CN104280168B - 一种基于双光束干涉原理的高精度光学微小推力测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于双光束干涉原理的高精度光学微小推力测量系统，包括发动机悬挂组件、推力标定组件、推力测量光学系统。推力测量光学系统用于产生干涉条纹；通过发动机悬挂组件将待测量发动机吊装，在推力标定组件中码盘上放置砝码产生推力，模拟待测量发动机的推力。将推力施加于变形模使变形膜形变，进而使干涉条纹吞吐圈数变化。通过对干涉条纹吞吐圈数变化量计数，由计算机生成推力‑计数个数曲线作为标定曲线。待测发动机产生的推力同样可使干涉条纹吞吐圈数变化，通过计数装置进行计数后输入计算机，生成计数个数‑时间曲线，进而结合标定曲线，可得到推力‑时间曲线。本发明的优点为：测量所需传感器少，结构简单，可靠性高，测量精确。

Description

一种基于双光束干涉原理的高精度光学微小推力测量系统

技术领域

本发明属于航天发动机领域，涉及一种发动机微小推力测量装置，具体来说，是一种具有微推力测量与标定组件的，用于测量1μN至1N推力的发动机推力测量装置。

背景技术

推力测量实验是考核火箭发动机的最直接有效地方法，而推力是测量试验中最重要的测量参数之一。只有获得实际测量的推力,才能获得发动机的实际性能参数，进而完成发动机的设计和研制等工作。

在航天领域一般把小于等于1N的推力称为微推力。目前对于微推理的测量方式比较多，如目标靶法、天平法、悬摆法、光学法。目前较流行的方法大多基于平衡力原理，即利用测量系统产生一微小力与微推力相平衡。但是此基于此原理的系统较为复杂，传感器数量较多，对部件连接处无摩擦要求较高。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于双光束干涉原理的高精度光学微小推力测量系统，以活动反射镜敏感推力标定系统的推力，以接收平面检测干涉条纹的变化并向数据接收处理系统输出电信号从而实现推力的检测。

本发明一种基于双光束干涉原理的高精度光学微小推力测量系统，包括发动机悬挂组件、推力标定组件、推力测量光学系统与计算机。

所述发动机悬挂组件用来将待测量发动机悬挂于固定面上。

所述推力标定组件包括标定中心杆、推杆、标定鱼线、滑轮、升降滑轮安装座与托盘。其中，标定中心杆与推杆的固定端螺纹安装在待测量发动机的推力输出端端部；使推杆位于标定中心杆上方；标定中心杆的自由端与标定鱼线一端固连，标定鱼线绕过可升降滑轮安装座上安装的滑轮，另一端与托盘上安装的托盘挂钩相连。

所述推力测量光学系统包括激光器、扩束镜、分光镜、活动高反镜、固定高反镜、变形膜、变形膜安装架、干涉条纹检测电路与计数装置；其中，激光器的发射端安装有扩束镜；分光镜、活动高反镜与固定高反镜的安装位置为：使扩束后的激光束射向分光镜，通过分光镜将扩束后的激光束分为两路，一路垂直照射至活动高反镜，另一路垂直照射至固定高反镜，并分别经活动高反镜与固定高反镜表面反射后，在分光镜处汇合，使两路反射光在分光镜处汇合处产生干涉效应；产生干涉效应的两路激光束由接收面接收，在接收面上形成具有一定相位差的干涉条纹。

上述活动高反镜固定安装于变形膜上；变形膜安装在变形膜安装架上；变形膜安装架前端面周向设计有凸缘，用来固定变形膜；且使变形膜处于张紧状态。变形膜支架沿轴向开有推力输出通道，推力输出通道内安装有直线轴承，推力标定组件中推杆的自由端作为推理输出端，通过直线轴承安装在推力输出通道内。

所述干涉条纹检测电路包括雪崩光电二极管与电流放大整形电路。其中，雪崩光电二极管和电流放大整形电路均安装在接收面上；雪崩光电二极管为两只，分别设置于干涉条纹亮度不同位置；进而通过两个雪崩光电二极管将光信号转化成电信号，通过电流放大整形电路将电流信号放大、整形后，将模拟信号转化为数字信号传输至计数装置。计数装置用来实现干涉条纹的识别，并以计数的方式统计干涉条纹的吞吐圈数变化量，并且对统计数据进行保存，同时在自带的显示屏幕中将统计数据进行显示；上述计数装置与计算机相连，将统计数据发送至计算机。

应用上述结构发动机推力测量装置进行推力测量前，将本发明发动机推力测量装置置于水平面上，由于托盘的自重，使标定鱼线绷紧，推力输出端部将顶住变形膜使变形膜产生预紧，此时本发明发动机推力测量装置处于初始状态。随后，对待测量发动机的推力进行标定，方式为：首先，将计数装置清零；然后在托盘中放置已知质量的砝码，通过标定鱼线将砝码的重力作用到标定中心杆上，再通过推杆传递到变形膜中心，使变形膜产生变形，该变形量即活动高反镜的位移；此时，造成活动高反镜光路上光线光程变换，使干涉条纹吞吐圈数变化；由此，通过在托盘上放置不同质量的砝码，使变形膜上的活动高反镜产生不同的位移量，从而产生不同的干涉条纹吞吐圈数变化量；干涉条纹吞吐圈数变化量由干涉条纹检测电路进行测量统计后，将统计数据发送至计算机，通过计算机根据每次接收到的统计数据，结合每次放置的砝码质量，建立推力与计数个数的关系曲线，作为标定曲线。

本发明的优点在于：

1、本发明基于双光束干涉原理的高精度光学微小推力测量系统，采用双光束干涉原理，将测力弹性件的微小变形量转化为干涉条纹吞吐数量的计数信号，使得测量精确、简单方便；

2、本发明基于双光束干涉原理的高精度光学微小推力测量系统，能测量的推力量级可小至微牛量级，并能实现微小推力的高精度测量；

3、本发明基于双光束干涉原理的高精度光学微小推力测量系统，相比于现有的测量装置，集成度高，各部件较为轻便，易于搬动；

4、本发明基于双光束干涉原理的高精度光学微小推力测量系统，需要的传感器少，结构简单，可靠性高；

5、本发明基于双光束干涉原理的高精度光学微小推力测量系统，不受发动机外形的影响，推力通过推力连杆作用于装置变形膜片实现测量；

6、本发明基于双光束干涉原理的高精度光学微小推力测量系统，各部件通用性强，来源广泛，易于置换与维护。

7、本发明基于双光束干涉原理的高精度光学微小推力测量系统，实验数据可用过RS485转入计算机，可实现推力的实时数据监视以及后期数据分析。

8、本发明基于双光束干涉原理的高精度光学微小推力测量系统中，发动机推力连杆采用点接触式的推力顶尖，有效解决了在测量推力时作用点不确定的问题。

9、本发明基于双光束干涉原理的高精度光学微小推力测量系统中，变形膜可根据所测量推力大小的不同进行更换，实现了同一套装置对不同推力量级发动机的高精度推力测量。

附图说明

图1为本发明基于双光束干涉原理的高精度光学微小推力测量系统整体结构示意图；

图2为本发明基于双光束干涉原理的高精度光学微小推力测量系统中推力标定组件结构示意图；

图3为本发明基于双光束干涉原理的高精度光学微小推力测量系统中推力测量光学系统结构示意图；

图4为应用本发明基于双光束干涉原理的高精度光学微小推力测量系统，对模型发动机进行五次标定的标定机构图。

图中：

1-发动机悬挂组件 2-推力标定组件 3-推力测量光学系统

4-计算机 5-待测量发动机 201-标定中心杆

202-推杆 203-标定鱼线 204-滑轮

205-升降滑轮安装座 206-托盘 207-托盘挂钩

301-激光器 302-扩束镜 303-分光镜

304-活动高反镜 305-固定高反镜 306-变形模

307-变形膜安装架 308-干涉条纹检测电路 309-计数装置

310-凹透镜 205a-支撑座 205b-活动杆

205c-锁紧螺柱 205d-滑轮安装平台 308a-雪崩光电二极管

308b-电流放大整形电路

具体实施方式

下面结合附图来对本发明做进一步说明。

本发明基于双光束干涉原理的高精度光学微小推力测量系统，包括发动机悬挂组件1、推力标定组件2、推力测量光学系统3与计算机4，如图1所示。

所述发动机悬挂组件1包括悬挂螺栓101与悬挂鱼线102，用来将待测量发动机5悬挂于固定面上；其中，悬挂螺柱101固定安装在待测量发动机5前后两端侧壁处，分别通过悬挂鱼线102与安装面固定，由此实现待测量发动机5的吊装。

所述推力标定组件2包括标定中心杆201、推杆202、标定鱼线203、滑轮204、升降滑轮安装座205与托盘206，如图2所示。

其中，标定中心杆201与推杆202的固定端螺纹安装在待测量发动机5的推力输出端端部；使标定中心杆201与待测量发动机5同轴；且使推杆202平行于标定中心杆201，且位于标定中心杆201的正上方。标定中心杆201的自由端与标定鱼线203一端固连，标定鱼线203绕过可升降滑轮安装座205上安装的滑轮204，另一端与托盘206上安装的托盘挂钩207相连。推杆202的自由端为尖端，端部为弧面，作为推力输出端，用来将待测量发动机5产生的推力输出至推力测量光学系统。上述可升降滑轮安装座205设置在安装面上，包括支撑座205a、活动杆205b、锁紧螺柱205c与滑轮安装平台205d构成；支撑座205a为竖直筒装结构，内部同轴设置有活动杆205b；活动杆205b顶端作为升降端，与滑轮安装平台205d螺纹固连。由此，通过活动杆205b沿支撑座205a轴向滑动；实现滑轮安装平台205d的升降。支撑座205a侧壁上开有定位螺纹孔，内部螺纹连接有锁紧螺柱205c，通过拧紧锁紧螺柱205c，实现活动杆205b的固定。

所述推力测量光学系统3安装于光学面包板上，包括激光器301、扩束镜302、分光镜303、活动高反镜304、固定高反镜305、变形膜306、变形膜安装架307、干涉条纹检测电路308与计数装置309，如图3所示。

所述激光器301功率为130mw，可产生波长为532nm绿色激光；激光器301的发射端安装有扩束镜302，利用激光束的高单色性，由扩束镜302对激光器301发射的激光束扩束，将激光束照射面积放大十倍。分光镜303、活动高反镜304与固定高反镜305均为反射率99.9％的高反镜，安装位置为：使扩束后的激光束射向分光镜303，通过分光镜303将扩束后的激光束分为两路，一路垂直照射至活动高反镜304，另一路垂直照射至固定高反镜305，并分别经活动高反镜304与固定高反镜305表面反射后，在分光镜303处汇合，通过调节固定高反镜305与活动高反镜304在二轴(x、y轴)上的位置，使两路反射光在分光镜303处汇合处产生干涉效应。产生干涉效应的两路激光束由接收面接收，可在接收面上形成具有一定相位差的干涉条纹。接收面可通过U型镜架支撑，通过接收镜架实现接收面的位置调节。上述结构组成了一个迈克耳逊干涉仪，以活动高反镜304敏感推力标定组件2的推力，以接收面检测干涉条纹的变化并向计算机输出电信号从而实现推力的检测，具体为：

上述活动高反镜304固定安装于变形膜306上；变形膜306安装在变形膜安装架307上。变形膜安装架307安装在二轴可调光学支座上，以实现变形膜306的二轴可调，进而达到活动高反镜304的二轴可调。变形膜安装架307具有前后两端面，前端面面积大于后端面面积，周向设计有凸缘310，用来固定变形膜306；且使变形膜306处于张紧状态，并与变形膜支架307前端面间保持一定间隙。变形膜支架307沿轴向开有推力输出通道，推力输出通道内安装有直线轴承，推力标定组件2中推杆202与推力输出通道同轴设置，推杆202的推力输出端设置在推力输出通道内，使推力输出端端部位于活动高反镜304背面的正中心位置；且推杆202的推力输出端与直线轴承相连，通过直线轴承限制推杆202沿推力输出通道轴向的直线运动。由此，推力输出端输出的推力可推动变形膜进一步变形，使活动高反镜304产生位移，造成活动高反镜304光路上光线光程变换，引起干涉条纹移动(即干涉条纹吞吐变化)。

所述干涉条纹检测电路308用来检测干涉条纹的吞吐变化，包括雪崩光电二极管308a与电流放大整形电路。其中，雪崩光电二极管308a和电流放大整形电路均安装在接收面上；由于雪崩光电二极管308a具有受到不同光强的光照时产生不同强度电流的特性；由此，在干涉条纹暗纹照射时，产生较小电流；而在干涉条纹亮纹照射时，产生较大光电流。因此，本发明中采用两只雪崩光电二极管308a，分别设置于干涉条纹亮度不同位置。进而通过两个雪崩光电二极管308a将光信号转化成电信号，通过电流放大整形电路将电流信号放大、整形后，将模拟信号转化为数字信号传输至计数装置309。计数装置309具有条纹双向移动的计数功能，可实现干涉条纹的识别，并通过加减计算，以计数的方式统计干涉条纹的吞吐圈数变化量，并且对统计数据进行保存，同时在自带的显示屏幕中将统计数据进行显示。上述计数装置309具有RS485转换器接口，通过RS-485转换器的并口数据线与计算机4相连，将统计数据发送至计算机4。本发明中在接收面与分光镜303间还设置有焦距为-50mm的凹透镜310，用以扩大干涉条纹，易于干涉条纹检测电路308检测干涉条纹的变化。

应用上述结构发动机推力测量装置进行推理测量前，将本发明发动机推力测量装置置于水平面上，由于托盘206的自重，使标定鱼线203绷紧，推力输出端部将顶住变形膜306使变形膜306产生预紧，此时本发明发动机推力测量装置处于初始状态。随后，对待测量发动机5的推力进行标定，方式为：首先，将计数装置309清零；然后在托盘206中放置已知质量的砝码，通过标定鱼线203将砝码的重力作用到标定中心杆201上，再通过推杆202传递到变形膜306中心，使变形膜306产生(微小)变形，该变形量即活动高反镜304的位移；此时，造成活动高反镜304光路上光线光程变换，使干涉条纹吞吐圈数变化；由此，通过在托盘上放置不同质量的砝码(由小质量砝码开始逐次增加砝码质量)，使变形膜306上的活动高反镜304产生不同的位移量，从而产生不同的干涉条纹吞吐圈数变化量；干涉条纹吞吐圈数变化量由干涉条纹检测电路308进行测量统计后，将统计数据发送至计算机4，通过计算机4根据每次接收到的统计数据，结合每次放置的砝码质量，建立推力与计数个数(干涉条纹吞吐圈数变化量)的关系曲线，作为标定曲线。

在对待测量发动机5进行推力测量时，通过计数装置309实时显示计数个数，并每间隔时刻T，对计数个数进行保存，并发送至计算机4，建立计数个数随时间变化的曲线。由此，结合标定曲线即可得到待测量发动机5的推力；同时计算机4还根据标定曲线，得到待测量发动机5的推力随时间变化的曲线。

以模型发动机替代真实发动机，搭建本发明推力测量系统，对模型发动机进行五次标定，得到五组标定结果如图4所示，标定所得计数装置309计数个数与推力大小关系的线性相关系数为：

R²＝0.9999

可看出，本发明推力测量系统有非常好的线性力-位移响应结果和重复性。经过分析，本发明推力测量系统的最大绝对测量误差为8.07187mN，对于此次标定的最大量程，最大测量误差为2％，已达到实用的推力测量装置测量精度。

Claims (6)

1.一种基于双光束干涉原理的高精度光学微小推力测量系统，其特征在于：包括发动机悬挂组件、推力标定组件、推力测量光学系统与计算机；

所述发动机悬挂组件用来将待测量发动机悬挂于固定面上；

所述推力标定组件包括标定中心杆、推杆、标定鱼线、滑轮、可升降滑轮安装座与托盘；其中，标定中心杆与推杆的固定端螺纹安装在待测量发动机的推力输出端端部；使推杆位于标定中心杆上方；标定中心杆的自由端与标定鱼线一端固连，标定鱼线绕过可升降滑轮安装座上安装的滑轮，另一端与托盘上安装的托盘挂钩相连；

所述推力测量光学系统包括激光器、扩束镜、分光镜、活动高反镜、固定高反镜、变形膜、变形膜安装架、干涉条纹检测电路与计数装置；其中，激光器的发射端安装有扩束镜；分光镜、活动高反镜与固定高反镜的安装位置为：使扩束后的激光束射向分光镜，通过分光镜将扩束后的激光束分为两路，一路垂直照射至活动高反镜，另一路垂直照射至固定高反镜，并分别经活动高反镜与固定高反镜表面反射后，在分光镜处汇合，使两路反射光在分光镜处汇合处产生干涉效应；产生干涉效应的两路激光束由接收面接收，在接收面上形成具有一定相位差的干涉条纹；

上述活动高反镜固定安装于变形膜上；变形膜安装在变形膜安装架上；变形膜安装架前端面周向设计有凸缘，用来固定变形膜；且使变形膜处于张紧状态；变形膜支架沿轴向开有推力输出通道，推力输出通道内安装有直线轴承，推力标定组件中推杆的自由端作为推力输出端，通过直线轴承安装在推力输出通道内；

所述干涉条纹检测电路包括雪崩光电二极管与电流放大整形电路；其中，雪崩光电二极管和电流放大整形电路均安装在接收面上；雪崩光电二极管为两只，分别设置于干涉条纹亮度不同位置；进而通过两个雪崩光电二极管将光信号转化成电信号，通过电流放大整形电路将电流信号放大、整形后，将模拟信号转化为数字信号传输至计数装置；计数装置用来实现干涉条纹的识别，并以计数的方式统计干涉条纹的吞吐圈数变化量，并且对统计数据进行保存，同时在自带的显示屏幕中将统计数据进行显示；上述计数装置与计算机相连，将统计数据发送至计算机。

2.如权利要求1所述一种基于双光束干涉原理的高精度光学微小推力测量系统，其特征在于：所述接收面与分光镜间设置有凹透镜。

3.如权利要求1所述一种基于双光束干涉原理的高精度光学微小推力测量系统，其特征在于：在进行推力测量前，托盘的自重使标定鱼线绷紧，推力输出端部将顶住变形膜使变形膜产生预紧，此时基于双光束干涉原理的高精度光学微小推力测量系统处于初始状态。

4.如权利要求1所述一种基于双光束干涉原理的高精度光学微小推力测量系统，其特征在于：在进行推力测量前，需对待测量发动机的推力进行标定，方式为：在托盘上放置不同质量的砝码，使变形膜上的活动高反镜产生不同的位移量，从而产生不同的干涉条纹吞吐圈数变化量；干涉条纹吞吐圈数变化量由干涉条纹检测电路进行测量统计后，将统计数据发送至计算机，通过计算机根据每次接收到的统计数据，结合每次放置的砝码质量，建立推力与计数个数的关系曲线，作为标定曲线。

5.如权利要求4所述一种基于双光束干涉原理的高精度光学微小推力测量系统，其特征在于：每次放置砝码前需将计数装置清零。

6.如权利要求1所述一种基于双光束干涉原理的高精度光学微小推力测量系统，其特征在于：在对待测量发动机进行推力测量时，通过计数装置实时显示计数个数，并每间隔时刻T，对计数个数进行保存，并发送至计算机，建立计数个数随时间变化的曲线；由此，结合标定曲线即可得到待测量发动机的推力；同时计算机还根据标定曲线，得到待测量发动机的推力随时间变化的曲线。