彈性微牛級小推力測量系統的製作方法
2023-06-05 23:55:16 1
專利名稱：彈性微牛級小推力測量系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種彈性微牛級小推力測量系統，屬於空間微小推力發動機技術領域。
背景技術：
微、電推進等空間用微小推力發動機技術在航空航天等許多領域都有廣泛的應用，發動 機地面試驗中微小推力測量技術是一項關鍵技術，只有獲得實測的推力，才能獲取發動機的 實際性能參數(發動機實際比衝)，並開展進一步的設計和研製工作。
山於微小推力發動機工作時的推力非常小(mN級或wN級)，推進劑氣路、電路的連 接又對推力的測量產生很大的影響，而整個發動機必須在真空下工作，因而給推力的直接測 量帶來很大困難。
針對發動機微小推力的測量，根據推力性質的不同，國外採用了不同方法和推力架進行 了測量，其結構包括目標靶、彈性元件、天平、懸擺和光學測量系統等，但測量架均含有非 彈性部分，測量精度只能通過多次實驗測量的方法得到，或測量系統複雜，許多重要細節均 不公開報導。
就國內而言，北航研製出的名稱為《一種適用於空間微小推力發動機的推力測量系統》 已經獲得發明專利，專利號為ZL 2006 1 0089041.8。這種推力測量系統採用叉簧支撐來消 除摩擦，採用各種彈性元件來消除幹擾，但是只能測量毫牛級推力。這種系統方案無法滿
足更進一步的對微牛級發動機推力的測量。
清華大學採用電子天平的方法測量發動機工作的小推力，(陳黎明，趙文華，劉巖松。低
功率電弧加熱發動機的實驗研究。Vol. 10,No. 2， 2002)，屬於非彈性支撐和連接。
中科院空間中心採用扭擺測量了小推力，(吳漢基，馮學章，等。氮氫混合氣電弧加熱 發動機的性能試驗，中國空間科學技術，2002年，第4期)，但未採用彈性連接和電磁控制。 本發明裝置以懸掛的薄片彈性元件(彈簧片)作為敏感元件，使系統符合虎克定律，將^N 級推力施加到薄片彈性元件上，通過彈性元件末端位移量的轉換，最終測量出發動機穩態微 小推力。
發明內容
本發明的目的在於提供一種彈性微牛級小推力測量系統，針對目前國內微牛級推力測量 裝置的問題，主要是支撐元件和附件連接影響微小推力的準確測量和微小推力的標定問題， 而採用以彈簧片作為關鍵彈性敏感元件，通過位移量的轉換和靜電力標定的方法，較精確地 測量出微小推力發動機穩態微小推力，推力測量範圍為0~500pN。 本發明一種彈性微牛級小推力測量系統，其技術方案如下
1、 測量原理
彈性元件受力會變形，發生一定角度的偏轉。在彈性元件的彈性形變範圍內，變形程度 將與它所受力的大小對應。我們的測量方案利用的就是敏感彈性元件的這種彈性形變的可重 復性。已知的標定力會讓彈性元件發生偏轉，偏轉的程度由位移傳感器讀取，將每個已知力 對應的偏轉位移記錄下來，通過各標定點，可以繪製"力-位移"標定曲線；當實際測量時， 推力器的作用導致同樣的彈性元件發生偏轉，參照之前得到的標定曲線，根據實際測量的偏 轉位移大小，就能得到要測量的推力。
以上所謂的已知力是指，兩標定電極間加電壓產生的相互作用力。這個力可以由極板大 小，電壓差和極板間距離計算，也可以採用直接的方法測量。再用這個靜電力來標定推力測 量系統，得到一組彈簧片位移和作用力之間的關係曲線。這個曲線即為標定曲線。在實際測 量過程中，只需讀出推力器的實時推力造成的彈簧片的位移變化。根據標定曲線即可以得到 推力測量結果。測量原理如圖1所示。
2、 具體機械結構
本發明是一種彈性微牛級小推力測量系統，其具體包括推力架框架、測量主體、推力 器供給系統。
所述的推力架框架由10號角鋼焊接而成，整體噴塑；框架上底面相對邊打兩對位置對 稱的孔；框架下底面，在一條邊的中點及其對邊中心線兩側安裝3個調整支架，用於調節框 架的水平姿態。
所述的測量主體包括主梁、橫向移動座、縱向移動座、彈簧片、推力器、位移傳感器、 標定電極、傳感器座、電極座、推力器、絕緣板等。
主梁為一整體成開口向下的F型，兩邊安裝在推力架框架上，梁厚度較大，保證了整個 下部推力測量主體的穩定。橫向移動座，上端為槽形並安裝在主梁較長的分支上，裝配螺紋 孔成橫向放置的長方形，用於調節橫向移動。縱向移動座裝配在橫向移動座下方，裝配螺紋
4孔成縱向放置的長方形，用於調節縱向移動。傳感器座橫向安裝在縱向移動座上半部，由調 節螺杆和鎖緊螺母構成，調節水平方向的伸縮。
位移傳感器安裝在傳感器座前端。電極座同樣由調節螺杆和鎖緊螺母構成，安裝在縱向 移動座下半部，材料也是硬鋁，電極座調節水平方向的伸縮。標定電極負極安裝在電極座前 端，標定電極負極與電極座絕緣連接。
彈簧片安裝在主梁上，頂端固定在主梁較短的分支上。絕緣板懸掛在彈簧片下端。傳感 器的探頭指向彈簧片下端絕緣板稍上方位置。標定電極正極與推力器分別安裝在絕緣板兩 邊。標定電極正極正對標定電極負極，標定電極正極與絕緣板之間有螺杆連接，在螺杆上安 裝配重。
推力器供給系統包括一個固定塊，安裝在推力架框架上方，該固定塊上方外接推進劑管 路和電線，下方通過彈性管路接入推力器。
其中，所述的位移傳感器採用從天津大學定製的電容式高精度位移傳感器，該傳感器在 位移測量時，理論上可以達到輸出電壓與位移之間具有良好的線性關係。傳感器可在真空環 境下工作，真空度〈1000Pa，輸出信號為0v~+5V電壓或4mA 20mA電流，量程為lmm，
精度為lum，傳感器解析度0.1pm。
本發明一種彈性微小推力測量系統，其有益效果在於採用新型的彈性微小推力測量 系統，針對膠質微推力器做了相關實驗，得到了發動機的工作推力，且測試過程的操作、控 制和使用簡便，易於掌握。
圖1所示為本發明的推力測量原理圖。
圖2所示為本發明的推力測量系統總裝配圖。
圖3所示為本發明的推力測量主體裝配圖。
圖4所示為調整支架裝配圖
圖5所示為是實際測量的標定電壓與位移曲線，
圖6所示為是靜電力測量試驗曲線。
下面說明各個部件名稱
I——橫向移動座；2——電極座；3——固定軸；4——移動軸；5——調整螺杆；
6——縱向移動座；7——墊圈端蓋；8——鎖緊螺母；9——手柄；10——固定螺釘；
II——標定電極負極；12——標定連接件；13——傳感器座；14——位移傳感器；15——移動長軸；16——主梁；17——彈簧片；18——推力器； 19——絕緣板；20——配重轉接杆；21——配重；22——標定電極正極； 23——彈簧片上固定片；24——彈簧片下固定片；25——推力架框架；
26——調整支架；27——固定±央；28——推進劑管路和電線。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的說明。
如圖2、 3所示，本發明一種彈性微牛級小推力測量系統，包括推力架框架、測量主體、 推力器供給系統。
推力架框架25全部由IO號角鋼焊接而成，尺寸為350mmx250mmx400mm，材料為45'
鋼，整體噴塑。
在推力架框架上底面相對邊打兩對位置對稱的孔用於安裝其它部件。推力架框架下底 面，在一條邊的中點和對邊中心線兩側安裝3個調整支架26，調整支架結構分為兩部分(如 圖4所示)調整圓腳和支腳。支腳下部為一不鏽鋼圓板底座，底座上方為一個螺杆立柱。 調整圓腳為一中央開螺紋孔的圓板，螺紋大小應與支腳的螺杆立柱相配合。通過與支腳上部 螺杆立柱的螺紋連接，調整圓腳可以沿螺杆立柱上下緩慢移動，調整圓腳每旋轉一周，它自 身上下移動一個螺距的距離。三個支架都可以分別單獨調節，從而完成對推力架的水平姿態 調節。
測量主體是指主梁16、橫向移動座1、縱向移動座6、彈簧片17、位移傳感器14、標 定電極11和22、傳感器座13、電極座2、推力器18、絕緣板19等。
主梁16為整體成開口向下的F型，兩邊安裝在推力架框架上，材料為不鏽鋼。橫向移 動座l材料為不鏽鋼，上端加工成槽形安裝在主梁較長的分支上，裝配螺紋孔成橫向放置的 長方形，用於調節橫向移動。縱向移動座6裝配在橫向移動座下方，材料也是不鏽鋼，裝配 螺紋孔成縱向放置的長方形，用於調節縱向移動。傳感器座13橫向安裝在縱向移動座上半 部，材料為硬鋁，由調節螺杆5和鎖緊螺母8等構成，通過固定軸3、移動長軸15和手柄9 調節水平方向的伸縮。位移傳感器14通過墊圈端蓋7、鎖緊螺母8、手柄9和固定螺釘10 安裝在縱向移動座6上。
電極座2的結構與傳感器座相似，對應位置處的零件相同，其安裝在縱向移動座6下半 部，材料也是硬鋁，同樣由調節螺杆5和鎖緊螺母8構成，通過固定軸3、移動軸4和手柄 9調節水平方向的伸縮。標定電極負極11安裝在電極座前端，電極負端與標定電極座2絕 緣連接。標定電極正極22、標定電極負極ll採用相同的材料，或都為硬鋁，或都為銅塊。彈簧片17為青銅材料，厚0.01mm。作為本系統的關鍵部件，加工必須精細，且在使用 前需良好保存，不可使摺疊或者受力變形。彈簧片17頂端開有3個螺紋孔，通過彈簧片上 固定片23固定在主梁16較短的分支上，彈簧片自然下垂。絕緣板19與彈簧片下固定片24 通過三個螺紋孔固定懸掛在彈簧片下端。位移傳感器14的探頭指向彈簧片下端絕緣板稍上 方位置。標定電極正極22與推力器18分別安裝在絕緣板19兩邊。標定電極正極22與標定 電極負極ll中心軸線重合，標定電極正極與絕緣板19之間用螺杆連接，在螺杆上通過配重 轉接件20安裝配重21。兩標定電極距離一般在3mm左右。
主梁上方安裝一個固定塊27，固定塊上方用於外接推進劑管路和電線28，下方採用彈 性管路接入推力器18。
由於推力器本身需要幾kV的高電壓，標定電極用電也接近lkV，設計裝配必須檢査各 部分的絕緣。
關於標定方法
我們的標定方案是通過標定電極實現的，在標定電極兩個極板間施加電壓後，由於負電 極是固定的，正電極會受到一個向負極板方向的吸力作用，並將之傳遞到相連的絕緣板上， 這個力在絕緣板上的作用點與推力器工作時對絕緣板的作用點一致。而作用效果相同時，就 表明作用力大小也是相同的。
因此，實際工作中只要知道了標定電極的力，就可以進一步推出推力的大小。標定工作 的關鍵是對標定電極力的確定。
這裡採用兩種方法對電極力進行標定， 一種是理論計算的方法，兩個電極間的靜電力 可以通過靜電力方程計算得到，而且已有的相關文獻和我們的試驗檢驗表明，這種理論計算
比較簡單，而且計算的結果與實際力誤差很小。公式如下
其中，f。=8.854X10—12F/m。
另一種是直接測量方法，採用高精度的電子天平，動態測量孤立電極的重量，同時，用 另外一塊電極置於該孤立電極的上方，對兩個電極加電施加靜電力，觀察天平上的孤立電極 重量的變化，這個變化就是實際測得的靜電力。兩種方法進行對比參考，以直接測得的值為 實際的標定電極力。
如圖5、6所示，圖5是實際測量的標定電壓與位移曲線，圖6是靜電力測量試驗曲線。 圖5，圖6中標定電極距離相等，都為3mm，均處於大氣環境下。
7圖5顯示的是力(標定電極電壓)與位移(傳感器輸出電壓)的幾組標定曲線。曲線l、 2分 別是在單獨對標定電極施加靜電力時的試驗結果，橫坐標是施加在正負極間的電壓，縱坐標 是位移傳感器的輸出信號。兩條曲線結果略有偏差，這裡取兩者的平均值得到曲線3，作為 實際參考用標定曲線(圖5中粗曲線)。虛線4為推力器工作時，得到的位移傳感器輸出信號(如 圖，0.38V、 0.35V、 033V)，這個信號和標定曲線3的交點對應的橫坐標，就是靜電力的大 小(電壓785V、 805V、 825V)，這個靜電力的實際大小就是所要求的推力，如圖中虛線6。 由此，我們知道了實際推力對應標定電極的工況。
圖6描述了靜電力與電極間電壓的關係。橫坐標是在電極間施加的電壓，縱坐標是電極 力的大小。曲線l、 2、 3、 4分別是4次試驗的結果，曲線5是通過理論計算得到的結果， 通過這5條曲線可以看出，試驗結果與理論計算的誤差在10%以內。將圖5中靜電力的電壓 大小代入圖6，如圖中虛線所示。就可以得出實際推力大小了(342pN、 328pN、 309pN)。
權利要求
1、一種彈性微牛級小推力測量系統，其特徵在於該系統具體包括推力架框架、測量主體、推力器供給系統；所述的推力架框架由10號角鋼焊接而成，整體噴塑；框架上底面相對邊打有兩對位置對稱的孔；框架下底面安裝有調整支架，用於調節框架的水平姿態；所述的測量主體包括主梁、橫向移動座、縱向移動座、彈簧片、推力器、位移傳感器、標定電極、傳感器座、電極座、推力器、絕緣板；主梁為一整體成開口向下的F型，兩邊安裝在推力架框架上；橫向移動座的上端為槽形並安裝在主梁較長的分支上，縱向移動座裝配在橫向移動座下方，傳感器座橫向安裝在縱向移動座上半部，由調節螺杆和鎖緊螺母構成，調節水平方向的伸縮；位移傳感器安裝在傳感器座前端；電極座同樣由調節螺杆和鎖緊螺母構成，安裝在縱向移動座下半部；標定電極負極安裝在電極座前端，標定電極負極與電極座絕緣連接；彈簧片安裝在主梁上，頂端固定在主梁較短的分支上；絕緣板懸掛在彈簧片下端；傳感器的探頭指向彈簧片下端、絕緣板稍上方的位置；標定電極正極與推力器分別安裝在絕緣板兩邊；標定電極正極正對標定電極負極，標定電極正極與絕緣板之間有螺杆連接，在螺杆上安裝配重；所述的推力器供給系統包括一個固定塊，安裝在推力架框架上方，該固定塊上方外接推進劑管路和電線，下方通過彈性管路接入推力器。
2、 根據權利要求1所述的彈性微牛級小推力測量系統，其特徵在於所述的主梁、橫 向移動座、縱向移動座的材料為不鏽鋼。
3、 根據權利要求l所述的彈性微牛級小推力測量系統，其特徵在於所述的傳感器座、 電極座材料為硬鋁。
4、 根據權利要求1所述的彈性微牛級小推力測量系統，其特徵在於所述的標定電極 正極、標定電極負極採用相同的材料，都為硬鋁，或都為銅塊。
5、 根據權利要求1所述的彈性微牛級小推力測量系統，其特徵在於所述的彈簧片為 青銅材料，厚0.01咖。
6、 根據權利要求1所述的彈性微牛級小推力測量系統，其特徵在於所述的兩標定電 極距離為3ram。
全文摘要
本發明涉及彈性微牛級小推力測量系統，包括推力架框架，框架下底面安裝有調整支架；測量主體，包括主梁為一整體成開口向下的F型，兩邊安裝在推力架框架上；橫向移動座安裝在主梁較長的分支上，縱向移動座裝配在橫向移動座下方，傳感器座橫向安裝在縱向移動座上半部；位移傳感器安裝在傳感器座前端；電極座安裝在縱向移動座下半部；標定電極負極安裝在電極座前端，標定電極負極與電極座絕緣連接；彈簧片頂端固定在主梁較短的分支上；絕緣板懸掛在彈簧片下端；標定電極正極與推力器安裝在絕緣板兩邊；標定電極正極正對標定電極負極；推力器供給系統包括一固定塊，安裝在推力架框架上方，該固定塊上方外接推進劑管路和電線，下方接入推力器。
文檔編號G01L1/04GK101514927SQ20091008054
公開日2009年8月26日 申請日期2009年3月20日 優先權日2009年3月20日
發明者湯海濱, 王安良, 胡曉亮, 鍾凌偉 申請人:北京航空航天大學