微推力與微衝量的直接標定方法

2023-10-20 04:48:42

專利名稱：微推力與微衝量的直接標定方法
技術領域：
本發明涉及一種微推力與微衝量的直接標定方法，特別是應用於電推進、雷射微推進等的微推力與微衝量測量設備，如扭擺、重力擺及電磁天平等的標定。
背景技術：
對微推力器的推力與衝量的測量一般是將推力器放置在測量臺架上，通過觀察在微推力作用下推力測量裝置的力學行為間接地得到推力或者衝量。微推力與微衝量測量裝置有扭擺、重力擺和電磁天平等。對微推力的直接標定目前實用的有兩種方法，一是重力法，另外一種是電磁力法。用重力法標定靜態力有兩種形式，一種是滑輪法，另外一種是三力平衡法。以扭擺為例，滑輪法是用一根細線通過滑輪將小砝碼與扭擺橫梁相連，滑輪與橫梁之間的細線水平且垂直於橫梁。小砝碼質量即橫梁受到的靜態力，測出橫梁的扭轉角度既可得到扭擺橫梁受力與轉動的對應關係，從而實現扭擺的靜態微推力標定。滑輪法簡單，容易操作，但是細線經過滑輪相連，滑輪的摩擦將引入較大誤差，不能對測量裝置進行精確標定。三角平衡法也屬於重力標定，靜態微推力標定時，將三條細線的一端連接為一點，另一段分別與橫梁、小砝碼和可移動的杆架相連，調整杆架，使連接橫梁的細線保持水平，已知小砝碼重量並測出連接杆架的細線與豎直方向的夾角既可計算出橫梁所受的力，進而測出橫梁的轉動角度既可實現扭擺的靜態力標定。這個方法利用了作用於同一點的三力平衡原理，克服了滑輪法無法消除摩擦的缺點，但由於細線具有一定質量，且砝碼重量很難做到微牛及微牛以下的量級，因此這種方法的標定下限較大，很難標定極微小的力。在電磁方法標定靜態力方面，湯海濱(Haibin Tang, Chenbo Shi, Xin^i Zhang,et al. Pulsed thrust measurements using electromagnetic calibration techniques.Review of Scientific Instruments 82, 2011)製作了一個能產生一定範圍的均勻磁場的永磁鐵並將其固定於扭擺橫梁，利用永磁鐵和位置固定的通電線圈之間的作用力來標定靜態力與扭擺橫梁轉動之間的關係。利用這種方法進行標定時，永磁鐵產生磁場的均勻度不是很高，當標定過程中永磁鐵與通電線圈之間相對位移較大時將產生較大誤差。對衝量的標定一般採用衝擊法。電磁天平的標定方法是將已知質量的小球在已知高度上做自由落體運動，小球落到天平橫梁上的掛籃裡，認為小球動量全部傳遞給了電磁天平，這樣即得到一個已知衝量與電磁天平動態響應的對應關係，從而實現衝量的直接標定。對於扭擺的衝量標定則是採用小球或小杆在一定水平速度下衝擊橫梁，用高速攝影等技術測量小球碰到橫梁前後的速度，這樣即可得到衝量與扭擺動態響應之間的關係。衝擊法進行微衝量標定存在兩個問題，一是碰撞時小球的速度測量誤差及非彈性碰撞給標定帶來較大誤差，二是小球質量不可能做得太小，對極微小的衝量難於標定。

發明內容
本發明要解決的技術問題是，針對現有微推力與微衝量直接標定方法誤差大及過、於微小的推力和衝量難於標定的問題，為扭擺、重力擺及電磁天平等測量裝置提供一種誤差小、標定範圍廣、精度高、簡單可靠的微推力與微衝量標定方法。本發明的技術解決方案是利用帶氣隙的環形電磁鐵2氣隙中磁感應強度分布均勻且漏磁很小的特點，將一段載流導線穿過氣隙，導線將受到安培力的作用，已知該安培力的大小和作用時間，即可進行微推力和微衝量標定。進行微推力標定時，首先，利用高精度電子秤測量受力線圈I載流時在環形電磁鐵2氣隙磁場作用下所受安培力，根據測量數據獲得受力線圈I電流與安培力的線性關係；然後，將受力線圈I安裝在測量裝置的受力點(如扭擺的橫梁3上)，調整好環形電磁鐵2的位置並保持氣隙磁場不變，使受力線圈I的安培力方向為需要標定的推力方向；最後，根據受力線圈I的電流與安培力的線性關係，獲得扭擺橫梁3受力與扭轉角度之間的線性關係，從而實現微推力的標定。在標定過程中，環形電磁鐵2也可採用環形永磁鐵，該環形永磁鐵的磁場分布與環形電磁鐵2類似，並帶氣隙。
環形電磁鐵的氣隙寬度較窄，氣隙之中的磁場分布均勻，磁芯和氣隙之外漏磁很小。環形電磁鐵磁芯由剩磁小的軟磁材料組成,環形電磁鐵線圈在通同樣大小的穩恆電流時，氣隙中磁場分布和磁感應強度基本相同。進行微衝量標定時，給受力線圈I加載一已知大小和脈寬的脈衝電流，利用已標定出的受力線圈電流與安培力的線性關係可得出安培力的衝量大小，輸入不同的脈衝電流即可得到不同衝量，測得不同衝量與扭擺橫梁3響應之間的關係既可實現微衝量標定。在標定微推力與微衝量過程中，在被標定裝置允許的情況下，受力線圈I與環形電磁鐵2的位置可以互換。具體步驟
(I)通過微質量測量裝置，如高精度天平或電子秤等，測定受力線圈I在不同穩恆電流下受到的環形電磁鐵2 (或磁場分布與之類似的環形永磁鐵)氣隙中磁場的安培力大小，標定出受力線圈I在同一氣隙磁場下電流與安培力的線性關係。(2)將受力線圈I安裝於微推力與微衝量測量裝置的受力點上，調整環形電磁鐵2的位置和姿態並保持磁場不變，使受力線圈I在氣隙磁場作用下產生的安培力與要測量的推力作用方向一致；給受力線圈I加載已知的恆定電流，測量微推力與微衝量測量裝置的響應，如橫梁2扭轉角度或擺幅等，根據已標定出的受力線圈I電流與安培力的線性關係可標定出靜態推力與測量裝置對力的響應的關係。(3)在受力線圈I上加載一脈衝電流，由示波器等測出通過受力線圈I的電流大小和時間，由已標定出的受力線圈I的電流與安培力的線性關係可得脈衝電流所對應的衝量大小，測定微推力與微衝量測量裝置的響應既可實現微衝量的標定。本發明的有益效果為
(I)由於受力線圈電流可做到很小，因此可標定IOOnNs甚至更小的力；(2)實現了微衝量的精確標定，且衝量標定範圍大，可實現IOnNs (甚至更小)到mNs範圍的衝量標定；(3)採用環形永磁鐵，或採用剩磁很小的坡莫合金鐵芯的電磁鐵，在電磁鐵線圈通同樣大小電流情況下，氣隙磁場大小可重複性好，這樣，微推力和微衝量標定準確度高、誤差小。


圖I是扭擺微推力與微衝量標定示意圖。
具體實施例方式圖I所示為扭擺微推力與微衝量標定方法示意圖,標定步驟如下
I、將受力線圈I (0. 15mm漆包銅線，20匝)放置於高精度電子秤的託盤之中，用輔助裝置使之保持豎直狀態並給受力線圈I通上已知大小的電流；對環形電磁鐵2的線圈加載固定大小電流(或者直接用環形帶氣隙的永磁鐵代替環形電磁鐵2)，用輔助裝置使環形電磁鐵2保持一定姿態，使受力線圈I的一段導線從環 形電磁鐵2的氣隙中穿過，受力線圈在氣隙磁場作用下受到一豎直向上或向下的安培力作用。導線穿過氣隙的長度為10mm，磁感應強度為0.7特斯拉，若受力線圈I電流大小為I PA，根據安培力公式，則可得受力線圈I所受到的力約為140nN。2、讀取電子秤在受力線圈I加載電流之前和之後的數據，測得與受力線圈I電流對應的安培力的大小；保持環形電磁鐵2氣隙磁場不變，測量受力線圈I在不同電流下的安培力，標定出受力線圈I電流與安培力的線性關係。3、將受力線圈I安裝於扭擺橫梁3上，受力線圈I和環形電磁鐵2安裝位置如圖I所示，環形電磁鐵2氣隙磁場不變，給受力線圈I加載已知的恆定電流，測量扭擺橫梁3轉過的角度，根據安培力作用點和步驟2標定出的受力線圈I電流與安培力的線性關係可標定出微推力與扭擺轉動角度的線性關係。4、在受力線圈I上接一電阻，用信號發生器在受力線圈I上加載脈衝電壓信號，由示波器可測出通過受力線圈I的電流大小和時間，由步驟2標定出的受力線圈I電流與安培力的線性關係可得出脈衝電壓信號所對應的衝量大小，測定扭擺橫梁3的擺動幅度既可實現扭擺衝量的標定。
權利要求
1.一種微推力與微衝量的直接標定方法，其特徵在於，利用帶氣隙的環形電磁鐵2氣隙中磁感應強度分布均勻且漏磁很小的特點，將載流導線穿過氣隙，導線將受到安培力的作用，已知該安培力的大小和作用時間，即可進行微推力和微衝量標定， 進行微推力標定時，首先，利用高精度電子秤測量受力線圈(I)載流時在環形電磁鐵(2)恆定的氣隙磁場作用下所受安培力，根據測量數據獲得受力線圈(I)電流與安培力的線性關係；然後，將受力線圈(I)安裝在測量裝置的受力點，如扭擺橫梁(3)上，調整好環形電磁鐵(2)的位置並保持氣隙磁場不變，使受力線圈(I)的安培力方向為需要標定的推力方向；最後，根據受力線圈的電流與安培力的線性關係，獲得扭擺橫梁受力與扭轉角度之間的對應關係，從而實現微推力的標定； 進行微衝量標定時，給受力線圈(I)加載一已知大小和脈寬的脈衝電流，利用已標定出的受力線圈電流與安培力的線性關係，得出安培力的衝量大小，輸入不同的脈衝電流即可得到不同衝量，測得不同衝量與扭擺橫梁響應之間的關係，即可實現微衝量標定。
2.根據權利要求I所述的標定方法，其特徵在於，環形電磁鐵(2)也可用永磁鐵代替，該永磁鐵帶氣隙，且其氣隙區域的磁場分布應與環形電磁鐵(2)類似。
3.根據權利要求I所述的標定方法，其特徵在於，環形電磁鐵的氣隙寬度窄，氣隙之中的磁場分布均勻，磁芯和氣隙之外漏磁小。
4.根據權利要求I所述的標定方法，其特徵在於，環形電磁鐵磁芯由剩磁小的軟磁材 料組成，環形電磁鐵線圈在通同樣大小的穩恆電流時，氣隙中磁場分布和磁感應強度相同。
5.根據權利要求I所述的標定方法，其特徵在於，在標定微推力與微衝量過程中，受力線圈(I)與環形電磁鐵(2)的位置可以互換。
全文摘要
本發明請求保護一種微推力與微衝量的直接標定方法。該方法利用了電磁鐵氣隙中磁感應強度分布均勻且漏磁很小的特點，將載流導線穿過氣隙，導線將受到一安培力的作用，測定安培力大小和作用時間，即可進行微推力和微衝量標定。進行靜態推力標定時，將受力線圈安裝在測量裝置的受力點，調整好電磁鐵位置，使受力線圈的安培力方向為需要標定的推力方向，根據受力線圈的電流與所受安培力的線性關係，可實現靜態推力的標定。進行微衝量標定時，通過測定受力線圈電流的大小和作用時間，利用已標定出的受力線圈電流與安培力的線性關係可得出安培力的衝量大小，從而實現動態衝量的標定。該方法彌補了現有標定方法的不足，具有誤差小，精度高，標定範圍廣等突出優點。
文檔編號G01G23/01GK102721456SQ20121021550
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月27日 優先權日2012年6月27日
發明者何振, 劉澤軍, 吳建軍, 張代賢, 張帆, 張銳, 魯高飛 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學