[發(fā)明專利]豎直擺式微小推力測(cè)試臺(tái)裝置、標(biāo)定方法及弱力測(cè)試方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011518085.4
• 申請(qǐng)日: 2020-12-21
• 公開（公告）號(hào): CN112504534A
• 公開（公告）日: 2021-03-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 涂海波;劉坤;孫恒;胡明;柳林濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院
• 主分類號(hào): G01L5/00
• 分類號(hào): G01L5/00;G01L1/08
• 代理公司: 深圳國(guó)新南方知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44374
• 代理人: 周純

本發(fā)明涉及弱力測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種豎直擺式微小推力測(cè)試臺(tái)裝置、標(biāo)定方法及弱力測(cè)試方法。本發(fā)明的豎直擺式微小推力測(cè)試臺(tái)裝置，包括真空容器、測(cè)試臺(tái)框架、豎直擺擺體、反饋音圈電機(jī)、標(biāo)定音圈電機(jī)以及微位移測(cè)量?jī)x，豎直擺擺體下端設(shè)有推進(jìn)器；通過(guò)上述方式，豎直擺擺體處于平衡狀態(tài)時(shí)，推進(jìn)器與反饋音圈電機(jī)分別向所述豎直擺擺體施加的微推進(jìn)力和反饋弱力具有線性關(guān)系，在保證測(cè)試精度的條件下，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)以及操作方法；并且，豎直擺擺體處于平衡狀態(tài)時(shí)，標(biāo)定音圈電機(jī)與反饋音圈電機(jī)分別向所述豎直擺擺體施加的標(biāo)準(zhǔn)弱力和反饋弱力方向具有線性關(guān)系，標(biāo)定音圈電機(jī)可以對(duì)反饋音圈電機(jī)的反饋弱力進(jìn)行標(biāo)定，保證了裝置的測(cè)量精度。

【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明涉及弱力測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種豎直擺式微小推力測(cè)試臺(tái)裝置、標(biāo)定方法及弱力測(cè)試方法。

【背景技術(shù)】

分辨率在微牛頓量級(jí)及更高精度的微推進(jìn)器在高精度太空實(shí)驗(yàn)中有重要應(yīng)用。在高精度的深空探測(cè)、空間衛(wèi)星編隊(duì)飛行等空間任務(wù)中，對(duì)衛(wèi)星的姿態(tài)控制和軌道控制的精度要求越來(lái)越高，而控制的執(zhí)行器即是高精度空間微推進(jìn)器，它是空間任務(wù)極其重要的組成部分，其性能也決定了空間任務(wù)的執(zhí)行質(zhì)量甚至成敗。另外，空間引力波探測(cè)計(jì)劃、衛(wèi)星重力場(chǎng)測(cè)量、空間等效原理檢驗(yàn)、空間微重力隔振等項(xiàng)目中，還需要用微推進(jìn)器對(duì)衛(wèi)星或局部載荷受到的非引力擾動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，進(jìn)行所謂的無(wú)拖曳控制。

而地面性能評(píng)估測(cè)試和精度標(biāo)定是微推進(jìn)器發(fā)展的必由之路，也是其空間應(yīng)用的前提條件之一。

應(yīng)用于空間任務(wù)的高精度微推進(jìn)器的地面測(cè)試是一件困難的事情。原因在于：地面測(cè)試無(wú)法避免1g₀地表重力加速度的影響，對(duì)于微推進(jìn)器而言(通常質(zhì)量在公斤量級(jí))，所受到的重力是地面測(cè)試中不可避免的背景力，而需要測(cè)試的微弱推力僅為其重力的10⁶～10⁸分之一！另外，普通實(shí)驗(yàn)室地面的地表震動(dòng)噪聲(seismic noise)可以達(dá)到10^-5m/s²甚至更大，也是亞微牛頓精度的微推力測(cè)試和標(biāo)定的主要限制因素之一。

為了在地面實(shí)現(xiàn)亞微牛頓級(jí)的精密微推力測(cè)試和標(biāo)定，多個(gè)國(guó)家的研究團(tuán)隊(duì)提出了不同的測(cè)試方案。(Meas.Sci.Technol.17,2006,711；IEPC-2009-236)，大都是基于扭稱、單擺、倒擺等原理構(gòu)建對(duì)弱力靈敏的機(jī)械結(jié)構(gòu)，結(jié)合精密位移傳感器進(jìn)行弱力標(biāo)定。其中法國(guó)onera的測(cè)試方案和德國(guó)airbus的測(cè)試方案的基本原理均是采用含有配平質(zhì)量的豎直擺方案，前者用加速度計(jì)測(cè)量地面震動(dòng)并在數(shù)據(jù)處理中扣除相應(yīng)誤差，后者用兩個(gè)名義上相同的擺做位移差分測(cè)量，該方案潛在分辨率高、控制帶寬達(dá)到10Hz而從眾多方案中脫穎而出，并得到了長(zhǎng)足發(fā)展。而在國(guó)內(nèi)，針對(duì)微推進(jìn)器尚沒有兼具高分辨率又具有赫茲量級(jí)測(cè)量帶寬的測(cè)量方案的公開報(bào)道。

為了在地面實(shí)驗(yàn)室獲得高的微弱推力測(cè)試和標(biāo)定精度，常用共模抑制的思想(即差分測(cè)量的方案)來(lái)抑制地面震動(dòng)、環(huán)境溫度波動(dòng)等噪聲。法國(guó)航空航天局(ONERA)在測(cè)試框架上安裝加速度計(jì)，同步測(cè)量地面震動(dòng)并通過(guò)擺的傳遞函數(shù)進(jìn)行扣除，該方法中的噪聲扣除精度受傳遞函數(shù)精度和加速度計(jì)噪聲的限制，且對(duì)其他環(huán)境擾動(dòng)噪聲沒有共模抑制能力。德國(guó)空客公司提出在同一個(gè)框架上構(gòu)建兩個(gè)名義上相同的擺，差分測(cè)量?jī)蓚€(gè)擺的位移，從而扣除共模噪聲。不管該微推測(cè)量擺工作在開環(huán)或閉環(huán)模式下，該方法的共模抑制比都依賴于擺的傳遞函數(shù)的獲取和匹配精度，該匹配在一定程度上限制了測(cè)量精度。

另外，上述方案中，其轉(zhuǎn)軸還用于給擺體上的部件供電。從而，該方案在減少導(dǎo)線帶來(lái)的不確定噪聲的同時(shí)，電流的熱效應(yīng)會(huì)改變轉(zhuǎn)軸的溫度和剛度的穩(wěn)定性，從而不利于抑制與溫度相關(guān)的漂移。

對(duì)于脈沖式推進(jìn)器的沖量的測(cè)量，需要測(cè)試臺(tái)具有盡可能小的阻尼系數(shù)，上述阻尼擺工作于臨界阻尼或過(guò)阻尼狀態(tài)，并不適用于這種情況。盡管現(xiàn)有技術(shù)CN201410647212.9已做過(guò)研究，但該裝置未使用配平體等手段，在推進(jìn)器重力引起的較大剛度作用下，一定的沖量引起的擺角位移會(huì)偏小，且對(duì)地面沒有隔振效果，會(huì)在一定程度上限制測(cè)試精度。