CN117782374B - 基于残余电荷噪声抑制的扭摆式微推力测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基于残余电荷噪声抑制的扭摆式微推力测量装置及方法，其中装置通过设置电势检测装置和电势模拟装置，推力测量过程中，待被测推力器稳定工作预设时间后，获取被测推力器第一推力，并通过电势检测装置测量近羽流空间中多个预设分布点的空间电势。然后控制被测推力器关闭，同时控制电势模拟装置工作以模拟被测推力器工作时空间电势的分布，此时获取平衡杆重新恢复至平衡位置时所检测的第二推力，并以第一推力和第二推力的差值作为被测推力器在热稳定状态下的真实推力，采用这样的方案，有效滤除残余电荷噪声，提高推力测量精度。

Description

基于残余电荷噪声抑制的扭摆式微推力测量装置及方法

技术领域

本申请涉及微推力测量技术领域，特别是涉及一种基于残余电荷噪声抑制的扭摆式微推力测量装置及方法。

背景技术

微牛量级推力器在卫星的无托曳控制以及编队飞行和相对位置保持控制方面具有重要应用。推力测量装置可以对推力器的推力进行精确测量，在推力器的性能表征和实际应用中具有重要意义。近年来国内外发展出多种推力器推力测量技术，例如扭摆结构、天平结构、单摆结构、双摆结构等等。扭摆结构作为一种有效的弱力测量工具被广泛应用于精密测量领域，随着推力器质量和体积的小型化，扭摆结构被越来越多的用于推力器测量实验中。

相关技术中，扭摆结构工作于真空式中，其包括扭丝和平衡杆，扭丝的一端连接至平衡杆的中间，被测推力器安装于平衡杆的一端，通过对扭丝扭转角位移或平衡杆的角位移的测量，最终利用被测推力器的推力产生的力矩与扭丝偏转力矩平衡计算得到推力。被测推力器工作过程中，通过喷出高速离子来产生推力，同时通过中和器（或者阴极）产生电子对羽流离子进行中和，形成原子，从而消除羽流带电粒子影响。研究表明，羽流中和过程是一个自洽的复杂物理过程，需要在一定的空间区域内完成，且存在非完全中和现象，使得羽流空间存在等离子体电势（即空间电势）。

基于扭摆式微推力器推力性能测量过程中，被测推力器置与平衡杆之间为绝缘安装，因此，在推力测量过程中，被测推力器的外壳成为孤立导体，同时被测推力器外壳与平衡杆之间设置有绝缘体，这些孤立导体和绝缘体容易产生残余电荷积累，这些残余电荷与空间电势之间将产生微弱的静电力，形成残余电荷噪声，影响推力测量精度。

发明内容

基于此，有必要针对孤立导体和绝缘体容易产生残余电荷积累，这些残余电荷与空间电势之间将产生微弱的静电力，形成残余电荷噪声，影响推力测量精度的问题，提供一种基于残余电荷噪声抑制的扭摆式微推力测量装置及方法。

本申请提供一种基于残余电荷噪声抑制的扭摆式微推力测量装置，包括：

扭丝，一端固定连接一隔振平台；

平衡杆，所述扭丝另一端固定连接至所述平衡杆的中部，所述平衡杆的一端用于安装被测推力器；

标准力产生装置，用于向平衡杆的另一端施加与被测推力器的推力方向相反的标准力；

位移检测装置，用于检测所述平衡杆相对扭丝中心的角位移；

电势检测装置，用于测量近羽流空间中多个预设分布点的空间电势；

电势模拟装置，用于在至少一个预设分布点提供电势，以模拟被测推力器工作时空间电势的分布；

控制装置，所述标准力产生装置、被测推力器、电势检测装置及电势模拟装置分别电连接至所述控制装置，所述控制装置至少用于根据所述电势检测装置所测量的空间电势，输出控制指令调整所述电势模拟装置所提供的电势值。

本申请还提供一种微推力测量方法，应用于如前述内容所述的基于残余电荷噪声抑制的扭摆式微推力测量装置，其特征在于，所述微推力测量方法包括：

启动被测推力器，获取被测推力器的初始推力f1；

待被测推力器稳定工作预设时间后，获取被测推力器第一推力f2；

获取所述电势检测装置所测量的近羽流空间中多个预设分布点的空间电势；

根据所测量的近羽流空间中多个预设分布点的空间电势，模拟得出产生相同的空间电势分布所需要满足的条件参数；

控制所述被测推力器关闭，同时根据所模拟出的条件参数控制所述电势模拟装置工作；

获取平衡杆重新恢复至平衡位置时所检测的第二推力f3；

采用以下公式1计算被测推力器在热稳定状态下的真实推力Δf：

Δf=f2-f3 公式1。

本申请涉及一种基于残余电荷噪声抑制的扭摆式微推力测量装置及方法，其中装置通过设置电势检测装置和电势模拟装置，推力测量过程中，待被测推力器稳定工作预设时间后，获取被测推力器第一推力，并通过电势检测装置测量近羽流空间中多个预设分布点的空间电势。然后控制被测推力器关闭，同时控制电势模拟装置工作以模拟被测推力器工作时空间电势的分布，此时获取平衡杆重新恢复至平衡位置时所检测的第二推力，并以第一推力和第二推力的差值作为被测推力器在热稳定状态下的真实推力，采用这样的方案，有效滤除残余电荷噪声，提高推力测量精度。

附图说明

图1为本申请一实施例提供的基于残余电荷噪声抑制的扭摆式微推力测量装置于测量空间电势时的结构示意图。

图2为本申请一实施例提供的基于残余电荷噪声抑制的扭摆式微推力测量装置于模拟空间电势时结构示意图。

图3为本申请一实施例提供的基于残余电荷噪声抑制的扭摆式微推力测量装置中预设分布点的布置示意图。

图4为本申请一实施例提供的基于残余电荷噪声抑制的扭摆式微推力测量装置的原理框图。

图5为本申请一实施例提供的基于残余电荷噪声抑制的扭摆式微推力测量装置中预设分布点相对被测推力器羽流空间位置示意图。

图6为本申请另一实施例提供的基于残余电荷噪声抑制的扭摆式微推力测量装置中预设分布点的布置示意图。

图7为本申请一实施例提供的基于残余电荷噪声抑制的扭摆式微推力测量装置中电势检测装置和电势模拟装置的结构示意图。

图8为本申请一实施例提供的基于残余噪声抑制的扭摆式微推力测量方法的流程示意图。

附图标记：

100-基于残余电荷噪声抑制的扭摆式微推力测量装置；111-扭丝；

112-平衡杆；113-标准力产生装置；120-位移检测装置；

121-激光位移传感器；130-电势检测装置；131-朗缪尔探针；131a-电极；

140-电势模拟装置；141-阳极体；141a-第一通孔；142-基座；

142a-第二通孔；143-推进装置；150-控制装置；160-隔振平台；

171-第一配重件；172-第二配重件；210-被测推力器；220-绝缘体。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本申请提供一种基于残余电荷噪声抑制的扭摆式微推力测量装置100。

如图1至3所示，在本申请的一实施例中，所述基于残余电荷噪声抑制的扭摆式微推力测量装置100包括扭丝111，平衡杆112，标准力产生装置113，位移检测装置120，电势检测装置130，电势模拟装置140和控制装置150。

具体而言，扭丝111一端固定连接一隔振平台160，用于隔绝环境振动的干扰。所述扭丝111另一端固定连接至所述平衡杆112的中部，且至少在所述平衡杆112的重量的作用下，扭丝111在竖直方向上被拉直，此时平衡杆112处于水平状态。所述平衡杆112的一端用于安装被测推力器210。被测推力器210的外壳为孤立导体，同时被测推力器210外壳与平衡杆112之间设置有绝缘体220。

标准力产生装置113用于向平衡杆112的另一端施加与被测推力器210的推力方向相反的标准力。可选的，标准力产生装置113可采用梳状驱动器，包括两片可互相卡入的成排梳齿，一片固定在平衡杆112，另一片固定于装置支架。梳状驱动器为现有技术，具体不再赘述。在测量过程中，所述扭丝111，平衡杆112和标准力产生装置113均位于真空室中。

位移检测装置120用于检测所述平衡杆112相对扭丝111中心的角位移。可选的，位移检测装置120包括两组高精度激光位移传感器121，激光位移传感器121安装在真空室外，两路激光位移传感器121通过观察窗投射光线至平衡杆112，通过差动法测量平衡杆112的相对扭丝111的角位移。

电势检测装置130用于测量近羽流空间中多个预设分布点的空间电势。具体的，近羽流空间指围绕于被测推力器羽流附近的空间区域，电势模拟装置140用于在至少一个预设分布点提供电势，以模拟被测推力器210工作时空间电势的分布。

当然，电势检测装置130并不限于测量预设分布点的空间电势，可根据实际情况增加分布点。

所述控制装置150可为工控机，所述标准力产生装置113、被测推力器210、电势检测装置130及电势模拟装置140分别电连接至所述控制装置150，所述控制装置150至少用于根据所述电势检测装置130所测量的空间电势，输出控制指令调整所述电势模拟装置140所提供的电势值。

在本实施例中，通过设置标准力产生装置113和位置检测装置，在测量过程中，标准力产生装置113施加与被测推力器210相反方向的标准力，扭丝111的平衡可以通过位置检测装置测量确定，而被测推力器210产生的推力可以通过测量前标定所得的电压与力的关系得出。通过标准力补偿的方式，使得扭丝111在推力器产生推力前后的状态相同（即平衡位置），可以有效避免传统测量扭丝111扭转角度带来的误差。

另外，本申请通过设置电势检测装置130和电势模拟装置140，推力测量过程中，待被测推力器210稳定工作预设时间后，获取被测推力器210第一推力，并通过电势检测装置130测量近羽流空间中多个预设分布点的空间电势。然后控制被测推力器210关闭，同时控制电势模拟装置140工作以模拟被测推力器210工作时空间电势的分布，此时获取平衡杆112重新恢复至平衡位置时所检测的第二推力，并以第一推力和第二推力的差值作为被测推力器210在热稳定状态下的真实推力，采用这样的方案，有效滤除残余电荷噪声，提高推力测量精度。

在本申请的一实施例中，在所述平衡杆112处于平衡位置时（这里的“平衡位置”指扭丝111无扭转时平衡杆112的状态），以一个垂直于被测推力器210的羽流喷射方向z的平面建立投影面，多个预设分布点于投影面上的投影在羽流中心线的周向上均匀分布。

例如，下面介绍一种实施例，如图3和图5所示，A1，A2，A3和A4为预设分布点在投影面上的投影点，这四个投影点在周向上均匀分布。

具体的，多个预设分布点可位于同一平面中。

当然，作为预设分布点的另一种布置方式，多个预设分布点可位于一弧形面中，使得多个预设分布点围绕在被测推力器210附近。

在本实施例中，通过将预设分布点限定在中心线的周向上均匀分布，使得电势检测装置130所测量的电势能够真实反映近羽流空间的电势分布。

如图1和图7所示，在本申请的一实施例中，所述电势检测装置130包括朗缪尔探针131。所述朗缪尔探针131包含一个或多个电极131a，对一个预设分布点的空间电势进行测量，或是同时对多个预设分布点的空间电势进行测量。

在本实施例中，通过采用朗缪尔探针131，对近羽流空间的空间测量进行准确测量。

如图2和图7所示，在本申请的一实施例中，所述电势模拟装置140包括多个阳极体141，所述阳极体141的数量与预设分布点的数量相等，且阳极体141与预设分布点一一对应。

具体而言，阳极体141的具体形态不作限制，可设置为柱状、片状或球状中的一种，通过调整阳极体141的电压，即可模拟获得相对应的电势。

为了更精准的模拟近羽流空间的空间电势分布，需要测量足够多的预设分布点，此时需要布置等量的朗缪尔探针131或是电极131a，然而过多的朗缪尔探针131或是电极131a则会对羽流的发散造成影响，不利于空间电势的测量。

在无干扰的条件下，被测推力器210的羽流呈均匀发散，进而近羽流空间的空间电势在以中心线为中心的同一圆周上近似相等。因而，对于位于同一圆周上的多个预设分布点，仅测量其中一个预设分布点，即可获得这些预设分布点的空间电势。

在本申请的一实施例中，以羽流喷射方向为中心线且沿径向辐射建立若干等电势线，每个等电势线上设置多个预设分布点。

例如，下面介绍一种实施例，如图6所示，在一个垂直于中心线的平面内建立坐标系，且中心线经过坐标系的原点O，在不同的径向位置划分等电势线S1和S2，其中等电势线S1上设置有预设分布点A1，A2，A3和A4，等电势线S2上设置有预设分布点B1，B2，B3和B4。

在本实施例中，通过设置等电势线，在同一等电势线上设置多个预设分布点，进而仅测量其中一个预设分布点的空间电势，即可获得同一等电势线上其他预设分布点的空间电势。采用这样的方案，可大幅减少朗缪尔探针131或是电极131a的数量，减少对羽流发散的影响，提高空间电势测量的准确性。

由于羽流中的部分带电粒子会游离在羽流范围之外的区域，这部分游离的带电粒子所形成空间电势同样不可忽略。

如图5所示，在本申请的一实施例中，位于最***的电势线上的预设分布点至所述中心线的垂直距离R的取值大于或等于。其中，/>为该预设分布点沿中心线轴向相对被测推力器210的距离，/>为被测推力器210的羽流发散角。

在本实施例中，通过限定最***的电势线上的预设分布点相对中心线的位置，对羽流范围之外的区域中的空间电势进行测量和模拟，使得本申请所构造的所有预设分布点配合能够准确反映空间电势分布。

在关闭被测推力器210之后，测量第二推力之前，需要将所有的阳极体141快速准确地推送至预设分布点。

如图7所示，在本申请的一实施例中，所述电势模拟装置140还包括基座142和推进装置143。

具体而言，所述阳极体141按预设分布点的布置规则固定设置于所述基座142。推进装置143用于将所述基座142推送至预设工作位置。更具体的，推进装置143采用电动推杆，油缸或气缸中的一种。

在本实施例中，通过设置基座142，对所有的阳极体141做到同步控制，且通过设置推进装置143，在被测推力器210工作时，将基座142和阳极体141移动至羽流作用范围之外，避免对羽流及空间电势分布造成影响。同时，在关闭被测推力器210之后，将所有的阳极体141快速准确地推送至预设分布点，可操作性高。

如图7所示，在本申请的一实施例中，所述阳极体141的中心设置有第一通孔141a，所述基座142设置有与第一通孔141a相对应的第二通孔142a，至少部分的所述朗缪尔探针131依次穿过第二通孔142a和第一通孔141a，以使朗缪尔探针131的电极131a布置到预设分布点。

由于朗缪尔探针131除了端点用于工作的电极131a以外，其余部分均用绝缘材料覆盖，进而由这部分的绝缘材料实现朗缪尔探针131和阳极体141之间的绝缘。

在本实施例中，通过设置第一通孔141a和第二通孔142a，对朗缪尔探针131进行导向，保证朗缪尔探针131的电极131a能够准确布置到预设分布点，且通过基座142和阳极体141对朗缪尔探针131进行支撑，提高朗缪尔探针131的稳定性。

如图1所示，在本申请的一实施例中，所述基于残余电荷噪声抑制的扭摆式微推力测量装置100还包括第一配重件171和第二配重件172。

具体而言，第一配重件171固定连接至所述平衡杆112，且位于所述标准力产生装置113和扭丝111之间。第二配重件172固定连接至所述平衡杆112，且位于所述被测推力器210和扭丝111之间。

在本实施例中，通过设置第一配重件171和第二配重件172，通过限定第一配重件171和第二配重件172在平衡杆112的安装位置，或调整第一配重件171和第二配重件172所施加的力，对被测推力器210和标准力产生装置113进行配重，使得平衡杆112趋向水平。

本申请还提供一种微推力测量方法，应用于如前述内容所述的基于残余电荷噪声抑制的扭摆式微推力测量装置100。

如图8所示，在本申请的一实施例中，所述微推力测量方法包括如下S100至S700。

S100，启动被测推力器210，获取被测推力器210的初始推力f1。

具体而言，刚启动被测推力器210时，束流离子还未在孤立导体和绝缘体220表面积累，即没有残余电荷。然而此时被测推力器210未达到热稳定状态，初始推力f1与真实推力之间存在误差。

S200，待被测推力器210稳定工作预设时间后，获取被测推力器210第一推力f2。

S300，获取所述电势检测装置130所测量的近羽流空间中多个预设分布点的空间电势。

具体而言，在被测推力器210达到热稳定状态后，形成了稳定的残余电荷分布，此时可采用电势检测装置130测量空间电势分布。

S400，根据所测量的近羽流空间中多个预设分布点的空间电势，模拟得出产生相同的空间电势分布所需要满足的条件参数。

具体而言，ANSYS等有限元方法模拟得出产生相同的空间电势分布所需要满足的条件参数。

更具体的，所述的条件参数包括选择工作的预设分布点的编号和预设分布点的电势值中的至少一种。

S500，控制所述被测推力器210关闭，同时根据所模拟出的条件参数控制所述电势模拟装置140工作。

具体而言，在被测推力器210关闭的瞬间，孤立导体和绝缘体220上的电荷可近似认为未发生改变。

S600，获取平衡杆112重新恢复至平衡位置时所检测的第二推力f3。

具体而言，在被测推力器210时，被测推力器210的推力瞬间消失，而标准力产生装置113继续输出，使得平衡杆112偏离平衡位置。而后通过调整标准力产生装置113所输出的标准力，使得平衡杆112重新恢复至平衡位置，此时可测得第二推力f3（即残余电荷与空间电势之间将产生微弱的静电力）。

S700，采用以下公式1计算被测推力器210在热稳定状态下的真实推力Δf：

Δf=f2-f3 公式1。

在本实施例中，通过分别测得被测推力器210热稳定状态下的第一推力和仅在静电力作用下的第二推力，并以第一推力和第二推力的差值作为被测推力器210在热稳定状态下的真实推力，采用这样的方案，有效滤除残余电荷噪声，提高推力测量精度。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，各方法步骤也并不做执行顺序的限制，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种基于残余电荷噪声抑制的扭摆式微推力测量装置，其特征在于，所述基于残余电荷噪声抑制的扭摆式微推力测量装置包括：

扭丝，一端固定连接一隔振平台；

平衡杆，所述扭丝另一端固定连接至所述平衡杆的中部，所述平衡杆的一端用于安装被测推力器；

标准力产生装置，用于向平衡杆的另一端施加与被测推力器的推力方向相反的标准力；

位移检测装置，用于检测所述平衡杆相对扭丝中心的角位移；

电势检测装置，用于测量近羽流空间中多个预设分布点的空间电势；以羽流喷射方向为中心线且沿径向辐射建立若干等电势线，每个等电势线上设置多个预设分布点；

电势模拟装置，用于在至少一个预设分布点提供电势，以模拟被测推力器工作时空间电势的分布；

控制装置，所述标准力产生装置、被测推力器、电势检测装置及电势模拟装置分别电连接至所述控制装置，所述控制装置至少用于根据所述电势检测装置所测量的空间电势，输出控制指令调整所述电势模拟装置所提供的电势值。

2.根据权利要求1所述的基于残余电荷噪声抑制的扭摆式微推力测量装置，其特征在于，在所述平衡杆处于平衡位置时，以一个垂直于被测推力器的羽流喷射方向的平面建立投影面，多个预设分布点于投影面上的投影在羽流中心线的周向上均匀分布。

3.根据权利要求1所述的基于残余电荷噪声抑制的扭摆式微推力测量装置，其特征在于，所述电势检测装置包括朗缪尔探针；所述朗缪尔探针包含一个或多个电极。

4.根据权利要求3所述的基于残余电荷噪声抑制的扭摆式微推力测量装置，其特征在于，所述电势模拟装置包括多个阳极体，所述阳极体的数量与预设分布点的数量相等，且阳极体与预设分布点一一对应。

5.根据权利要求2所述的基于残余电荷噪声抑制的扭摆式微推力测量装置，其特征在于，位于最***的电势线上的预设分布点至所述中心线的垂直距离R的取值大于或等于其中，D为该预设分布点沿中心线轴向相对被测推力器的距离；α为被测推力器的羽流发散角。

6.根据权利要求4所述的基于残余电荷噪声抑制的扭摆式微推力测量装置，其特征在于，所述电势模拟装置还包括：

基座，所述阳极体按预设分布点的布置规则固定设置于所述基座；

推进装置，用于将所述基座推送至预设工作位置。

7.根据权利要求6所述的基于残余电荷噪声抑制的扭摆式微推力测量装置，其特征在于，所述阳极体的中心设置有第一通孔，所述基座设置有与第一通孔相对应的第二通孔，至少部分的所述朗缪尔探针依次穿过第二通孔和第一通孔，以使朗缪尔探针的电极布置到预设分布点。

8.一种微推力测量方法，应用于如权利要求1至7中任意一项所述的基于残余电荷噪声抑制的扭摆式微推力测量装置，其特征在于，所述微推力测量方法包括：

启动被测推力器，获取被测推力器的初始推力f1；

待被测推力器稳定工作预设时间后，获取被测推力器第一推力f2；

以羽流喷射方向为中心线且沿径向辐射建立若干等电势线，每个等电势线上设置多个预设分布点，获取所述电势检测装置所测量的近羽流空间中多个预设分布点的空间电势；

根据所测量的近羽流空间中多个预设分布点的空间电势，模拟得出产生相同的空间电势分布所需要满足的条件参数；

控制所述被测推力器关闭，同时根据所模拟出的条件参数控制所述电势模拟装置工作；

获取平衡杆重新恢复至平衡位置时所检测的第二推力f3；

采用以下公式1计算被测推力器在热稳定状态下的真实推力Δf：

Δf＝f2-f3公式1。

9.根据权利要求8所述的微推力测量方法，其特征在于，所述根据所测量的近羽流空间中多个预设分布点的空间电势，模拟得出产生相同的空间电势分布所需要满足的条件参数中，所述的条件参数包括选择工作的预设分布点的编号和预设分布点的电势值中的至少一种。