[實用新型]一種基于PSD的C型管扭擺測量系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201320547582.6
• 申請日: 2013-09-05
• 公開（公告）號: CN203465047U
• 公開（公告）日: 2014-03-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 何振;吳建軍;張華;魯高飛;劉澤軍
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號: G01L5/00
• 分類號: G01L5/00
• 代理公司: 湖南省國防科技工業(yè)局專利中心 43102
• 代理人: 馮青

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及一種基于高靈敏度光電位置傳感器?PSD(Position?Sensitive?Detector)的C型管扭擺測量系統(tǒng)。

背景技術(shù)

對電推推進(jìn)或激光微推進(jìn)的推力測量包括平均推力測量和脈沖沖量測量。微推力測量主要是基于微推力測量臺架進(jìn)行的，其實質(zhì)是通過觀察在微推力作用下推力測量臺架的力學(xué)響應(yīng)從而間接地測量推力或者沖量。根據(jù)推力范圍不同，測量方法也不同。對于數(shù)十mN到N級的推力，大多采用稱重式天平臺架，或者重力擺結(jié)構(gòu)；對于μN量級推力，則需要采用扭擺。

2003年，美國M.?Gamero-Casta?o在NASA、噴氣推進(jìn)實驗室和空軍研究實驗室的資助下研制了一臺靈敏度很高的扭擺式微推力測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)能支撐44kg的推力器，微推力測量的分辨率高達(dá)0.03μN^[1]。該扭擺的橫梁由兩個撓性樞軸支撐，橫梁位移由一個光纖位移傳感器（fiber?optic?displacement?sensor,?LDS）來探測。LDS在采集頻率為100赫茲以內(nèi)時的分辨率為5.0nm，因此該扭擺的推力測量分辨率很高。

為研究激光微推進(jìn)的性能，美國光學(xué)學(xué)會的C.?R.?Phipps等人開發(fā)了一種靈敏度極高的扭擺。該扭擺的分辨率為25nN，能支撐15kg的推力器。扭擺能測的最大推力為500μN，精度為0.5%，最小推力為100nN，精度為25%。該扭擺的高分辨率主要得益于半徑很小的扭絲以及光杠桿。

日本東京大學(xué)航空航天學(xué)院H.?Koizumi等人也開發(fā)了與Casta?o類似的扭擺。其沖量測量最小可達(dá)1μNs，精度為0.7μNs。

在國內(nèi)，指揮學(xué)院金星教授對激光單脈沖沖量的扭擺測量方法行了理論分析^[4]。中科大李靜博士也開發(fā)了用于激光燒蝕推力測量的類似于C.?R.?Phipps的扭擺。其扭擺的沖量測試范圍為10^-7Ns~10^-4Ns，可分辨的最小沖量約10^-7Ns。

扭擺的優(yōu)點是靈敏度高。推力器的重力由扭擺扭絲的軸向拉力或桿軸的支撐力承擔(dān)，扭絲的扭轉(zhuǎn)角度反應(yīng)推力大小，因而，對于數(shù)十千克的推力器即使它的推力為μN量級也可用扭擺進(jìn)行測量。對于扭絲類的扭擺，其最大的缺點在于很難將推力器、配重和橫梁三者的重心嚴(yán)格定位在扭絲所在的軸線上。即使在測量之前已將橫梁配平，重心位于扭絲上，在測量過程中，由于橫梁轉(zhuǎn)動和推力的作用，重心很容易偏離扭絲。重心偏離扭絲將引起橫梁角位移的振幅和周期的變化，從而產(chǎn)生較大的測量誤差。M.?Gamero-Casta?o所研制的扭擺由于撓性樞軸的直徑較大，推力器、配重和橫梁三者重心可限制撓性樞軸上，不存在類似扭絲扭擺的問題。這種扭擺可以做到精度很高，但這種扭擺加工、組裝的工藝要求高，研制費用昂貴。

發(fā)明內(nèi)容

本實用新型針對現(xiàn)有扭擺電磁兼容性差的缺點，提出了一種抗電磁干擾能力強(qiáng)，分辨率高，測量誤差小，承載能力強(qiáng)的基于PSD的C型管扭擺測量系統(tǒng)。

所述基于PSD的C型管扭擺測量系統(tǒng)包括：C型管1、激光反射鏡2，橫梁3，激光器4，平面反光鏡Ⅰ5，?PSD?6，平面反光鏡Ⅱ7。

其中，?C型管1兩端固定于扭擺框架上，C型管1保持豎直狀態(tài)。C型管1垂直穿過橫梁3的中心孔，并固定于橫梁上。橫梁3位于C型管1的中間位置，保持水平狀態(tài)。激光反射鏡2位于C型管1內(nèi)部，緊鄰橫梁3。激光反射鏡2的鏡面朝向C型管1開口方向。C型管的中心軸線經(jīng)過激光反射鏡2的鏡面。

平面反光鏡Ⅰ5和平面反光鏡Ⅱ7的鏡面相互平行并且都與C型管1的軸線平行。平面反光鏡Ⅰ5和平面反光鏡Ⅱ7分別位于激光反射鏡2的鏡面兩側(cè)。激光器4固定于扭擺框架上，其發(fā)出的激光入射到激光反射鏡2的中心。經(jīng)激光反射鏡2反射的激光又經(jīng)平面反光鏡Ⅰ5和平面反光鏡Ⅱ7的數(shù)次反射后射入PSD?6。PSD?6也固定于扭擺框架上。激光光斑位置由PSD6測出，根據(jù)光斑位置的變化可計算出扭擺橫梁的位移。

所述C型管為“C”型橫截面開口薄壁圓桿。

所述橫梁上預(yù)留微推力器接口。

該扭擺測量系統(tǒng)繼承了Casta?o扭擺高分辨率的特點，而且安裝方便，研制費用不高。

附圖說明

圖1為圖1橫梁與C型管結(jié)構(gòu)示意圖，

圖2為光杠桿及橫梁位移測量裝配示意圖。

具體實施方式

一種基于PSD的C型管扭擺測量系統(tǒng)包括：C型管1、激光反射鏡2，橫梁3，激光器4，平面反光鏡Ⅰ5，?PSD?6，平面反光鏡Ⅱ7。