CN117740385B - 一种微推力器诊断测量装置及其运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微推力器诊断测量技术领域，提供了一种微推力器诊断测量装置及其运行方法，该微推力器诊断测量装置，包括：本体；弱力测量装置，设置在本体上，弱力测量装置包括摆杆模组与位移测量模组，摆杆模组具有用于安装微推力器的安装座；位移测量模组设置在摆杆模组的一侧；诊断装置，设置在本体上，且诊断装置朝向微推力器的尾流出口设置，适于表征微推力器的等离子体羽流信息。本发明提供的微推力器诊断测量装置，包括弱力测量装置与诊断装置，能够通过弱力测量装置测量微推力器的推力大小，还能够通过诊断装置表征微推力器的等离子体羽流信息，在较短的时间内完成对微推力器各项性能参数的测量与计算，高效智能的对微推力器进行表征。
Description
技术领域
本发明涉及微推力器诊断测量技术领域，具体涉及一种微推力器诊断测量装置及其运行方法。
背景技术
随着空间科学的发展，卫星平台所能适应的任务种类也越为繁多。微小卫星由于其出色的功能性、低廉的成本而在近些年迅猛发展，执行各种功能性任务，典型的有星链、星网、遥感等等。另外，随着卫星技术的发展，高精度的科学卫星也在近些年来得到蓬勃发展。这两种卫星的发展均对卫星平台的动力装置提出了新的需求。为了适应这种需求，研究人员开展了低于100W功率甚至是低于50W功率的电推力器的开发，这些推力器均可被称为微推力器。而微推力器的性能直接影响到卫星的功能性，因此，如何设计一种能够对微推力器的性能进行测试的装置显得尤为重要。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于如何设计一种能够对微推力器的性能进行测试的装置，从而提供一种微推力器诊断测量装置及其运行方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一方面，本发明提供一种微推力器诊断测量装置，包括：本体；弱力测量装置，设置在所述本体上，所述弱力测量装置包括摆杆模组与位移测量模组，所述摆杆模组具有用于安装微推力器的安装座，微推力器工作时能够带动所述摆杆模组运动；所述位移测量模组设置在所述摆杆模组的一侧，所述位移测量模组能够根据所述摆杆模组的位移量获取微推力器的推力；诊断装置，设置在所述本体上，且所述诊断装置朝向微推力器的尾流出口设置，适于表征微推力器的等离子体羽流信息。
进一步地，所述摆杆模组包括摆架支撑台、横摆杆、第一夹具、第二夹具、扭丝、夹持器、摆杆回转电机：所述摆架支撑台设置在所述本体上；所述扭丝的一端通过所述第一夹具与所述横摆杆相连，另一端通过所述第二夹具与所述夹持器相连；所述摆杆回转电机的连接部与所述摆架支撑台相连，所述摆杆回转电机的工作部与所述夹持器相连，以使所述摆杆回转电机能够驱动所述横摆杆运动；所述安装座设置在所述横摆杆的一端，微推力器工作时能够带动所述横摆杆运动。
进一步地，所述摆杆模组还包括配重，设置在所述横摆杆上，通过调节所述配重的质量能够使所述横摆杆保持水平状态。
进一步地，所述位移测量模组包括三轴位移台、传感器固定架以及位移传感器：所述三轴位移台设置在所述本体上；所述传感器固定架设置在所述三轴位移台上，所述位移传感器设置在所述传感器固定架上，所述三轴位移台能够调节所述位移传感器的位置。
进一步地，所述弱力测量装置还包括制动模组，所述制动模组包括垫块、第一升降台以及制动卡槽；所述垫块设置在所述本体上；所述第一升降台设置在所述垫块上；所述制动卡槽位于所述第一升降台背对所述垫块的一面上，所述第一升降台能够在上升至目标位置后使所述横摆杆卡入所述制动卡槽内以限制所述横摆杆运动。
进一步地，沿所述横摆杆的长度方向上间隔设置有两个所述制动模组。
进一步地，所述弱力测量装置还包括阻尼模组，所述阻尼模组包括第二升降台、转接板、左位移台、右位移台、磁铁固定框、磁铁以及阻尼钟摆；所述第二升降台设置在所述本体上；所述左位移台与所述右位移台均通过转接板安装在所述第二升降台上，所述左位移台与所述右位移台上均安装有磁铁固定框，且两个磁铁固定框平行间隔设置；每个所述磁铁固定框内均安装有磁铁，以在两个磁铁固定框之间形成磁场；所述阻尼钟摆设置在所述横摆杆远离所述安装座的一端，且所述阻尼钟摆至少部分伸入两个所述磁铁固定框之间，所述横摆杆运动时能够带动所受阻尼钟摆切割磁场内的磁感线以限制所述横摆杆的摆动幅度。
进一步地，所述诊断装置包括探针安装架以及安装在所述探针安装架上的准直法拉第探针、减速场能量分析仪以及单朗缪尔探针；所述准直法拉第探针用于表征等离子体羽流中的离子电流密度分布；所述减速场能量分析仪用于表征等离子体羽流中的离子的能量分布；所述单朗缪尔探针用于表征等离子体羽流中的等离子体密度、电子能量、空间电位以及等离子体电位分布。
进一步地，所述诊断装置还包括探针回转电机、探针转臂、前后电动滑台以及上下电动滑台；所述探针回转电机的连接部与所述本体相连，所述探针回转电机的工作部与所述探针转臂相连；所述前后电动滑台设置在所述探针转臂上；所述上下电动滑台设置在所述前后电动滑台上；所述探针安装架设置在所述上下电动滑台上。
进一步地，所述准直法拉第探针包括第一探针底座、屏蔽壳、第一绝缘支撑座、导电支撑柱以及第一收集极；所述第一收集极设置在所述导电支撑柱的端面上；所述导电支撑柱设置有所述第一收集极的一端穿过所述第一探针底座，且所述导电支撑柱通过所述第一绝缘支撑座设置在所述第一探针底座上；所述屏蔽壳包裹在所述导电支撑柱及所述第一绝缘支撑座的外周且将所述第一收集极外漏。
进一步地，所述准直法拉第探针还包括准直筒；所述准直筒设置在所述第一探针底座上且罩设在所述屏蔽壳的外周，所述准直筒朝向所述第一收集极的一面上设置有与所述第一收集极相适配的筛选孔，以使等离子体羽流中的部分离子能够通过所述筛选孔被所述第一收集极接收。
进一步地，所述减速场能量分析仪包括第二探针底座、第一探针外壳、绝缘支撑壳、第二绝缘支撑座、绝缘陶瓷、筛选栅极以及第二收集极；所述第二收集极通过所述第二绝缘支撑座设置在所述第二探针底座的一面；所述绝缘支撑壳设置在所述第二探针底座上且罩设在所述第二收集极的外周；所述绝缘陶瓷与筛选栅极叠层交替均设置在所述绝缘支撑壳内，且所述绝缘陶瓷与筛选栅极位于所述第二收集极的上游；所述第一探针外壳设置在所述第二探针底座上且罩设在所述绝缘支撑壳的外周，等离子体羽流中的离子能够依次穿过所述第一探针外壳、所述绝缘支撑壳以及所述筛选栅极后到达所述第二收集极。
进一步地，所述单朗缪尔探针包括第三探针底座、第二探针外壳、绝缘支撑陶瓷柱以及钨针；所述第二探针外壳设置在所述第三探针底座上；所述绝缘支撑陶瓷柱设置在所述第二探针外壳远离所述第三探针底座的一端，且所述绝缘支撑陶瓷柱至少部分插置在所述第二探针外壳内；所述钨针设置在所述绝缘支撑陶瓷柱远离所述第二探针外壳的一端，且所述钨针贯穿所述绝缘陶瓷柱并至少部分插置在所述第二探针外壳内。
另一方面，本发明还提供一种微推力器诊断测量装置的运行方法，包括上述任一项所述的微推力器诊断测量装置，还包括如下步骤：将弱力测量装置与诊断装置安装到位；在微推力器点火产生推力后，测量摆杆模组的位移量并根据该位移量获取微推力器的推力；使摆杆模组停止摆动，并维持微推力器工作，通过诊断装置获取微推力器的等离子体羽流信息。
进一步地，将弱力测量装置与诊断装置安装到位后，还包括如下步骤：将两个制动模组抬升至同一高度，将横摆杆强制抬起，使横摆杆与位移测量模组的测量法线垂直，记录位移传感器与横摆杆之间的距离，并将此距离作为基准距离；将制动模组的制动解除，使横摆杆回到自由态，通过摆杆回转电机将位移传感器与横摆杆之间的距离调回基准距离，以实现弱力测量装置的基线调整。
进一步地，使摆杆模组停止摆动具体包括如下步骤：将两个制动模组抬升以迫使横摆杆强制抬起，使横摆杆停止摆动。
进一步地，通过诊断装置获取微推力器的等离子体羽流信息具体包括：通过准直法拉第探针表征等离子体羽流中的离子电流密度分布；通过减速场能量分析仪表征等离子体羽流中的离子的能量分布；通过单朗缪尔探针表征等离子体羽流中的等离子体密度、电子能量、空间电位以及等离子体电位分布。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明提供的微推力器诊断测量装置，包括弱力测量装置与诊断装置，能够通过弱力测量装置测量微推力器的推力大小，还能够通过诊断装置表征微推力器的等离子体羽流信息，在较短的时间内完成对微推力器各项性能参数的测量与计算，高效智能的对微推力器进行表征。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中的微推力器诊断测量装置的整体结构示意图；
图2为本发明实施例中的微推力器诊断测量装置中摆杆模组的示意图；
图3为本发明实施例中的微推力器诊断测量装置中位移测量模组的示意图；
图4为本发明实施例中的微推力器诊断测量装置中制动模组的示意图；
图5为本发明实施例中的微推力器诊断测量装置中阻尼模组的示意图；
图6为本发明实施例中的微推力器诊断测量装置中阻尼钟摆与横摆杆的连接示意图；
图7为本发明实施例中的微推力器诊断测量装置中安装座与横摆杆的连接示意图；
图8为本发明实施例中的微推力器诊断测量装置中诊断装置的示意图；
图9为本发明实施例中的微推力器诊断测量装置中准直法拉第探针的内部结构示意图；
图10为本发明实施例中的微推力器诊断测量装置中减速场能量分析仪的内部结构示意图；
图11为本发明实施例中的微推力器诊断测量装置中单朗缪尔探针的内部结构示意图。
1、本体；2、摆杆模组；3、位移测量模组；4、制动模组；5、阻尼模组；6、诊断装置；7、微推力器；8、摆架支撑台；9、扭丝；10、横摆杆；11、第一夹具；12、夹持器；13、摆杆回转电机；14、配重；15、三轴位移台；16、传感器固定架；17、位移传感器；18、垫块；19、第一升降台；20、制动卡槽；21、第二升降台；22、转接板；23、左位移台；24、右位移台；25、磁铁固定框；26、磁铁；27、探针安装架；28、准直法拉第探针；29、减速场能量分析仪；30、单朗缪尔探针；31、探针回转电机；32、探针转臂；33、前后电动滑台；34、上下电动滑台；35、阻尼钟摆；36、安装座；37、第一探针底座；38、屏蔽壳；39、第一绝缘支撑座；40、导电支撑柱；41、第一收集极；42、准直筒；43、筛选孔；44、第二探针底座；45、第一探针外壳；46、绝缘支撑壳；47、第二绝缘支撑座；48、绝缘陶瓷；49、筛选栅极；50、第二收集极；51、第三探针底座；52、第二探针外壳；53、绝缘支撑陶瓷柱；54、钨针。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
如图1、图7所示，本实施例提供一种微推力器诊断测量装置，包括：本体1；弱力测量装置，设置在本体1上，弱力测量装置包括摆杆模组2与位移测量模组3，摆杆模组2具有用于安装微推力器7的安装座36，微推力器7工作时能够带动摆杆模组2运动；位移测量模组3设置在摆杆模组2的一侧，位移测量模组3能够根据摆杆模组2的位移量获取微推力器7的推力；诊断装置6，设置在本体1上，且诊断装置6朝向微推力器7的尾流出口设置，适于表征微推力器7的等离子体羽流信息。
本实施例提供的微推力器诊断测量装置，包括弱力测量装置与诊断装置6，能够通过弱力测量装置测量微推力器7的推力大小，还能够通过诊断装置6表征微推力器7的等离子体羽流信息，在较短的时间内完成对微推力器7各项性能参数的测量与计算，高效智能的对微推力器7进行表征。
具体而言，对于弱力测量装置而言，主要由本体1以及安装在本体1上的摆杆模组2、安装座36、位移测量模组3、阻尼模组5及制动模组4构成。其中，本体1可以为板状结构的安装平面。
如图2所示，对于摆杆模组2而言，包括横摆杆10、配重14、第一夹具11、第二夹具、扭丝9、摆架支撑台8、夹持器12以及摆杆回转电机13。其中，第一夹具11与第二夹具分别将扭丝9的两端夹持起来；第一夹具11固定在横摆杆10的中部，并使用螺丝压紧固定；第二夹具固定至夹持器12上，并使用螺丝压紧固定；夹持器12固定在摆杆回转电机13上；摆杆回转电机13固定在摆架支撑台8上；摆架支撑台8可以通过螺钉固定在本体1上。摆杆回转电机13可控制横摆杆10相对于扭转中心的静态扭转角度。
至此横摆杆10通过第一夹具11、第二夹具、扭丝9、摆架支撑台8、夹持器12与摆杆回转电机13支撑悬空，构成扭摆型弱力测量装置的基本构型；例如，安装座36可以通过螺钉安装在横摆杆10上，微推力器7通过安装座36固定在横摆杆10的一端；阻尼模组5设置在横摆杆10的另一端。
其中，横摆杆10的左右两侧的中部均配置有用于使横摆杆10维持水平的配重14，通过调节配重14的质量能够使横摆杆10保持水平状态。
横摆杆10上对应微推力器7所在的位置的一侧安装有与横摆杆10非接触的位移测量模组3；横摆杆10的下方设置有用于强制使横摆杆10停止摆动回归到初始位置的制动模组4；位移测量模组3用于监测由微推力器7产生的推力引起的横摆杆10的摆动所产生的位移，进而通过刚度来将位移值转换为推力值，表征待测推力，刚度如何确定会在后续内容进行详细说明。
如图3所示，其中，对于位移测量模组3而言，其包括三轴位移台15，三轴位移台15可以通过螺钉安装在本体1上。三轴位移台15包括用于调整模组整体上下位置的第一调节部，用于调整位移传感器17左右位置的第二调节部，用于调整位移传感器17前后的位置的第三调节部。传感位移测量模组3还包括用于固定夹紧位移传感器17的传感器固定架16以及测量横摆杆10前后摆动所生成的角位移的位移传感器17。例如，传感器固定架16可以通过螺钉安装在三轴位移台15上。
可选地，三轴位移台15可以为电动位移台。
可选地，位移传感器17可以为激光式位移传感器17、电容式位移传感器17、磁致伸缩式位移传感器17或其他可进行微小位移测量的位移传感器17。
可选地，位移测量模组3可安装在横摆杆10上相对于微推力器7的另一侧，或位移测量模组3可安装在横摆杆10上除了扭转中心处的任意位置。
如图4所示，其中，对于制动模组4而言，制动模组4包括调整模组高度的垫块18，垫块可以螺接在本体上。制动模组4还包括用于调整制动卡槽20高度的第一升降台19以及用于对横摆杆10进行限位卡紧的制动卡槽20。制动卡槽20的卡槽法线方向与位移测量模组3的位移测量的法线方向垂直。
可选地，垫块18也可以使用升降台进行替代。
可选地，制动模组4也可以使用其他方案，如夹持横摆杆10，磁吸横摆杆10等可使横摆杆10强行停止摆动的结构替代。
可选地，制动模组4可以有两套，分别位于横摆杆10上扭丝9的左右两侧，也可以为其他数量，只要可对横摆杆10进行精确制动即可。
可选地，在制动模组4有两套时，两套制动模组4的制动卡槽20的四条卡槽线应两两对应，确保制动时横摆杆10处于水平。
使用时，制动模组4可以将横摆杆10抬升，横摆杆10陷入制动卡槽20中，停止摆动，可在完成推力测量并准备进入下一阶段前时使用。
如图5、图6所示，其中，对于阻尼模组5而言，阻尼钟摆35可以通过螺钉安装在横摆杆10上与微推力器7不同的另一端，其他部分与横摆杆10不接触。
阻尼模组5包括用于调整模组整体高度与上下位置的第二升降台21，用于向上层转接的转接板22，用于调整两个磁铁26之间的间距的左位移台23、右位移台24，用于支撑并固定磁铁26的磁铁固定框25。例如，磁铁26可以为板状的磁铁26，磁铁26镶嵌在磁铁固定框25的内圈。
可选地，第二升降台21可以为电动升降台，左位移台23、右位移台24可以为电动位移台。
可选地，阻尼模组5可以为磁阻尼式的阻尼模组5，也可为电磁阻尼式、重力式、油阻尼式或其他类型的阻尼模组5。
使用时，通过位于横摆杆10上的阻尼钟摆35切割由两块相对的磁铁26产生的磁感线来产生与原磁场方向相反的感应电流，来阻滞横摆杆10的摆动，压制横摆杆10的摆幅，使其可迅速回归稳定位置。
其中，微推力器7的电缆与气路可沿横摆杆10到达扭转中心，并沿扭丝9传递到弱力测量装置的外部，也可直接从横摆杆10的一侧悬空引出至外部，也可使用金属液体传导至外部，或可使用其他可以传到电信号与工质的装置或方法替代。
其中，微推力器7既可以作为待测物，同时也可作为整套弱力测量装置的标准力产生源；例如，微推力器7在不施加电力，进喷出气体的情况下可视为一台冷气推力器。微推力器7作为冷气推力器时输出的推力F可表达为下式：
其中输入微推力器中的工质气体的质量流量，v为喷出的工质气体的速度，pe和po分别为推力器出口压力与环境压力，A为出口平面的截面积。
横摆杆10沿扭转中心的扭转遵循二阶谐振子公式，为瞬态公式。而在弱力测量的过程中，需测量由微推力器的推力引起的稳态位移，因此公式化简为，其中，k为上述部分提及的刚度系数，θ为由推力引起的角位移；横摆杆的左右摆臂的长度一般远大于由待测推力器引起的位移量，一般为数万倍以上，因此角位移θ可以转换为微位移x，即公式改写为/>。微推力器7输入一系列的工质的质量流量后，通过不同的位移x，可以反推不同的推力。
如图8所示，其中，对于诊断装置6而言，其能够针对稀薄等离子羽流进行诊断，主要包括探针回转电机31、探针转臂32、前后电动滑台33、上下电动滑台34、准直法拉第探针28、减速场能量分析仪29、单朗缪尔探针30以及探针安装架27；
准直法拉第探针28、减速场能量分析仪29与单朗缪尔探针30可以按照从上至下的顺序依次安装在探针安装架27上。探针安装架27固定安装在上下电动滑台34上，上下电动滑台34安装在前后电动滑台33上；前后电动滑台33安装在探针转臂32上；探针转臂32安装在探针回转电机31上；前后电动滑台33能够沿着探针转臂32的长度方向运动，上下电动滑台34带动探针安装架27升降运动。探针回转电机31能够控制探针安装架27在探针转臂32所在的平面内摆动。
可选地，探针回转电机31、前后电动滑台33与上下电动滑台34的球坐标系定位方案也可更换为三组直线电机的组合方案，或三组直线电机加一组回转电机的方案或其他方案。
如图9所示，其中，对于准直法拉第探针28而言，准直法拉第探针28用于表征由微推力器7产生的等离子体羽流中的离子电流密度分布。准直法拉第探针28的第一收集极41要兼具收集精度与收集电流的数值，不宜过大也不宜过小，过小的第一收集极41可接受的电流信号过小，过大的话影响收集电流的分辨率与角精度。
可选地，第一收集极41的直径范围可以为5mm-12.5mm，例如，可为5 mm、7.5 mm、10mm、12.5mm或其他数值。
准直法拉第探针28的屏蔽壳38与第一收集极41间的间距一般为5-10个德拜长度，以减小边缘效应。
可选地，第一收集极41与屏蔽壳38间的间距范围可以为0.5mm-1mm，例如，可以为0.5mm、0.75mm、1mm或其他数值。
其中，准直法拉第探针28可以为现有的法拉第探针，区别在于，第一探针底座37上增设一个准直筒42；准直筒42仅允许一定角度范围内的离子进入其内部并被第一收集极41接收。
其中，第一探针底座37用于构成探针基本框架，并将探针本体1与其他组件电绝缘。屏蔽壳38用于避免边缘效应并被施加上相对于阴极或者等电位连接端子的负电压，用于排斥电子。第一绝缘支撑座39用于将导电支撑柱40、第一收集极41与其他组件绝缘并支撑其。导电支撑柱40与第一收集极41电连接，其中第一收集极41用于收集进入准直筒42的离子流。第一收集极41施加了与屏蔽壳38相同的负电压，用于排斥入射羽流中的电子。第一收集极41的上平面与屏蔽壳38的上平面等高。第一收集极41的直径可以与准直筒42上的筛选孔43的直径相等。
可选地，准直筒42可以施加与屏蔽壳38及第一收集极41相同的负电压，也可以接地。
可选地，负偏压、负电压的电压值范围可以为-60V至-25V，例如，可以为-25V、-30V、-50V、-60V或其他电压。
可选地，第一收集极41的材料可以为耐轰击的材料，如钼、钽等。
可选地，准直筒42与屏蔽壳38的材料可以为不锈钢、钽、钼或其他。
如图10所示，其中，对于减速场能量分析仪29而言，减速场能量分析仪29用于表征由微推力器7产生的等离子体羽流中的离子的能量分布。
其中，减速场能量分析仪29可以为现有的减速场能量分析仪29，主要包括第二探针底座44、第一探针外壳45、绝缘支撑壳46、第二绝缘支撑座47、绝缘陶瓷48、筛选栅极49与第二收集极50。
第二探针底座44用于构成探针基本框架，并将探针本体1与其他组件电绝缘。第一探针外壳45与绝缘支撑壳46构成了探针的基础内部空间，并确保探针内部与第一探针外壳45电绝缘；绝缘支撑壳46内部两侧有用于定位筛选栅极49的槽位，同时也预留了供筛选栅极49电连接的空间；第二绝缘支撑座47将第二收集极50顶起，并预留了供第二收集极50电连接的部分；绝缘陶瓷48与筛选栅极49交替堆叠，使各个筛选栅极49之间保持电绝缘；筛选栅极49为多孔金属原片，且拥有向绝缘支撑壳46的槽位中定位的定位耳；筛选栅极49用于过滤出不同阶段的离子，为了执行必要的功能，至少需要拥有三片筛选栅极49。
其中，由外至内，必须的三片筛选栅极49中的第一片为悬浮屏蔽栅极，可接地也可悬浮，减小等离子体对内外部的影响；第二片为排斥栅极，将入射到该部位的等离子体羽流中的电子排斥，仅使离子进入下一层栅极；第三片为减速栅极，施加正电压来排斥离子，使离子减速，并最后运动至第二收集极50被收集。
其中，第一探针外壳45的入射直径与绝缘陶瓷48的内径相等，与筛选栅极49入射孔部分的直径也相等。所有筛选栅极49的孔分布一致，且所有孔安装后对准，确保离子羽流的顺利入射；可选地，筛选栅极49也可以为四片，第四片可放置在第三片之后，在离子减速后再一次对可能生成的二次电子进行排斥；可选地，第二收集极50可以施加负偏压，用于对减速后的离子进行吸引，使其更容易采集到信号。
可选地，筛选栅极49通过定位耳焊接导线，向外进行电连接；可选地，第一探针外壳45可接地或者连接至阴极电位；可选地，绝缘陶瓷48的材料可以为陶瓷、石英玻璃或其他；可选地，筛选栅极49的材料可以为不锈钢，钼、钽等；可选地，第二收集极50的材料可以为耐轰击的钨、钼、钽等；可选地，筛选栅极49中的第二片和第四片的负偏压可以为-25、-30、-50、-60V或其他数值；可选地，第二收集极50上的负电压可以为-5、-10V或其他数值。
区别在于，对于稀薄等离子体羽流而言，减速场能连分析仪的第二收集极50要兼具收集精度与收集电流的数值，不宜过大也不宜过小，过小的第二收集极50可接受的电流信号过小，过大的话影响收集电流的分辨率与角精度。
可选地，第二收集极50的直径范围可以为7.5mm-12.5mm，例如，可以为7.5mm、10mm、12.5mm或其他数值。
筛选栅极49的直径一般要小于5-10个德拜长度，以实现对电子的排斥和屏蔽。
可选地，筛选栅极49上离子入射孔的直径范围可以为0.5mm-0.8mm，例如，可为0.5mm、0.6mm、0.8mm或其他数值。
可选地，透过率，也就是筛选栅极49上的入射孔面积可以占总入射面积的20%-50%，例如，可以为20%、30%、40%、50%或其他。
如图11所示，其中，对于单朗缪尔探针30而言，单朗缪尔探针30用于表征由微推力器7产生的等离子体羽流中的等离子体密度、电子能量、空间电位与等离子体电位分布。
单朗缪尔探针30可以为现有技术中的单朗缪尔探针30，主要包括第三探针底座51、第二探针外壳52、绝缘支撑陶瓷柱53与钨针54。第三探针底座51用于构成探针基本框架，并将该探针与其他组件电绝缘；第二探针外壳52向上支撑，并留有绝缘支撑陶瓷柱53与钨针54穿过的空间；绝缘支撑陶瓷柱53用于维持钨针54与其他组件的电绝缘，并预留有钨针54穿过的小孔；钨针54深入等离子体羽流中，直接探测等离子体的相关特性。其中，钨针54被施加了从负到正的阶梯电压，以获取等离子体的电压电流特性曲线；钨针54的顶端平面高于绝缘支撑陶瓷柱53的平面高于第二探针外壳52的平面；可选地，钨针54的材料也可不限定于钨，也可以为钼、钽、钛等。
由于，钨针54用于向等离子体羽流中伸入，并采集相应的信号，钨针54的直径应在尽可能小的情况下大于德拜长度；可选地，钨针54的直径范围可以为0.5mm-2mm，例如，可以为0.5、1、2mm或其他数值。
另一个实施例中还提供一种微推力器诊断测量装置的运行方法，包括上述任一项的微推力器诊断测量装置，还包括如下步骤：将弱力测量装置与诊断装置安装到位；在微推力器点火产生推力后，测量摆杆模组的位移量并根据该位移量获取微推力器的推力；使摆杆模组停止摆动，并维持微推力器工作，通过诊断装置获取微推力器的等离子体羽流信息。
其中，将弱力测量装置与诊断装置安装到位后，还包括如下步骤：将两个制动模组抬升至同一高度，将横摆杆强制抬起，使横摆杆与位移测量模组的测量法线垂直，记录位移传感器与横摆杆之间的距离，并将此距离作为基准距离；将制动模组的制动解除，使横摆杆回到自由态，通过摆杆回转电机将位移传感器与横摆杆之间的距离调回基准距离，以实现弱力测量装置的基线调整。
具体的，将所有部组件与模组安装到位，并调整相对距离与相对高度，完成装置所有结构的装配与连接；将两个制动模组抬升至同一高度，横摆杆强制抬起，此时横摆杆与位移测量模组的测量法线垂直，记录此时位移传感器采集到的到横摆杆的距离，并将此距离作为基准距离；将制动模组的制动解除，摆杆回到自由态，此时横摆杆与位移传感器间的距离偏离基线，调整摆杆回旋电机使二者间的距离重回基准距离，完成弱力测量系统的基线调整。
其中，使摆杆模组停止摆动具体包括如下步骤：将两个制动模组抬升以迫使横摆杆强制抬起，使横摆杆停止摆动。
其中，通过诊断装置获取微推力器的等离子体羽流信息具体包括：通过准直法拉第探针表征等离子体羽流中的离子电流密度分布；通过减速场能量分析仪表征等离子体羽流中的离子的能量分布；通过单朗缪尔探针表征等离子体羽流中的等离子体密度、电子能量、空间电位以及等离子体电位分布。
具体的，以待测的微推力器为一种微霍尔推力器为例，电子源为一种热发射电子源，电连接时：高压电源VH-V的正高压连接至待测推力器的阳极，负高压同时连接至待测推力器的外壳与电子源的外壳；示波器连接至外壳与阳极之间采集待测推力器的放电电流；实施例中的电子源由一路VHeat提供加热功率，其负极同样连接至电子源外壳；准直法拉第探针的第一收集极、屏蔽壳与准直筒同时连接至一个负偏压电源VBias的正极，而负偏压电源的负极连接至电子源的外壳，与其等电位；第一收集极的线路中还串联有一个用于采集微弱离子电流信号的高精度电流表Aha。
减速场能量分析仪的第一片筛选栅极被连接至电子源外壳，与其等电位；第二片与第四片筛选栅极连接至一个负偏压电源VBias的正极，而负偏压电源的负极连接至电子源的外壳，与其等电位；第三片筛选栅极连接至一个扫描电源VScan上，用于携带梯度上升的电压来对入射离子进行减速，扫描电源VScan的负极连接至电子源外壳，与其等电位；第二收集极连接至电子源外壳上，并在线路中串联了一个用于采集微弱离子电流信号的高精度电流表Aha。
单朗缪尔探针的钨针连接至一个双极性扫描电源VScanPN上，并串联了一个用于采集微弱离子电流信号的高精度电流表Aha；双极性扫描电源VScanPN的另一端连接至电子源的外壳，与其等电位。
运行时：
S0，先进行准备工作，将弱力测量装置与诊断装置安装到位，并对弱力测量装置进行调整校准，对诊断装置使用上述电连接方法进行电连接，并选定好各个探针表面距待测推力器羽流出口的距离，使用前后电动滑台进行调节，之后将待测推力器的外围配套搭建完成。
S1，待测推力器的电子源启动，工质气体供给，开启高压电源VH-V，待测推力器成功点火，产生推力，位移测量模组记录由推力产生的位移量；
S2，待测推力器仍维持工作，制动模组启动，将横摆杆强制抬升，停止摆动，并启动所有负偏压电源VBias、高精度电流表Aha与示波器Ac，并将扫描电源VScan与双极性扫面电源VScanPN待命。
S3，先调节上下电动滑台，使准直法拉第探针的中轴线与待测推力器的中轴线共线。调节前后电动滑台，调整准直法拉第探针的表面距待测推力器的羽流出口平面的距离。
S4，驱动探针回转电机以1°为间隔沿顺时针方向运动，共旋转91次。每旋转一次，与第一收集极相连的高精度电流表Aha便完成一次或多次快速采集，并将该数值除以第一收集极的面积，获得该工况下离子电流密度的角度分布函数，并使用公式/>进行积分，获得待测推力器在出口平面前方产生的总离子电流值。
S5，探针回转电机归位，重新将探针中轴线与待测推力器的中轴线共面，并调整上下电动滑台，使减速场能量分析仪的中轴线对准待测推力器的中轴线。调节前后电动滑台，调整减速场能量分析仪的表面距待测推力器的羽流出口平面的距离。
S6，启动扫描电源VScan，设定合适的电压阶梯向上升压，如2V为一个阶梯，在此过程中每变更一次电压，与第二收集极相连的高精度电流表Aha便进行一次电流值记录，得到在该角度下的电压-电流曲线。
S7，将探针回转电机沿顺时针方向旋转，锚定在该位置后重复S6的操作，并最终使减速场能量分析仪的中轴线与待测推力器的中轴线垂直，获取全部角度下的，对其求偏导后得到离子能量分布函数，再处理后可获得在该角度下的待测推力器产生的离子的能量。
S8，探针回转电机归位，重新将探针中轴线与待测推力器的中轴线共面，并调整上下电动滑台，使单朗缪尔探针的中轴线对准待测推力器的中轴线。
S9，启动双极性扫描电源VScanPN，并从负电压开始设定合适的电压阶梯向上升压，例如，可以2V为一个阶梯，在此过程中每变更一次电压，与钨针相连的高精度电流表Aha便进行一次电流值记录，得到在该轴线位置下的电压-电流曲线。
S10，移动前后电动滑台，将单朗缪尔探针移动至预期的位置，并重复S9的操作，获得一系列的，不同轴线位置下的电压-电流曲线，将该电流-电压特性曲线按照特征进行分段，在电流从负值转为零的该段为离子电流饱和段，电流转变为零所对应的电压值为悬浮电位Vf。从电流转换为零到曲线斜率最大值的该段为转变段，曲线斜率最大值所对应的电压为等离子体电位VP，又称拐点，而对该段电流取自然对数Ln后求其斜率的倒数，为电子温度Te。拐点向后的曲线为电子电流饱和段，饱和电子电流/>。
S11：完成该工况下的弱力测量与等离子体诊断，解除制动模组的制动，并输入下一个待测工况的指令，待微推力器稳定输出后，重复步骤S1至S11；
S12：所有所需工况测量完成，关闭所有电源与设备，输出并整理数据。
需要说明的是，本申请中的微推力器诊断测量装中的弱力测量装置还可以为其他能够对微推力器进行测量的弱力测量装置，如重力式，水平式等等。
弱力测量与等离子体诊断两个过程可以分开进行，本实施例给出了另一种运行方法；
弱力测量的所有系统流程如调整与校准方法不变，测量过程如系统运行方法中的S1所示。在完成这些操作后，将待测推力器从弱力测量装置上卸载；将待测推力器安装至有三维立体电机的工作台上，并调整与诊断装置的相对位置，再通过诊断装置获取微推力器的等离子体羽流信息。
上述发实施例给出了三种稀薄等离子体探针，而需要说明的是，用于等离子体诊断的探针不止上述三种，本系统也可根据需求装配不同的等离子体探针。
需要说明的是，本申请中涉及的微推力器为稀薄等离子体产生装置，其产生的等离子体特性与常规的低中高功率霍尔推力器有所不同，尤其体现在等离子体密度、电子密度与电子能量上，进而反映到德拜长度上；
德拜长度的表达式为：，其中/>为介电常数，/>为玻尔兹曼常量，/>为电子温度，/>为电子密度，/>为电子电量；
微推力器的等离子体密度，也就是电子密度一般远小于常规电推力器，一般为其十分之一至百分之一，但其放电电压要求一般较高，也致使其电子温度要高于常规电推力器数倍，例如二到五倍；
故微推力器的德拜长度粗略估算为常规低中高功率电推力器的近十倍；常规电推力器的德拜长度一般为数十至百微米，故粗略估计微推力器的德拜长度为毫米及或百毫米级。
综上，本申请中的微推力器诊断测量装置及其运行方法，搭建了一套弱力测量装置，并围绕其进行了子模块与主体框架的配置。
本申请中的微推力器诊断测量装置及其运行方法，为该弱力测量装置编写了标准的调整、校准与测量流程，简化了实验步骤。
本申请中的微推力器诊断测量装置及其运行方法，弱力测量装置为亚毫牛级别的弱力测量装置，专门针对微推力器的推力测量设计研发，可对极微弱力，如亚微牛级别的弱力进行精准测量。
本申请中的微推力器诊断测量装置及其运行方法，从微推力器产生的稀薄等离子体的相关物理参数出发，设计了多种可适应稀薄等离子体的探针，并为其配置了相应的装配工装。
本申请中的微推力器诊断测量装置及其运行方法，为多种等离子体探针及其装配工装编写了系统工作流程，简化了实验成本。
本申请中的微推力器诊断测量装置及其运行方法，为弱力测量装置与诊断装置编写了数据处理方法，提供了高效可靠的数据处理与评价体系。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种微推力器诊断测量装置，其特征在于，包括：
本体（1）；
弱力测量装置，设置在所述本体（1）上，所述弱力测量装置包括摆杆模组（2）与位移测量模组（3），所述摆杆模组（2）具有用于安装微推力器（7）的安装座（36），微推力器（7）工作时能够带动所述摆杆模组（2）运动；所述位移测量模组（3）设置在所述摆杆模组（2）的一侧，所述位移测量模组（3）能够根据所述摆杆模组（2）的位移量获取微推力器（7）的推力；
诊断装置（6），设置在所述本体（1）上，且所述诊断装置（6）朝向微推力器（7）的尾流出口设置，适于表征微推力器（7）的等离子体羽流信息；
所述摆杆模组（2）包括摆架支撑台（8）、横摆杆（10）、第一夹具（11）、第二夹具、扭丝（9）、夹持器（12）、摆杆回转电机（13）：
所述摆架支撑台（8）设置在所述本体（1）上；
所述扭丝（9）的一端通过所述第一夹具（11）与所述横摆杆（10）相连，另一端通过所述第二夹具与所述夹持器（12）相连；
所述摆杆回转电机（13）的连接部与所述摆架支撑台（8）相连，所述摆杆回转电机（13）的工作部与所述夹持器（12）相连，以使所述摆杆回转电机（13）能够驱动所述横摆杆（10）运动；
所述安装座（36）设置在所述横摆杆（10）的一端，微推力器（7）工作时能够带动所述横摆杆（10）运动；
所述摆杆模组（2）还包括配重（14），设置在所述横摆杆（10）上，通过调节所述配重（14）的质量能够使所述横摆杆（10）保持水平状态；
所述弱力测量装置还包括制动模组（4），所述制动模组（4）包括垫块（18）、第一升降台（19）以及制动卡槽（20）；
所述垫块（18）设置在所述本体（1）上；
所述第一升降台（19）设置在所述垫块（18）上；
所述制动卡槽（20）位于所述第一升降台（19）背对所述垫块（18）的一面上，所述第一升降台（19）能够在上升至目标位置后使所述横摆杆（10）卡入所述制动卡槽（20）内以限制所述横摆杆（10）运动；
沿所述横摆杆（10）的长度方向上间隔设置有两个所述制动模组（4）。
2.根据权利要求1所述的微推力器诊断测量装置，其特征在于，
所述位移测量模组（3）包括三轴位移台（15）、传感器固定架（16）以及位移传感器（17）：
所述三轴位移台（15）设置在所述本体（1）上；
所述传感器固定架（16）设置在所述三轴位移台（15）上，所述位移传感器（17）设置在所述传感器固定架（16）上，所述三轴位移台（15）能够调节所述位移传感器（17）的位置。
3.根据权利要求1所述的微推力器诊断测量装置，其特征在于，
所述弱力测量装置还包括阻尼模组（5），所述阻尼模组（5）包括第二升降台（21）、转接板（22）、左位移台（23）、右位移台（24）、磁铁固定框（25）、磁铁（26）以及阻尼钟摆（35）；
所述第二升降台（21）设置在所述本体（1）上；
所述左位移台（23）与所述右位移台（24）均通过转接板（22）安装在所述第二升降台（21）上，所述左位移台（23）与所述右位移台（24）上均安装有磁铁固定框（25），且两个磁铁固定框（25）平行间隔设置；
每个所述磁铁固定框（25）内均安装有磁铁（26），以在两个磁铁固定框（25）之间形成磁场；
所述阻尼钟摆（35）设置在所述横摆杆（10）远离所述安装座（36）的一端，且所述阻尼钟摆（35）至少部分伸入两个所述磁铁固定框（25）之间，所述横摆杆（10）运动时能够带动所受阻尼钟摆（35）切割磁场内的磁感线以限制所述横摆杆（10）的摆动幅度。
4.根据权利要求1所述的微推力器诊断测量装置，其特征在于，
所述诊断装置（6）包括探针安装架（27）以及安装在所述探针安装架（27）上的准直法拉第探针（28）、减速场能量分析仪（29）以及单朗缪尔探针（30）；
所述准直法拉第探针（28）用于表征等离子体羽流中的离子电流密度分布；
所述减速场能量分析仪（29）用于表征等离子体羽流中的离子的能量分布；
所述单朗缪尔探针（30）用于表征等离子体羽流中的等离子体密度、电子能量、空间电位以及等离子体电位分布。
5.根据权利要求4所述的微推力器诊断测量装置，其特征在于，
所述诊断装置（6）还包括探针回转电机（31）、探针转臂（32）、前后电动滑台（33）以及上下电动滑台（34）；
所述探针回转电机（31）的连接部与所述本体（1）相连，所述探针回转电机（31）的工作部与所述探针转臂（32）相连；
所述前后电动滑台（33）设置在所述探针转臂（32）上；
所述上下电动滑台（34）设置在所述前后电动滑台（33）上；
所述探针安装架（27）设置在所述上下电动滑台（34）上。
6.根据权利要求4所述的微推力器诊断测量装置，其特征在于，
所述准直法拉第探针（28）包括第一探针底座（37）、屏蔽壳（38）、第一绝缘支撑座（39）、导电支撑柱（40）以及第一收集极（41）；
所述第一收集极（41）设置在所述导电支撑柱（40）的端面上；
所述导电支撑柱（40）设置有所述第一收集极（41）的一端穿过所述第一探针底座（37），且所述导电支撑柱（40）通过所述第一绝缘支撑座（39）设置在所述第一探针底座（37）上；
所述屏蔽壳（38）包裹在所述导电支撑柱（40）及所述第一绝缘支撑座（39）的外周且将所述第一收集极（41）外漏；
所述准直法拉第探针（28）还包括准直筒（42）；
所述准直筒（42）设置在所述第一探针底座（37）上且罩设在所述屏蔽壳（38）的外周，所述准直筒（42）朝向所述第一收集极（41）的一面上设置有与所述第一收集极（41）相适配的筛选孔（43），以使等离子体羽流中的部分离子能够通过所述筛选孔（43）被所述第一收集极（41）接收；
所述减速场能量分析仪（29）包括第二探针底座（44）、第一探针外壳（45）、绝缘支撑壳（46）、第二绝缘支撑座（47）、绝缘陶瓷（48）、筛选栅极（49）以及第二收集极（50）；
所述第二收集极（50）通过所述第二绝缘支撑座（47）设置在所述第二探针底座（44）的一面；
所述绝缘支撑壳（46）设置在所述第二探针底座（44）上且罩设在所述第二收集极（50）的外周；
所述绝缘陶瓷（48）与筛选栅极（49）叠层交替均设置在所述绝缘支撑壳（46）内，且所述绝缘陶瓷（48）与筛选栅极（49）位于所述第二收集极（50）的上游；
所述第一探针外壳（45）设置在所述第二探针底座（44）上且罩设在所述绝缘支撑壳（46）的外周，等离子体羽流中的离子能够依次穿过所述第一探针外壳（45）、所述绝缘支撑壳（46）以及所述筛选栅极（49）后到达所述第二收集极（50）；
所述单朗缪尔探针（30）包括第三探针底座（51）、第二探针外壳（52）、绝缘支撑陶瓷柱（53）以及钨针（54）；
所述第二探针外壳（52）设置在所述第三探针底座（51）上；
所述绝缘支撑陶瓷柱（53）设置在所述第二探针外壳（52）远离所述第三探针底座（51）的一端，且所述绝缘支撑陶瓷柱（53）至少部分插置在所述第二探针外壳（52）内；
所述钨针（54）设置在所述绝缘支撑陶瓷柱（53）远离所述第二探针外壳（52）的一端，且所述钨针（54）贯穿所述绝缘支撑陶瓷柱（53）并至少部分插置在所述第二探针外壳（52）内。
7.一种微推力器诊断测量装置的运行方法，其特征在于，包括权利要求1至6中任一项所述的微推力器诊断测量装置，还包括如下步骤：
将弱力测量装置与诊断装置安装到位；
在微推力器点火产生推力后，测量摆杆模组的位移量并根据该位移量获取微推力器的推力；
使摆杆模组停止摆动，并维持微推力器工作，通过诊断装置获取微推力器的等离子体羽流信息。
8.根据权利要求7所述的微推力器诊断测量装置的运行方法，其特征在于，
将弱力测量装置与诊断装置安装到位后，还包括如下步骤：
将两个制动模组抬升至同一高度，将横摆杆强制抬起，使横摆杆与位移测量模组的测量法线垂直，记录位移传感器与横摆杆之间的距离，并将此距离作为基准距离；
将制动模组的制动解除，使横摆杆回到自由态，通过摆杆回转电机将位移传感器与横摆杆之间的距离调回基准距离，以实现弱力测量装置的基线调整。
9.根据权利要求7所述的微推力器诊断测量装置的运行方法，其特征在于，
使摆杆模组停止摆动具体包括如下步骤：
将两个制动模组抬升以迫使横摆杆强制抬起，使横摆杆停止摆动；
通过诊断装置获取微推力器的等离子体羽流信息具体包括：
通过准直法拉第探针表征等离子体羽流中的离子电流密度分布；
通过减速场能量分析仪表征等离子体羽流中的离子的能量分布；
通过单朗缪尔探针表征等离子体羽流中的等离子体密度、电子能量、空间电位以及等离子体电位分布。
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