干涉仪6发射的激光经过反射镜305反射后回到激光干涉仪6以实现位移测量，自准直仪7发射的光线经过反射镜305反射后回到自准直仪7以实现偏转角度测量。
进一步，锁紧与释放单元4包括顶针401、第一转接板402和第一电动位移台403，顶针401通过第一转接板402刚性连接在第一电动位移台403顶部，用于锁紧和释放检验质量2，第一电动位移台403用于带动顶针401移动，以调节顶针401与检验质量2的接触位置，并驱动顶针401实现对检验质量2施加预紧力并锁紧检验质量2，该第一电动位移台403优选采用六自由度电动位移台，以保证顶针401定位的重复性。
预紧力测量单元5包括探针501、力传感器502、第二转接板503和第二电动位移台504，力传感器502安装在探针501的底部，探针501通过力传感器502与第二转接板503连接，并通过第二转接板503固定在第二电动位移台504上，用于测量检验质量2被锁紧时受到的预紧力，第二电动位移台504用于带动探针501移动，该第二电动位移台504优选采用六自由度电动位移台。
考虑到在轨重复锁紧与释放中顶针401与检验质量2的接触位置的重复性问题，并且不同接触位置处预紧力会有差异，本申请对锁紧与释放单元4和预紧力测量单元5的结构进行优化，利用第一电动位移台403和第二电动位移台504带动顶针401和探针501移动，以此在地面模拟测量中对顶针401与检验质量2不同接触位置进行预紧力测量标定，从而充分满足真实情况下在轨锁紧与释放需求。
进一步，如图2所示，顶针401和探针501的结构和材料相同，优选采用铝制成，并且均包括两段直径不同的圆柱体，与检验质量2接触的第一圆柱体的直径小于远离检验质量2的第二圆柱体的直径，从而用较小的面积接触并预紧检验质量2，以减小检验质量2释放的残余速度，同时用较大直径的第二圆柱体保证顶针401和探针501在刚性连接时具有较高的强度，第一圆柱体与检验质量2接触的一端为平面，以与检验质量2的表面相配合。在本申请的一个优选实施例中，第一圆柱体的直径为0.8mm，长度为8mm，第二圆柱体的直径为3mm，长度为30mm。
按照本申请的另一方面，提供了利用上述基于扭摆的预紧力地面模拟标定装置进行标定的方法，该方法包括如下步骤：
S1在激光干涉仪6和自准直仪7的监测下，调节预紧力测量单元5使其与锁紧与释放单元4对齐，从而以顶针401为基准，调节探针501的位置在y轴方向上与顶针401对齐，如果未对齐，在锁紧检验质量2时会分别对其产生一个沿z轴和x轴方向的力矩，使检验质量2产生摆动和扭转，如图3所示，则无法将其锁紧在其自由运动的平衡状态；
S2在锁紧与释放单元4与检验质量2的接触位置上控制锁紧与释放单元4前进，并利用预紧力测量单元5测量检验质量2受到的预紧力，以标定出该接触位置下预紧力与锁紧与释放单元4位移的对应关系；
S3调整锁紧与释放单元4与检验质量2的接触位置并重复步骤S1～S2，以此获得不同接触位置下预紧力与锁紧与释放单元4位移的对应关系。
进一步，如图4a所示，步骤S1具体如下子步骤为：
S11以顶针401为基准，通过第电动二位移台504粗调探针501在y轴和z轴方向的位置；
S12分别利用第一电动位移台403和第二电动位移台504驱动顶针401和探针501缓慢靠近并接触检验质量2，同时利用激光干涉仪6确定检验质量2被锁紧在位移为0的位置，然后在该位置利用自准直仪7监测检验质量2的摆动角和扭转角；
S13如果顶针401与探针501在y轴和z轴方向未对其，则自准直仪7监测到检验质量2的摆动角和扭转角不为0，应当释放检验质量2，并细调探针501在y轴和z轴方向的位置；
S14重复步骤S12～S13直至检验质量2被锁紧在位移为0的位置上时摆动角和扭转角均为0。
进一步，如图4b所示，步骤S2具体包括如下步骤：
S21利用第一电动位移台403驱动顶针401靠近并接触检验质量2，直到激光干涉仪6监测到检验质量2的位置发生变化时停止运动，记此时顶针的位置为A位置，并利用第二电动位移台504驱动探针501靠近并接触检验质量2；
S22利用第一电动位移台403驱动顶针401在A位置的基础上前进预设距离，在本申请的优选实施例中该预设距离为1μm，同时利用第二电动位移台504驱动探针501移动预设距离，配合顶针401使检验质量2锁紧在其位移和偏转均为0的平衡状态，测量此时探针501的预紧力F(x=1μm)，由于顶针401与探针501在上述过程中对齐，两者施加给检验质量2的预紧力相等，则此时顶针401的预紧力也为F(x=1μm)；
S23重复步骤S22以驱动顶针401在A位置的基础上前进2μm，3μm，…，并得到一系列预紧力F，以标定出该接触位置下预紧力与顶针401位移x的对应关系F=F(x)。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于扭摆的预紧力地面模拟标定装置，其特征在于，该预紧力地面模拟标定装置包括真空机构（1）、检验质量（2）、扭摆单元（3）、锁紧与释放单元（4）、预紧力测量单元（5）、激光干涉仪（6）和自准直仪（7），其中：所述真空机构（1）用于模拟太空真空环境；所述检验质量（2）由扭摆单元（3）悬挂于真空机构（1）的内部；所述锁紧与释放单元（4）和预紧力测量单元（5）设置在真空机构（1）的内部并位于检验质量（2）的两侧，分别用于对检验质量（2）施加预紧力并测量标定出预紧力；所述激光干涉仪（6）和自准直仪（7）设置在真空机构（1）的外部并位于检验质量（2）的两侧，分别用于监测检验质量（2）的位移和偏转。
2.如权利要求1所述的基于扭摆的预紧力地面模拟标定装置，其特征在于，所述预紧力地面模拟标定装置还包括隔振平台（8），所述隔振平台（8）设置在真空机构（1）的下方，用于抑制地面振动对预紧力地面模拟标定装置的影响。
3.如权利要求1所述的基于扭摆的预紧力地面模拟标定装置，其特征在于，所述扭摆单元（3）包括真空导引（301）、悬丝（302）、夹具（304）和反射镜（305），所述真空导引（301）从外部伸入真空机构（1）的内部并固定在真空机构（1）的顶端；所述悬丝（302）的上端与真空导引（301）连接，其下端通过夹具（304）与检验质量（2）连接，用于悬挂检验质量（2）；所述反射镜（305）安装于夹具（304）的两侧，用于与激光干涉仪（6）和自准直仪（7）配合实现检验质量（2）位移和偏转的监测。
4.如权利要求1～3任一项所述的基于扭摆的预紧力地面模拟标定装置，其特征在于，所述锁紧与释放单元（4）包括顶针（401）、第一转接板（402）和第一电动位移台（403），所述顶针（401）通过第一转接板（402）固定在第一电动位移台（403）上，用于施加预紧力锁紧检验质量（2），所述第一电动位移台（403）用于带动顶针（401）移动。
5.如权利要求4所述的基于扭摆的预紧力地面模拟标定装置，其特征在于，所述预紧力测量单元（5）包括探针（501）、力传感器（502）、第二转接板（503）和第二电动位移台（504），所述探针（501）通过力传感器（502）与第二转接板（503）连接，并通过第二转接板（503）固定在第二电动位移台（504）上，用于测量检验质量（2）被锁紧时受到的预紧力，所述第二电动位移台（504）用于带动探针（501）移动。
6.如权利要求5所述的基于扭摆的预紧力地面模拟标定装置，其特征在于，所述顶针（401）和探针（501）的结构相同，均包括两段直径不同的圆柱体，并且与检验质量（2）接触的第一圆柱体的直径小于远离检验质量（2）的第二圆柱体的直径。
7.利用如权利要求1～6任一项所述的基于扭摆的预紧力地面模拟标定装置进行标定的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1在激光干涉仪（6）和自准直仪（7）的监测下，调节预紧力测量单元（5）使其与锁紧与释放单元（4）对齐；
S2在锁紧与释放单元（4）与检验质量（2）的接触位置上控制锁紧与释放单元（4）前进，并利用预紧力测量单元（5）测量检验质量（2）受到的预紧力，以标定出该接触位置下预紧力与锁紧与释放单元（4）位移的对应关系；
S3调整锁紧与释放单元（4）与检验质量（2）的接触位置并重复步骤S1～S2，以此获得不同接触位置下预紧力与锁紧与释放单元（4）位移的对应关系。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤S1具体如下子步骤为：
S11通过第二电动位移台（504）调整探针（501）在y轴和z轴方向的位置；
S12分别利用第一电动位移台（403）和第二电动位移台（504）驱动顶针（401）和探针（501）靠近并接触检验质量（2），同时利用激光干涉仪（6）确定检验质量（2）被锁紧在位移为0的位置，然后在该位置利用自准直仪（7）监测检验质量（2）的摆动角和扭转角；
S13若检验质量（2）的摆动角和扭转角不为0，则释放检验质量（2），并调整探针（501）在y轴和z轴方向的位置；
S14重复步骤S12～S13直至检验质量（2）被锁紧在位移为0的位置上时摆动角和扭转角均为0。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤S2具体包括如下步骤：
S21利用第一电动位移台（403）驱动顶针（401）靠近并接触检验质量（2），直到激光干涉仪（6）监测到检验质量（2）的位置发生变化时停止运动，记此时顶针（401）的位置为A位置，并利用第二电动位移台（504）驱动探针（501）靠近并接触检验质量（2）；
S22利用第一电动位移台（403）驱动顶针（401）在A位置的基础上前进预设距离，同时利用第二电动位移台（504）驱动探针（501）移动预设距离，配合顶针（401）将检验质量（2）锁紧在其位移与偏转均为0的平衡状态，并利用预紧力测量单元（5）测量该顶针（401）位移处检验质量（2）受到的预紧力；
S23重复步骤S22以标定出该接触位置下预紧力与顶针（401）位移的对应关系。
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