CN108240902A - 一种电磁力矩器的测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁力矩器的测试装置及测试方法，包括圆柱电容器，圆柱电容器由同轴水平设置的内电极和外电极构成，外电极悬挂于竖直弹性梁底部，弹性梁顶部设置有调整架，弹性梁和内电极共同连接电压源，电压源连接有控制器，所述控制器连接有电流源和激光干涉仪；外电极一端设置有连接杆，另一端设置有用于反射激光信号的平面反射镜。本发明以静电力作为标准测试输入，以平衡法为测试原理，实现对电磁力矩器的线性度测试。

Description

一种电磁力矩器的测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及力执行器的测试领域，具体地，涉及一种电磁力矩器的测试装置及测试方法。

背景技术

电磁力矩器作为一种力执行器，具有广泛的应用，如用于航天器的推力部件、石英挠性加速度计的力平衡机构等。电磁力矩器的性能对航天器的姿态控制，尤其对石英挠性加速度计的测量精度具有重要影响。

现有的电磁力矩器测试方法中，电磁力矩器只是作为被测***的一个部件，与其他部件一起当作整体测试，测试结果不能单独用于评价电磁力矩器的自身特性。此外，测试输入是以重力分量为标准量。石英挠性加速度计力矩器测试中，一般采用12点或24点翻滚法。将加速度计固定在一个高精度的转台上，在不同的转角位置，加速度计敏感轴上获得不同的重力加速度分量，以此作为输入进行测试。这种作为标准量的加速度分量，并不是一个可以在不同时间、不同地点能够准确复现的标准量。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种电磁力矩器的测试装置及测试方法，以静电力作为标准测试输入，以平衡法为测试原理，实现对电磁力矩器的线性度测试，测试时，输入的静电力直接作用在被测电磁力矩器的摆片上，激光干涉仪实时检测摆片的位置变化，并控制电磁力矩器产生的电磁力与静电力平衡，让摆片始终处于平衡位置，从而建立标准力输入和电磁力矩器输出的关系。

本发明的目的可通过以下技术方案实现。

本发明的一种电磁力矩器的测试装置,包括圆柱电容器，所述圆柱电容器由同轴水平设置的内电极和外电极构成，所述外电极悬挂于竖直弹性梁底部，所述弹性梁顶部设置有调整架，所述弹性梁和内电极共同连接电压源，所述电压源连接有控制器，所述控制器连接有电流源和激光干涉仪；所述外电极一端设置有连接杆，另一端设置有用于反射激光信号的平面反射镜。

所述内电极设置为圆柱形，所述外电极设置为圆筒形，所述外电极沿轴向水平运动。

所述平面反射镜垂直于外电极轴线，所述激光干涉仪出射光束的光轴平行于外电极轴线，所述激光干涉仪通过平面反射镜检测外电极的轴向位移。

本发明的目的还可通过以下技术方案实现。

一种电磁力矩器的测试方法，包括以下步骤：

步骤一，安装权利要求1至3所述的电磁力矩器的测试装置，所述外电极通过连接杆与被测电磁力矩器的摆片刚性连接，所述电流源与被测电磁力矩器的励磁线圈相连；

步骤二，调整摆片和外电极的位置关系，使摆片和固定外电极的弹性梁均处于各自平衡位置，电压源输出电压u＝0，电流源输出的平衡电流i＝0，记录此时激光干涉仪的测量值x₀；

步骤三，控制器控制电压源输出电压u＝U₁，圆柱电容器的外电极产生轴向位移，带动摆片偏离平衡位置，则激光干涉仪的测量值为x₀+Δx，控制器根据采得的激光干涉仪输出值，控制电流源输出平衡电流i＝I₁，通过电磁力使摆片再次回到平衡位置，即Δx减小为零；

步骤四，记录摆片回到平衡位置时的电压源输出电压值U₁和电流源输出平衡电流值I₁；

步骤五，改变电压源输出电压u的值，重复上述步骤三和步骤四，得到n组U_m-I_m(m＝1，2，3，…，n，n为正整数)数据，拟合出表征被测电磁力矩器输入输出特性的u²-i关系曲线，并计算出被测电磁力矩器的非线性误差值。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明中，内电极和外电极的初始轴向位置关系可以通过调整架进行调整，内电极不动，外电极只可进行轴向运动，电压源在内电极上施加一个电压，则内电极、外电极之间产生轴向静电力，推动外电极轴向移动，进而带动被测电磁力矩器的摆片轴向移动，激光干涉仪通过平面反射镜检测外电极的轴向位移，电流源给被测电磁力矩器提供一个平衡电流，使被测电磁力矩器的摆片产生与静电力相反方向的位移，获得摆片回到平衡位置时的平衡电流值和电压源电压值，实现电磁力矩器的特性测试，可以评价被测电磁力矩器的输入输出特性；

(2)本发明以静电力作为标准测试输入，以平衡法为测试原理，实现对电磁力矩器的线性度测试，测试时，输入的静电力直接作用在被测电磁力矩器的摆片上，激光干涉仪实时检测摆片的位置变化，并控制电磁力矩器产生的电磁力与静电力平衡，让摆片始终处于平衡位置，从而建立标准力输入和电磁力矩器输出的关系，能够对电磁力矩器的线性度进行高精度的测试。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的工作原理示意图。

附图标记:1外电极；2内电极；3弹性梁；4调整架；5连接杆；

6平面反射镜；7激光干涉仪；8电压源；9电流源；10控制器；

11被测电磁力矩器；11-1永磁体；11-2励磁线圈；11-3摆片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

如图1和图2所示，本发明的一种电磁力矩器的测试装置,包括圆柱电容器，所述圆柱电容器由同轴水平设置的内电极2和外电极1构成，所述内电极2设置为圆柱形，所述外电极1设置为圆筒形。所述内电极2固定不动，所述外电极1悬挂于竖直弹性梁3底部，所述弹性梁3给外电极1提供弹性支承，所述弹性梁3顶部设置有调整架4，外电极1只有一个自由度，即沿其轴向摆动，所述内电极2和外电极1的初始轴向位置关系可以通过调整架4进行调整。

所述弹性梁3和内电极2共同连接电压源8，所述电压源8连接有控制器10(PC机等)，所述控制器10还连接有电流源9和激光干涉仪7。所述控制器10自动控制电压源8的输出电压和电流源9的输出电流，并采集激光干涉仪7的位移测量结果。所述控制器10控制电压源8对圆柱电容器施加一个电压，使内电极2和外电极1之间产生轴向静电力，则外电极1产生相应的轴向位移。电流源9与被测电磁力矩器11的励磁线圈11-2相连，所述控制器10控制电流源9给被测电磁力矩器11提供一个平衡电流，使被测电磁力矩器11的摆片11-3产生与静电力相反方向的位移。

所述外电极1一端设置有用于连接被测电磁力矩器11的连接杆5，测试时被测电磁力矩器11的摆片11-3通过连接杆5与外电极1刚性连接。所述外电极1另一端设置有用于反射激光信号的平面反射镜6，所述平面反射镜6垂直于外电极1轴线，所述激光干涉仪7出射光束的光轴平行于外电极1轴线，所述激光干涉仪7通过平面反射镜6检测外电极1的轴向位移。

所述圆柱电容器可作为本发明的静电力发生装置，所述平面反射镜6和激光干涉仪7可作为本发明的位移检测装置，所述连接杆5、调整架4和弹性梁3可作为本发明的调整连接装置，所述电压源8、电流源9和控制器10可作为本发明的驱动控制装置。

设外电极1的内径R₁，内电极2的外径R₂，R₁>R₂，坐标轴x轴平行于外电极1的轴线，则外电极1只能沿x轴一维运动。当外电极1处于某一位置时，圆柱电容器电容值记为C。若在圆柱电容器内电极2、外电极1施加电压u，则两者之间产生的静电力F_q，满足关系式

其中，为电容梯度，且

式中ε为内电极2、外电极1间介质的介电常数。所以静电力F_q可表示为

对安装好的圆柱电容器，当内电极2、外电极1轴向位置保持不变时，其电容梯度值可视为常数，那么静电力F_q的大小与u²成正比。

被测电磁力矩器11是一种力执行器部件，主要由励磁线圈11-2、永磁体11-1及摆片11-3组成。被测电磁力矩器11以励磁线圈11-2中的电流i作为输入，输出电磁力F_B。励磁线圈11-2固定在摆片11-3上，并处于永磁体产生的均匀磁场中。当励磁线圈11-2输入为电流i，则所受的电磁力F_B为

F_B＝iBL (4)

式中B为磁感应强度，L为励磁线圈的绕线长度。电磁力F_B作用在摆片11-3上，由于摆片11-3为悬臂梁结构形式，所以表现为力矩作用，推动摆片11-3偏离平衡位置。对给定的被测电磁力矩器11，电流i和电磁力F_B成线性关系，所以通常直接以电流i值表示被测电磁力矩器11的输出。

电压源8为圆柱电容器提供驱动电压，被测电磁力矩器11的平衡电流由电流源9提供。电压源8和电流源9的输出值均由控制器10控制。测试前，将摆片11-3通过连接杆5与外电极1刚性相连，使圆柱电容器的静电力F_q通过连接杆5作用在摆片11-3上。连接杆5水平安装，保证作用力沿x轴方向。

在外电极1的端面安装一个平面反射镜6，平面反射镜6与x轴垂直。激光干涉仪7出射光束的光轴平行于x轴，通过平面反射镜6，外电极1和摆片11-3在x轴方向的位移可以被激光干涉仪7实时测量获得，并被控制器10采集。测试时，控制器10控制电压源8对圆柱电容器加载一个直流电压U_k，则外电极1受到一个轴向的静电力F_qk为

推动外电极1和摆片11-3产生轴向位移增量ΔX_k，运动方向取决于内电极2外电极1轴向位置关系。当控制器10通过激光干涉仪7采集到轴向位移增量ΔX_k，控制器10控制电流源9输出平衡电流I_k，使得被测电磁力矩器11输出的电磁力F_Bk与静电力F_qk平衡，即

F_Bk＝I_kBL＝-F_qk (6)

摆片11-3再次回到平衡位置，ΔX_k＝0。上述过程由控制器10自动控制实现。由公式(5)和(6)可得，

公式(7)描述了本发明所述的电磁力矩器的测试原理，即以静电力作为标准输入，以平衡电流(表征电磁力)作为输出，实现电磁力矩器的特性测试。可见，只要获得U_k ²-I_k曲线，就可以评价被测电磁力矩器11的输入输出特性。

基于上述技术方案，本发明所述的电磁力矩器测试方法包括以下步骤：

步骤一，安装、调整上述电磁力矩器的测试装置，所述外电极1通过连接杆5与被测电磁力矩器11的摆片11-3刚性连接，可带动摆片11-3沿外电极1轴向运动。调整内电极2、外电极1的初始位置，并保证摆片11-3处于平衡位置。激光干涉仪7光轴方向平行于外电极1的轴向，即平行于外电极1的运动方向。所述电流源9与励磁线圈11-2相连为被测电磁力矩器11提供力矩电流，记为平衡电流i。

步骤二，调整被测电磁力矩器11的摆片11-3和外电极1的位置关系，使摆片11-3和固定外电极1的弹性梁3均处于各自平衡位置，此时，摆片11-3、连接杆5和外电极1在轴向上合力为零，电压源8输出电压u＝0，电流源9输出的平衡电流i＝0，记录此时激光干涉仪7的测量值x₀；

步骤三，控制器10控制电压源8输出电压u＝U₁，圆柱电容器的外电极1产生轴向位移，带动摆片11-3偏离平衡位置，则激光干涉仪7的测量值为x₀+Δx，控制器10根据采得的激光干涉仪7输出值，通过位置反馈，控制电流源9输出平衡电流i＝I₁，通过电磁力使摆片11-3再次回到平衡位置，即Δx减小为零，上述过程由控制器10闭环自动实现。

步骤四，记录摆片11-3回到平衡位置时的电压源8输出电压值U₁和电流源9输出平衡电流值I₁；

步骤五，改变电压源8输出电压u的值，重复上述步骤三和步骤四，得到n组U_m-I_m(m＝1，2，3，…，n，n为正整数)数据，进行数据处理，计算测试结果，拟合出表征被测电磁力矩器11输入输出特性的u²-i关系曲线，并计算出被测电磁力矩器11的非线性误差值。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种电磁力矩器的测试装置,其特征在于，包括圆柱电容器，所述圆柱电容器由同轴水平设置的内电极和外电极构成，所述外电极悬挂于竖直弹性梁底部，所述弹性梁顶部设置有调整架，所述弹性梁和内电极共同连接电压源，所述电压源连接有控制器，所述控制器连接有电流源和激光干涉仪；所述外电极一端设置有连接杆，另一端设置有用于反射激光信号的平面反射镜。

2.根据权利要求1所述的一种电磁力矩器的测试装置，其特征在于，所述内电极设置为圆柱形，所述外电极设置为圆筒形，所述外电极沿轴向水平运动。

3.根据权利要求1所述的一种电磁力矩器的测试装置，其特征在于，所述平面反射镜垂直于外电极轴线，所述激光干涉仪出射光束的光轴平行于外电极轴线，所述激光干涉仪通过平面反射镜检测外电极的轴向位移。

4.一种基于权利要求1至3所述的电磁力矩器的测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，安装权利要求1至3所述的电磁力矩器的测试装置，所述外电极通过连接杆与被测电磁力矩器的摆片刚性连接，所述电流源与被测电磁力矩器的励磁线圈相连；

步骤二，调整摆片和外电极的位置关系，使摆片和固定外电极的弹性梁均处于各自平衡位置，电压源输出电压u＝0，电流源输出的平衡电流i＝0，记录此时激光干涉仪的测量值x₀；

步骤三，控制器控制电压源输出电压u＝U₁，圆柱电容器的外电极产生轴向位移，带动摆片偏离平衡位置，则激光干涉仪的测量值为x₀+Δx，控制器根据采得的激光干涉仪输出值，控制电流源输出平衡电流i＝I₁，通过电磁力使摆片再次回到平衡位置，即Δx减小为零；

步骤四，记录摆片回到平衡位置时的电压源输出电压值U₁和电流源输出平衡电流值I₁；

步骤五，改变电压源输出电压u的值，重复上述步骤三和步骤四，得到n组U_m-I_m(m＝1，2，3，…，n，n为正整数)数据，拟合出表征被测电磁力矩器输入输出特性的u²-i关系曲线，并计算出被测电磁力矩器的非线性误差值。