[發(fā)明專利]一種微推力測試系統(tǒng)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610318356.9
• 申請日: 2016-05-13
• 公開（公告）號: CN105784237B
• 公開（公告）日: 2018-10-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李飛;余西龍;郭大華
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院力學(xué)研究所
• 主分類號: G01L5/00
• 分類號: G01L5/00;G01L25/00
• 代理公司: 北京和信華成知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11390
• 代理人: 胡劍輝

本發(fā)明公開一種微推力測試系統(tǒng),其適用于1～1000mN，推重比為10^?5～10^?2范圍內(nèi)的推力的測試，在測量帶寬足夠的情況下，大大提高了測量精度。其包括臺架、位移傳感器、在線標定組件、阻尼系統(tǒng)、計算機測控設(shè)備；所述計算機測控設(shè)備包括相連的高頻數(shù)據(jù)采集卡、工控機、顯示裝置；反射式激光位移傳感器采集的位移數(shù)據(jù)通過工控機處理后經(jīng)過顯示裝置來展現(xiàn)；工控機控制升降臺的高度，測量標準砝碼加載下的擺推力響應(yīng)，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)推力標定；工控機控制阻尼系統(tǒng)來使臺架靜止。還提供了采用這種裝置的測試方法。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于物理學(xué)的技術(shù)領(lǐng)域，具體地涉及一種微推力測試系統(tǒng)，以及采用該系統(tǒng)的測試方法，其主要用于推力1～1000mN、推重比為10^-5～10^-2范圍內(nèi)的推力的測試。

背景技術(shù)

微型推力器的特點是推力比較小，一般推力在數(shù)百毫牛量級，精確測量如此小的推力比較困難。對于微型推力器，它還可以以脈沖形式工作，因此，不僅存在如何測量小推力的問題，還需要測量脈沖沖量。為縮短測試準備時間、減弱環(huán)境噪聲的影響，必須考慮臺架阻尼；為避免長期測試的零漂，必須考慮在線標定推力的問題。因此，高精度、高環(huán)境可靠性的推力測量技術(shù)，是微型推力器研究中必須發(fā)展的技術(shù)之一。

國內(nèi)外的微推力/沖量測量技術(shù)，測量方法可概括為兩種類型：

(1)直接法：當推力較大，且推重比較大時，將推力器直接放置于測力傳感器上，進行推力的直接測量。當推力較大，但推重比較小，常利用設(shè)計精密的天平臺架來平衡推力器的重力，再利用壓電陶瓷等力傳感器，將推力信號直接轉(zhuǎn)換為電信號，后接放大器，再采集記錄。壓電傳感器的“零變形”特征使其成為動態(tài)響應(yīng)最佳的測量元件，其頻率能夠達到數(shù)十kHz。因此，測量系統(tǒng)的固有頻率主要取決于天平臺架機械件。為提高固有頻率，必須硬化機械部件，這必然減小了推力測量的靈敏度。此外，受制于小量程力傳感器的測力下限，這種測力方法僅能夠?qū)崿F(xiàn)較大推重比情況下的數(shù)百mN以上的推力測量。若用于更小的推力測試，無法保證足夠的測量精度。

(2)間接法：設(shè)計不同結(jié)構(gòu)的推力臺架，將推力測量轉(zhuǎn)化為臺架位移或加速度測量。常用的臺架結(jié)構(gòu)類型包括單擺、雙擺或扭擺等，它可以通過標定靜態(tài)推力與臺架位移/加速度之間的關(guān)系，實現(xiàn)平均推力測量。這種方法也是應(yīng)用最為廣泛的微小推力測量方法，其中單擺結(jié)構(gòu)一般進行mN量級的推力測量，扭擺多用于mN、uN甚至nN量級的推力測量。

逐一分析上述可借鑒方案的優(yōu)劣，不難發(fā)現(xiàn)，雖然直接法的測量帶寬足夠，但利用測力傳感器直接進行mN級推力測試，測量精度很難滿足要求。商用測力傳感器中，量程最小的約為10N(PCB,209C01)，其最大響應(yīng)頻率100kHz，非線性度<1％，估計其測量精度在數(shù)十mN量級，測量精度不滿足要求。并且，大部分推力器的推重比很小，如10^-5～10^-2，難以利用直接測力法。

間接測力法中，常將測力轉(zhuǎn)為測量位移或者加速度。在加速度方案中，需要測量推進器點火前后臺架速度變化,也就是臺架動量的改變,來測試平均推力。該方法不但需要測試臺架的速度,而且需要進行臺架有效質(zhì)量的標定，同時,推力作用時間也需要精確測量。相較于位移方法，該方法應(yīng)用較少。在位移測量方案中，需要設(shè)計不同結(jié)構(gòu)的推力臺架，將推力測量轉(zhuǎn)化為臺架位移測量。它可以通過標定靜態(tài)推力與臺架位移之間的關(guān)系，實現(xiàn)平均推力測量。這是應(yīng)用最為廣泛的微小推力測量方法，可實現(xiàn)低至亞微牛頓的微力測量。但現(xiàn)有的微小推力測量技術(shù)的測量帶寬不足，難以同時測量微小推力和微沖量，同時需要實現(xiàn)在線標定和提供操作簡便性和環(huán)境適用性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種微推力測試系統(tǒng),其適用于推重比為10^-5～10^-2范圍內(nèi)1～1000mN的推力的測試。實現(xiàn)很高的測量帶寬，大大提高了測量精度。