基于扭摆式的微推力测量装置

摘要

本发明提供一种基于扭摆式的微推力测量装置，主要包括：扭摆平台、推力平衡执行器和光杆装置，扭摆平台：包括支架、扭丝、平衡架、推力器、配重杯，当推力器产生推力时，平衡架绕扭丝转动；推力平衡执行器：用以平衡推力器产生的推力，包括油槽、阻尼棒、恒流泵、比例积分微分控制器；光杠杆装置：包括反光镜，光源和位置敏感探测器，反光镜与光源和位置敏感探测器组成一个光杠杆装置；该测量装置采用扭矩平衡原理和光杠杆原理，将微小推力转化为位置敏感探测器的输出电流信号，再结合比例积分微分控制器智能地控制恒流泵的输出液体流量，计算出阻尼棒受到的粘滞力大小，从而得到待测推力大小，整个测试过程的操作、控制和使用简便，易于掌握。

权利要求

1.一种基于扭摆式的微推力测量装置，其特征在于包括：

扭摆平台：包括支架(17)、悬挂于支架(17)下方的扭丝(1)、扭丝(1)下方连接的平衡架(2)、分别固定于平衡架(2)左右两端的推力器(4)和配重杯(5)；其中，推力器施加使所述平衡架(2)绕扭丝(1)转动的作用力；所述配重杯(5)用以平衡推力器(4)的重力矩；

推力平衡执行器：用以平衡推力器产生的推力，包括装有液体的油槽(10)、固定连接在平衡架(2)下方的阻尼棒(11)、以及恒流泵(9)和比例积分微分控制器(8)；其中，阻尼棒底端浸入油槽里的液体内部，油槽(10)和恒流泵(9)通过管道构成封闭的回路，恒流泵(9)与比例积分微分控制器(8)电连接，比例积分微分控制器(8)通过传输线路(22)与位置敏感探测器(7)电连接，恒流泵(9)驱动油槽内的液体在回路中循环流动，液体运动时施加在阻尼棒上的粘滞力方向与推力器(4)的推力方向相同，从而平衡推力器产生的推力，所述阻尼棒(11)下端为实心球体，上端过盈固定在平衡架的左端销孔，阻尼棒垂直于水平面，并且实心球体完全被油槽内的液体浸没；

光杠杆装置：包括所述平衡架(2)的底部中端固定连接的反光镜(3)、平衡架下方的光源(6)和位置敏感探测器(7)；其中，反光镜(3)、光源(6)与位置敏感探测器(7)组成一个光杠杆装置，光源(6)发射的光束(23)通过所述反光镜(3)反射到所述位置敏感探测器(7)上的光敏面上，反光镜(3)和平衡架(2)的转动使得位置敏感探测器(7)的传输电流信号发生改变。

2.根据权利要求1所述的一种基于扭摆式的微推力测量装置，其特征在于：所述油槽是以扭摆平台中心为圆心、以阻尼棒距扭摆平台中心的距离为半径的C型环。

3.根据权利要求1所述的一种基于扭摆式的微推力测量装置，其特征在于：所述油槽内的液体为牛顿液体。

4.根据权利要求1所述的一种基于扭摆式的微推力测量装置，其特征在于：所述油槽内的液体为二甲基硅油，硅油在所述油槽内做匀速的层流流动。

5.根据权利要求1所述的一种基于扭摆式的微推力测量装置，其特征在于：所述油槽(10)安装在框架底座(18)上。

6.根据权利要求5所述的一种基于扭摆式的微推力测量装置，其特征在于：所述框架底座(18)下底面安装有调整支架(19)，用于调节框架的水平姿态，调整支架下面安装有防震垫(20)。

7.根据权利要求1所述的一种基于扭摆式的微推力测量装置，其特征在于：所述扭丝为单根纯度大于99.95％的钨丝。

8.根据权利要求1所述的一种基于扭摆式的微推力测量装置，其特征在于：所述平衡架的材料为硬质铝合金，平衡架整体为三角形结构。

9.利用权利要求1至8任意一项所述装置获得推力器推力的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)推力器(4)产生推力带动平衡架绕扭丝转动；

(2)平衡架的转动带动光杠杆装置的反光镜(3)转动，反光镜(3)的反射光在位置敏感探测器的光敏面上的位置发生变动，使得位置敏感探测器的传输电流信号发生改变；并将改变的电流信号传输给比例积分微分控制器；

(3)比例积分微分控制器根据电流信号的强弱对恒流泵发送相应大小的控制电压，恒流泵根据控制电压大小调节输送液体的流量，从而控制油槽里液体的流速；其中，流动液体对阻尼棒有粘滞力的作用，从而与推力器产生的推力平衡；

(4)计算阻尼棒的粘滞力；其中，阻尼棒的粘滞力与推力器的推力形成杠杆中的一对作用力，根据杠杆原理得到推力器的推力。

说明书

基于扭摆式的微推力测量装置

技术领域

[0001] 本发明涉及用于微推力装置的测量系统领域，特别是一种基于扭摆式的微推力测量装置。

背景技术

[0002] 随着科学技术的进步，微、电推力器技术在航空航天等许多领域都有广泛的应用，推力器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，才能获取推力器的实际性能参数，并开展进一步的设计和研制工作。推力器的推力在毫牛甚至微牛量级，传统的力学测量方法无法实现。因此，有必要研制一种微推力测量装置来满足推力器发展的需求。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供一种基于扭摆式的微推力测量装置。

[0004] 为实现以上目的，本发明技术方案如下：

[0005] 一种基于扭摆式的微推力测量装置，包括：

[0006] 扭摆平台：包括支架、悬挂于支架下方的扭丝、扭丝下方连接的平衡架、分别固定于平衡架左右两端的推力器和配重杯；其中，推力器施加使所述平衡架绕扭丝转动的作用力；所述配重杯用以平衡推力器的重力矩；

[0007] 推力平衡执行器：用以平衡推力器产生的推力，包括装有液体的油槽、固定连接在平衡架下方的阻尼棒、以及恒流泵和比例积分微分控制器；其中，阻尼棒底端浸入油槽里的液体内部，油槽和恒流泵通过管道构成封闭的回路，恒流泵与比例积分微分控制器电连接，比例积分微分控制器通过传输线路与所述位置敏感探测器电连接，恒流泵驱动油槽内的液体在回路中循环流动，液体运动时施加在阻尼棒上的粘滞力方向与推力器的推力方向相同，从而平衡推力器产生的推力；

[0008] 光杠杆装置：包括所述平衡架的底部中端固定连接的反光镜、平衡架下方的光源和位置敏感探测器；其中，反光镜、光源与位置敏感探测器组成一个光杠杆装置，光源发射的光束通过所述反光镜反射到所述位置敏感探测器上的光敏面上，反光镜和平衡架的转动使得位置敏感探测器的传输电流信号发生改变。

[0009] 作为优选方式，所述阻尼棒下端为实心球体，上端过盈固定在平衡架的左端销孔，阻尼棒垂直于水平面，并且实心球体完全被油槽内的液体浸没。

[0010] 作为优选方式，所述油槽是以扭摆平台中心为圆心、以阻尼棒距扭摆平台中心的距离为半径的C型环。确保油槽中液体的流动方向与推力器的推力方向平行。

[0011] 作为优选方式，所述油槽内的液体为牛顿液体。

[0012] 作为优选方式，所述油槽内的液体为二甲基硅油，硅油在所述油槽内做匀速的层流流动。

[0013] 作为优选方式，所述油槽安装在框架底座上。

[0014] 作为优选方式，框架底座下底面安装有调整支架，用于调节框架的水平姿态，调整支架下面安装有防震垫。

[0015] 作为优选方式，所述扭丝为单根纯度大于99.95％的钨丝。

[0016] 作为优选方式，所述平衡架的材料为硬质铝合金，平衡架整体为三角形结构。

[0017] 为实现上述发明目的，本发明还提供一种利用上述装置获得推力器推力的方法，包括如下步骤：

[0018] (1)推力器产生推力带动平衡架绕扭丝转动；

[0019] (2)平衡架的转动带动光杠杆装置的反光镜转动，反光镜的反射光在位置敏感探测器的光敏面上的位置发生变动，使得位置敏感探测器的传输电流信号发生改变；并将改变的电流信号传输给比例积分微分控制器；

[0020] (3)比例积分微分控制器根据电流信号的强弱对恒流泵发送相应大小的控制电压，恒流泵根据控制电压的大小调节输送液体的流量，从而控制弧形油槽里液体流速，其中，流动液体对阻尼棒有粘滞力的作用，从而与推力器产生的推力平衡；

[0021] (4)计算阻尼棒的粘滞力，其中，阻尼棒的粘滞力与推力器的推力形成了杠杆中的一对作用力，根据杠杆原理得到推力器的推力。

[0022] 本发明的测量原理如下：

[0023] 平衡架被钨丝悬吊着，利用配重调整平衡架，使扭摆平台达到平衡。推力器工作时，所产生的推力将对平衡架产生扭转力矩，使其发生偏转。平台上的反光镜与平衡架一同发生偏转，使光斑在位置敏感探测器的光敏面上偏离了初始位置，位置敏感探测器使比例积分微分控制器产生一个电流信号，并将电流信号传输给比例积分微分控制器，从而产生控制电压。比例积分微分控制器根据电流信号的强弱会对恒流泵产生相应大小的控制电压，恒流泵根据控制电压的大小调节输送液体的流量，从而达到控制油槽里液体流速的目的。其中，流动液体对阻尼棒有粘滞力的作用，从而与推力器产生的推力平衡。当小球的半径和油槽内的液体选定时，粘滞力的大小仅与液体的流速有关。

[0024] 用流动液体与阻尼棒之间的粘滞力作为控制力，用位置敏感探测器测量扭摆平台的偏转位置，通过比例积分微分控制器自动控制方法对扭摆平台的偏转进行控制，使之稳定于初始平衡位置。在整个系统中，扭摆平台、位置敏感探测器、比例积分微分控制器、恒流泵和油槽构成闭环反馈控制系统，通过控制算法实时控制恒流泵的输出液体流量，使扭摆平台绕扭摆中心扭转时能快速稳定于初始的平衡位置。

[0025] 当扭摆平台受到推力器产生的推力作用时，比例积分微分控制器产生的控制电压大小与推力值大小相对应，恒流泵显示的流量值大小也与推力值大小相对应。假设推力器产生的推力为F，阻尼棒受到的粘滞力为Fr，它们分别与扭摆中心的距离为L1、L2，根据杠杆原理公式(1)就可以计算出推力器产生的推力值F。

[0026] F*L1＝Fr*L2  (1)

[0027] 本发明的有益效果为：该测量装置采用扭矩平衡原理和光杠杆原理，将微小推力转化为位置敏感探测器的输出电流信号，再结合比例积分微分控制器智能地控制恒流泵输送的液体流量，计算出阻尼棒受到的粘滞力大小，从而得到待测推力大小。其中，推力器产生的微推力用液体对小球的粘滞力得以补偿，使得光敏感面上的位移量Δx始终为0，克服了传统测微推力装置中位置敏感探测器输出电流值与光敏感面上的位移量Δx呈非线性关系带来的影响。整个测试过程的操作、控制和使用简便，易于掌握。

附图说明

[0028] 图1所示为本发明的整体结构示意图。

[0029] 图2所示为配重杯、阻尼棒、扭丝和平衡架的安装配置图。

[0030] 图3所示为本发明的平衡架为三角形结构的示意图。

[0031] 图4所示为调整支架和防震垫的示意图。

[0032] 图5所示为C型油槽的俯视示意图。

[0033] 其中，1为扭丝；2为平衡架；3为反光镜；4为推力器；5为配重杯；6为光源；7为位置敏感探测器；8为比例积分微分控制器；9为恒流泵；10为油槽；11为阻尼棒；12为配重杯安装小孔；13为阻尼棒安装小孔；14为推力器安装小孔；15为扭丝安装小孔；17为支架；18为框架底座；19为调整支架；20为防震垫；22为传输线路；23为光束。

具体实施方式

[0034] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

[0035] 一种基于扭摆式的微推力测量装置，包括：

[0036] 扭摆平台：用以使平衡架2产生绕扭丝转动的推力，包括支架17、悬挂于支架17下方的扭丝1、扭丝1下方连接的平衡架2、分别固定于平衡架2左右两端的推力器4和配重杯5；所述扭丝为单根纯度大于99.95％的钨丝。推力器施加使所述平衡架2绕扭丝转动的作用力；所述配重杯用以平衡推力器4的重力矩；

[0037] 推力平衡执行器：用以平衡推力器产生的推力，包括装有液体的弧形油槽10、固定连接在平衡架2下方的阻尼棒11，所述油槽内的液体为牛顿液体。本实施例中液体为二甲基硅油，硅油在所述弧形油槽内做匀速的层流流动。阻尼棒底端浸入油槽里的液体内部，油槽10和恒流泵9通过管道构成封闭的回路，恒流泵9与比例积分微分控制器8电连接，比例积分微分控制器8通过传输线路22与所述位置敏感探测器7电连接，恒流泵9驱动油槽内的液体在回路中循环流动，液体运动时施加在阻尼棒上的粘滞力方向与推力器4的推力方向相同，从而平衡推力器产生的推力；所述阻尼棒11采用硬质铝材料构成，其下端为实心球体，上端过盈固定在平衡架的左端销孔，阻尼棒垂直于水平面，并且实心球体完全被油槽内的液体浸没。

[0038] 光杠杆装置：包括所述平衡架2的底部中端固定连接的反光镜3，平衡架下方的光源6和位置敏感探测器7，反光镜3与所述光源6和所述位置敏感探测器7组成一个光杠杆装置，光源6发射的光束23通过所述反光镜3反射到所述位置敏感探测器7上的光敏面上，反光镜3和平衡架2的转动使得位置敏感探测器7的传输电流信号发生改变。

[0039] 如图5所示，本实施例中，所述油槽是以扭摆平台中心为圆心、以阻尼棒距扭摆平台中心的距离为半径的C型环。确保油槽中液体的流动方向与推力器的推力方向平行。

[0040] 所述弧形油槽10安装在框架底座18上。框架底座18下底面安装有调整支架19，用于调节框架的水平姿态，调整支架下面安装有防震垫20，用于防震抗干扰。

[0041] 如图2和图3所示，所述平衡架的材料为硬质铝合金，平衡架整体为三角形结构。它的左右臂长相等。两个扭丝安装小孔15关于平衡架2的中心对称分布，四个推力器安装小孔14布位于右臂端的等边三角形的顶点处和重心处。三个配重杯安装小孔12位于左臂端的等边三角形的端点处，一个阻尼棒安装小孔13位于左臂端的等边三角形的重心处。

[0042] 利用上述装置获得推力器推力的方法，包括如下步骤：

[0043] 1)推力器4产生推力带动平衡架绕扭丝转动；

[0044] (2)平衡架的转动带动光杠杆装置的反光镜3转动，反光镜3的反射光在位置敏感探测器的光敏面上的位置发生变动，使得位置敏感探测器的传输电流信号发生改变；并将改变的电流信号传输给比例积分微分控制器；

[0045] (3)比例积分微分控制器根据电流信号的强弱对恒流泵发送相应大小的控制电压，恒流泵根据控制电压的大小调节输送液体的流量，从而控制弧形油槽里液体流速，其中，流动液体对阻尼棒有粘滞力的作用，从而与推力器产生的推力平衡；

[0046] (4)计算阻尼棒的粘滞力，其中，阻尼棒的粘滞力与推力器的推力形成了杠杆中的一对作用力，根据杠杆原理得到推力器的推力。

[0047] 本实施例的测量原理如下：

[0048] 平衡架被钨丝悬吊着，利用配重调整平衡架，使扭摆平台达到平衡。推力器工作时，所产生的推力将对平衡架产生扭转力矩，使其发生偏转。平台上的反光镜与平衡架一同发生偏转，使光斑在位置敏感探测器的光敏面上偏离了初始位置，位置敏感探测器使比例积分微分控制器产生一个电流信号，并将电流信号传输给比例积分微分控制器，从而产生控制电压。比例积分微分控制器根据电流信号的强弱会对恒流泵产生相应大小的控制电压，恒流泵根据控制电压的大小调节输送液体的流量，从而达到控制油槽里液体流速的目的。其中，流动液体对阻尼棒有粘滞力的作用，从而与推力器产生的推力平衡。当小球的半径和油槽内的液体选定时，粘滞力的大小仅与液体的流速有关。

[0049] 用流动液体与阻尼棒之间的粘滞力作为控制力，用位置敏感探测器测量扭摆平台的偏转位置，通过比例积分微分控制器自动控制方法对扭摆平台的偏转进行控制，使之稳定于初始平衡位置。在整个系统中，扭摆平台、位置敏感探测器、比例积分微分控制器、恒流泵和油槽构成闭环反馈控制系统，通过控制算法实时控制恒流泵的输出液体流量，使扭摆平台绕扭摆中心扭转时能快速稳定于初始的平衡位置。

[0050] 当扭摆平台受到推力器产生的推力作用时，比例积分微分控制器产生的控制电压大小与推力值大小相对应，恒流泵显示的流量值大小也与推力值大小相对应。假设推力器产生的推力为F，阻尼棒受到的粘滞力为Fr，它们分别与扭摆中心的距离为L1、L2，根据杠杆原理公式(1)就可以计算出推力器产生的推力值F。

[0051] F*L1＝Fr*L2  (1)

[0052] 所述光源采用方向性极好的光源；所述位置敏感探测器采用一维PSD，峰值响应波长在900nm左右，位置分辨率达到μm量级。光源和位置敏感探测器对称分布在反光镜的法平面两侧。光源、位置敏感探测器和反光镜三者构成一个简单的光杠杆装置。

[0053] 所述阻尼棒采用硬质铝材料构成，其下端为实心球体，上端过盈固定在平衡架的左端销孔内。阻尼棒垂直与水平面，并且实心小球恰好完全被硅油浸没。实心球体的半径为r，密度为ρ。

[0054] 所述弧形油槽的截面的圆心角读数为n，半径为R，截面积为S。与之相配的所述恒流泵为数显恒流泵，输出的液体为硅油，流量量程为Q。弧形油槽和恒流泵均安装在框架底座上。

[0055] 所述比例积分微分(PID)控制器以参数Kp、Ki、Kd的系统偏差e和偏差变化率ec作为输入，PID控制器的参数增量ΔKP、ΔKi、ΔKd为输出，利用模糊推理在线对PID参数进行调整，以满足不同的e和ec对系统控制参数要求，实现参数的模糊自整定，智能地、实时控制恒流泵的输出液体流量。

[0056] 小球粘滞力的计算方法如下：

[0057] 参考文献《景德镇高专学报》2004年6月第19卷第2期的《液体粘滞系数测定中小球的运动理论研究》提出的关于小球受到的粘滞力计算公式：

[0058] Fr＝6πηrv       (2)

[0059] 其中η为液体的粘滞系数；r为小球的半径；v为小球的运动速度。

[0060] 若实心小球恰好完全浸没在硅油内，弧形油槽的载满油的截面的圆心角读数为n，半径为R，又已知硅油的粘滞系数为η、数显恒流泵的输出流量值为Q和小球半径为r，硅油在油槽里做匀速的层流运动。

[0061] 设硅油在油槽里的截面积为S，则截面积S为：

[0062]

[0063] 根据流速与流量的关系，得到液体的流速v为：

[0064]

[0065] 结合式子(2)和(4)，得到小球受到的粘滞力Fr为：

[0066]

[0067] 在本装置中，恒流泵选用上海丞伍ZG600精密型恒流蠕动泵，流量量程为740mL/min-12000mL/min，软管型号为82#；弧形油槽的相关参数如下：圆心角为240°，半径为4cm，槽内的液体选用密度为0.963kg/m3，粘度为1000cs的二甲基硅油；PSD选用光谱响应范围为380nm-1100nm，分辨率为0.1μm，响应时间为0.8μs的一维PSD；PID控制器采用虹润仪表人工智能PID流量控制仪NHR-5320A；平衡架的左右臂长相等。(硅油的粘滞系数可以直接测量得-4 -1 -1
到，也可以通过计算得到，η＝9.63×10 kg·m ·s )。

[0068] 微调调整支架，支架顶端中部设有水准泡，观察水准泡中的空气球，使得空气球处于中心位置；选用小球半径为3cm的阻尼棒，将阻尼棒安装在相应孔内；增减配重杯内的配重块至平衡架水平。(小球半径为1cm、1.5cm、2cm、2.5cm、3cm、3.5cm、4cm，对应着七种规格的阻尼棒)

[0069] 启动装置，PID控制器会自动调节比例参数Kp、积分参数Ki和微分参数Kd，实时输出控制电压给恒流蠕动泵，使得阻尼棒产生水平方向的粘滞力，直到控制结果满意；若结果和目标有偏差，可以选择手动微调，直至结果满意。

[0070] 当推力器工作后，恒流泵的流量显示值为1000mL/min，则测得的推力约为27μN；当恒流泵的流量显示值为12000mL/min时，测得的推力值为325μN。

[0071] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。