一种基于动态光弹性法的电推进领域微推力瞬态测量系统

摘要

本发明涉及一种基于动态光弹性法的电推进领域微推力瞬态测量系统。本发明根据电推进的推力特点，基于动态光弹性法，以光学弹性元件为核心构建光路系统，通过测定其受力时光学条纹图像的实时变化，从而显示瞬时受力的大小与变化情况。本系统包括激光器，光学弹性元件，高速瞬态图像采集器以及必要的图像处理技术，主要用于采集脉冲式推进系统产生的随时间不断变化的瞬态推力。本系统基于应力‑光学定律，运用光弹性特殊材料以及高速摄影装置将推力器产生的推力可视化，尤其记录推力的变化过程，以研究电推进推力器推力的变化机理。

权利要求

1.一种基于动态光弹性法的电推进领域微推力瞬态测量系统，以光学弹性元件为核心构建光路系统，通过测定其受力时光学条纹图像的实时变化，从而显示瞬时受力的大小与变化情况，系统包括光学环境激励系统、推力器系统、控制系统、瞬态图像采集系统以及图像处理显示系统，所述光学环境激励系统包括光弹性元件(5)，光学环境激励系统生成应力条纹图，该应力条纹图被瞬态图像采集系统采集；

其特征在于，光学环境激励系统、推力器系统、瞬态图像采集系统、图像处理显示系统都由控制系统控制，所述推力器系统包括推力器(11)和刚性板(10)，推力器(11)通过刚性板(10)与光弹性元件连接；

瞬态图像采集系统通过高速相机(9)来实现；

控制系统控制激光光源触发时刻、推力器加载时刻和瞬态采集应力图像时刻这3个时刻同步，

所述控制系统，包括电磁波发射器(13)、电磁触发器(14)、压力触发器(15)、延时器(16)和电控器(17)，所述压力触发器(15)在刚性板与弹性元件之间，处于过渡配合；

所述推力器工作时，喷出的等离子体羽流阻止电磁波发射器(13)电磁波的传递，电磁触发器(14)此时产生信号PC作为激光光源(1)的电控器(17)第一次触发时间t0，从而产生的第一个脉冲光，以此时作为光源1的计时原点O；当推力器不工作时，刚性板(10)与压力触发器(15)处于接触和未接触的临界点，经过OT1和T1T2时间段，当推力器工作时，推力器挤压刚性板进而挤压压力触发器从而使之产生的电脉冲信号CT再次传递给激光光源的电控器(17)，在时序控制图上为K点，选定激光光源射出脉冲光Q的时刻，△t即为光弹性元件受力后要采集应力图像的时间。

2.根据权利要求1所述的一种基于动态光弹性法的电推进领域微推力瞬态测量系统，其特征在于，所述光学环境激励系统从左至右依次为激光光源(1)、准直镜(2)、起偏镜(3)、

1/4玻片Ⅰ(4)、光弹性元件(5)、1/4玻片Ⅱ(6)、检偏镜(7)、聚光镜(8)，各元件中心点都处于一条轴线上，各元件的规格特性与元件之间的距离符合光学成像规律，保证生成的应力图像清晰准确；

激光光源、准直镜、起偏镜、1/4玻片Ⅰ、光弹性元件、1/4玻片Ⅱ、检偏镜、聚光镜，激光光源(1)产生锥形光束，经过准直镜(2)变成平行光，透过起偏镜(3)后产生平面偏振光，平面偏振光经过1/4玻片Ⅰ(4)之后变成圆偏振光，圆偏振光穿过光弹性元件(5)发生双折射现象产生干涉，之后圆偏振光透过1/4玻片Ⅱ(6)变成平面偏振光，此时的平面偏振光携带了应力信息，穿过检偏镜(7)后被聚光镜(8)汇聚后，生成应力条纹图，该应力条纹图被瞬态图像采集系统采集。

3.根据权利要求1所述的一种基于动态光弹性法的电推进领域微推力瞬态测量系统，其特征在于，所述光弹性元件(5)进行钻孔处理，创造自由边界，从而获得主应力分离结果。

说明书

一种基于动态光弹性法的电推进领域微推力瞬态测量系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种微推力测量系统，尤其涉及在电推进领域对其微推力实时测量系 统。

背景技术

[0002] 目前，国内对电推进推力器的微推力和微冲量的高精度测量，比较常见是基于单 摆、倒立摆、扭摆等推力测量系统。其中，基于倒立摆原理的电磁天平测量冲量时，存 在严重的零点漂移，电磁天平平衡位置不稳定也导致了测量精度较差，因此，一般只能 用来定性或半定量分析。

[0003] 相对而言，采用扭摆测量推力或冲量具有较高的精确度和敏感性，扭摆的历史可 追溯到1798年卡文迪许为了测量重力加速度常数而发明的扭秤。随着对扭摆测量装置的 不断改进，其测量范围变得更加广泛，C.Phipps等人设计了一种采用静态标定的扭摆， 来测量激光烧蚀微推力器产生的纳牛秒量级的冲量。尽管扭摆测量系统具有如此优点， 但是其只能对推力器产生的平均推力和冲量进行测量，难以解决涉及到推力器瞬时推力 的问题。

[0004] 现阶段测量瞬时推力应用较为广泛的主要是压电式传感器，包括压电晶体、压电 陶瓷以及PVDF(聚偏二氟乙烯)压电传感器，其优点在于能够将待测推力转换为电压， 可以精确测量变化的推力，并且具有响应快、灵敏度高以及结构简单等诸多优点。但是 压电式传感器的工作环境要求苛刻，易受到电推力器工作过程中电磁场的影响，导致测 量结果不准确或测量无法正常进行。

[0005] 动态光弹性是实验固体力学中一种基本的模型试验方法，利用光学灵敏材料受力 后能产生暂时双折射现象的特性制成光弹性元件，当施加连续载荷时，元件各点的应力 发生变化，相应条纹也会发生不同程度的变形，此时，通过采用高速摄影技术记录元件 的条纹变化过程，进而得到应力变化过程，最终可以反推出推力的变化规律。动态光弹 性法由于具有直观性和瞬时性的优点，已经广泛应用于诸如碰撞、冲击以及爆破等过程 中结构应力的动态相应分析。

[0006] 传统的推力测量装置主要是用来测量推力器的平均推力和冲量，而瞬态推力的测 量方法相对较少，对于高精度的测量手段也一直比较匮乏，比较常见的推力/冲量测量 台架包括单摆、倒立摆、扭摆等。研究中，曾采用基于倒立摆原理的电磁天平进行了推 力器的微冲量测量，但由测量结果发现电磁天平存在严重的零点漂移。电磁天平平衡位 置不稳定，导致测量精度难以保证，一般只能用来定性或半定量分析。目前微推力器能 够输出的元冲量从亚uN·s到数百μN·s之间。微推力器产生的冲量一般比较小，其量级 为uN·s到mN·s之间。尽管毫牛秒或牛秒量级的微冲量比较容易测量，然而，随着微冲 量的降低，纳牛秒和微牛秒微冲量的准确测量则变得十分困难。而脉冲等离子体推力器 产生的冲量一般为微牛秒量级。基于激光烧蚀固体工质产生推力的激光微推力器(μ LPT)则可以产生nN·s量级的微推力。中国TEPO工程采用的脉冲等离子推力器产生的 元冲量为58.4μN·s。NASA和ESA的LISA工程中采用的是微牛量级的推力器。另外， NASA ST7任务采用的是2-20μN的推力器，精度在0.1μN以内。实验研究中，精确测 量这样微小的推力比较困难。由于测量仪器本身和环境存在着噪声，往往将被测信号淹 没，极大地影响测量精度。微推力器工作时，测量台架受力产生振动，也会影响测量精 度。另外，抽真空过程也会对真空舱及内部测量系统产生不利影响。因此，对微小推力 和冲量的精确测量仍然是实验研究中需要解决的难题。

发明内容

[0007] 本发明要解决的技术问题是，针对微推力器产生的随时间不断变化的推力，扭摆、 电磁天平等传统的推力测量方式无法测量推力器瞬态推力大小值的问题以及压电式传 感器测量过程中易受到推力器电磁干扰的缺点，提出一种即能够测量推力器瞬态推力又 能够记录推力器推力变化整个过程的瞬态推力测量系统。本发明将动态光弹性方法应用 于推力器瞬态推力的测量领域，一方面具有结构简单、易于操作以及可靠性高等优点， 最重要的是为解决传统推力测量方法难以测量瞬态推力的问题提供了方法

[0008] 本发明以脉冲等离子体推力器为应用背景，以动态光弹性方法为主要技术方案， 采用图像采集器件(包括CCD摄像机和图像采集卡)、脉冲激光器、脉冲等离子体推力 器和光学元件构成瞬态图像采集系统,利用计算机对条纹图进行定量分析和光弹性应力 分析，实现对脉冲等离子体推力器工作推力测量，设计出一套适用于脉冲等离子体推力 器的高精度、高分辨率瞬态微推力测量平台。

[0009] 本发明的一种基于动态光弹性法的电推进领域微推力瞬态测量系统，光学系统主 要由激光光源、光学弹性元件和高速瞬态图像采集器。脉冲激光器作为光源产生光学环 境，其产生的脉冲激光的持续时间为30～50ns，它相当于几百万幅/每秒高速照相机“快 门”打开的时间，在此时间间隔内可以认为光学弹性元件的变形量为零。很多非晶体的 透明材料,例如玻璃、赛璐璐、酚醛树脂、环氧树脂、聚碳酸酷塑料等,在有应力的情况 下,会呈现类似于双折射晶体一样的双折射效应。这种效应随应力的存在而存在,并随应 力的消失而消失,故称为暂时双折射效应。双折射效应是光弹性法的物理基础。测力的 核心体现在光学弹性元件上，因此选择合适的材料与尺寸是测力精度和分辨率的核心。 动态光弹性方法测力的关键在于弹性元件的条纹图，条纹图的好坏直接决定测力的精 度，因此对于高速瞬态图像采集器而言，要求其能够快速而精准地记录图像。

[0010] 本发明根据脉冲等离子体推力器的特点，拟采用动态光弹性方法，以光学弹性元 件为核心构建光路系统，通过测定其受力时的光学条纹图像变化，显示其受力的大小和 分布规律。同时采用高速摄像机记录光学条纹的瞬态图像，近似反映推力器的实时变化。 这种测量方式是非接触式测量，也是非破坏性的测量方法，不需要在结构物上直接安装 传感器或其他测量装置，可以降低机械振动、供电线缆对推力测量的干扰，解决目前常 用微推力和微冲量测量装置存在的零点漂移、平衡位置不稳定、标定困难以及精度低等 问题。

[0011] 本发明的基于动态光弹性法的电推进领域微推力瞬态测量系统包括五部分，分别 为：光学环境激励系统、推力器系统、控制系统、瞬态图像采集器以及图像处理显示系 统，其中，光学环境激励系统、推力器系统、瞬态图像采集器、图像处理显示系统都由 控制系统控制，整体组成如图1所示。

[0012] 所述光学环境激励系统：从左至右依次为激光光源1、准直镜2、起偏镜3、1/4玻 片Ⅰ4、光弹性元件5、1/4玻片Ⅱ6、检偏镜7、聚光镜8，各元件中心点都处于一条轴 线上，各元件的规格特性与元件之间的距离符合光学成像规律，保证生成的应力图像清 晰准确。推力器11通过刚性板10与光弹性元件5连接，高速相机9位于聚光镜8一侧。

[0013] 此外，根据推力器推力大小的不同，可以更换光弹性元件5，以满足测量要求， 一般情况下光弹性元件可选用光学灵敏度较高、受力后具有暂时双折射效应特性的环氧 树脂或者聚碳酸酯。光源1使用的是白光，为了使得光弹性元件能够在高速摄影成像清 晰，保证光源距准直镜适当距离。准直镜2的作用是将光源发出的锥形光束变为平行光， 使光线能够垂直进入光弹性元件。偏振片分为起偏镜和检偏镜，其中靠近光源一侧的为 起偏镜3，自然光通过起偏镜之后获得平面偏振光；靠近聚光镜8一侧的为检偏镜7，其 作用是检验光波的偏振状态。靠近光源一侧的1/4玻片Ⅰ4作用是将平面偏振光变为圆偏 振光，靠近聚光镜8一侧的1/4玻片Ⅱ6作用是将圆偏振光变为平面偏振光。

[0014] 光弹性元件5种类繁多，可以根据所测推力大小以及变化速率等因素选择合适的 光弹性材料，其应该满足透明度好、受力后具有暂时双折射效应、光学灵敏度高(条纹 值低)、弹性模量大以及初应力和时间边缘效应小等要求，通常使用较为频繁的有环氧 树脂和聚碳酸脂。

[0015] 聚光镜8作用是聚集平行光，能够在高速相机上清晰成像。

[0016] 高速相机9的拍摄过程由控制系统控制，其曝光速度可以达到每秒钟100万次，曝 光时间小于1微秒。

[0017] 光源1产生锥形光束，经过准直镜2变成平行光，透过起偏镜3后产生平面偏振光， 平面偏振光经过1/4玻片Ⅰ4之后变成圆偏振光，圆偏振光穿过光弹性元件5发生双折射 现象产生干涉，之后圆偏振光透过1/4玻片Ⅱ6变成平面偏振光。此时的平面偏振光相对 前面的平面偏振光来说，携带了应力信息，穿过检偏镜7后被聚光镜8汇聚后，生成应力 条纹图，能够被瞬态图像采集系统采集。

[0018] 光学环境激励系统主要功能为给光弹性元件营造一个光学的环境，保证受力后弹 性元件可以产生效果优异的应力条纹图，同时通过光学元件把应力条纹图的相关信息传 送至图像采集器中。

[0019] 推力器系统：主要功能为产生推力，并将推力传递到光弹性元件上使其处于应力 状态。推力器系统包括推力器11和刚性板10，本发明以实现测力为目的，因此不考虑推 力器内部的结构和功能，根据测力的需要更换不同类型的推力器。此处，以脉冲式等离 子体推力器为例。

[0020] 刚性版10作用是联接推力器与环氧树脂材料，将推力器产生的推力传递到光弹性 材料表面，通过改变刚性板的形状适应不同大小的推力，从而使环氧树脂中应力发生变 化。

[0021] 控制系统，包括电磁波发射器13、电磁触发器14、压力触发器15、延时器16 和电控器17，主要功能为精密同步控制激光光源触发时刻、推力器加载时刻和瞬态采集 应力图像时刻，其中，电磁波发射器13向电磁触发器14发射电磁波，

[0022] 压力触发器15在刚性板与弹性元件之间，处于过渡配合；

[0023] 瞬态图像采集系统：包括主要通过高速相机来实现。

[0024] 光源1产生的脉冲激光的持续时间为几十纳秒之间。它相当于几百万幅/每秒高速 照相机“快门”打开的时间。在此时间间隔内认为光弹性的变形为不变量。为了采集光 弹性元件受到推力器推力后某一时刻的干涉图像，应该使激光光源触发时刻、推力器加 载时刻和瞬态采集干涉图像的时刻三者精确地进行同步同步控制，当推力器启动时候， 相当于时间坐标的原点O。推力器工作是通过喷射等离子体羽流利用作用力与反作用力 的原理来获取推力的，因此推力器工作时候喷出等离子体羽流，等离子体具有吸收和衰 减电磁波，并且能够折射、反射和散射的特性。推力器工作时，喷出的等离子体羽流阻 止电磁波发射器13电磁波的传递，电磁触发器14此时产生信号PC作为激光光源1的电控 器17第一次触发时间t0，从而产生的第一个脉冲光，以此时作为光源1的计时原点O。它 的时刻为tQ1。压力触发器15在刚性板与弹性元件中处于过渡配合，当推力器不工作时， 刚性板10与压力触发器15处于接触和未接触的临界点，经过OT1和T1T2时间段，当推力 器11工作时，推力器11挤压刚性板10进而挤压压力触发器15从而使之产生的电脉冲信号 CT作为光源1的第二次触发时刻，再次传递给激光光源1的电控器17，在时序控制图上相 当于K点，根据实验要求可以选定激光光源射出脉冲光Q的时刻，△t即为光弹性元件受 力后要采集应力图像的时间。该系统的时间控制精度小于1μs。

[0025] 为了控制瞬态图像采集系统触发时刻，通过电磁触发器14的电脉冲信号，除了传 递给激光光源1外，再传给延时器16，发出一个延时的电脉冲电信号作为高速相机9的外 触发信号，从而激发瞬态图像采集系统开始工作。

[0026] 控制系统控制高速相机触发开始工作，然后开始拍摄一系列的条纹应力图直至推 力器停止工作。当推力器下一次脉冲工作时，再次触发电磁触发器开启高速相机工作。 当推力器11工作时，碰触的等离子体羽流会阻碍电磁波传播，电磁波触发器14产生电磁 脉冲信号触发激光光源电控器，以此时作为光源1的计时原点O，经过OT1和T1T2时间段。 当推力器11的推力传导到光弹性元件5时，压力触发器15产生脉冲信号传递给激光光源1 的电控器17，在时序控制图上相当于K点，根据实验要求可以选定激光光源射出脉冲光Q 的时刻，△t即为光弹性元件受力后要采集应力图像的时间。为了采集瞬态图像，通过 电磁触发器的电脉冲信号，除了传递给控制器外，再传给精密延时器16，发出一个延时 的电脉冲电信号作为高速相机9的外触发信号。

[0027] 图像处理显示系统：利用瞬态图像采集系统获得的测量结果形式为各类光弹图 片，图片中的各点含有两个重要参数——各点的应力方向角及条纹级数，条纹级数代表 了该点的主应力差值，但是由该差值和应力方向角无法直接求得主应力的单独分量，因 此对图像处理系统来说获取光弹图片后的重要工作就是应力的分离。

[0028] 应力分离可以通过创造自由边界，使得模型中出现单向应力边界，从而获得主应 力分离结果。本发明中对光弹性元件进行钻孔处理，引入一个人为的自由边界，由于自 由边界在二维问题中即为单向应力状态，因此可以直接由引入孔后的光弹条纹级数判断 边界的应力大小。由于试样中钻孔后获得的应力值必定与钻孔前的值存在一定的偏差， 因此需要通过相应的公式来由开孔后的应力值计算出开孔前的应力值。开孔处的等差线 条纹的2个对称轴的方向决定了开孔点处的主应力方向。主应力的数值由孔中的两个点A 和B点的正应力数值A与B决定，这两个点位于孔的边缘，正应力大小由光弹等差线级数 求出，方向与点的边缘相切。进一步求出主应力数值的大小，根据应力和推力的换算关 系得出推力的大小，这一步可以用MATLAB实现。

[0029] 每一张应力图片对应该时刻的瞬时推力大小，而控制系统和瞬态图像采集系统保 证了高速相机拍摄得到某一瞬时的推力大小大致近似为设定的时间间隔的推力大小，通 过对一系列应力图像进行处理获得的推力按照时刻的先后顺利连接起来可近似反映推 力器工作时推力的实时变化。

[0030] 该系统的主要功能为根据应力图像进行计算和处理，提取其中的推力信息，并以 具体数值和推力图像显示出来。

[0031] 本发明的优点在于：本发明是非接触式测量，也是非破坏性的测量方法，不需要 在结构物上直接安装传感器或其他测量装置，可以降低机械振动、供电线缆对推力测量 的干扰，解决目前常用微推力和微冲量测量装置存在的零点漂移、平衡位置不稳定、标 定困难以及精度低等问题。本发明将动态光弹性方法应用于推力器瞬态推力的测量领 域，具有结构简单、易于操作以及可靠性高等优点，最重要的是为解决传统电推进推力 测量方法难以测量瞬态微推力的问题提供了基本测量思路，能够实现高精度准确的测量 瞬时推力和冲量。

附图说明

[0032] 图1瞬态推力测量系统组成示意图；

[0033] 图2光学环境激励系统结构组成示意图；

[0034] 图3控制系统结构示意图。

具体实施方式

[0035] 本发明根据电推进的推力特点，基于动态光弹性法，以光学弹性元件为核心构建 光路系统，通过测定其受力时光学条纹图像的实时变化，从而显示瞬时受力的大小与变 化情况。系统包括激光器，光学弹性元件，高速瞬态图像采集器以及必要的图像处理技 术。本发明主要用于采集脉冲式推进系统产生的随时间不断变化的瞬态推力。该系统基 于应力-光学定律，运用光弹性特殊材料以及高速摄影装置将推力器产生的推力可视化， 尤其可以记录推力的变化过程，便于研究电推进推力器推力的变化机理。

[0036] 本系统包括光学环境激励系统、推力器系统、控制系统、瞬态图像采集器以及 图像处理显示系统，其中，光学环境激励系统、推力器系统、瞬态图像采集器、图像处 理显示系统都由控制系统控制，

[0037] 所述光学环境激励系统包括光弹性元件，光学环境激励系统生成应力条纹图，该应 力条纹图被瞬态图像采集系统采集；

[0038] 所述推力器系统包括推力器和刚性板，推力器通过刚性板与光弹性元件连接；

[0039] 瞬态图像采集系统通过高速相机来实现；

[0040] 控制系统控制激光光源触发时刻、推力器加载时刻和瞬态采集应力图像时刻这3个 时刻同步；

[0041] 所述控制系统，如图3所示，包括电磁波发射器、电磁触发器、压力触发器、延时 器和电控器，压力触发器在刚性板与弹性元件之间，处于过渡配合；

[0042] 所述光学环境激励系统如图2所示，从左至右依次为激光光源、准直镜、起偏镜、 1/4玻片Ⅰ、光弹性元件、1/4玻片Ⅱ、检偏镜、聚光镜，各元件中心点都处于一条轴 线上，各元件的规格特性与元件之间的距离符合光学成像规律，保证生成的应力图像清 晰准确；

[0043] 激光光源、准直镜、起偏镜、1/4玻片Ⅰ、光弹性元件、1/4玻片Ⅱ、检偏镜、聚 光镜，激光光源产生锥形光束，经过准直镜变成平行光，透过起偏镜后产生平面偏振光， 平面偏振光经过1/4玻片Ⅰ之后变成圆偏振光，圆偏振光穿过光弹性元件发生双折射现 象产生干涉，之后圆偏振光透过1/4玻片Ⅱ变成平面偏振光，此时的平面偏振光携带了 应力信息，穿过检偏镜后被聚光镜汇聚后，生成应力条纹图，该应力条纹图被瞬态图像 采集系统采集；

[0044] 所述推力器工作时，喷出的等离子体羽流阻止电磁波发射器电磁波的传递，电磁触 发器此时产生信号PC作为激光光源的电控器第一次触发时间t0，从而产生的第一个脉冲 光，以此时作为光源1的计时原点O；当推力器不工作时，刚性板与压力触发器处于接触 和未接触的临界点，经过OT1和T1T2时间段，当推力器工作时，推力器挤压刚性板进而 挤压压力触发器从而使之产生的电脉冲信号CT再次传递给激光光源的电控器，在时序控 制图上为K点，选定激光光源射出脉冲光Q的时刻，△t即为光弹性元件受力后要采集应 力图像的时间；

[0045] 所述光弹性元件进行钻孔处理，创造自由边界，从而获得主应力分离结果。