[發明專利]一種懸臂式沖量擺的數據處理方法及裝置

有效

• 申請號: 201611246326.8
• 申請日: 2016-12-29
• 公開（公告）號: CN106643812B
• 公開（公告）日: 2019-01-22
• 發明（設計）人: 李小康;段興躍;程謀森;李干
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G01D3/032
• 分類號: G01D3/032
• 代理公司: 長沙智嶸專利代理事務所(普通合伙) 43211
• 代理人: 胡亮

本發明公開了一種懸臂式沖量擺的數據處理方法及裝置，通過獲取初始擺角—時間曲線；對初始擺角—時間曲線中出現的初始跳變數據進行預處理，獲取新的擺角—時間曲線；對新的擺角—時間曲線進行阻尼消除處理，獲取消除阻尼影響的理想最大擺角值；根據獲取的理想最大擺角值，計算出沖量擺的待測沖量。本發明通過對初始擺角—時間曲線中出現的初始跳變數據進行預處理，克服了電磁干擾等因素造成的初始跳變，避免了繁瑣的人工觀察和干預，使數據能夠統一、批量地得到自動處理；對于計算沖量所需要的理想最大擺角，采用對新的擺角—時間曲線進行阻尼消除處理，使得沖量測量更加準確，本發明計算精確度和自動化程度高。

技術領域

本發明涉及太空推進、流場控制及材料處理等領域，特別地，涉及一種機械軸承懸臂式沖量擺的數據處理方法及裝置。

背景技術

太空飛行器的噴氣推進、流場的射流調制、材料的束流加工等領域技術開發中，均存在測量某一瞬態過程產生的微小沖量的需求。懸臂式沖量擺是一種通過測量擺桿的擺動角度間接得到微小沖量值的測量裝置，如圖1所示。其原理為：擺桿轉軸水平，重心位于轉軸下方，初始時刻擺桿處于自由懸垂且靜止狀態；某一時刻擺桿下端受到一近乎瞬間作用的水平方向微小沖量，作用線與轉軸垂直，使擺桿偏離初始位置一定角度后回擺，繞初始靜止位置作往復擺動；若無轉軸摩擦和其它阻尼，根據能量守恒，沖量擺達到的最大擺角表征了初始角速度，據此可反算其受到的沖量值。由以上可知，準確獲得理想最大擺角是精確測量這一微小沖量的關鍵。

采用機械軸承時，由于不可避免的轉軸摩擦的存在，即使其它非理想因素都被消除，沖量擺也將做往復阻尼擺動，直至停止。其原始擺角-時間曲線類似一條幅值逐漸衰減的正弦曲線，如圖2所示。

目前，獲取沖量擺原始擺角-時間曲線的方法分為：

方法1、采用高速相機記錄擺桿擺動過程的時間序列圖像，在后期圖像處理中通過與圖像中參照物(如標有角度刻度的量角器)比較得到擺角-時間曲線。

方法2、采用某種原理的線位移傳感器，測定擺桿上固定點或者固定方向上的線位移-時間曲線，再將之換算為擺角-時間曲線。

方法3、通過固聯于沖量擺轉軸的角位移傳感器(如旋轉編碼器)直接敏感其轉角的實時變化，從而獲得擺角-時間曲線。

其中，對方法1而言，由于沖量擺到達最大擺角時刻是未知的，所采用相機的幀速、分辨率越高則捕捉到最大擺角的時刻越精確。對方法2而言，線位移的測量及向角位移換算，使測量系統復雜度較大。

相比之下，方法3簡單可靠，可以相對直接地獲得擺角-時間信息，應用更加廣泛。該方法的關鍵技術問題是如何根據原始擺角—時間曲線確定沖量擺的理想最大擺角，即消除轉軸機械阻尼等干擾因素后的最大擺角。

然而，方法3中仍存在以下技術難題：

1、原始擺角-時間曲線上脈沖干擾量的剔除：在某些實驗測量場合，產生脈沖沖量的瞬態過程可能伴隨強烈的電磁脈沖干擾因素(例如，采用高壓電容放電的脈沖氣體激光器對固體材料進行燒蝕而產生脈沖沖量的場合)，這些干擾耦合到角位移傳感器的輸出中，使擺角-時間曲線在初始階段產生隨機跳變。不剔除干擾量直接進行后續計算會得到錯誤結果；若每次人工觀察并校正則較為繁瑣。

2、轉軸摩擦與空氣阻尼因素的剔除：沖量擺的擺桿由豎直靜止位置運動至最大擺角位置時，由于受到來自轉軸、空氣等摩擦阻尼等影響，實測的擺角最大幅值不代表沖量擺在所受沖量作用下無阻尼的最大擺角，據此計算獲得的沖量值將小于真實值。上述阻尼往往是轉角位置和速度的非線性函數，剔除方法不當也將引起沖量估測值比實際值偏大或者偏小的誤差。

迄今未見對上述兩個技術難題的高質量解決方案。

發明內容