專利名稱：微推力與微沖量的直接標定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微推力與微沖量的直接標定方法，特別是應(yīng)用于電推進、激光微推進等的微推力與微沖量測量設(shè)備，如扭擺、重力擺及電磁天平等的標定。
背景技術(shù)：
對微推力器的推力與沖量的測量一般是將推力器放置在測量臺架上，通過觀察在微推力作用下推力測量裝置的力學(xué)行為間接地得到推力或者沖量。微推力與微沖量測量裝置有扭擺、重力擺和電磁天平等。對微推力的直接標定目前實用的有兩種方法，一是重力法，另外一種是電磁力法。用重力法標定靜態(tài)力有兩種形式，一種是滑輪法，另外一種是三力平衡法。以扭擺為例，滑輪法是用一根細線通過滑輪將小砝碼與扭擺橫梁相連，滑輪與橫梁之間的細線水平且垂直于橫梁。小砝碼質(zhì)量即橫梁受到的靜態(tài)力，測出橫梁的扭轉(zhuǎn)角度既可得到扭擺橫梁受力與轉(zhuǎn)動的對應(yīng)關(guān)系，從而實現(xiàn)扭擺的靜態(tài)微推力標定?；喎ê唵危菀撞僮?，但是細線經(jīng)過滑輪相連，滑輪的摩擦將引入較大誤差，不能對測量裝置進行精確標定。三角平衡法也屬于重力標定，靜態(tài)微推力標定時，將三條細線的一端連接為一點，另一段分別與橫梁、小砝碼和可移動的桿架相連，調(diào)整桿架，使連接橫梁的細線保持水平，已知小砝碼重量并測出連接桿架的細線與豎直方向的夾角既可計算出橫梁所受的力，進而測出橫梁的轉(zhuǎn)動角度既可實現(xiàn)扭擺的靜態(tài)力標定。這個方法利用了作用于同一點的三力平衡原理，克服了滑輪法無法消除摩擦的缺點，但由于細線具有一定質(zhì)量，且砝碼重量很難做到微牛及微牛以下的量級，因此這種方法的標定下限較大，很難標定極微小的力。在電磁方法標定靜態(tài)力方面，湯海濱(Haibin Tang, Chenbo Shi, Xin^i Zhang,et al. Pulsed thrust measurements using electromagnetic calibration techniques.Review of Scientific Instruments 82, 2011)制作了一個能產(chǎn)生一定范圍的均勻磁場的永磁鐵并將其固定于扭擺橫梁，利用永磁鐵和位置固定的通電線圈之間的作用力來標定靜態(tài)力與扭擺橫梁轉(zhuǎn)動之間的關(guān)系。利用這種方法進行標定時，永磁鐵產(chǎn)生磁場的均勻度不是很高，當標定過程中永磁鐵與通電線圈之間相對位移較大時將產(chǎn)生較大誤差。對沖量的標定一般采用沖擊法。電磁天平的標定方法是將已知質(zhì)量的小球在已知高度上做自由落體運動，小球落到天平橫梁上的掛籃里，認為小球動量全部傳遞給了電磁天平，這樣即得到一個已知沖量與電磁天平動態(tài)響應(yīng)的對應(yīng)關(guān)系，從而實現(xiàn)沖量的直接標定。對于扭擺的沖量標定則是采用小球或小桿在一定水平速度下沖擊橫梁，用高速攝影等技術(shù)測量小球碰到橫梁前后的速度，這樣即可得到?jīng)_量與扭擺動態(tài)響應(yīng)之間的關(guān)系。沖擊法進行微沖量標定存在兩個問題，一是碰撞時小球的速度測量誤差及非彈性碰撞給標定帶來較大誤差，二是小球質(zhì)量不可能做得太小，對極微小的沖量難于標定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有微推力與微沖量直接標定方法誤差大及過、于微小的推力和沖量難于標定的問題，為扭擺、重力擺及電磁天平等測量裝置提供一種誤差小、標定范圍廣、精度高、簡單可靠的微推力與微沖量標定方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是利用帶氣隙的環(huán)形電磁鐵2氣隙中磁感應(yīng)強度分布均勻且漏磁很小的特點，將一段載流導(dǎo)線穿過氣隙，導(dǎo)線將受到安培力的作用，已知該安培力的大小和作用時間，即可進行微推力和微沖量標定。進行微推力標定時，首先，利用高精度電子秤測量受力線圈I載流時在環(huán)形電磁鐵2氣隙磁場作用下所受安培力，根據(jù)測量數(shù)據(jù)獲得受力線圈I電流與安培力的線性關(guān)系；然后，將受力線圈I安裝在測量裝置的受力點(如扭擺的橫梁3上)，調(diào)整好環(huán)形電磁鐵2的位置并保持氣隙磁場不變，使受力線圈I的安培力方向為需要標定的推力方向；最后，根據(jù)受力線圈I的電流與安培力的線性關(guān)系，獲得扭擺橫梁3受力與扭轉(zhuǎn)角度之間的線性關(guān)系，從而實現(xiàn)微推力的標定。在標定過程中，環(huán)形電磁鐵2也可采用環(huán)形永磁鐵，該環(huán)形永磁鐵的磁場分布與環(huán)形電磁鐵2類似，并帶氣隙。
環(huán)形電磁鐵的氣隙寬度較窄，氣隙之中的磁場分布均勻，磁芯和氣隙之外漏磁很小。環(huán)形電磁鐵磁芯由剩磁小的軟磁材料組成,環(huán)形電磁鐵線圈在通同樣大小的穩(wěn)恒電流時，氣隙中磁場分布和磁感應(yīng)強度基本相同。進行微沖量標定時，給受力線圈I加載一已知大小和脈寬的脈沖電流，利用已標定出的受力線圈電流與安培力的線性關(guān)系可得出安培力的沖量大小，輸入不同的脈沖電流即可得到不同沖量，測得不同沖量與扭擺橫梁3響應(yīng)之間的關(guān)系既可實現(xiàn)微沖量標定。在標定微推力與微沖量過程中，在被標定裝置允許的情況下，受力線圈I與環(huán)形電磁鐵2的位置可以互換。具體步驟
(I)通過微質(zhì)量測量裝置，如高精度天平或電子秤等，測定受力線圈I在不同穩(wěn)恒電流下受到的環(huán)形電磁鐵2 (或磁場分布與之類似的環(huán)形永磁鐵)氣隙中磁場的安培力大小，標定出受力線圈I在同一氣隙磁場下電流與安培力的線性關(guān)系。(2)將受力線圈I安裝于微推力與微沖量測量裝置的受力點上，調(diào)整環(huán)形電磁鐵2的位置和姿態(tài)并保持磁場不變，使受力線圈I在氣隙磁場作用下產(chǎn)生的安培力與要測量的推力作用方向一致；給受力線圈I加載已知的恒定電流，測量微推力與微沖量測量裝置的響應(yīng)，如橫梁2扭轉(zhuǎn)角度或擺幅等，根據(jù)已標定出的受力線圈I電流與安培力的線性關(guān)系可標定出靜態(tài)推力與測量裝置對力的響應(yīng)的關(guān)系。(3)在受力線圈I上加載一脈沖電流，由示波器等測出通過受力線圈I的電流大小和時間，由已標定出的受力線圈I的電流與安培力的線性關(guān)系可得脈沖電流所對應(yīng)的沖量大小，測定微推力與微沖量測量裝置的響應(yīng)既可實現(xiàn)微沖量的標定。本發(fā)明的有益效果為
(I)由于受力線圈電流可做到很小，因此可標定IOOnNs甚至更小的力；(2)實現(xiàn)了微沖量的精確標定，且沖量標定范圍大，可實現(xiàn)IOnNs (甚至更小)到mNs范圍的沖量標定；(3)采用環(huán)形永磁鐵，或采用剩磁很小的坡莫合金鐵芯的電磁鐵，在電磁鐵線圈通同樣大小電流情況下，氣隙磁場大小可重復(fù)性好，這樣，微推力和微沖量標定準確度高、誤差小。


圖I是扭擺微推力與微沖量標定示意圖。
具體實施例方式圖I所示為扭擺微推力與微沖量標定方法示意圖,標定步驟如下
I、將受力線圈I (0. 15mm漆包銅線，20匝)放置于高精度電子秤的托盤之中，用輔助裝置使之保持豎直狀態(tài)并給受力線圈I通上已知大小的電流；對環(huán)形電磁鐵2的線圈加載固定大小電流(或者直接用環(huán)形帶氣隙的永磁鐵代替環(huán)形電磁鐵2)，用輔助裝置使環(huán)形電磁鐵2保持一定姿態(tài)，使受力線圈I的一段導(dǎo)線從環(huán) 形電磁鐵2的氣隙中穿過，受力線圈在氣隙磁場作用下受到一豎直向上或向下的安培力作用。導(dǎo)線穿過氣隙的長度為10mm，磁感應(yīng)強度為0.7特斯拉，若受力線圈I電流大小為I PA，根據(jù)安培力公式，則可得受力線圈I所受到的力約為140nN。2、讀取電子秤在受力線圈I加載電流之前和之后的數(shù)據(jù)，測得與受力線圈I電流對應(yīng)的安培力的大??；保持環(huán)形電磁鐵2氣隙磁場不變，測量受力線圈I在不同電流下的安培力，標定出受力線圈I電流與安培力的線性關(guān)系。3、將受力線圈I安裝于扭擺橫梁3上，受力線圈I和環(huán)形電磁鐵2安裝位置如圖I所示，環(huán)形電磁鐵2氣隙磁場不變，給受力線圈I加載已知的恒定電流，測量扭擺橫梁3轉(zhuǎn)過的角度，根據(jù)安培力作用點和步驟2標定出的受力線圈I電流與安培力的線性關(guān)系可標定出微推力與扭擺轉(zhuǎn)動角度的線性關(guān)系。4、在受力線圈I上接一電阻，用信號發(fā)生器在受力線圈I上加載脈沖電壓信號，由示波器可測出通過受力線圈I的電流大小和時間，由步驟2標定出的受力線圈I電流與安培力的線性關(guān)系可得出脈沖電壓信號所對應(yīng)的沖量大小，測定扭擺橫梁3的擺動幅度既可實現(xiàn)扭擺沖量的標定。
權(quán)利要求
1.一種微推力與微沖量的直接標定方法，其特征在于，利用帶氣隙的環(huán)形電磁鐵2氣隙中磁感應(yīng)強度分布均勻且漏磁很小的特點，將載流導(dǎo)線穿過氣隙，導(dǎo)線將受到安培力的作用，已知該安培力的大小和作用時間，即可進行微推力和微沖量標定， 進行微推力標定時，首先，利用高精度電子秤測量受力線圈(I)載流時在環(huán)形電磁鐵(2)恒定的氣隙磁場作用下所受安培力，根據(jù)測量數(shù)據(jù)獲得受力線圈(I)電流與安培力的線性關(guān)系；然后，將受力線圈(I)安裝在測量裝置的受力點，如扭擺橫梁(3)上，調(diào)整好環(huán)形電磁鐵(2)的位置并保持氣隙磁場不變，使受力線圈(I)的安培力方向為需要標定的推力方向；最后，根據(jù)受力線圈的電流與安培力的線性關(guān)系，獲得扭擺橫梁受力與扭轉(zhuǎn)角度之間的對應(yīng)關(guān)系，從而實現(xiàn)微推力的標定； 進行微沖量標定時，給受力線圈(I)加載一已知大小和脈寬的脈沖電流，利用已標定出的受力線圈電流與安培力的線性關(guān)系，得出安培力的沖量大小，輸入不同的脈沖電流即可得到不同沖量，測得不同沖量與扭擺橫梁響應(yīng)之間的關(guān)系，即可實現(xiàn)微沖量標定。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的標定方法，其特征在于，環(huán)形電磁鐵(2)也可用永磁鐵代替，該永磁鐵帶氣隙，且其氣隙區(qū)域的磁場分布應(yīng)與環(huán)形電磁鐵(2)類似。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的標定方法，其特征在于，環(huán)形電磁鐵的氣隙寬度窄，氣隙之中的磁場分布均勻，磁芯和氣隙之外漏磁小。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的標定方法，其特征在于，環(huán)形電磁鐵磁芯由剩磁小的軟磁材 料組成，環(huán)形電磁鐵線圈在通同樣大小的穩(wěn)恒電流時，氣隙中磁場分布和磁感應(yīng)強度相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的標定方法，其特征在于，在標定微推力與微沖量過程中，受力線圈(I)與環(huán)形電磁鐵(2)的位置可以互換。
全文摘要
本發(fā)明請求保護一種微推力與微沖量的直接標定方法。該方法利用了電磁鐵氣隙中磁感應(yīng)強度分布均勻且漏磁很小的特點，將載流導(dǎo)線穿過氣隙，導(dǎo)線將受到一安培力的作用，測定安培力大小和作用時間，即可進行微推力和微沖量標定。進行靜態(tài)推力標定時，將受力線圈安裝在測量裝置的受力點，調(diào)整好電磁鐵位置，使受力線圈的安培力方向為需要標定的推力方向，根據(jù)受力線圈的電流與所受安培力的線性關(guān)系，可實現(xiàn)靜態(tài)推力的標定。進行微沖量標定時，通過測定受力線圈電流的大小和作用時間，利用已標定出的受力線圈電流與安培力的線性關(guān)系可得出安培力的沖量大小，從而實現(xiàn)動態(tài)沖量的標定。該方法彌補了現(xiàn)有標定方法的不足，具有誤差小，精度高，標定范圍廣等突出優(yōu)點。
文檔編號G01G23/01GK102721456SQ20121021550
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月27日
發(fā)明者何振, 劉澤軍, 吳建軍, 張代賢, 張帆, 張銳, 魯高飛 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)