CN117387819A - 微推力测量装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种微推力测量装置，通过设置振动发生装置，向弹性承载元件主动输出简谐式驱动力，使得弹性承载元件在测试环境中主要噪声的频率范围之外振动，受环境振动干扰较小。在仅有驱动力输出时，获取驱动力作用下弹性承载元件的初始振幅和初始共振频率；在被测推力器有推力产生时，控制振动发生装置在初始共振频率附近扫频，取当前振幅与初始振幅差值最小时的驱动力频率作为当前共振频率，解析获得被测推力器的推力。采用这样的方式，基于共振原理对环境振动等背景噪声有效滤除，降低了微推力测量的难度，并提高测量精度。

Description

微推力测量装置

技术领域

本申请涉及微推力测量技术领域，特别是涉及一种微推力测量装置。

背景技术

推力精确测量可以真实、直观地反映微推力器电参数、介质参数变化引起的推力变化，从而为微推力器的研制、设计、参数选择及性能评价提供必要的技术途径。

传统方案中，对于微推力测量，主要是将微推力器直接安装在推力测量装置上，微推力器产生推力作用到对应的测力台架（单摆或者悬臂）上，对测力台架目标进行无驱动力的静态测距，大量复杂的环境振动噪声将不可必避免的叠加在测力台架上，导致实际推力需要从大量背景噪声信号中提取，增加了微推力测量的难度。

发明内容

基于此，有必要针对传统方案中，对测力台架目标进行无驱动力的静态测距，大量复杂的环境振动噪声将不可必避免的叠加在测力台架上，导致实际推力需要从大量背景噪声信号中提取，增加了微推力测量的难度的问题，提供一种微推力测量装置。

本申请提供一种微推力测量装置，用于测量被测推力器的推力，所述微推力测量装置包括：

弹性承载元件，所述弹性承载元件一端固定，另一端为可运动的自由端；所述弹性承载元件竖直悬置，被测推力器固定安装至所述弹性承载元件的自由端；

位移检测装置，用于检测所述弹性承载元件自由端的振动位移；

振动发生装置，用于输出简谐式驱动力至所述弹性承载元件，以使所述弹性承载元件的自由端振动；

控制装置，所述位移检测装置和振动发生装置分别电连接至所述控制装置；至少用于获取所述位移检测装置所检测的振动位移和振动发生装置的驱动力频率，以及根据所述位移检测装置所检测的振动位移输出扫频控制指令至所述振动发生装置；

当仅有驱动力输出时，获取驱动力作用下弹性承载元件的初始振幅和初始共振频率；

当被测推力器有推力产生时，控制振动发生装置在初始共振频率附近扫频，取当前振幅与初始振幅差值最小时的驱动力频率作为当前共振频率，解析获得被测推力器的推力。

本申请涉及一种微推力测量装置，通过设置振动发生装置，向弹性承载元件主动输出简谐式驱动力，使得弹性承载元件在测试环境中主要噪声的频率范围之外振动，受环境振动干扰较小。在仅有驱动力输出时，获取驱动力作用下弹性承载元件的初始振幅和初始共振频率；在被测推力器有推力产生时，控制振动发生装置在初始共振频率附近扫频，取当前振幅与初始振幅差值最小时的驱动力频率作为当前共振频率，解析获得被测推力器的推力。采用这样的方式，基于共振原理对环境振动等背景噪声有效滤除，降低了微推力测量的难度，并提高测量精度。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本申请一实施例提供的微推力测量装置的结构示意图。

图2为本申请一实施例提供的微推力测量装置中弹性承载元件的结构示意图。

图3为本申请一实施例提供的微推力测量装置中弹性承载元件部分结构的正视图。

图4为本申请一实施例提供的微推力测量装置中弹性承载元件的侧视图。

图5为本申请另一实施例提供的微推力测量装置的部分结构示意图。

图6为本申请再一实施例提供的微推力测量装置的部分结构示意图。

附图标记：

100、微推力测量装置；110、弹性承载元件；111、固定部；111a、安装孔；

112、承载部；112a、自由端；113、柔性部；113a、缺口；

M1、第一中心面；M2、第二中心面；113b、第一端；113c、第二端；

120、位移检测装置；121、反光镜；122、激光干涉仪；

130、振动发生装置；140、控制装置；150、磁阻尼装置；

161、第一温度采集装置；162、第二温度采集装置；163、第一温控装置；

164、第二温控装置；170、隔振平台；200、被测推力器。

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。

本申请提供一种微推力测量装置100，用于测量被测推力器200的推力。

如图1和2所示，在本申请的一实施例中，所述微推力测量装置100包括弹性承载元件110，位移检测装置120，振动发生装置130和控制装置140。

具体而言，所述弹性承载元件110一端固定在密闭空间中的隔振平台170，减小地面振动和气流扰动等外部因素导致的机械扰动。弹性承载元件110另一端为可单自由运动的自由端112a。在测量过程中，所述弹性承载元件110竖直悬置，被测推力器200固定安装至所述弹性承载元件110的自由端112a，且保持被测推力器200的重心在弹性承载元件110的延伸方向上，避免被测推力器200的重心偏离导致弹性承载元件110侧弯。

位移检测装置120用于检测所述弹性承载元件110自由端112a的振动位移。振动发生装置130用于输出简谐式驱动力至所述弹性承载元件110，以使所述弹性承载元件110的自由端112a振动。所述位移检测装置120和振动发生装置130分别电连接至所述控制装置140。具体的，控制装置140可采用上位机。至少用于获取所述位移检测装置120所检测的振动位移和振动发生装置130的驱动力频率，以及根据所述位移检测装置120所检测的振动位移输出扫频控制指令至所述振动发生装置130。

在本实施例中，通过设置振动发生装置130，向弹性承载元件110主动输出简谐式驱动力，使得弹性承载元件110在测试环境中主要噪声的频率范围之外振动，受环境振动干扰较小。测量过程中，当仅有驱动力输出时，获取驱动力作用下弹性承载元件110的初始振幅和初始共振频率。当被测推力器200有推力产生时，控制振动发生装置130在初始共振频率附近扫频，取当前振幅与初始振幅差值最小时的驱动力频率作为当前共振频率，从而解析获得被测推力器的推力。采用这样的方式，基于共振原理对环境振动等背景噪声有效滤除，降低了微推力测量的难度，并提高测量精度。

具体而言，被测推力器的推力的计算公式为：

式1

其中，f表示被测推力器的推力，m表示悬臂的有效质量，k表示悬臂的刚度，f表示推力器的推力，g表示重力加速度；表示弹性承载元件当前振幅与设定振幅的绝对差值最小时的驱动力频率。

如图1至3所示，在本申请的一实施例中，所述弹性承载元件110包括固定部111，承载部112和柔性部113。

具体而言，所述固定部111用于所述弹性承载元件110整体的固定。具体的，固定部111设置有多个安装孔111a，并采用紧固件固定至隔振平台170。所述振动发生装置130和被测推力器200分别固定至所述承载部112。所述柔性部113位于所述固定部111和承载部112之间。所述柔性部113的两侧分别设置有缺口113a，且两侧的缺口113a相对一个第一中心面M1对称设置。当承载部112受到外力作用时，至少部分的柔性部113发生弯曲。

在本实施例中，通过对弹性承载元件110的结构设计，当承载部112受到外力作用时，应力主要分布在柔性部113，弹性承载元件110的自由端112a始终保持单自由运动，有效分离了被测推力器200的推力和振动发生装置130的推力与各自的重力方向，提高了推力测量的精度。而且通过对承载部112的长度的优化，将承载部112的运动以预设放大倍数转换至自由端112a的振动位移，有利于振动位移的有效检测。

如图3和图4所示，在本申请的一实施例中，以垂直于第一中心面M1且平行于弹性承载元件110延伸方向的平面作为第二中心面M2，所述缺口113a在第二中心面M2的投影轮廓至少为椭圆的一部分。具体的，缺口113a的轮廓长半轴沿平行于弹性承载元件110的延伸方向设置。

在本实施例中，通过将缺口113a的轮廓设置为椭圆的部分，使得柔性部113的厚度由中间向两侧递增，当承载部112受到外力作用时，应力主要分布在柔性部113的最薄处，从而实现承载部112的单自由运动。

如图3和图4所示，在本申请的一实施例中，所述振动发生装置130固定连接至所述承载部112平行于第一中心面M1的一侧，以使所述承载部112至少于驱动力的作用下在第二中心面M2运动。

在本实施例中，通过限定振动发生装置130在承载部112的安装位置，使得当承载部112在受到振动发生装置130驱动时作单自由运动。

在本申请的一实施例中，在弹性承载元件110结构设计之前，还需采集测试环境的噪声数据进行频谱分析，获得测试环境中主要噪声的频率范围，并基于环境噪声设计弹性承载元件110的结构，以使弹性承载元件110的固有频率避开环境中主要噪声的频率。

如图2至图4所示，在本申请的一实施例中，所述弹性承载元件110在沿第一中心面M1的法向量方向上的厚度大于弹性承载元件110在沿第二中心面M2的法向量方向上的厚度。被测推力器200安装至承载部112的自由端112a，且被测推力器200的喷口中心线沿平行于第一中心面M1的法向量方向设置。

在本实施例中，通过限定弹性承载元件110的厚度与振动发生装置130及被测推力器200安装姿态的关系，使得承载部112在沿第一中心面M1的法向量方向上保持足够的刚度，进而振动发生装置130的驱动力或被测推力器200驱动力仅能使得柔性部113形变，避免承载部112收到振动发生装置130的驱动力或被测推力器200推力作用时，承载部112本身产生微小形变，影响测量精度。另外，被测推力器200采用此方式安装，降低对被测推力器200的重心安装精度需求。

在本申请的一实施例中，所述振动发生装置130采用压电陶瓷，响应速度快，能较好的实现快速扫频需求，且频率稳定性好。

如图1所示，在本申请的一实施例中，所述位移检测装置120还包括反光镜121和激光干涉仪122。

具体而言，反光镜121固定连接至所述承载部112平行于第一中心面M1的另一侧。激光干涉仪122用于向所述反光镜121投射光束并接收反光镜121反射的光束，以测量所述反光镜121随承载部112的位移。

在本实施例中，激光干涉仪122光路直射位于承载部112的反光镜121，基于迈克尔逊干涉原理测量承载部112检测点（即反光镜121的安装点）产生的微小位移。当然，也可以根据反光镜121的安装点位置进一步计算自由端112a的振动位移。采用此位移测量方式，位移分辨率高达1nm，满足微小位移的测量需求。

当然，在本申请的一实施例中，位移检测装置120可采用光杠杆方法对承载部112的振动位移进行检测。

如图1所示，在本申请的一实施例中，所述微推力测量装置100还包括磁阻尼装置150。磁阻尼装置150固定连接至所述承载部112平行于第二中心面M2的一侧面。所述磁阻尼装置150在可调强度的磁场的作用下，调节弹性承载元件110的阻尼比至预设范围或预设值。

在本实施例中，通过设置磁阻尼装置150，在计算获取弹性承载元件110的固有频率后，调节作用于磁阻尼装置150的磁场强度，以调节弹性承载元件110的阻尼比，使得弹性承载元件110的自由端112a具有合适的振幅。

如图5所示，在本申请的一实施例中，在所述弹性承载元件110的延伸方向上，所述柔性部113的最薄处和自由端112a之间的间距D1与所述柔性部113的最薄处和振动发生装置130之间的间距D2的比值取值范围在大于1且小于或等于1.4的范围内。

在本实施例中，通过限定振动发生装置的位置，使得弹性承载元件可以在振动发生装置的驱动下，以最短时间内达到共振状态，减少推力测量所需的时间。

优选的，所述柔性部113的最薄处和自由端112a之间的间距与所述柔性部113的最薄处和振动发生装置130之间的间距的比值取值为1.2。

当驱动力或推力作用在承载部112上时，柔性部113的刚度越小，测量分辨力越高。然而随着柔性部113最薄处的厚度越小，刚度也随之减小，载重能力减弱。

在本申请一实施例中，所述柔性部113最薄处的厚度h，弹性承载元件110的厚度c，缺口113a短半轴长度a和缺口113a的长半轴长度b满足以下关系：

其中，表示与弹性承载元件的弹性模量有关的系数，通过实验标定。

在本实施例中，通过限定柔性部的结构参数，兼顾承重和高分辨力的测量需求。

优选的，，在此比值下，经实验验证，柔性部的承重和高分辨力趋向最优的平衡状态。

由于被测推力器200工作会产生大量热量，且真空环境下热量主要通过热辐射和热传导向弹性承载元件110扩散，易使得弹性承载元件110产生非均匀温度分布，特别是柔性段的非均匀温度分布会对弹性模量造成影响，进而使得固有频率改变，降低推力测量的精度。

如图6所示，在本申请的一实施例中，所述微推力测量装置100还包括第一温度采集装置161，第二温度采集装置162和第一温控装置163。

具体的，第一温度采集装置161设置于所述柔性部113的第一端113b以检测第一端113b的实时温度。第二温度采集装置162设置于所述柔性部113的第二端113c以检测第二端113c的实时温度。具体的，第一端113b为柔性段的上端，第二端113c为柔性段的下端。第一温控装置163设置于所述第一端113b。所述第一温度采集装置161，第二温度采集装置162和第一温控装置163分别电连接至控制装置140。

在本实施例中，通过设置第一温度采集装置161和第二温度采集装置162，分别对柔性段两端的温度进行监控，控制装置140根据所述第一端113b和第二端113c的温度差值，输出温度控制信号至第一温控装置163，对第一端113b的温度进行主动调节，以使柔性部113的温度趋向均匀分布，避免非均匀温度分布对固有频率造成影响，从而提高推力测量的精度。

在本申请的一实施例中，所述第一温度采集装置161和第二温度采集装置162分别采用贴片式温度传感器。

考虑到推力测量过程中柔性部113频繁形变，应力主要集中在柔性部113中间最薄处，可能使得柔性部113中间的温度高于两端，同样会对固有频率造成影响。

如图6所示，在本申请的一实施例中，所述柔性部113的第二端113c还设置有第二温控装置164。

在本实施例中，通过设置第二温控装置164，预先对柔性部113在预设工作时间的最大温升进行测量。实际推力测量过程中，第一温控装置163和第二温控装置164同时加热，将柔性部113的温度控制在始终大于柔性部113的最大温升，使得柔性部113的温度趋向均匀分布，进一步提高推力测量的精度。

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 (10)

1.一种微推力测量装置，用于测量被测推力器的推力，其特征在于，所述微推力测量装置包括：

弹性承载元件，所述弹性承载元件一端固定，另一端为可运动的自由端；所述弹性承载元件竖直悬置，被测推力器固定安装至所述弹性承载元件的自由端；

位移检测装置，用于检测所述弹性承载元件自由端的振动位移；

振动发生装置，用于输出简谐式驱动力至所述弹性承载元件，以使所述弹性承载元件的自由端振动；

控制装置，所述位移检测装置和振动发生装置分别电连接至所述控制装置；至少用于获取所述位移检测装置所检测的振动位移和振动发生装置的驱动力频率，以及根据所述位移检测装置所检测的振动位移输出扫频控制指令至所述振动发生装置；

当仅有驱动力输出时，获取驱动力作用下弹性承载元件的初始振幅和初始共振频率；

当被测推力器有推力产生时，控制振动发生装置在初始共振频率附近扫频，取当前振幅与初始振幅差值最小时的驱动力频率作为当前共振频率，解析获得被测推力器的推力。

2.根据权利要求1所述的微推力测量装置，其特征在于，所述弹性承载元件包括：

固定部，用于所述弹性承载元件整体的固定；

承载部，所述振动发生装置和被测推力器分别固定至所述承载部；

柔性部，所述柔性部位于所述固定部和承载部之间；所述柔性部的两侧分别设置有缺口，且两侧的缺口相对一个第一中心面对称设置；当承载部受到外力作用时，至少部分的柔性部发生弯曲。

3.根据权利要求2所述的微推力测量装置，其特征在于，以垂直于第一中心面且平行于弹性承载元件延伸方向的平面作为第二中心面，所述缺口在第二中心面的投影轮廓至少为椭圆的一部分。

4.根据权利要求2所述的微推力测量装置，其特征在于，所述振动发生装置固定连接至所述承载部平行于第一中心面的一侧，以使所述承载部至少于驱动力的作用下在第二中心面运动。

5.根据权利要求1所述的微推力测量装置，其特征在于，所述振动发生装置采用压电陶瓷。

6.根据权利要求2所述的微推力测量装置，其特征在于，所述位移检测装置还包括：

反光镜，固定连接至所述承载部平行于第一中心面的另一侧；

激光干涉仪，用于向所述反光镜投射光束并接收反光镜反射的光束，以测量所述反光镜随承载部的位移。

7.根据权利要求3所述的微推力测量装置，其特征在于，所述微推力测量装置还包括：

磁阻尼装置，固定连接至所述承载部平行于第二中心面的一侧面；所述磁阻尼装置在可调强度的磁场的作用下，调节弹性承载元件的阻尼比至预设范围或预设值。

8.根据权利要求2所述的微推力测量装置，其特征在于，在所述弹性承载元件的延伸方向上，所述柔性部的最薄处和自由端之间的间距与所述柔性部的最薄处和振动发生装置之间的间距的比值取值范围在大于1且小于或等于1.4的范围内。

9.根据权利要求2所述的微推力测量装置，其特征在于，所述微推力测量装置还包括：

第一温度采集装置，设置于所述柔性部的第一端以检测第一端的实时温度；

第二温度采集装置，设置于所述柔性部的第二端以检测第二端的实时温度；

第一温控装置，设置于所述第一端或/和第二端，根据所述第一端和第二端的温度差值，对第一端或/和第二端的温度进行主动调节，以使柔性部的温度趋向均匀分布。

10.根据权利要求9所述的微推力测量装置，其特征在于，所述第一温度采集装置和第二温度采集装置分别采用贴片式温度传感器。