[發明專利]微小力的動態旋轉測量系統及測量與標定方法

有效

• 申請號: 201610928922.8
• 申請日: 2016-10-31
• 公開（公告）號: CN107543636B
• 公開（公告）日: 2019-07-26
• 發明（設計）人: 何世熠;夏彥;歐陽曉平;姜利祥;王三勝;韓然;歐學東;沈自才
• 申請（專利權）人: 北京衛星環境工程研究所
• 主分類號: G01L1/08
• 分類號: G01L1/08;G01L25/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.微小力的動態旋轉測量系統，所述旋轉是磁懸浮轉子系統，包括一環狀超導導軌，一硬磁轉子，硬磁轉子通過支架支撐在超導導軌上；轉子由轉軸、轉子支架、葉片構成，轉軸為硬磁材料的扁平圓柱環，根據葉片與轉子支架數量的不同，其上沿周向均勻開有3～12個3mm寬，5mm長的通孔供轉子支架一端徑向插入，轉子支架為輕型鈦合金材料矩形長條，轉子支架長度在15mm到50mm之間不等，用以配合不同的微小力；轉子支架另一端設置有葉片，葉片采用輕型鈦合金材料，為矩形網狀薄板，葉片個數對應為3-12個，每片葉片上附著所需測量的持續力，并在葉片下方角落處附著一小塊反光片用以測量，其中，轉子支架配有兩組不同長度，當轉子支架長度增加時，待測微小力提供的動力距呈線性增加，同時旋轉系統所受阻力與系統轉動慣量也同時增加，存在的最優轉子支架長度是增加或減少20mm作為另一組轉子支架的長度，即確定兩組轉子支架長度。

2.低阻力旋轉系統的微小力測量與標定方法，微小力測量與標定方法使用權利要求1所述的微小力的動態旋轉測量系統，微小力的總推力σ的范圍在10^-9～10^-5N；

包括下述步驟：

a.確定測量與標定中所用的兩組臂長

預先簡單估計待測微小力的量級，將待測微小力附著在葉片上，每組轉子支架和葉片個數取3-12個，轉子支架配有兩組不同長度，當轉子支架長度增加時，待測微小力提供的動力距呈線性增加，同時旋轉系統所受阻力與系統轉動慣量也同時增加，存在最優的轉子支架長度；結合實際操作中對轉子支架的長度下限和上限的其他要求，利用模擬程序對系統進行建模并確定使得轉子在預估量級的微小力作用下加速度最高的最優轉子支架長度，而后增加或減少20mm作為另一組轉子支架的長度，即確定兩組轉子支架長度；

b.對兩種不同轉子支架長度的組合的轉動慣量進行標定

通過落體法，對轉動慣量進行標定，采用測角加速度法；

對于一轉子支架長度，具體公式為：

其中m_i,β_i,i＝1,2,3,4為四次測量的落體配重和角加速度；J₁,J₂分別為轉軸的轉動慣量和固定待測轉子后的總轉動慣量；R為繞線半徑；g為本地重力加速度；

c.標定系統阻力角速度、測量動力角速度

標定時，通過電磁啟動給定一個初始角速度ω₀，而后不提供任何動力，在阻力的作用下轉子將會逐漸變慢，經簡化其運動規律為：

ω_f＝ω₀-ft

其中，ω_f為轉子的角速度，ω₀為初始角速度，f為系統阻力產生的角加速度，t為時間；

測量時，系統有一定初始速度，在動力的作用下，運動會逐漸加速，利用運動方程可知在實驗測量期間滿足

ω_c＝ω₀+at

其中，ω_c為轉子的角速度，ω₀為初始角速度，a為動力與阻力同時作用對系統產生的角加速度，t為時間；

對兩種不同轉子支架長度的組合進行測量，利用實驗中電腦記錄的脈沖時間t_i，i＝1,2,3,4，記錄點1、2之間和3、4之間轉子轉過的角度θ，以及記錄1、2與記錄3、4之間的間隔時間T，得到轉子的加速度：

其中，T應當比max{(t₂-t₁),(t₄-t₃)}大至少一個量級；

d.選擇測量加速度的時間參數

轉子加速度ζ的誤差公式為：

其中，(Δt)₁和(Δt)₂分別代表步驟c中所述的t₂-t₁差值和t₄-t₃差值，選擇T＞＞max{1,(t₂-t₁),(t₄-t₃)}，θ為2π的倍數，則第一項和第二項誤差很好控制；

標定或測量開始約20分鐘之后，利用電腦測得(Δt)₁；第三項誤差有最小值根據角速度的近似線性變化規律，選擇T使得二者比例接近此最優值；

e.消除微小力力心與旋轉中心軸的偏差，得到小推力σ

兩次測量時，不更換葉片，只更換長度不同的轉子支架，對應的角加速度與轉動慣量分別為a₁,J₁；a₂,J₂，由于葉片、中心轉軸、連接方式均無改變，則兩次測量中轉子支架的長度差即為推力半徑的長度差ΔL，總推力σ滿足：

f.由推力σ與葉片的面積和個數得到所需的推力面密度或推力脈沖大小。