CN1916580A - 一种适用于空间微小推力发动机的推力测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于空间微小推力发动机的推力测量系统，包括推力剂贮箱、发动机、机械本体、传感器组件和控制驱动电路，工作梁的一端外侧面安装有传感器组件，另一端安装有配重块；控制驱动电路安装在前支撑梁和后支撑梁的横沟内；发动机安装在连接件上；推进剂管路一端连接在发动机上，另一端与推力剂贮箱连接；本发明中机械本体由支撑架组件、主轴组件、工作梁、推进组件和配重块组成，这样的本体结构设计消除了各转动件之间的摩擦，提高了推力测量结果的准确性；采用比例微分积分电路对加力电磁线圈进行控制，将微小推力信号转换为电信号；本发明通过机械结构与控制电路的组合实现微小推力的准确测量。

Description

一种适用于空间微小推力发动机的推力测量系统

技术领域

本发明涉及一种适用于测量推力的机械结构体，更特别在说，是指一种适用于空间微小推力发动机的推力测量机构。

背景技术

微、电推进等空间用微小推力发动机技术在航空航天等许多领域都有广泛的应用，发动机地面试验中微小推力测量技术是一项关键技术，只有获得实测的推力，才能获取发动机的实际性能参数(发动机实际比冲)，并开展进一步的设计和研制工作。

由于微小推力发动机工作时的推力非常小(mN级或μN级)，推进剂管路、电路的连接又对推力的测量产生很大的影响，发动机工作时会产生高温，而整个发动机必须在真空下工作，因而给推力的直接测量带来很大困难。一般在本领域中对小于等于1N称为微小推力。

针对发动机微小推力的测量，根据推力性质的不同，其结构包括目标靶、弹性元件、天平、悬摆和光学测量系统等，但测量架均含有非弹性部分，测量精度只能通过多次实验测量的方法得到，或测量系统复杂。

发明内容

本发明的目的是一种适用于空间微小推力发动机的推力测量系统，该推力测量系统中的机械本体设计，消除了各转动件之间的摩擦，提高了推力测量结果的准确性；采用比例微分积分电路对加力电磁线圈进行控制，将微小推力信号转换为电信号；本发明通过机械结构与控制电路的组合实现微小推力的准确测量。

本发明是一种适用于空间微小推力发动机的推力测量系统，包括推进剂贮箱、发动机、机械本体、传感器组件和控制驱动电路；工作梁的一端外侧面安装有传感器组件，另一端安装有配重块；控制驱动电路安装在前支撑梁和后支撑梁的横沟内；发动机安装在连接件上；推进剂管路一端连接在发动机上，另一端与推力剂贮箱连接；所述机械本体，由支撑架组件、主轴组件、工作梁、推进组件和配重块组成；传感器组件受控制驱动电路的控制、驱动处理，输出测量相关推力的测量信息。

本发明适用于空间微小推力发动机的推力测量系统的优点在于：(1)采用叉簧支撑A306、叉簧支撑B307连接主轴303与上法兰盘304、下法兰盘305，消除了主轴303与上法兰盘304、下法兰盘305之间的摩擦，并保证工作梁4的转角与推力之间成正比关系；(2)采用上连接板301、下连接板302、上法兰盘304、下法兰盘305与长方体框架101固定，实现了叉簧支撑A306与叉簧支撑B307同轴；(3)采用叉簧支撑A306、叉簧支撑B307消除了发动机502和配重块6的重力对推力测量的影响；(4)推进机管路503采用直径2mm的不锈钢管，减小了工作梁4在转动过程中的弹性系数，提高了测量精度；(5)左喷嘴卡子505安装在叉簧支撑的轴线上，并且推进机管路503与工作梁4平行安装，保证了工作梁4在转动过程中没有附加的阻力；(6)采用连接板(连接板能够完成支撑作用)、锁紧螺母、调节螺杆结构，保证了加力线圈与磁环之间的距离，并保证二者同轴；(7)采用磁环、标定电磁线圈实现了无接触部件的推力标定，由于其使用电来控制，并且不用砝码，因此可实现真空舱中的在线标定；(8)采用比例微分积分(PID)控制电路，实现了大量程高精度的推力测量，并且输出信号为标准的计算机采集信号，便于进行计算机采集。

附图说明

图1是本发明的机械本体的外部结构图。

图2是支撑架组件结构图。

图3是主轴组件结构图。

图3A是主轴结构图。

图4是推进组件与工作梁的装配图。

图4A是右喷嘴卡子结构图。

图4B是部分工作梁结构图。

图5是传感器组件装配图。

图6是本发明的比例微分积分(PID)控制驱动电路的原理图。

图中：    1.支撑架组件    101.长方体框架    102.后横梁    103.纵梁

104.前横梁    105.后支撑梁    106.前支撑梁      107.上框架    107a.框边A

107b.框边B    107c.框边C      107d.框边D        108a.角铝A    108b.角铝B

108c.角铝C    108d.角铝D      109.下框架        109a.框边A    109c.框边C

109d.框边D    111.底座A       112.底座B         114.底座D     115.底座E

2.传感器组件    201.位移传感器    202.标定电磁线圈    203.加力电磁线圈

204.连接板      205.连接板        206.连接板          207.传感器夹具

208.调节螺杆    209.锁紧螺母      210.磁环            211.调节螺杆         212.锁紧螺母

213.调节螺杆    214.磁环          215.锁紧螺母        3.主轴组件           301.上连接板

302.下连接板    303.主轴          304.上法兰盘        305.下法兰盘         306.叉簧支撑A

307.叉簧支撑B   4.工作梁          401.通孔            402.槽沟             5.推力组件

501.连接件      502.发动机        503.推进剂管路      504.支座

505.左喷嘴卡子                    506.右喷嘴卡子      507.下卡体

508.上卡体      509.通孔          6.配重块            7.连接板

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种适用于空间微小推力发动机的推力测量系统，包括推进剂贮箱、发动机502、机械本体、传感器组件2和控制驱动电路；(请参见图1所示)工作梁4的一端外侧面安装有传感器组件2，另一端安装有配重块6；控制驱动电路安装在前支撑梁106和后支撑梁105的横沟内；发动机502安装在连接件501上；推进剂管路503一端连接在发动机502上，另一端与推力剂贮箱连接；

在本发明中，机械本体由支撑架组件1、主轴组件3、工作梁4、推进组件5和配重块6组成，

请参见图2所示，支撑架组件1的长方体框架101由上框架107、下框架109、角铝A108a、角铝B108b、角铝C108c和角铝D108d焊接构成，四根角铝(角铝A108a、角铝B108b、角铝C108c、角铝D108d)垂直焊接在上框架107、下框架109之间，且四根角铝每两根相互平行；下框架109底部的四个角的部位分别安装四个底座(底座A111、底座B112、底座C(图中未标注出)、底座D114)，下框架109的框边109d外侧端面焊接有前支撑梁106、后支撑梁105，前支撑梁106、后支撑梁105的另一端焊接在纵梁103底部的两端；底座E115安装在纵梁103底部中心位置；纵梁103右端与后横梁102端部焊接，后横梁102另一端顺次固定在角铝D108d、角铝C108c上；纵梁103左端与前横梁104端部焊接，前横梁104另一端顺次固定在角铝A108a、角铝B108b上；纵梁103的长度等于角铝A108a与角铝D108d之间的距离；连接板7的一端与支撑架组件1的纵梁103固定；连接板7的设计解决了在搬运过程中，工作梁4易摆动造成重复标定给工作带来的麻烦。在搬运过程中，工作梁4与连接板7固定。

请参见图3、图3A所示，主轴组件3的上连接板301两端固定在上框架107的框边A107a、框边C107c上；下连接板302两端固定在下框架109的框边A109a、框边C109c上；主轴303安装在上连接板301与下连接板302之间，主轴303的上端套接有叉簧支撑A306，叉簧支撑A306安装在上法兰盘304上，上法兰盘304固定在上连接板301的下端；主轴303的下端套接有叉簧支撑B307，叉簧支撑B307安装在下法兰盘305上，下法兰盘305固定在下连接板302的上端。

请参见图4、图4A、图4B所示，工作梁4是一带有槽沟402的槽铝，其槽沟402内设有一通孔401，通孔401用于主轴303穿过；工作梁4的左端安装有配重块6，配重块6用于实现工作梁4两侧重量的平衡；工作梁4右端的外侧面上安装有磁环；工作梁4右端的上端固定有连接件501，连接件501上安装有右喷嘴卡子506、发动机502；推进剂管路503卡固在右喷嘴卡子506和左喷嘴卡子505的中心孔内，右喷嘴卡子506和左喷嘴卡子505结构相同，(参见图4A所示)右喷嘴卡子506由上卡体508、下卡体507组成，上卡体508和下卡体507在接合处分别设有半圆孔，经螺钉卡紧后构成通孔509供推进剂管路503通过，左喷嘴卡子505安装在支座504上，支座504安装在上框架107的框边D107d、框边B107b上；推进剂管路503一端与发动机502连接，推进剂管路503另一端与推进剂贮箱连接。推进剂管路503是直径2mm的不锈钢管，在本发明中，细小的推进剂管路503减小了工作梁4在转动过程中的弹性系数，提高了推力测量精度。在本发明中，发动机502产生的推力为0～200mN。

在本发明中，请参见图5所示，传感器组件2由位移传感器201、标定电磁线圈202、加力电磁线圈203以及多个调节螺杆组成；位移传感器201安装在传感器夹具207上，传感器夹具207另一端连接有调节螺杆208，调节螺杆208上套接有锁紧螺母209，调节螺杆208安装在连接板204上，连接板204固定在支撑架组件1的前横梁104上；磁环214安装在工作梁4的外侧面上，标定电磁线圈202与调节螺杆213连接，调节螺杆213上套接有锁紧螺母215，调节螺杆213安装在连接板205上，连接板205固定在支撑架组件1的前横梁104上；磁环210安装在工作梁4的外侧面上，加力电磁线圈203与调节螺杆211连接，调节螺杆211上套接有锁紧螺母212，调节螺杆211安装在连接板206上，连接板206固定在支撑架组件1的前横梁104上；

在本发明中，请参见图6所示，控制驱动电路由前置电路、控制电路和加力电磁线圈驱动电路组成，位移传感器201输出的电压经电容C5滤波后与运算放大器U4的第3端联接，运算放大器U4的第2端与第6端联接，运算放大器U4的第6端与运算放大器U1的第2端之间接有电位器R1，运算放大器U1的第3端与地之间接有电阻R4，运算放大器U1的第2端与第6端之间接有电阻R5，运算放大器U1的第6端经电阻R8输入到运算放大器U3的第2端；运算放大器U4的第6端与运算放大器U2的第2端之间接有电位器R2，运算放大器U2的第3端与地之间接有电阻R7，运算放大器U2的第2端与第6端之间接有电容C1，运算放大器U2的第6端经电阻R9输入到运算放大器U3的第2端；运算放大器U4的第6端与运算放大器U5的第2端之间接有电容C3，运算放大器U5的第3端与地之间接有电阻R12，电位器R3与电容C2并联在运算放大器U5的第2端与第6端，运算放大器U5的第6端经电阻R10输入到运算放大器U3的第2端；运算放大器U3的第3端与地之间接有电阻R11，运算放大器U3的第2端与第6端接有电阻R6，运算放大器U5的第6端与运算放大器U6的第3端联接，运算放大器U6的第2端与地之间接有电阻R13，且第2端与加力电磁线圈R14的一端联接；运算放大器U6的第6端分别与三极管Q1、三极管Q2的基极联接，三极管Q1的集电极与电源BT8的正极联接，电源BT8的负极接地，三极管Q2的集电极与电源BT9的负极联接，电源BT9的正极接地，三极管Q1、三极管Q2的发射极联接，且与加力电磁线圈R14的另一端联接。

在本发明的控制驱动电路中，电容C5与运算放大器U4构成前置电路，该前置电路对接收的位移传感器201输出的电压进行滤波、正向跟踪。运算放大器U1、运算放大器U2和运算放大器U5构成比例微分积分(PID)控制器。电阻R8、电阻9、电阻10与运算放大器U3构成一个加法运算器。运算放大器U6与三极管Q1、三极管Q2构成加力电磁线圈驱动电路，用于驱动加力电磁线圈203。

通过位移量的转换和闭环控制信号输出，较精确地测量出微小推力发动机稳态微小推力，推力测量范围为0.45mN～280mN。

本发明用于空间微小推力发动机的推力测量系统的测量原理，是当发动机502产生一个推力时，就会给推力测量系统一个扭矩，引起叉簧支撑A306、叉簧支撑B307变形，从而使工作梁4产生一定角度的偏转。因为转动角度很小，可直接通过位移传感器201可测量出工作梁4的位移大小来近似代替弧长。假设叉簧支撑A306、叉簧支撑B307的扭转系数为K，工作梁4端部距主轴303的距离为L，由工作梁4端部的位移大小S可算出推力F＝KS/L。因为所测量的推力非常小，从而对摩擦等外界因素的消除致关重要。首先是主轴组件3和支撑架组件1的连接部分。我们采用无摩擦的双叉形弹簧片(叉簧支撑A306、叉簧支撑B307)连接两个部分，达到有效消除外界摩擦的目的。

在本发明中，对于信号控制和输出，采用开环或闭环两种控制方式，当推力小于6mN时，采用开环方式，由于偏角范围在0.06度以内，故将圆周运动近似为平动，采用传感器进行直接测量，从传感器的电压输出得出偏转角度的信息，从而解算出发动机502的推力。当推离为6～200mN时，由于开环测量偏转角度太大，故采用一定的电磁加力器的力学反馈，对力矩进行反馈，使工作梁4的偏转角度保持为零位，即零位控制。

发动机502产生的推力通过连接件501传递给工作梁4，使其产生偏转。由于主轴303没有安装在工作梁4的正中间，并且发动机502安装在工作量的一端，因此，为了使整个工作梁4的重心位于主轴303的轴心上，在工作梁4的另一端安装有配重块6，配重的重量可调。

推进剂的供应采用不锈钢管(推进剂管路503)，其一端连接到发动机502上，另一端固定在支座504上，并且固定点位于主轴303的轴线上，由于不锈钢管长度很长，因此在小转角情况下，可将其视为弹性的，它对测量的影响可以通过标定进行消除。

微小推力测量装置的结构设计一个重要的指标就是将工作梁4在载荷情况下的偏斜程度最小化，避免影响推力的测量。

控制驱动电路采用比例微分积分(PID)控制器，通过调节电阻电容的参数值来得到合适的超调量和响应时间，电路由控制电路、加力电磁线圈驱动电路及前置电路组成，电路中采用LF356N场效应管型运算放大器和μA741运算放大器。

加力装置和标定装置均采用电磁线圈方式，由永磁铁环(磁环210、磁环214)和线圈组成。永磁铁环紧固在工作梁4侧面，线圈是由在铝质骨架上面缠绕Φ0.27的漆包铜线制作而成，在绕组外表面涂有绝缘漆，线圈匝数N为800匝，绕组外径D为25mm，绕组内径d为16mm，绕组长度a为18mm，漆包线直径d_l为0.27mm，由此可计算出电感L为0.0079H。标定器和加力器的尺寸基本一致，标定器直接使用外界恒压电源(0～+30V)，加力器使用驱动电路进行驱动。

位移传感器采用电容式高精度位移传感器，测量线路采用运算法，同时又采用了驱动电缆技术，使得在位移测量时理论上可以达到输出电压与位移之间具有良好的线性关系。传感器可在真空环境下工作，真空度＜1000Pa，输出信号为0～+5V电压或4mA～20mA电流，量程为1mm，精度为1um。

本发明推力测量系统采用两种方法对推力进行标定，一种是传统的砝码方法，即在发动机上连接一根细绳，细绳的另一端连接砝码，细绳应处于发动机的轴线上，装置中采用了摩擦极小的点接触滑轮系统，保证了标定的准确性。另一种是电磁力标定方法，即在工作梁上安装一套与加力器相同的电磁线圈和永磁铁环，利用线圈与永磁铁之间的电磁力对推力测量装置进行标定。电磁线圈电流与电磁力之间的关系预先通过高精度的天平测量得到。两种标定方法进行对比，以电磁力标定为最终标定结果。

Claims (4)

1、一种适用于空间微小推力发动机的推力测量系统，包括推力剂贮箱、发动机(502)，其特征在于：还包括机械本体、传感器组件(2)和控制驱动电路，工作梁(4)的一端外侧面安装有传感器组件(2)，另一端安装有配重块(6)；控制驱动电路安装在前支撑梁(106)和后支撑梁(105)的横沟内；发动机(502)安装在连接件(501)上；推进剂管路(503)一端连接在发动机(502)上，另一端与推力剂贮箱连接；

所述机械本体，由支撑架组件(1)、主轴组件(3)、工作梁(4)、推进组件(5)和配重块(6)组成；

支撑架组件(1)的长方体框架(101)由上框架(107)、下框架(109)、角铝A(108a)、角铝B(108b)、角铝C(108c)和角铝D(108d)焊接构成，四根角铝垂直焊接在上框架(107)、下框架(109)之间，且四根角铝每两根相互平行；下框架(109)底部的四个角的部位分别安装四个底座，下框架(109)的框边(109d)外侧端面焊接有前支撑梁(106)、后支撑梁(105)，前支撑梁(106)、后支撑梁(105)的另一端焊接在纵梁(103)底部的两端；底座E(115)安装在纵梁(103)底部中心位置；纵梁(103)右端与后横梁(102)端部焊接，后横梁(102)另一端顺次固定在角铝D(108d)、角铝C(108c)上；纵梁(103)左端与前横梁(104)端部焊接，前横梁(104)另一端顺次固定在角铝A(108a)、角铝B(108b)上；纵梁(103)的长度等于角铝A(108a)与角铝D(108d)之间的距离；连接板(7)的一端与支撑架组件(1)的纵梁(103)固定；

主轴组件(3)的上连接板(301)两端固定在上框架(107)的框边A(107a)、框边C(107c)上；下连接板(302)两端固定在下框架(109)的框边A(109a)、框边C(109c)上；主轴(303)安装在上连接板(301)与下连接板(302)之间，主轴(303)的上端套接有叉簧支撑A(306)，叉簧支撑A(306)安装在上法兰盘(304)上，上法兰盘(304)固定在上连接板(301)的下端；主轴(303)的下端套接有叉簧支撑B(307)，叉簧支撑B(307)安装在下法兰盘(305)上，下法兰盘(305)固定在下连接板(302)的上端；

工作梁(4)是一带有槽沟(402)的槽铝，其槽沟(402)内设有一通孔(401)；工作梁(4)的左端安装有配重块(6)；工作梁(4)右端的外侧面上安装有磁环；工作梁(4)右端的上端固定有连接件(501)，连接件(501)上安装有右喷嘴卡子(506)、发动机(502)；推进剂管路(503)卡固在右喷嘴卡子(506)和左喷嘴卡子(505)的中心孔内，右喷嘴卡子(506)和左喷嘴卡子(505)结构相同，左喷嘴卡子(505)安装在支座(504)上，支座(504)安装在上框架(107)的框边D(107d)、框边B(107b)上；推进剂管路(503)一端与发动机(502)连接，推进剂管路(503)另一端与推进剂贮箱连接；

所述传感器组件(2)，由位移传感器(201)、标定电磁线圈(202)、加力电磁线圈(203)以及多个调节螺杆组成；

位移传感器(201)安装在传感器夹具(207)上，传感器夹具(207)另一端连接有调节螺杆(208)，调节螺杆(208)上套接有锁紧螺母(209)，调节螺杆(208)安装在连接板(204)上，连接板(204)固定在支撑架组件(1)的前横梁(104)上；

磁环(214)安装在工作梁(4)的外侧面上，标定电磁线圈(202)与调节螺杆(213)连接，调节螺杆(213)上套接有锁紧螺母(215)，调节螺杆(213)安装在连接板(205)上，连接板(205)固定在支撑架组件(1)的前横梁(104)上；

磁环(210)安装在工作梁(4)的外侧面上，加力电磁线圈(203)与调节螺杆(211)连接，调节螺杆(211)上套接有锁紧螺母(212)，调节螺杆(211)安装在连接板(206)上，连接板(206)固定在支撑架组件(1)的前横梁(104)上；

所述控制驱动电路，由前置电路、控制电路和加力电磁线圈驱动电路组成，位移传感器(201)输出的电压经电容C5滤波后与运算放大器U4的第3端联接，运算放大器U4的第2端与第6端联接，运算放大器U4的第6端与运算放大器U1的第2端之间接有电位器R1，运算放大器U1的第3端与地之间接有电阻R4，运算放大器U1的第2端与第6端之间接有电阻R5，运算放大器U1的第6端经电阻R8输入到运算放大器U3的第2端；运算放大器U4的第6端与运算放大器U2的第2端之间接有电位器R2，运算放大器U2的第3端与地之间接有电阻R7，运算放大器U2的第2端与第6端之间接有电容C1，运算放大器U2的第6端经电阻R9输入到运算放大器U3的第2端；运算放大器U4的第6端与运算放大器U5的第2端之间接有电容C3，运算放大器U5的第3端与地之间接有电阻R12，电位器R3与电容C2并联在运算放大器U5的第2端与第6端，运算放大器U5的第6端经电阻R10输入到运算放大器U3的第2端；运算放大器U3的第3端与地之间接有电阻R11，运算放大器U3的第2端与第6端接有电阻R6，运算放大器U5的第6端与运算放大器U6的第3端联接，运算放大器U6的第2端与地之间接有电阻R13，且第2端与加力电磁线圈R14的一端联接；运算放大器U6的第6端分别与三极管Q1、三极管Q2的基极联接，三极管Q1的集电极与电源BT8的正极联接，电源BT8的负极接地，三极管Q2的集电极与电源BT9的负极联接，电源BT9的正极接地，三极管Q1、三极管Q2的发射极联接，且与加力电磁线圈R14的另一端联接。

2、根据权利要求1所述的适用于空间微小推力发动机的推力测量系统，其特征在于：推进剂管路(503)是直径2mm的不锈钢管。

3、根据权利要求1所述的适用于空间微小推力发动机的推力测量系统，其特征在于：发动机(502)选取产生的推力为0～200mN。

4、根据权利要求1所述的适用于空间微小推力发动机的推力测量系统，其特征在于：运算放大器U1、运算放大器U2、运算放大器U3、运算放大器U4和运算放大器U5选取LF356系列场效应管型运算放大器，运算放大器U6选取μA741运算放大器。

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