CN115248120A - 微推力测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微推力测量装置及方法，该微推力测量装置包括工作底板、枢轴及固定模块、三轴位移台、扭摆横梁、直线导轨、位移传感器、微推力产生器及配重砝码，直线导轨安装在工作底板上，直线导轨由长导轨与短导轨组成，扭摆横梁设置在长导轨与短导轨之间，长导轨与短导轨的远离扭摆横梁的一端均安装有滑块，长导轨的滑块设有待被测量微推力的微推力发动机，短导轨的滑块设有配重砝码，位移传感器和微推力产生器分别设置在长导轨的两侧，三轴位移台通过枢轴及固定模块安装在扭摆横梁上。本发明的微推力测量装置及方法可实现微纳卫星微推进系统亚毫牛量级的微推力测试，操作简便，提高了测量精度，增加了测试系统的量程，降低了成本。

Description

微推力测量装置及方法

技术领域

本发明属于微纳卫星技术领域，尤其涉及一种微推力测量装置及方法，用于对微纳卫星微推进系统的微推力进行测量。

背景技术

近年来，随着微机电系统(MEMS)技术的日渐成熟，使得与之配套的微纳卫星发展速度极其迅猛。由于近地球宇宙空间极为宝贵，为延长微纳卫星在轨时间并且在其失效时需配套离轨自毁功能，微纳卫星的结构中可以进行姿态调节和轨道调节的微推力器变得尤为重要。而由于微纳卫星质量小，其配套的微推力器的推力也很小，一般推力为微毫亚牛量级，为了实现微纳卫星的精确变轨就需要精确测量微推力器的推力，而精确测量如此微小的力较为困难，所以研发微推力高精度测量装置和方法十分必要。

国内外研究人员通过直接或间接的测量方案研发了由多种结构组成的微推力测量系统。微推力测量系统的研究同微推进器输出推力范围的发展趋势一致，可分为以下几个阶段：天平结构和倒摆结构的微推力测量系统，可实现mN～N量级的推力测量，是国内外发展的最早的测量装置；单摆和双摆结构的微推力测量系统，能够实现μN～mN量级的推力测量；扭丝悬挂扭摆结构和两点支承扭摆结构的微推力测量系统，可实现μN量级的微推力测量。

但是，现有技术的微推力测量系统大部分是根据某一特定推进系统的技术参数定制设计的，操作不便，结构复杂，通用性差；而在现有的强调通用性的微推力测量系统中，又普遍存在着量程不易更改、摆臂长度与配重砝码位置固定、挠性枢轴安装垂直度不易保证、安装空间不足和结构刚度不足等问题。

发明内容

为至少部分地解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种用于对微纳卫星微推进系统的微推力进行测量的微推力测量装置及微推力测量方法。

在本发明的一个方面，所提供的微推力测量装置用于对微推进系统中的微推力发动机的微推力进行测量，所述微推力测量装置包括工作底板、枢轴及固定模块、三轴位移台、扭摆横梁、直线导轨、位移传感器、微推力产生器及配重砝码，其中，所述直线导轨安装在所述工作底板上，所述直线导轨由长导轨与短导轨组成，所述扭摆横梁设置在所述长导轨与所述短导轨之间并将所述长导轨与所述短导轨连接固定，所述长导轨与所述短导轨的远离所述扭摆横梁的一端均安装有滑块，所述长导轨的滑块上安装有微推力发动机，所述短导轨的滑块上安装所述配重砝码，所述位移传感器和所述微推力产生器分别设置在所述长导轨的两侧，所述三轴位移台通过所述枢轴及固定模块安装在所述扭摆横梁上，所述三轴位移台的侧部安装有位移台调整旋钮，所述三轴位移台的底部设有第一直角固定块。

进一步地，在上述微推力测量装置中，所述枢轴及固定模块包括四个枢轴固定环和两个枢轴，其中，第一枢轴固定环和第二枢轴固定环安装于所述扭摆横梁的上下两侧，第三枢轴固定环安装于所述工作底板，第四枢轴固定环与所述第一直角固定块连接，第一枢轴通过T型螺母固定在所述第一枢轴固定环与所述第四枢轴固定环之间，第二枢轴通过T型螺母固定在所述第二枢轴固定环与所述第三枢轴固定环之间。

进一步地，在上述微推力测量装置中，所述微推力产生器由固定底板、永磁体、电磁线圈和第一两轴位移台组成，所述固定底板连接于所述第一两轴位移台，所述电磁线圈设置在所述第一两轴位移台。

进一步地，在上述微推力测量装置中，所述位移传感器由激光位移传感器和第二两轴位移台组成，所述第二两轴位移台的移动端与所述激光位移传感器固定连接。

进一步地，在上述微推力测量装置中，所述工作底板采用光学面包板制成，所述工作底板上设有多个螺纹孔，所述直线导轨、所述微推力产生器和所述位移传感器均通过螺栓固定在所述工作底板上。

进一步地，在上述微推力测量装置中，所述扭摆横梁采用铝合金型材制成。

在本发明另一个方面，所提供的微推力测量方法由上述微推力测量装置实施，用于对微推进系统中的微推力发动机的微推力进行测量，所述微推力测量方法包括以下步骤：

步骤1：位移传感器位置校准，调节第二两轴位移台，使位移传感器的激光位移传感器发出的激光照射在扭摆横梁上；

步骤2：微推力与位移之间的函数关系的标定，利用微推力产生器进行微推力与位移之间的函数关系的标定；

步骤3：对微推力发动机的微推力进行测量，

其中，所述步骤2包括：

步骤21：将第二直角固定块固定在工作底板上，将微推力产生器通过固定底板与第二直角固定块固定，将永磁体放置于高精度分析天平上，调节电磁线圈与永磁体同心，选定电磁线圈与永磁体两者间隙及相应的所需电流，通电后记录高精度分析天平的数据，通过天平的数据得出永磁体的重力改变值，所述重力改变值即为微推力产生器所产生的微推力；

步骤22：将微推力产生器从第二直角固定块拆下，将永磁体固定于扭摆横梁上，调节第一两轴位移台，使电磁线圈与永磁体同极相对放置，按照所述所需电流向电磁线圈通电，由位移传感器采集电磁线圈推动永磁体从而带动扭摆横梁摆动所产生的直线位移数据；

步骤23：通过步骤21和步骤22，得到一组微推力和位移数据，然后重复所述步骤21和步骤22，得到多组微推力和位移数据，最后利用MATLAB线性拟合出微推力与位移之间的函数，完成标定，

其中，所述步骤3包括：

步骤31：将微推力发动机固定于长导轨的滑块上，并根据微推力发动机的质量在短导轨的滑块上固定质量相匹配的配重砝码；

步骤32：将水平仪放置在扭摆横梁上，调节三轴位移台上的位移台调整旋钮直至水平仪呈水平状态，以使枢轴及固定模块的第一枢轴与第二枢轴的中轴线垂直于工作底板；

步骤33：启动微推力发动机，利用位移传感器测量微推力发动机对扭摆横梁的作用力所产生的位移数据，利用所述步骤2中标定得到的微推力与位移之间的函数关系测量计算出微推力发动机的微推力。

本发明技术方案的主要优点及技术效果包括：

可对微纳卫星微推进系统的微推力进行测量，并且可以根据所需要测量的微推力的大小，选择适配的枢轴与枢轴固定环即可，不局限于某一特定推进系统的技术参数，适用范围更广，通用性高，且操作简便，有效降低了成本；

三轴位移台能够有效地减小枢轴安装的偏心误差，能够有效确保枢轴安装的垂直度，提高了微推力的测量精度；

直线导轨可保证微推力发动机与配重砝码的平行度，并且易于调节微推力作用点与枢轴中心之间的摆臂长度，从而实现精度的快速调节与系统的快捷配平；

通过第一两轴位移台可以实现标定时电磁线圈与永磁体的快捷对中及快捷调整间隙，通过灵活快速地调整电磁线圈与永磁体之间的间隙，可以实现微推力产生器的大范围的标定微推力，由此增加了微推力测量装置的量程，显著提高了微推力测量装置和微推力测量方法的通用性，扩展了微推力测量装置和微推力测量方法的适用性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的微推力测量装置的结构示意图；

图2为本发明的微推力测量装置中枢轴及固定模块的安装结构示意图；

图3为本发明的微推力测量装置中微推力产生器的结构示意图；

图4为本发明的微推力测量装置中位移传感器的结构示意图；

图5为本发明的微推力测量装置中标定模块的结构示意图。

附图标记说明：

1：工作底板 2：枢轴及固定模块 3：三轴位移台

4：扭摆横梁 5：直线导轨 6：位移传感器

7：微推力产生器 8：微推力发动机 9：配重砝码

201：第一枢轴固定环 202：第二枢轴固定环 203：第三枢轴固定环

204：第四枢轴固定环 205：第一枢轴 206：第二枢轴

301：位移台调整旋钮 302：第一直角固定块 501：长导轨

502：短导轨 503：滑块 601：激光位移传感器

602：第二两轴位移台 701：固定底板 702：永磁体

703：电磁线圈 704：第一两轴位移台 901：第二直角固定块

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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。

本发明提供的微推力测量装置可用于对微纳卫星微推进系统的微推力进行测量，更具体地，本发明的微推力测量装置用于对微推进系统中微推力发动机8的微推力进行测量。如图1至图5所示，本发明的微推力测量装置包括工作底板1、枢轴及固定模块2、三轴位移台3、扭摆横梁4、直线导轨5、位移传感器6、微推力产生器7及配重砝码9。直线导轨5安装在工作底板1上，直线导轨5由长导轨501与短导轨502组成，扭摆横梁4设置在长导轨501与短导轨502之间，扭摆横梁4通过螺栓将长导轨501与短导轨502连接固定，长导轨501与短导轨502的远离扭摆横梁4的一端均安装有滑块503，长导轨501的滑块503上安装微推力发动机8，短导轨502的滑块503上安装配重砝码9，滑块503与微推力发动机8及配重砝码9之间通过螺栓连接。位移传感器6和微推力产生器7分别设置在长导轨501的两侧。三轴位移台3通过枢轴及固定模块2安装在扭摆横梁4上，三轴位移台3的侧部安装有位移台调整旋钮301，三轴位移台3的底部设有第一直角固定块302。

枢轴及固定模块2包括四个枢轴固定环和两个枢轴，其中，第一枢轴固定环201和第二枢轴固定环202安装于扭摆横梁4上下两侧，第三枢轴固定环203安装于工作底板1，第四枢轴固定环204与第一直角固定块302连接；第一枢轴205通过T型螺母固定在第一枢轴固定环201与第四枢轴固定环204之间，第二枢轴206通过T型螺母固定在第二枢轴固定环202与第三枢轴固定环203之间。

微推力产生器7由固定底板701、永磁体702、电磁线圈703和第一两轴位移台704组成，固定底板701通过螺栓连接于第一两轴位移台704，电磁线圈703设置在第一两轴位移台704上。

位移传感器6由激光位移传感器601和第二两轴位移台602组成；第二两轴位移台602移动端通过螺栓与激光位移传感器601固定连接。

优选地，本发明的微推力测量装置工作底板1采用光学面包板制成；扭摆横梁4采用铝合金型材制成；工作底板1上设有充足的螺纹孔；工作底板1与直线导轨5、微推力产生器7和位移传感器6之间均通过螺栓固定。

另一方面，利用本发明的上述微推力测量装置实施的微推力测量方法用于对微推进系统中微推力发动机8的微推力进行测量，包括以下步骤：

步骤1：位移传感器位置校准，调节第二两轴位移台602，使位移传感器6的激光位移传感器601发出的激光能准确照射在扭摆横梁4上；

步骤2：微推力与位移之间的函数关系的标定，利用微推力产生器7进行微推力与位移之间的函数关系的标定，具体包括：

步骤21：将第二直角固定块901通过螺栓固定在工作底板1上，将微推力产生器7通过固定底板701与第二直角固定块901固定，将永磁体702放置于高精度分析天平上，调节电磁线圈703与永磁体702同心，根据电磁铁工作原理，电磁力的大小与电磁线圈与永磁体的间隙、线圈中通过的电流大小成正比，选定电磁线圈703与永磁体702两者间隙及相应的所需电流，通电后记录高精度分析天平的数据，通过天平的数据得出永磁体702的重力改变值，该重力改变值即为微推力产生器7所产生的微推力；

步骤22：将微推力产生器7从第二直角固定块901拆下，将永磁体702固定于扭摆横梁4上，调节第一两轴位移台704，使电磁线圈703与永磁体702同极相对放置，按照先前得到的所需电流向电磁线圈703通电，由位移传感器6采集电磁线圈703推动永磁体702从而带动扭摆横梁4摆动所产生的直线位移数据；

步骤23：通过步骤21和步骤22，得到一组微推力和位移数据，然后重复上述步骤21和步骤22，得到多组微推力和位移数据，最后利用MATLAB线性拟合出微推力与位移之间的函数，完成标定；

步骤3：对微推力发动机的微推力进行测量，具体包括：

步骤31：将微推力发动机8固定于长导轨501的滑块503上，并根据微推力发动机8的质量在短导轨502的滑块503上固定质量相匹配的配重砝码9；

步骤32：将水平仪放置在扭摆横梁4上，调节三轴位移台3上的位移台调整旋钮301直至水平仪呈水平状态，确保枢轴及固定模块2的第一枢轴205与第二枢轴206的中轴线垂直于工作底板1；

步骤33：启动微推力发动机8，利用位移传感器6测量微推力发动机8对扭摆横梁4的作用力所产生的位移数据，利用步骤2中标定得到的微推力与位移之间的函数关系测量计算出微推力发动机8的微推力。

综上所述，与现有技术相比，本发明的微推力测量装置及方法具有如下优点和有益效果：

(1)可对微纳卫星微推进系统的微推力进行测量，并且可以根据所需要测量的微推力的大小，选择适配的枢轴与枢轴固定环即可，不局限于某一特定推进系统的技术参数，适用范围更广，通用性高，且操作简便，有效降低了成本；

(2)三轴位移台能够有效地减小枢轴安装的偏心误差，能够有效确保枢轴安装的垂直度，提高了微推力的测量精度；

(3)直线导轨可保证微推力发动机与配重砝码的平行度，并且易于调节微推力作用点与枢轴中心之间的摆臂长度，从而实现精度的快速调节与系统的快捷配平；

(4)通过第一两轴位移台可以实现标定时电磁线圈与永磁体的快捷对中及快捷调整间隙，由于电磁线圈与永磁体之间的间隙越小，电磁线圈与永磁体之间的磁力越大，微推力产生器产生的微推力相应越大；反之，电磁线圈与永磁体之间的间隙越大，电磁线圈与永磁体之间的磁力越小，微推力产生器产生的微推力相应越小，因此，通过灵活快速地调整电磁线圈与永磁体之间的间隙，可以实现微推力产生器的大范围的标定微推力，由此增加了微推力测量装置的量程，显著提高了微推力测量装置和微推力测量方法的通用性，扩展了微推力测量装置和微推力测量方法的适用性。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。

最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种微推力测量装置，用于对微推进系统中的微推力发动机的微推力进行测量，其特征在于，所述微推力测量装置包括工作底板、枢轴及固定模块、三轴位移台、扭摆横梁、直线导轨、位移传感器、微推力产生器及配重砝码，其中，所述直线导轨安装在所述工作底板上，所述直线导轨由长导轨与短导轨组成，所述扭摆横梁设置在所述长导轨与所述短导轨之间并将所述长导轨与所述短导轨连接固定，所述长导轨与所述短导轨的远离所述扭摆横梁的一端均安装有滑块，所述长导轨的滑块上安装有微推力发动机，所述短导轨的滑块上安装所述配重砝码，所述位移传感器和所述微推力产生器分别设置在所述长导轨的两侧，所述三轴位移台通过所述枢轴及固定模块安装在所述扭摆横梁上，所述三轴位移台的侧部安装有位移台调整旋钮，所述三轴位移台的底部设有第一直角固定块。

2.根据权利要求1所述的微推力测量装置，其特征在于，所述枢轴及固定模块包括四个枢轴固定环和两个枢轴，其中，第一枢轴固定环和第二枢轴固定环安装于所述扭摆横梁的上下两侧，第三枢轴固定环安装于所述工作底板，第四枢轴固定环与所述第一直角固定块连接，第一枢轴通过T型螺母固定在所述第一枢轴固定环与所述第四枢轴固定环之间，第二枢轴通过T型螺母固定在所述第二枢轴固定环与所述第三枢轴固定环之间。

3.根据权利要求2所述的微推力测量装置，其特征在于，所述微推力产生器由固定底板、永磁体、电磁线圈和第一两轴位移台组成，所述固定底板连接于所述第一两轴位移台，所述电磁线圈设置在所述第一两轴位移台。

4.根据权利要求3所述的微推力测量装置，其特征在于，所述位移传感器由激光位移传感器和第二两轴位移台组成，所述第二两轴位移台的移动端与所述激光位移传感器固定连接。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的微推力测量装置，其特征在于，所述工作底板采用光学面包板制成，所述工作底板上设有多个螺纹孔，所述直线导轨、所述微推力产生器和所述位移传感器均通过螺栓固定在所述工作底板上。

6.根据权利要求5所述的微推力测量装置，其特征在于，所述扭摆横梁采用铝合金型材制成。

7.一种利用权利要求1至6中任一项所述的微推力测量装置实施的微推力测量方法，所述微推力测量方法用于对微推进系统中的微推力发动机的微推力进行测量，其特征在于，所述微推力测量方法包括以下步骤：

步骤1：位移传感器位置校准，调节第二两轴位移台，使位移传感器的激光位移传感器发出的激光照射在扭摆横梁上；

步骤2：微推力与位移之间的函数关系的标定，利用微推力产生器进行微推力与位移之间的函数关系的标定；

步骤3：对微推力发动机的微推力进行测量，

其中，所述步骤2包括：

步骤21：将第二直角固定块固定在工作底板上，将微推力产生器通过固定底板与第二直角固定块固定，将永磁体放置于高精度分析天平上，调节电磁线圈与永磁体同心，选定电磁线圈与永磁体两者间隙及相应的所需电流，通电后记录高精度分析天平的数据，通过天平的数据得出永磁体的重力改变值，所述重力改变值即为微推力产生器所产生的微推力；

步骤22：将微推力产生器从第二直角固定块拆下，将永磁体固定于扭摆横梁上，调节第一两轴位移台，使电磁线圈与永磁体同极相对放置，按照所述所需电流向电磁线圈通电，由位移传感器采集电磁线圈推动永磁体从而带动扭摆横梁摆动所产生的直线位移数据；

步骤23：通过步骤21和步骤22，得到一组微推力和位移数据，然后重复所述步骤21和步骤22，得到多组微推力和位移数据，最后利用MATLAB线性拟合出微推力与位移之间的函数，完成标定，

其中，所述步骤3包括：

步骤31：将微推力发动机固定于长导轨的滑块上，并根据微推力发动机的质量在短导轨的滑块上固定质量相匹配的配重砝码；

步骤32：将水平仪放置在扭摆横梁上，调节三轴位移台上的位移台调整旋钮直至水平仪呈水平状态，以使枢轴及固定模块的第一枢轴与第二枢轴的中轴线垂直于工作底板；

步骤33：启动微推力发动机，利用位移传感器测量微推力发动机对扭摆横梁的作用力所产生的位移数据，利用所述步骤2中标定得到的微推力与位移之间的函数关系测量计算出微推力发动机的微推力。

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