一種基於雙光束幹涉原理的高精度光學微小推力測量系統的製作方法
2023-05-25 07:22:16 2
一種基於雙光束幹涉原理的高精度光學微小推力測量系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開一種基於雙光束幹涉原理的高精度光學微小推力測量系統，包括發動機懸掛組件、推力標定組件、推力測量光學系統。推力測量光學系統用於產生幹涉條紋；通過發動機懸掛組件將待測量發動機吊裝，在推力標定組件中碼盤上放置砝碼產生推力，模擬待測量發動機的推力。將推力施加於變形模使變形膜形變，進而使幹涉條紋吞吐圈數變化。通過對幹涉條紋吞吐圈數變化量計數，由計算機生成推力-計數個數曲線作為標定曲線。待測發動機產生的推力同樣可使幹涉條紋吞吐圈數變化，通過計數裝置進行計數後輸入計算機，生成計數個數-時間曲線，進而結合標定曲線，可得到推力-時間曲線。本發明的優點為：測量所需傳感器少，結構簡單，可靠性高，測量精確。
【專利說明】 一種基於雙光束幹涉原理的高精度光學微小推力測量系統
【技術領域】
[0001]本發明屬於航天發動機領域，涉及一種發動機微小推力測量裝置，具體來說，是一種具有微推力測量與標定組件的，用於測量I μ N至IN推力的發動機推力測量裝置。
【背景技術】
[0002]推力測量實驗是考核火箭發動機的最直接有效地方法，而推力是測量試驗中最重要的測量參數之一。只有獲得實際測量的推力，才能獲得發動機的實際性能參數，進而完成發動機的設計和研製等工作。
[0003]在航天領域一般把小於等於IN的推力稱為微推力。目前對於微推理的測量方式比較多，如目標靶法、天平法、懸擺法、光學法。目前較流行的方法大多基於平衡力原理，即利用測量系統產生一微小力與微推力相平衡。但是此基於此原理的系統較為複雜，傳感器數量較多，對部件連接處無摩擦要求較高。
【發明內容】
[0004]針對上述問題，本發明提出一種基於雙光束幹涉原理的高精度光學微小推力測量系統，以活動反射鏡敏感推力標定系統的推力，以接收平面檢測幹涉條紋的變化並向數據接收處理系統輸出電信號從而實現推力的檢測。
[0005]本發明一種基於雙光束幹涉原理的高精度光學微小推力測量系統，包括發動機懸掛組件、推力標定組件、推力測量光學系統與計算機。
[0006]所述發動機懸掛組件用來將待測量發動機懸掛於固定面上。
[0007]所述推力標定組件包括標定中心杆、推桿、標定魚線、滑輪、升降滑輪安裝座與託盤。其中，標定中心杆與推桿的固定端螺紋安裝在待測量發動機的推力輸出端端部；使推桿位於標定中心杆上方；標定中心杆的自由端與標定魚線一端固連，標定魚線繞過可升降滑輪安裝座上安裝的滑輪，另一端與託盤上安裝的託盤掛鈎相連。
[0008]所述推力測量光學系統包括雷射器、擴束鏡、分光鏡、活動高反鏡、固定高反鏡、變形膜、變形膜安裝架、幹涉條紋檢測電路與計數裝置；其中，雷射器的發射端安裝有擴束鏡；分光鏡、活動高反鏡與固定高反鏡的安裝位置為:使擴束後的雷射束射向分光鏡，通過分光鏡將擴束後的雷射束分為兩路，一路垂直照射至活動高反鏡，另一路垂直照射至固定高反鏡，並分別經活動高反鏡與固定高反鏡表面反射後，在分光鏡處匯合，使兩路反射光在分光鏡處匯合處產生幹涉效應；產生幹涉效應的兩路雷射束由接收面接收，在接收面上形成具有一定相位差的幹涉條紋。
[0009]上述活動高反鏡固定安裝於變形膜上；變形膜安裝在變形膜安裝架上；變形膜安裝架前端面周向設計有凸緣，用來固定變形膜；且使變形膜處於張緊狀態。變形膜支架沿軸向開有推力輸出通道，推力輸出通道內安裝有直線軸承，推力標定組件中推桿的自由端作為推理輸出端，通過直線軸承安裝在推力輸出通道內。
[0010]所述幹涉條紋檢測電路包括雪崩光電二極體與電流放大整形電路。其中，雪崩光電二極體和電流放大整形電路均安裝在接收面上；雪崩光電二極體為兩隻，分別設置於幹涉條紋亮度不同位置；進而通過兩個雪崩光電二極體將光信號轉化成電信號，通過電流放大整形電路將電流信號放大、整形後，將模擬信號轉化為數位訊號傳輸至計數裝置。計數裝置用來實現幹涉條紋的識別，並以計數的方式統計幹涉條紋的吞吐圈數變化量，並且對統計數據進行保存，同時在自帶的顯示屏幕中將統計數據進行顯示；上述計數裝置與計算機相連，將統計數據發送至計算機。
[0011]應用上述結構發動機推力測量裝置進行推力測量前，將本發明發動機推力測量裝置置於水平面上，由於託盤的自重，使標定魚線繃緊，推力輸出端部將頂住變形膜使變形膜產生預緊，此時本發明發動機推力測量裝置處於初始狀態。隨後，對待測量發動機的推力進行標定，方式為:首先，將計數裝置清零；然後在託盤中放置已知質量的砝碼，通過標定魚線將砝碼的重力作用到標定中心杆上，再通過推桿傳遞到變形膜中心，使變形膜產生變形，該變形量即活動高反鏡的位移；此時，造成活動高反鏡光路上光線光程變換，使幹涉條紋吞吐圈數變化；由此，通過在託盤上放置不同質量的砝碼，使變形膜上的活動高反鏡產生不同的位移量，從而產生不同的幹涉條紋吞吐圈數變化量；幹涉條紋吞吐圈數變化量由幹涉條紋檢測電路進行測量統計後，將統計數據發送至計算機，通過計算機根據每次接收到的統計數據，結合每次放置的砝碼質量，建立推力與計數個數的關係曲線，作為標定曲線。
[0012]本發明的優點在於:
[0013]1、本發明基於雙光束幹涉原理的高精度光學微小推力測量系統，採用雙光束幹涉原理，將測力彈性件的微小變形量轉化為幹涉條紋吞吐數量的計數信號，使得測量精確、簡單方便；
[0014]2、本發明基於雙光束幹涉原理的高精度光學微小推力測量系統，能測量的推力量級可小至微牛量級，並能實現微小推力的高精度測量；
[0015]3、本發明基於雙光束幹涉原理的高精度光學微小推力測量系統，相比於現有的測量裝置，集成度高，各部件較為輕便，易於搬動；
[0016]4、本發明基於雙光束幹涉原理的高精度光學微小推力測量系統，需要的傳感器少，結構簡單，可靠性高；
[0017]5、本發明基於雙光束幹涉原理的高精度光學微小推力測量系統，不受發動機外形的影響，推力通過推力連杆作用於裝置變形膜片實現測量；
[0018]6、本發明基於雙光束幹涉原理的高精度光學微小推力測量系統，各部件通用性強，來源廣泛，易於置換與維護。
[0019]7、本發明基於雙光束幹涉原理的高精度光學微小推力測量系統，實驗數據可用過RS485轉入計算機，可實現推力的實時數據監視以及後期數據分析。
[0020]8、本發明基於雙光束幹涉原理的高精度光學微小推力測量系統中，發動機推力連杆採用點接觸式的推力頂尖，有效解決了在測量推力時作用點不確定的問題。
[0021]9、本發明基於雙光束幹涉原理的高精度光學微小推力測量系統中，變形膜可根據所測量推力大小的不同進行更換，實現了同一套裝置對不同推力量級發動機的高精度推力測量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為本發明基於雙光束幹涉原理的高精度光學微小推力測量系統整體結構示意圖；
[0023]圖2為本發明基於雙光束幹涉原理的高精度光學微小推力測量系統中推力標定組件結構示意圖；
[0024]圖3為本發明基於雙光束幹涉原理的高精度光學微小推力測量系統中推力測量光學系統結構示意圖；
[0025]圖4為應用本發明基於雙光束幹涉原理的高精度光學微小推力測量系統，對模型發動機進行五次標定的標定機構圖。
[0026]圖中:
[0027]1-發動機懸掛組件2-推力標定組件3-推力測量光學系統
[0028]4-計算機5-待測量發動機201-標定中心杆
[0029]202-推桿203-標定魚線204-滑輪
[0030]205-升降滑輪安裝座 206-託盤207-託盤掛鈎
[0031]301-雷射器302-擴束鏡303-分光鏡
[0032]304-活動高反鏡305-固定高反鏡306-變形模
[0033]307-變形膜安裝架308-幹涉條紋檢測電路 309-計數裝置
[0034]310-凹透鏡205a-支撐座205b_活動杆
[0035]205c-鎖緊螺柱205d-滑輪安裝平臺 308a_雪崩光電二極體
[0036]308b-電流放大整形電路
【具體實施方式】
[0037]下面結合附圖來對本發明做進一步說明。
[0038]本發明基於雙光束幹涉原理的高精度光學微小推力測量系統，包括發動機懸掛組件1、推力標定組件2、推力測量光學系統3與計算機4，如圖1所示。
[0039]所述發動機懸掛組件I包括懸掛螺栓101與懸掛魚線102，用來將待測量發動機5懸掛於固定面上；其中，懸掛螺柱101固定安裝在待測量發動機5前後兩端側壁處，分別通過懸掛魚線102與安裝面固定，由此實現待測量發動機5的吊裝。
[0040]所述推力標定組件2包括標定中心杆201、推桿202、標定魚線203、滑輪204、升降滑輪安裝座205與託盤206，如圖2所示。
[0041]其中，標定中心杆201與推桿202的固定端螺紋安裝在待測量發動機5的推力輸出端端部；使標定中心杆201與待測量發動機5同軸；且使推桿202平行於標定中心杆201，且位於標定中心杆201的正上方。標定中心杆201的自由端與標定魚線203 —端固連，標定魚線203繞過可升降滑輪安裝座205上安裝的滑輪204，另一端與託盤206上安裝的託盤掛鈎207相連。推桿202的自由端為尖端，端部為弧面，作為推力輸出端，用來將待測量發動機5產生的推力輸出至推力測量光學系統。上述可升降滑輪安裝座205設置在安裝面上，包括支撐座205a、活動杆205b、鎖緊螺柱205c與滑輪安裝平臺205d構成；支撐座205a為豎直筒裝結構，內部同軸設置有活動杆205b ;活動杆205b頂端作為升降端，與滑輪安裝平臺205d螺紋固連。由此，通過活動杆205b沿支撐座205a軸向滑動；實現滑輪安裝平臺205d的升降。支撐座205a側壁上開有定位螺紋孔，內部螺紋連接有鎖緊螺柱205c，通過擰緊鎖緊螺柱205c，實現活動杆205b的固定。
[0042]所述推力測量光學系統3安裝於光學麵包板上，包括雷射器301、擴束鏡302、分光鏡303、活動高反鏡304、固定高反鏡305、變形膜306、變形膜安裝架307、幹涉條紋檢測電路308與計數裝置309，如圖3所示。
[0043]所述雷射器301功率為130mw，可產生波長為532nm綠色雷射；雷射器301的發射端安裝有擴束鏡302，利用雷射束的高單色性，由擴束鏡302對雷射器301發射的雷射束擴束，將雷射束照射面積放大十倍。分光鏡303、活動高反鏡304與固定高反鏡305均為反射率99.9%的高反鏡，安裝位置為:使擴束後的雷射束射向分光鏡303，通過分光鏡303將擴束後的雷射束分為兩路，一路垂直照射至活動高反鏡304，另一路垂直照射至固定高反鏡305，並分別經活動高反鏡304與固定高反鏡305表面反射後，在分光鏡303處匯合，通過調節固定高反鏡305與活動高反鏡304在二軸(X、y軸)上的位置，使兩路反射光在分光鏡303處匯合處產生幹涉效應。產生幹涉效應的兩路雷射束由接收面接收，可在接收面上形成具有一定相位差的幹涉條紋。接收面可通過U型鏡架支撐，通過接收鏡架實現接收面的位置調節。上述結構組成了一個邁克耳遜幹涉儀，以活動高反鏡304敏感推力標定組件2的推力，以接收面檢測幹涉條紋的變化並向計算機輸出電信號從而實現推力的檢測，具體為:
[0044]上述活動高反鏡304固定安裝於變形膜306上；變形膜306安裝在變形膜安裝架307上。變形膜安裝架307安裝在二軸可調光學支座上，以實現變形膜306的二軸可調，進而達到活動高反鏡304的二軸可調。變形膜安裝架307具有前後兩端面，前端面面積大於後端面面積，周向設計有凸緣310，用來固定變形膜306 ;且使變形膜306處於張緊狀態，並與變形膜支架307前端面間保持一定間隙。變形膜支架307沿軸向開有推力輸出通道，推力輸出通道內安裝有直線軸承，推力標定組件2中推桿202與推力輸出通道同軸設置，推桿202的推力輸出端設置在推力輸出通道內，使推力輸出端端部位於活動高反鏡304背面的正中心位置；且推桿202的推力輸出端與直線軸承相連，通過直線軸承限制推桿202沿推力輸出通道軸向的直線運動。由此，推力輸出端輸出的推力可推動變形膜進一步變形，使活動高反鏡304產生位移，造成活動高反鏡304光路上光線光程變換，引起幹涉條紋移動(即幹涉條紋吞吐變化)。
[0045]所述幹涉條紋檢測電路308用來檢測幹涉條紋的吞吐變化，包括雪崩光電二極體308a與電流放大整形電路。其中，雪崩光電二極體308a和電流放大整形電路均安裝在接收面上；由於雪崩光電二極體308a具有受到不同光強的光照時產生不同強度電流的特性；由此，在幹涉條紋暗紋照射時，產生較小電流；而在幹涉條紋亮紋照射時，產生較大光電流。因此，本發明中採用兩隻雪崩光電二極體308a，分別設置於幹涉條紋亮度不同位置。進而通過兩個雪崩光電二極體308a將光信號轉化成電信號，通過電流放大整形電路將電流信號放大、整形後，將模擬信號轉化為數位訊號傳輸至計數裝置309。計數裝置309具有條紋雙向移動的計數功能，可實現幹涉條紋的識別，並通過加減計算，以計數的方式統計幹涉條紋的吞吐圈數變化量，並且對統計數據進行保存，同時在自帶的顯示屏幕中將統計數據進行顯示。上述計數裝置309具有RS485轉換器接口，通過RS-485轉換器的並口數據線與計算機4相連，將統計數據發送至計算機4。本發明中在接收面與分光鏡303間還設置有焦距為-50mm的凹透鏡310，用以擴大幹涉條紋，易於幹涉條紋檢測電路308檢測幹涉條紋的變化。
[0046]應用上述結構發動機推力測量裝置進行推理測量前，將本發明發動機推力測量裝置置於水平面上，由於託盤206的自重，使標定魚線203繃緊，推力輸出端部將頂住變形膜306使變形膜306產生預緊，此時本發明發動機推力測量裝置處於初始狀態。隨後，對待測量發動機5的推力進行標定，方式為:首先，將計數裝置309清零；然後在託盤206中放置已知質量的砝碼，通過標定魚線203將砝碼的重力作用到標定中心杆201上，再通過推桿202傳遞到變形膜306中心，使變形膜306產生(微小)變形，該變形量即活動高反鏡304的位移；此時，造成活動高反鏡304光路上光線光程變換，使幹涉條紋吞吐圈數變化；由此，通過在託盤上放置不同質量的砝碼(由小質量砝碼開始逐次增加砝碼質量)，使變形膜306上的活動高反鏡304產生不同的位移量，從而產生不同的幹涉條紋吞吐圈數變化量；幹涉條紋吞吐圈數變化量由幹涉條紋檢測電路308進行測量統計後，將統計數據發送至計算機4，通過計算機4根據每次接收到的統計數據，結合每次放置的砝碼質量，建立推力與計數個數(幹涉條紋吞吐圈數變化量)的關係曲線，作為標定曲線。
[0047]在對待測量發動機5進行推力測量時，通過計數裝置309實時顯示計數個數，並每間隔時刻T，對計數個數進行保存，並發送至計算機4，建立計數個數隨時間變化的曲線。由此，結合標定曲線即可得到待測量發動機5的推力；同時計算機4還根據標定曲線，得到待測量發動機5的推力隨時間變化的曲線。
[0048]以模型發動機替代真實發動機，搭建本發明推力測量系統，對模型發動機進行五次標定，得到五組標定結果如圖4所示，標定所得計數裝置309計數個數與推力大小關係的線性相關係數為:
[0049]R2 = 0.9999
[0050]可看出，本發明推力測量系統有非常好的線性力-位移響應結果和重複性。經過分析，本發明推力測量系統的最大絕對測量誤差為8.07187mN，對於此次標定的最大量程，最大測量誤差為2%，已達到實用的推力測量裝置測量精度。
【權利要求】
1.一種基於雙光束幹涉原理的高精度光學微小推力測量系統，其特徵在於:包括發動機懸掛組件、推力標定組件、推力測量光學系統與計算機； 所述發動機懸掛組件用來將待測量發動機懸掛於固定面上； 所述推力標定組件包括標定中心杆、推桿、標定魚線、滑輪、升降滑輪安裝座與託盤；其中，標定中心杆與推桿的固定端螺紋安裝在待測量發動機的推力輸出端端部；使推桿位於標定中心杆上方；標定中心杆的自由端與標定魚線一端固連，標定魚線繞過可升降滑輪安裝座上安裝的滑輪，另一端與託盤上安裝的託盤掛鈎相連； 所述推力測量光學系統包括雷射器、擴束鏡、分光鏡、活動高反鏡、固定高反鏡、變形膜、變形膜安裝架、幹涉條紋檢測電路與計數裝置；其中，雷射器的發射端安裝有擴束鏡；分光鏡、活動高反鏡與固定高反鏡的安裝位置為:使擴束後的雷射束射向分光鏡，通過分光鏡將擴束後的雷射束分為兩路，一路垂直照射至活動高反鏡，另一路垂直照射至固定高反鏡，並分別經活動高反鏡與固定高反鏡表面反射後，在分光鏡處匯合，使兩路反射光在分光鏡處匯合處產生幹涉效應；產生幹涉效應的兩路雷射束由接收面接收，在接收面上形成具有一定相位差的幹涉條紋； 上述活動高反鏡固定安裝於變形膜上；變形膜安裝在變形膜安裝架上；變形膜安裝架前端面周向設計有凸緣，用來固定變形膜；且使變形膜處於張緊狀態；變形膜支架沿軸向開有推力輸出通道，推力輸出通道內安裝有直線軸承，推力標定組件中推桿的自由端作為推理輸出端，通過直線軸承安裝在推力輸出通道內； 所述幹涉條紋檢測電路包括雪崩光電二極體與電流放大整形電路；其中，雪崩光電二極體和電流放大整形電路均安裝在接收面上；雪崩光電二極體為兩隻，分別設置於幹涉條紋亮度不同位置；進而通過兩個雪崩光電二極體將光信號轉化成電信號，通過電流放大整形電路將電流信號放大、整形後，將模擬信號轉化為數位訊號傳輸至計數裝置；計數裝置用來實現幹涉條紋的識別，並以計數的方式統計幹涉條紋的吞吐圈數變化量，並且對統計數據進行保存，同時在自帶的顯示屏幕中將統計數據進行顯示；上述計數裝置與計算機相連，將統計數據發送至計算機。
2.如權利要求1所述一種基於雙光束幹涉原理的高精度光學微小推力測量系統，其特徵在於:所述接收面與分光鏡間設置有凹透鏡。
3.如權利要求1所述一種基於雙光束幹涉原理的高精度光學微小推力測量系統，其特徵在於:在進行推理測量前，託盤的自重使標定魚線繃緊，推力輸出端部將頂住變形膜使變形膜產生預緊，此時本發明發動機推力測量裝置處於初始狀態。
4.如權利要求1所述一種基於雙光束幹涉原理的高精度光學微小推力測量系統，其特徵在於:在進行推理測量前，需對待測量發動機的推力進行標定，方式為:在託盤上放置不同質量的砝碼，使變形膜上的活動高反鏡產生不同的位移量，從而產生不同的幹涉條紋吞吐圈數變化量；幹涉條紋吞吐圈數變化量由幹涉條紋檢測電路進行測量統計後，將統計數據發送至計算機，通過計算機根據每次接收到的統計數據，結合每次放置的砝碼質量，建立推力與計數個數的關係曲線，作為標定曲線。
5.如權利要求4所述一種基於雙光束幹涉原理的高精度光學微小推力測量系統，其特徵在於:每次放置砝碼前需將計數裝置清零。
6.如權利要求1所述一種基於雙光束幹涉原理的高精度光學微小推力測量系統，其特徵在於:在對待測量發動機進行推理測量時，通過計數裝置實時顯示計數個數，並每間隔時刻T，對計數個數進行保存，並發送至計算機，建立計數個數隨時間變化的曲線；由此，結合標定曲線即可得到待測量發動機的推力；同時計算機還根據標定曲線，得到待測量發動機的推力隨時間變化的曲線。
【文檔編號】G01L1/24GK104280168SQ201410545775
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年10月15日 優先權日:2014年4月24日
【發明者】賀碧蛟, 黃子惟, 萬屹侖, 田松巖, 劉乙君, 石慶利 申請人:北京航空航天大學