[發(fā)明專利]一種光纖扭秤微推力測量裝置及方法

有效

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• 申請日: 2022-05-24
• 公開（公告）號: CN114964577B
• 公開（公告）日: 2023-03-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 徐志林;吳俊輝;張以祥;梁浴榕;周澤兵
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號: G01L1/24
• 分類號: G01L1/24;G01L5/00
• 代理公司: 武漢華之喻知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 42267
• 代理人: 廖盈春;曹葆青

本發(fā)明公開了一種光纖扭秤微推力測量裝置及方法，裝置包括：扭秤模塊和光學(xué)測量模塊；扭秤模塊包括真空光纖導(dǎo)引、光纖光柵法布里珀羅微結(jié)構(gòu)、光纖懸絲、配重、推進(jìn)器、秤桿和真空腔；光纖光柵法布里珀羅微結(jié)構(gòu)刻蝕在所述光纖懸絲上，真空光纖導(dǎo)引用于將激光引入到真空腔內(nèi)的光纖中；推進(jìn)器用于產(chǎn)生推力，光纖懸絲在推力作用下扭轉(zhuǎn)一定的角度，光纖光柵法布里珀羅微結(jié)構(gòu)用于傳感光纖懸絲扭轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的本征雙折射變化；光學(xué)測量模塊用于通過測量光纖懸絲的本征雙折射變化獲得扭秤的扭轉(zhuǎn)角度。本發(fā)明采用的光纖懸絲集懸掛和扭轉(zhuǎn)測量為一體，可以解決傳統(tǒng)扭秤結(jié)構(gòu)的推力測量裝置中利用扭轉(zhuǎn)角度測量推力精度低、操作困難、安裝復(fù)雜的缺點。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于弱力測量技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種光纖扭秤微推力測量裝置及方法。

背景技術(shù)

微牛量級推進(jìn)器在衛(wèi)星的無托曳控制以及編隊飛行和相對位置保持控制方面具有重要應(yīng)用。推力測量裝置可以對推進(jìn)器的推力進(jìn)行精確測量，在推進(jìn)器的性能表征和實際應(yīng)用中具有重要意義。近年來國內(nèi)外發(fā)展出多種推進(jìn)器推力測量技術(shù)，例如扭秤結(jié)構(gòu)、天平結(jié)構(gòu)、單擺結(jié)構(gòu)、雙擺結(jié)構(gòu)等等。扭秤作為一種有效的弱力測量工具被廣泛應(yīng)用于精密測量領(lǐng)域，隨著推進(jìn)器質(zhì)量和體積的小型化，扭秤結(jié)構(gòu)被越來越多的用于推進(jìn)器測量實驗中。

在以往基于扭秤結(jié)構(gòu)的推力測量系統(tǒng)中，需要用到自準(zhǔn)直儀、激光位移傳感器、電容傳感器等角度測量系統(tǒng)來計算推力大小。在實際應(yīng)用中，扭秤通常放置于真空系統(tǒng)中，放置在真空系統(tǒng)外部的光學(xué)角度測量裝置必須通過真空法蘭窗口將激光入射到具有一定反射率的秤桿上才能對扭轉(zhuǎn)角度進(jìn)行精確測量，這增加了實際操作的難度，同時也對測量系統(tǒng)的集成化以及噪聲處理有了更高的要求。電容傳感器雖然具有集成度高的優(yōu)點，但是角度測量的動態(tài)范圍和靈敏度相互制約且存在靜電力和電磁干擾等問題。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種光纖扭秤推力測量裝置及方法，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中利用鎢絲扭秤結(jié)構(gòu)導(dǎo)致測量裝置復(fù)雜且測量精度低的問題。

本發(fā)明提供了一種光纖扭秤微推力測量裝置，包括：扭秤模塊和光學(xué)測量模塊；扭秤模塊包括真空光纖導(dǎo)引、光纖光柵法布里珀羅微結(jié)構(gòu)、光纖懸絲、配重、推進(jìn)器、秤桿和真空腔；光纖光柵法布里珀羅微結(jié)構(gòu)刻蝕在光纖懸絲上，光纖懸絲的一端與真空光纖導(dǎo)引連接，光纖懸絲的另一端與秤桿的中心相連，秤桿的一端附著有配重，秤桿的另一端與推進(jìn)器連接；光纖懸絲用于懸掛配重、推進(jìn)器和秤桿，且光纖懸絲、配重、推進(jìn)器和秤桿均設(shè)置在真空腔內(nèi)，且真空光纖導(dǎo)引設(shè)置在真空腔上方，用于將激光引入到真空腔內(nèi)的光纖中；推進(jìn)器用于產(chǎn)生推力，光纖懸絲在推力作用下扭轉(zhuǎn)一定的角度，光纖光柵法布里珀羅微結(jié)構(gòu)用于傳感光纖懸絲扭轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的本征雙折射變化；光學(xué)測量模塊與扭秤模塊連接，用于通過測量光纖懸絲的本征雙折射變化獲得扭秤的扭轉(zhuǎn)角度。

更進(jìn)一步地，光纖懸絲為刻寫有光纖光柵法布里-珀羅微結(jié)構(gòu)的單模光纖或低雙折射保偏光纖，其材料為二氧化硅，直徑范圍為(30～125)μm，長度范圍為0.1m～3m，中心波長為1550nm。

更進(jìn)一步地，秤桿為扭秤結(jié)構(gòu)，且與光纖懸絲垂直設(shè)置，用于連接推進(jìn)器和配重并使得使推進(jìn)器和配重處于平衡狀態(tài)，便于推力的測量。

其中，秤桿的材料可以為合金鋁材或石英玻璃。

更進(jìn)一步地，光學(xué)測量模塊中的測量光路集成為一體，且設(shè)置在遠(yuǎn)離所述扭秤模塊的位置，防止對扭秤模塊產(chǎn)生干擾。