CN105157896A - 一种适用于微小型推进器的可变量程推力测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于微小型推进器的可变量程推力测量装置，包括工作底板、固定竖梁、活动竖梁、枢轴套件组合、刀口架、活动横梁、位移测量装置、音圈标定装置和阻尼装置。工作底板通过四个螺栓进行调平；固定竖梁安装在工作底板上，并且装有过载保护栓。枢轴套件组合由四个枢轴套和两个枢轴组成，每个枢轴两端分别由一个枢轴套采用卡锁的方式安装。整个测量装置配备了五套外部机械接口一致的枢轴套件组合，使得推力测量范围分别为0～100μN、0～500μN、0～1mN、0～50mN和0～100mN，达到可变量程进行高精度推力测量的目的。采用位移传感器实现横梁位移测量，采用音圈和永磁铁实现***标定，采用铜片和永磁铁实现横梁运动的被动阻尼。整套装置可完全工作在真空模拟环境中。
Description
技术领域
本发明属于力的测量技术领域，涉及一种适用于微小型推进器的推力测量装置。
背景技术
在小卫星技术蓬勃发展的今天，适用于小卫星姿轨控的微小型推进器推力测量一直是重要的探索方向。推力的高精度测量对推进器的设计、验证和应用有着非常重要的作用。然而，微小型推进器(比如冷气推进器、激光烧蚀推进器等)的推力输出较小，一般在百毫牛量级以下，甚至达到几百微牛或几十微牛，这对微小推力测量提出了较大的挑战：(1)推进器推重比非常小。相对于推进装置及其相关设备的重量，所测量的推力非常小。有时，推进装置的重量甚至超过10kg(≈100N)，而所测的力小于1mN。若其测量误差为1％，则推力测量误差绝对值仅为0.01mN，与重量之比为10-7，对测量***的设计提出了很高的要求。(2)影响因素众多。对于微小推力，许多在通常情况下可以忽略的因素都足以将其淹没，比如人的脚步或呼吸等都可能对测量结果产生影响，对测量环境和方法提出了很高的要求。(3)真空环境下测量。为了模拟真实的微推进器工作环境，需要在真空舱中完成各种操作和测量，并且承受高温和低温的冲击，对数据传输和测量方法以及测量***的结构都提出了很高的要求。
面对微小推力测量的挑战，采用何种测量方法、如何进行结构设计、如何消除各种因素的影响以及如何实施推力测量，达到高精度、易操作、通用性强的目的，是本领域技术人员极为关注的技术问题。
发明内容
本发明的目的是设计一种适用于微小型推进器的可变量程推力测量装置，采用水平扭转的执行机构消除重力的影响，采用整机挂载的方式消除管线的影响，采用无线遥控的方式和可远程控制的关键部件设计方式实现真空环境中的测量操作，采用外部接口一致的枢轴套件实现微小型推进器推力测量的通用性。
本发明的具体技术方案为：可变量程推力测量装置包括工作底板、固定竖梁、活动竖梁、枢轴套件组合、刀口架、活动横梁、位移测量装置、音圈标定装置和阻尼装置。
活动横梁是整个测量装置的关键执行部件，和活动竖梁栓连在一起，并在水平面内无摩擦转动。活动横梁一端安装推进器，另一端安装推进器的供应***和遥控***，并且利用配重块使横梁在垂直方向所受力矩平衡，使得推进器的推力与推进器及相关装置的重力分离，并且通过整机挂载推进器的方式完全消除管线对推力测量的影响。
活动横梁在水平面内转动的角度采用位移传感器测量，所采用的位移传感器为无接触测量，配备专用的真空转接件，可以在真空环境下使用。标定装置采用音圈和永磁铁，永磁铁安装在活动横梁上，音圈采用独特的卡锁支架和永磁铁同轴安装，当音圈通一特定的电流，音圈和电磁铁之间产生一定的电磁力，该标定装置为无接触设计，可以远程控制，适合真空环境使用。阻尼装置采用磁阻尼方式，主要由L形铜片和异性磁极永磁铁组合组成，也适合真空环境使用。整个工作过程中，推进器的控制采用无线遥控方式实现，位移测量、标定和阻尼均可以远程控制，整套装置可完全工作在真空模拟环境中。
为了对微小推力器具有较强的通用性，整个测量装置配备了五套外部接口一致的枢轴套件组合，使得推力测量范围分别为0～100μN、0～500μN、0～1mN、0～50mN和0～100mN，达到可变量程进行高精度推力测量的目的。本发明的优势是：
1.精度较高。采用水平扭转的摆式结构完全消除重力的影响，采用推进器整机挂载的方式完全避免推进器与外部的管线连接，极大提高测量精度。
2.结构灵活。横梁采用方管多孔结构，便于推进器等装置的安装及位置调整，音圈和位移传感器采用平移台作为安装基座，便于位置调整和器件保护，采用外部接口一致的枢轴套件，便于推力量程的更改。
3.控制方便。推进器可远程无线控制，关键部件可远程有线控制，***控制和数据传输较为方便，使得整套装置可在真实的微小推进器工作环境中工作。
4.通用性强。采用枢轴套件实现100mN以下五个档位推力测量，满足不同量级、不同类型推进器的连续推力和脉冲平均推力测量。
附图说明
图1为推力测量装置外部结构图；
图2为固定竖梁结构图；
图3A为枢轴套件组合结构图；
图3B为枢轴套件组合侧视图；
图4为刀口架结构图；
图5为活动横梁结构图；
图6为位移测量装置结构图；
图7为音圈标定装置结构图；
图8为阻尼装置结构图。
图中：1-工作底板；2-固定竖梁；3-活动竖梁；4-枢轴套件组合；5-刀口架；6-活动横梁；7-位移测量装置；8-音圈标定装置；9-阻尼装置；201、202-过载保护栓；401、402、403、404-枢轴套；405、406-枢轴；501-刀承；601-刀口；701-位移传感器；702-传感器支架；703-手动平移台；801-音圈；802-音圈支架；803-手动平移台；804-永磁铁；805-永磁铁安装架；901-L形铜片；902-异性磁极永磁铁组合；903-永磁铁架。
具体实施方式
下面结合附图对推力测量装置本发明作进一步的详细说明描述。
请参见图1所示，推力测量装置包括工作底板(1)、固定竖梁(2)、活动竖梁(3)、枢轴套件组合(4)、刀口架(5)、活动横梁(6)、位移测量装置(7)、音圈标定装置(8)和阻尼装置(9)；工作底板(1)通过四个螺栓进行调平；固定竖梁(2)安装在工作底板(1)上，并且装有过载保护栓(201、202)，请参见图2所示。
请参见图3A、图3B所示，枢轴套件组合(4)由四个枢轴套(401、402、403、404)和两个枢轴(405、406)组成，枢轴套圆形凹槽的直径与枢轴直径相同，每个枢轴两端分别由一个枢轴套采用卡锁的方式安装，每两个枢轴套(401、403和402、404)分别安装在活动竖梁(3)和固定竖梁(2)上。
请参见图4所示，刀口架(5)安装在活动竖梁(3)上，并且安装刀承(501)。
请参见图5所示，活动横梁(6)采用方管结构，四面开有M6螺纹孔，便于器件安装，底部装有刀口(601)，刀口(601)置于刀承(501)上，在安装好推进器及其供应和遥控装置后，对活动横梁(6)进行配平，配平完毕后，与活动竖梁(3)和刀口架(5)栓接在一起。
请参见图6所示，位移测量装置(7)由位移传感器(701)、传感器支架(702)和手动平移台(703)组成，位移传感器(701)采用卡锁的方式安装在传感器支架(702)上，传感器支架(702)安装在手动平移台(703)上，手动平移台(703)安装在工作底板(1)上。
请参见图7所示，音圈标定装置(8)由音圈(801)、音圈支架(802)、手动平移台(803)、永磁铁(804)和永磁铁安装架(805)组成，音圈(801)采用卡锁的方式安装在音圈支架(802)上，音圈支架(802)安装在手动平移台(803)上，手动平移台(803)安装在工作底板(1)上，永磁铁(804)采用卡锁的方式安装在永磁铁安装架(805)上，永磁铁安装架(805)安装在活动横梁(6)上。
请参见图8所示，阻尼装置(9)由L形铜片(901)、异性磁极永磁铁组合(902)和永磁铁架(903)组成，L形铜片(901)安装在活动横梁(6)上，异性磁极永磁铁组合(902)分别粘贴在永磁铁架(903)内侧，永磁铁架(903)安装在工作底板(1)上。
为了完全消除推进器管路和线路对测量的影响，对推进器的供应***和控制***高度集成，并采用遥控方式控制推进器。活动横梁(6)装有阻尼装置(9)的一端安装推进器，另一端安装推进器的供应***和遥控***，并且利用配重块使横梁在垂直方向所受力矩平衡，采用无线遥控的方式控制推进器，通过整机挂载推进器的方式完全消除管线对推力测量的影响。
为了在使用过程能够最大限度地保护精密器件，采取了以下措施：位移传感器(701)与活动横梁(6)的距离可由手动平移台(703)进行调整，便于保护位移传感器(701)不受损伤，也便于调整位移传感器(701)的机械零点位置；音圈(801)与永磁铁(804)之间的距离可由手动平移台(803)进行调整，便于保护音圈(801)与永磁铁(804)不受损伤，也便于调整音圈(801)与永磁铁(804)之间的工作距离；当测量装置处于非工作状态时，利用过载保护栓(201、202)卡死活动横梁(6)，避免活动横梁(6)自由摆动。
为了对微小推力器具有较强的通用性，整个测量装置配备了五套外部接口一致的枢轴套件组合，使得推力测量范围分别为0～100μN、0～500μN、0～1mN、0～50mN和0～100mN，达到可变量程进行高精度推力测量的目的。其中，所采用的枢轴为Riverhawk公司货架产品，型号分别为5006-800、5005-600、5012-800、5010-600、5012-600。
当测量装置工作在不同量程时，活动横梁(6)在推进器推力作用下，转动的角度采用小角度近似原理，可直接测量活动横梁(6)运动的线位移。所采用的位移传感器为MICRO-EPSILON公司的电涡流式位移传感器eddyNCDT3300，该传感器无活动部件，为非接触测量，探头型号ES1，分辨率50nm，量程1mm。
在进行推力测量前，需要进行标定。采用音圈(801)和永磁铁(804)作为标定主体装置，永磁铁(804)采用卡锁的方式安装在永磁铁安装架(805)上，永磁铁安装架(805)安装在活动横梁(6)上，音圈(801)和永磁铁(804)中心轴线重合。当音圈(801)通入不同大小的电流时，音圈(801)和永磁铁(804)之间产生相斥力，该相斥力通过高精度电子天平进行评定，利用该相斥力对推力测量装置进行标定，标定过程便捷、可远程控制、可工作在真空环境下。
本发明工作在真空模拟环境下，其工作过程如下：首先，将推进器安装在活动横梁(6)装有阻尼装置(9)的一端，将推进器的供应***和遥控***以及配重块安装在另一端，通过配重块的添加和除去以及调整配重块到转轴的距离进行横梁的配平，配平完毕后将活动横梁(6)栓接在活动竖梁(3)和刀口架(5)上。其次，调整好位移传感器(701)与活动横梁(6)的相对距离以及音圈(801)和永磁铁(804)的相对距离。然后，准备工作就绪后，对真空模拟***进行真空处理，达到即定的真空模拟环境后，利用音圈标定装置(8)对测量装置进行标定。最后，开启推进器，进行推力测量。
本发明所述的整套装置可完全工作在真空模拟环境中。本发明的设计巧妙、结构紧凑、便于拆装、通用性强，适合质量在30千克以下、推力在100毫牛以下的微小型推进器的高精度推力测量。
本申请不局限于说明书和权利要求文字部分所限定的内容，任何本领域范围内公知的修改和变化都属于本申请的范围，说明书具体实施例部分仅是对本发明示例性的说明，不是对本发明的具体限定。
Claims (6)
1.一种适用于微小型推进器的可变量程推力测量装置，其特征在于：所述装置包括工作底板(1)、固定竖梁(2)、活动竖梁(3)、枢轴套件组合(4)、刀口架(5)、活动横梁(6)、位移测量装置(7)、音圈标定装置(8)和阻尼装置(9)；工作底板(1)通过四个螺栓进行调平；固定竖梁(2)安装在工作底板(1)上，并且装有过载保护栓(201、202)；枢轴套件组合(4)由四个枢轴套(401、402、403、404)和两个枢轴(405、406)组成，每个枢轴两端分别由一个枢轴套采用卡锁的方式安装，每两个枢轴套(401、403和402、404)分别安装在固定竖梁(2)和活动竖梁(3)上；刀口架(5)安装在活动竖梁(3)上，并且安装刀承(501)；活动横梁(6)采用方管结构，四面开有M6螺纹孔，便于器件安装，底部装有刀口(601)，刀口(601)置于刀承(501)上，在安装好推进器及其供应和遥控装置后，对活动横梁(6)进行配平，配平完毕后，与活动竖梁(3)和刀口架(5)栓接在一起；位移测量装置(7)由位移传感器(701)、传感器支架(702)和手动平移台(703)组成，位移传感器(701)采用卡锁的方式安装在传感器支架(702)上，传感器支架(702)安装在手动平移台(703)上，手动平移台(703)安装在工作底板(1)上；音圈标定装置(8)由音圈(801)、音圈支架(802)、手动平移台(803)、永磁铁(804)和永磁铁安装架(805)组成，音圈(801)采用卡锁的方式安装在音圈支架(802)上，音圈支架(802)安装在手动平移台(803)上，手动平移台(803)安装在工作底板(1)上，永磁铁(804)采用卡锁的方式安装在永磁铁安装架(805)上，永磁铁安装架(805)安装在活动横梁(6)上；阻尼装置(9)由L形铜片(901)、异性磁极永磁铁组合(902)和永磁铁架(903)组成，L形铜片(901)安装在活动横梁(6)上，异性磁极永磁铁组合(902)分别粘贴在永磁铁架(903)内侧，永磁铁架(903)安装在工作底板(1)上。
2.如权利要求1所述的一种适用于微小型推进器的可变量程推力测量装置，其特征在于：活动横梁(6)装有阻尼装置(9)的一端安装推进器，另一端安装推进器的供应***和遥控***，并且利用配重块使横梁在垂直方向所受力矩平衡，采用无线遥控的方式控制推进器，通过整机挂载推进器的方式完全消除管线对推力测量的影响。
3.如权利要求1所述的一种适用于微小型推进器的可变量程推力测量装置，其特征在于：位移传感器(701)与活动横梁(6)的距离可由手动平移台(703)进行调整，便于保护位移传感器(701)不受损伤，也便于调整位移传感器(701)的机械零点位置。
4.如权利要求1所述的一种适用于微小型推进器的可变量程推力测量装置，其特征在于：音圈(801)与永磁铁(804)之间的距离可由手动平移台(803)进行调整，便于保护音圈(801)与永磁铁(804)不受损伤，也便于调整音圈(801)与永磁铁(804)之间的工作距离。
5.如权利要求1所述的一种适用于微小型推进器的可变量程推力测量装置，其特征在于：当测量装置处于非工作状态时，利用过载保护栓(201、202)卡死活动横梁(6)，避免活动横梁(6)自由摆动。
6.如权利要求1所述的一种适用于微小型推进器的可变量程推力测量装置，其特征在于：整个测量装置配备了五套外部接口一致的枢轴套件组合，使得推力测量范围分别为0～100μN、0～500μN、0～1mN、0～50mN和0～100mN，达到可变量程进行高精度推力测量的目的。
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