CN111964826B - 一种用于微推力器测试***的标定装置及方法 - Google Patents

一种用于微推力器测试***的标定装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种微推力器测试***的标定装置及方法，通过电磁测力装置模拟微推力器产生的微推力大小，并利用磁铁将所述电磁测力器产生的电磁力转换为磁铁所受作用力的变化，简化了所述电磁力的测量过程。同时利用通电螺线圈作为电磁测力装置的主要结构，能够很大程度上避免环境对测试结果的影响，提高对微推力器产生的微推力测量的精确度。

Description

一种用于微推力器测试***的标定装置及方法
技术领域
本发明涉及力的测量技术领域，特别是涉及一种用于微推力器测试***的标定装置及方法。
背景技术
随着科学技术的进步与发展，小型卫星正在受到越来越多的关注和应用。微推力器是微小卫星的动力部件，对卫星姿态调节和轨道调节具有重要作用，因此，微推力器的性能直接关系到微小卫星的广泛应用。但由于微推力器的推力通常在微牛顿到毫牛顿量级，对微推力器的推力进行测试往往是微推力器设计和制造过程中的难点问题。
然而，现有的微推力器测试***对微推力器产生的微推力进行模拟测量时，往往存在受环境温度影响大、测试结果不够精确的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种微推力器测试***的标定装置及方法，能够减少常温环境与真空环境的差异对测试结果的影响，得到更加精确的测试结果。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种用于微推力器测试***的标定装置，包括
称重装置，用于测量磁铁所受作用力；所述磁铁通过设置于所述称重装置的感应区表面的磁铁支撑杆固定；
电磁测力装置，用于模拟所述微推力器产生的微推力，通过支架悬空置于所述称重装置的感应区上方；所述电磁测力装置包括中空螺线管和两个分别缠绕在所述中空螺线管两端的绕向相反、线圈匝数相同的线圈，所述中空螺线管竖直放置于所述称重装置的感应区上方，所述磁铁位于所述中空螺线管内部；所述线圈连接稳流电路，通过所述稳流电路为所述线圈供电来驱动所述电磁测力装置对所述磁铁施加作用力；
根据所述稳流电路的电流与所述磁铁所受作用力的关系，确定微推力器的电流值与微推力大小的关系，完成对所述微推力器产生的微推力的标定。
可选的，所述支架设置有固定杆，所述固定杆一端与所述支架的主体相连，另一端设置有三维调节器，所述三维调节器与所述电磁测力装置的中空螺线圈固定连接，所述三维调节器包括X方向旋钮、Y方向旋钮与Z方向旋钮，用于在X、Y、Z方向上调节所述电磁测力装置的位置。
可选的，所述支架包括竖直设置的第一支撑杆和第二支撑杆，横向设于所述第一支撑杆和所述第二支撑杆之间的水平支撑杆；所述固定杆的顶端与所述水平支撑杆固定连接，所述固定杆的底端与所述三维调节器连接。
可选的，所述电磁测力装置对所述磁铁的作用力大小通过改变所述磁铁距线圈的距离进行调节，所述作用力与所述距离满足
Figure BDA0002654947520000021
其中，I为所述稳流电路电流值，L为线圈的等效电感，z为所述磁铁距施力线圈的距离。
可选的，所述称重装置替换为压力感应装置。
本发明还提供了一种利用上述标定装置的微推力器标定方法，其特征在于，所述方法包括：
连接所述电磁测力装置与稳流电路，记录所述稳流电路的电流值；
在所述电磁测力装置对所述磁铁产生作用力后，获取所述称重装置的示数变化值，得到所述磁铁的变化重力；
根据所述稳流电路电流值与所述称重装置的示数变化值计算得到所述变化重力的力矩；
根据力矩平衡原理通过所述变化重力的力矩得到所述电磁测力装置的电磁力矩；
改变所述稳流电路的电流值，返回所述“在所述电磁测力装置对所述磁铁产生作用力后，获取所述称重装置的示数变化值”的步骤，得到不同电流值所对应的电磁力矩值，绘制所述电磁力矩值随所述电流值变化的曲线图；
根据所述曲线图与微推力器的电流值获得所述微推力器的产生的微推力大小，完成对所述微推力器的微推力的标定。
可选的，所述方法还包括调偏操作：调节三维调节器的X、Y、Z方向位移旋钮，使磁铁位于中空螺线管内部中间位置，所述磁铁距所述中空螺线管两端的线圈距离相等。
可选的，所述变化重力的力矩值为G＝Δm*g，其中Δm为所述称重装置的示数变化值，g为当地重力加速度。
可选的，使用压力感应装置直接测得所述磁铁在所述电磁测力装置通电前后对所述压力感应装置的压力变化值。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种用于微推力器测试***的标定装置及方法，利用稳流电路对电磁测力装置的螺线圈通电后对磁铁施加的电磁力模拟微推力器的推力，装置的结构简单，易于操作，大大降低了传统测试装置的复杂度，整个测试过程的操作、控制和使用简便，易于掌握。利用称重装置或压力感应装置将所述磁铁受到的作用力转换为磁铁的变化重力或磁铁对压力感应装置的变化压力，得到变化力的力矩，根据力矩平衡原理得到待测电磁力矩，从而获得稳流电路电流值与电磁力矩值的对应关系，完成对微推力器所产生的微推力的标定，进而根据微推力器测试***的电流值获得微推力器产生的微推力大小。采用电磁测力装置能够进行连续的推力模拟，从而得到具有良好线性关系的电流-电磁力矩曲线图。同时避免了采用永磁体等易受环境温度影响的结构，使得标定结果与真空环境下更加接近，提高了标定结果的准确度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的用于微推力测试***的标定装置结构图；
图2为本发明实施例提供的利用用于微推力测试***的标定装置的标定方法流程图；
图3为本发明实施例中标定装置得到的电流与推力的关系曲线图。
符号说明：1.称重装置，2.支架底座，3-1.第一支撑杆，3-2.第二支撑杆，4.水平支撑杆，5.固定杆，6.三维调节器，7.8.9分别为X、Y、Z方向旋钮，10.11为线圈，12.磁铁，13.磁铁固定杆，14.称重装置感应区，15.中空螺线管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。
本发明的目的是提供一种用于微推力器测试***的标定装置及方法，使用电磁测力装置对微推力器产生的微小推力进行模拟，从而通过简单易施行的结构完成对微推力器产生微推力的标定，减小环境带来的误差。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
在本发明的一个实施例中，提供了一种用于微推力器测试***的标定装置，如图1所示，包括称重装置1、支架、电磁测力装置、磁铁12与磁铁固定杆13。
称重装置1，用于测量磁铁12所受作用力；所述磁铁12通过设置于所述称重装置的感应区14表面的磁铁支撑杆13固定；所述称重装置1具体可以为电子分析天平。
电磁测力装置，通过支架悬空置于所述称重装置的感应区上方，用于模拟所述微推力器产生的微推力；所述电磁测力装置包括中空螺线管15和两个分别缠绕在所述中空螺线管两端的绕向相反、线圈匝数相同的线圈10和线圈11，所述中空螺线管15竖直放置于所述称重装置的感应区14上方，所述磁铁12位于所述中空螺线管15内部；所述线圈10和11连接稳流电路，通过所述稳流电路为所述线圈10、11供电来驱动所述电磁测力装置对所述磁铁12施加作用力；
由于线圈10和线圈11的绕向相反，且磁铁12位于两线圈中间，通电后线圈10和线圈11对所述磁铁12产生的力的方向是同向的，当两个线圈对磁铁12产生向上的合力时，磁铁12对称重装置1的压力减小，表现为称重装置1测得的示数减小，反之，当两线圈对磁铁12产生的合力方向向下时，所述磁铁12对称重装置1的压力增大，表现为称重装置1的示数增大。由此，将所述电磁测力装置对磁铁12产生的作用力转化为称重装置1示数的变化，即所述磁铁12重力的变化，使得所述电磁测力装置产生的作用力能够方便快捷的被测量得到。
因为本实施例中的标定装置是将所述电磁测力装置对所述磁铁12的作用力转换为所述磁铁12对称重装置1的压力变化，最后表现为磁铁12的重力变化，所以可以将所述称重装置1替换为压力传感装置，直接将所述磁铁12对压力传感装置的压力变化进行显示。当然，任何能够显示所述磁铁12受到的作用力变化的感应装置都应属于本发明的保护范围。
在本实施例提供的标定装置中，所述电磁测力装置模拟的是所述微推力器产生推力的装置，所述磁铁的作用是利用安培定律将所述电磁测力装置产生的电磁力以更易于求解的方式表示出来，本实施例中提供的电磁测力装置采用通电螺线圈对磁铁的作用力模拟微推力器产生的微小推力，能够在实现对推力幅值的连续模拟的基础上进一步避免环境变化对永磁体等电磁元件产生的影响，减小了实验环境与真空环境不同所带来的实验误差，具有良好的线性关系，适合在真空环境下远程控制，从而提高标定的精确度。
在得到所述稳流电路的电流与所述磁铁12所受作用力的关系后，结合微推力器中的PID控制电路的输出电流得出所述微推力器推力的大小，完成对所述微推力器产生的微推力的标定。同时，得到所述电流与作用力的关系后，也就得到了微推力测量***中***平衡支架的角位移与所述作用力的关系，然后通过制造一个大小相同、方向相反的力使由于推力器的推力作用而发生偏移的***平衡支架回到平衡位置，提高测量的精确度。
为了更加灵活地模拟微推力器产生的微推力，通过改变所述磁铁12距线圈的距离对所述电磁测力装置施加给所述磁铁的作用力大小进行调节，所述作用力与所述距离满足
Figure BDA0002654947520000051
其中，I为所述稳流电路电流值，L为线圈的等效电感，z为所述磁铁距施力线圈的距离。同时还能够与所述电磁测力装置中线圈10和线圈11的匝数调整相配合，必要时还可以改变磁铁12的数目，进而可以通过不同电流大小实现对微牛级别到牛级别，跨越6个数量级范围的力进行模拟。
而为了方便对所述磁铁12距两线圈的距离进行调节，所述支架设置有固定杆5，所述固定杆5一端与所述支架的主体相连，另一端设置有三维调节器6，所述三维调节器6与所述电磁测力装置的中空螺线圈15固定连接，所述三维调节器6包括X方向旋钮7、Y方向旋钮8与Z方向旋钮9，用于在X、Y、Z方向上调节所述电磁测力装置的位置，既能保证磁铁12位于所述中空螺线管15内部，还能很好的对所述磁铁与线圈的距离进行调节，实现对推力大小的连续模拟。
为了更清楚的对本实施例提供的标定装置进行解释，图1中具体示出了一种支架的结构，包括竖直设置的第一支撑杆3-1和第二支撑杆3-2，横向设于所述第一支撑杆3-1和所述第二支撑杆3-2之间的水平支撑杆4；所述固定杆5的顶端与所述水平支撑杆4固定连接，所述固定杆5的底端与所述三维调节器6连接；第一支撑杆3-1、第二支撑杆3-2与称重装置1接触的一端还设置有底座2以便于更加稳定对电磁测力装置进行支撑。值得注意的是，对支架结构的详细说明并不应理解为对支架的进一步限定，如正四面体、立方体形状框架等任何能够实现支撑所述电磁测力装置悬空的装置都应落入本申请的保护范围内。
在本发明的另一实施例中，提供了一种对微推力器微推力大小进行标定的方法，如图2所示，所述方法包括：
步骤一：连接所述电磁测力装置与稳流电路，记录所述稳流电路的电流值；
步骤二：在所述电磁测力装置对所述磁铁12产生作用力后，获取所述称重装置14的示数变化值，得到所述磁铁12的变化重力；
步骤三：根据所述稳流电路电流值与所述称重装置14的示数变化值计算得到所述变化重力的力矩，计算方法为G＝Δm*g，其中G为所述变化重力的力矩，Δm为所述称重装置示数变化值，g为当地重力加速度；
步骤四：根据力矩平衡原理通过所述变化重力的力矩得到所述电磁测力装置的电磁力矩；所述变化重力矩与所述电磁力矩是一对平衡力，根据力矩平衡原理能够得到所述电磁力矩值。
步骤五：改变所述稳流电路的电流值，重复步骤二到四，得到不同电流值所对应的电磁力矩值，绘制所述电磁力矩值随所述电流值变化的曲线图，以便于根据所述曲线图与微推力器的电流值获得所述微推力器产生的微推力大小，完成对所述微推力测试***的标定。如图3，其示出了电流与推力之间的关系曲线图。
此外，还可以在所述步骤一之前进行调偏操作，调节三维调节器6使得所述磁铁12放置在所述中空螺线管15内部中间位置，所述磁铁N极指向Z方向。
为了更加灵活的对微推力器测试***中微推力器产生的微小推力进行模拟，还可以通过三维调节器6调整所述磁铁12距电磁测力装置线圈10和线圈11的距离，从而改变所述磁铁12受到线圈10和线圈11的作用力大小。
作为一种可选的实施方式，所述称重装置14还可以替换为压力传感装置，所述压力传感装置的示数变化即为所述磁铁12的所受变化压力的力矩，无需再进行重力力矩的换算，进一步简化了对所述微推力和电流关系标定的方法流程，具有更高的效率。
本说明书中各个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的装置相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见装置部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种用于微推力器测试***的标定装置，其特征在于，包括
称重装置，用于测量磁铁所受作用力；所述磁铁通过设置于所述称重装置的感应区表面的磁铁支撑杆固定；
电磁测力装置，用于模拟所述微推力器产生的微推力，通过支架悬空置于所述称重装置的感应区上方；所述电磁测力装置包括中空螺线管和两个分别缠绕在所述中空螺线管两端的绕向相反、线圈匝数相同的线圈，所述中空螺线管竖直放置于所述称重装置的感应区上方，所述磁铁位于所述中空螺线管内部；所述线圈连接稳流电路，通过所述稳流电路为所述线圈供电来驱动所述电磁测力装置对所述磁铁施加作用力；
根据所述稳流电路的电流与所述磁铁所受作用力的关系，确定微推力器的电流值与微推力大小的关系，完成对所述微推力器产生的微推力的标定。
2.根据权利要求1所述的一种用于微推力器测试***的标定装置，其特征在于，所述支架设置有固定杆，所述固定杆一端与所述支架的主体相连，另一端设置有三维调节器，所述三维调节器与所述电磁测力装置的中空螺线圈固定连接，所述三维调节器包括X方向旋钮、Y方向旋钮与Z方向旋钮，用于在X、Y、Z方向上调节所述电磁测力装置的位置。
3.根据权利要求2所述的一种用于微推力器测试***的标定装置，其特征在于，所述支架包括竖直设置的第一支撑杆和第二支撑杆，横向设于所述第一支撑杆和所述第二支撑杆之间的水平支撑杆；所述固定杆的顶端与所述水平支撑杆固定连接，所述固定杆的底端与所述三维调节器连接。
4.根据权利要求1所述的一种用于微推力器测试***的标定装置，其特征在于，所述电磁测力装置对所述磁铁的作用力大小通过改变所述磁铁距线圈的距离进行调节，所述作用力与所述距离满足
Figure FDA0002654947510000011
其中，I为所述稳流电路电流值，L为线圈的等效电感，z为所述磁铁距施力线圈的距离。
5.根据权利要求1所述的一种用于微推力器测试***的标定装置，其特征在于，所述称重装置替换为压力感应装置。
6.一种利用如权利要求1所述标定装置的用于微推力器测试***的标定方法，其特征在于，所述方法包括：
连接所述电磁测力装置与稳流电路，记录所述稳流电路的电流值；
在所述电磁测力装置对所述磁铁产生作用力后，获取所述称重装置的示数变化值，得到所述磁铁的变化重力；
根据所述稳流电路电流值与所述称重装置的示数变化值计算得到所述变化重力的力矩；
根据力矩平衡原理通过所述变化重力的力矩得到所述电磁测力装置的电磁力矩；
改变所述稳流电路的电流值，返回所述“在所述电磁测力装置对所述磁铁产生作用力后，获取所述称重装置的示数变化值”的步骤，得到不同电流值所对应的电磁力矩值，绘制所述电磁力矩值随所述电流值变化的曲线图；
根据所述曲线图与微推力器的电流值获得所述微推力器的产生的微推力大小，完成对所述微推力器的微推力的标定。
7.根据权利要求6所述的一种用于微推力器测试***的标定方法，其特征在于，所述方法还包括调偏操作：调节三维调节器的X、Y、Z方向位移旋钮，使磁铁位于中空螺线管内部中间位置，所述磁铁距所述中空螺线管两端的线圈距离相等。
8.根据权利要求6所述的一种用于微推力器测试***的标定方法，其特征在于，所述变化重力的力矩值为G＝Δm*g，其中Δm为所述称重装置的示数变化值，g为当地重力加速度。
9.根据权利要求6所述的一种用于微推力器测试***的标定方法，其特征在于，使用压力感应装置直接测得所述磁铁在所述电磁测力装置通电前后对所述压力感应装置的压力变化值。
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