一種用於太空微重力環境的小質量測量系統的製作方法
2023-04-26 17:32:11
一種用於太空微重力環境的小質量測量系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種用於太空微重力環境的小質量測量系統，包括支架、導向機構、水平彈簧振子和傳感單元，其中支架具有底板和處於底板水平兩側的側板，並作為其他元件的安裝載體；導向機構水平懸掛在支架的兩個側板之間，並且它的兩端分別通過加工有外螺紋的堵頭與側板相連；水平彈簧振子包括作為待測量對象的小質量物體和分別連接在其水平兩側的兩個彈簧，它整體套設在導向機構上並且彈簧與堵頭上的外螺紋相嚙合；傳感單元包括霍爾傳感器，並用於對水平彈簧振子執行簡諧振動的運動周期進行測量。通過本發明，能夠以結構簡單緊湊、易於實現的方式執行小質量測量過程，同時具備測量精度高、可控性好等特點。
【專利說明】一種用於太空微重力環境的小質量測量系統
【技術領域】
[0001] 本發明屬於航天設備【技術領域】，更具體地，涉及一種用於太空微重力環境的小質 量測量系統。
【背景技術】
[0002] 太空微重力環境中質量的測量是航天員進行各項試驗研究中最重要的研究項目 之一，也是航天員長期飛行，長期生活進行健康防護所依據不可缺少的技術指標。根據實際 任務的需要，可以把在微重力環境下質量測量分為大質量測量和小質量測量，大質量測量 目前在國內已經得到解決，而對於小質量（本領域中通常表示200g?5000g的範圍）的測 量還鮮有報導。基於我國載人航天的迫切需求，在太空實驗艙中有很大一部分質量比較小 的實驗物品需要測量，相比大質量的測量，它精度要求相對更高，難度更大。
[0003] 微重力狀態是指重力或其他的外力引起的加速度不超過1〇一?10e_4g時的狀 態，目前，國內外在微重力環境下測量質量的方法主要有四種：基于振動原理的測量方法、 基於牛頓第二定律原理的測量方法、基於動量定律的測量方法以及離心測量方法。例如，日 本研究者Koichi Maru等基於動量守恆和牛頓第一定律來對小質量進行測量，其誤差可由 2. 4%左右降到0. 3 %左右；另一位日本研究者Toshiro Ono則利用頻率可控（FCM)方式對 太空環境下的物體質量進行測量。然而，上述現有技術仍存在操作不便、運算處理複雜和難 以實現等缺陷，因此本領域中有必要對此作出進一步的改進和完善。
【發明內容】
[0004] 針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種用於太空微重力環境 的小質量測量系統，其中通過對其關鍵組件的設置方式及其測量算法進行改進，相應可以 結構簡單緊湊、易於實現的方式執行小質量測量過程，同時具備測量精度高、可控性好等特 點。
[0005] 為實現上述目的，按照本發明，提供了一種用於太空微重力環境的小質量測量系 統，所述小質量為200g?5000g的質量範圍，其特徵在於，該測量系統包括支架、導向機構、 水平彈簧振子和傳感單元，其中：
[0006] 所述支架具有底板和處於底板水平兩側的側板，並共同構成框架結構以作為其他 元件的安裝載體；
[0007] 所述導向機構水平懸掛在支架的兩個側板之間，並且它的兩端分別通過堵頭與所 述側板相連；所述堵頭呈端部倒圓處理的圓柱體結構，並在端部的外表面上各自加工有外 螺紋；
[0008] 所述水平彈簧振子包括作為待測量對象的小質量物體、以及分別連接在小質量物 體水平兩側的兩個相同彈簧也即第一彈簧和第二彈簧，由此共同構成可沿著水平方向作簡 諧振動的彈簧振子結構；該水平彈簧振子整體套設在所述導向機構上，並且第一彈簧和第 二彈簧兩者的部分簧絲各自與所述堵頭上的外螺紋相嚙合；
[0009] 所述傳感單元包括安裝在支架底板上的霍爾傳感器和設置在小質量物體上的磁 極，並用於對所述水平彈簧振子執行簡諧振動的運動周期進行測量。
[0010] 作為進一步優選地，上述測量系統基於以下公式執行對小質量物體的質量測量：
[0011]
【權利要求】
1. 一種用於太空微重力環境的小質量測量系統，所述小質量為200g?5000g的質量範 圍，其特徵在於，該測量系統包括支架、導向機構、水平彈簧振子和傳感單元，其中： 所述支架（1)具有底板和處於底板水平兩側的側板，並共同構成框架結構以作為其他 元件的安裝載體； 所述導向機構水平懸掛在支架（1)的兩個側板之間，並且它的兩端分別通過堵頭（4) 與所述側板相連；所述堵頭（4)呈端部倒圓處理的圓柱體結構，並在端部的外表面上各自 加工有外螺紋； 所述水平彈簧振子包括作為待測量對象的小質量物體（7)、以及分別連接在小質量物 體（7)水平兩側的兩個相同彈簧也即第一彈簧（5)和第二彈簧￠)，由此共同構成可沿著水 平方向作簡諧振動的彈簧振子結構；該水平彈簧振子整體套設在所述導向機構上，並且第 一彈簧（5)和第二彈簧（6)兩者的部分簧絲各自與所述堵頭（4)上的外螺紋相嚙合； 所述傳感單元包括安裝在支架（1)底板上的霍爾傳感器（8)和設置在小質量物體（7) 上的磁極（9)，並用於對所述水平彈簧振子執行簡諧振動的運動周期進行測量。
2. 如權利要求1所述的用於太空微重力環境的小質量測量系統，其特徵在於，上述測 量系統基於以下公式執行對小質量物體的質量測量：
其中，m表示作為待測量對象的小質量物體的質量，單位為kg ;m(l表示所述水平彈簧振 子中兩個彈簧的總質量，單位為kg ;T表示所述水平彈簧振子執行簡諧振動的運動周期，單 位為秒；k表示所述水平彈簧振子中兩個彈簧的勁度係數之和。
3. 如權利要求1或2所述的用於太空微重力環境的小質量測量系統，其特徵在於，所述 導向機構譬如由空氣軸承（2)和設置其上的直線導軌（3)共同組成。
4. 如權利要求1-3任意一項所述的用於太空微重力環境的小質量測量系統，其特徵在 於，所述小質量物體（7)與第一彈簧（5)、第二彈簧（6)相連的部位同樣加工成堵頭結構，該 堵頭結構呈端部倒圓處理的圓柱體，並在端部的外表面上各自加工有外螺紋，由此與第一 彈簧（5)和第二彈簧（6)兩者的部分簧絲分別相嚙合。
5. 如權利要求4所述的用於太空微重力環境的小質量測量系統，其特徵在於，上述測 量系統還包括中央處理單元，該中央處理單元用於對所述傳感單元所測得的數據進行計算 處理，並輸出至顯示單元予以輸出。
【文檔編號】G01G9/00GK104142174SQ201410360068
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年7月25日 優先權日:2014年7月25日
【發明者】王院生, 汪洪豔, 慄慶元 申請人:湖北三江航天險峰電子信息有限公司