專利名稱：微型固體化學推進器推力測量裝置的制作方法
微型固體化學推進器推力測量裝置所屬領域 本發(fā)明涉及了一種微型固體化學推進器的推力測量裝置
背景技術：
推進系統(tǒng)是大多數(shù)航天器的關鍵子系統(tǒng)，主要用于航天器的位置保持、姿態(tài)控制、引力補償和軌道調(diào)整等。隨著微型航天器，如微衛(wèi)星、納衛(wèi)星、皮衛(wèi)星技術的不斷成熟，若需要微型航天器完成某些特殊任務，如衛(wèi)星編隊飛行，則需要給這些微型航天器配備推進系統(tǒng)。由于傳統(tǒng)的推進系統(tǒng)體積和質(zhì)量都比較大，不能適用于微型航天器，因此迫切需求適合于微型衛(wèi)星的高可靠性、低功耗、微推力、微沖量的微型推進系統(tǒng)。如何測量微型推進系統(tǒng)的推力一直是研究熱點，通過對微型推進系統(tǒng)推力的測量可以為微型衛(wèi)星推力系統(tǒng)的研究提供必要的參考。劉明侯在“微推進器推力測試技術” [1]中給出了幾種微推進器推力的測量方法并指出用位移傳感器側(cè)惟一的方法目前比較適合 國內(nèi)的推力測試研究，對于UN級的推力測量一般有扭擺結(jié)構(gòu)，雙擺結(jié)構(gòu)或者四壁配重結(jié)構(gòu)等。熊繼軍在“實現(xiàn)微牛級動態(tài)推力測試的方法和實驗研究”[2]中給出了一種利用位移來測量動態(tài)推力的方法。但是利用位移傳感器來測量微小推力會受限于位移傳感器的測量精度，會有比較大的測量誤差(文獻2中測量誤差為10%)。隨著MEMS加速度計和MEMS陀螺儀精度的不斷提高，使得測量天平梁瞬時運動過程中的角加速度和角速度成為可能，角速度、角加速度和位移結(jié)合分析計算可以豐富測量手段，并減小因單一傳感器測量造成的誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種微型固體化學推進器的推力測量裝置，通過力平衡天平消除推進系統(tǒng)和傳感器自重對測量結(jié)果的影響；采用多傳感器測量組合，減小因單一傳感器測量造成的測量誤差，提高測量精度；通過實時監(jiān)測傳感器的數(shù)據(jù)可以得出微化學推進器的推力隨時間的變化，為μ N級微型固體化學推進器的設計改進和微型衛(wèi)星動力系統(tǒng)的設計提供重要參考。本發(fā)明的解決方案是微型固體化學推進器推力測量裝置，主要包括支撐部件、力平衡天平、MEMS慣性測量組合7、電容傳感器13、微型固體化學推進器10，信號與處理系統(tǒng)；所述支撐部件用于容納其余部件，包括在真空腔I內(nèi)放置的防震墊11，以及固定于防震墊11上的支撐底座17 ；所述電容傳感器13通過支架與所述支撐部件固連；所述力平衡天平為等臂天平，包括橫梁2、豎梁12和微調(diào)平衡裝置；所述橫梁2和豎梁12固連成對稱的十字架結(jié)構(gòu)，且通過橫梁2中心放置于支撐底座17上的天平支刀5上；所述微調(diào)平衡裝置使得橫梁2處于水平方向；所述MEMS慣性測量組合7固定于豎梁12上，包括一個單軸MEMS加速度計和一個單軸MEMS陀螺儀；所述微型固體化學推進器10固定于豎梁12上；且微型固體化學推進器10產(chǎn)生推力方向不與豎梁12平行；所述信號與處理系統(tǒng)包括一個具有模擬信號放大濾波和數(shù)模轉(zhuǎn)化的信號處理電路15和固定于豎梁12上的信號總線14 ;所述信號總線14包括電容傳感器輸出信號線18、MEMS慣性測量組合輸出信號線19和微化學推進器點火控制信號線；信號總線14用卡線座8固定在天平支撐底座17上，通過天平支刀5連接到MEMS慣性測量組合7和微化學推進器10并用卡線座8固定在豎梁12上；在豎梁12與橫梁2連接的部分有信號線冗余。測量時，首先通過調(diào)整微調(diào)平衡裝置的配重砝碼6使得橫梁2基本處于水平方向，然后通過調(diào)平螺母3仔細調(diào)節(jié)使得橫梁2水平；通過固定在天平豎梁12上的信號線給微型固體化學推進器10點火，點火之后產(chǎn)生推力使得天平豎梁12產(chǎn)生擺動，MEMS慣性測量組合7測量豎梁12在運動過程中的加速度和角加速度，電容傳感器13測量其與豎梁12之間的電容，MEMS慣性測量組合與電容傳感器的信號均通過固定于天平豎梁12上的信號線傳輸給真空腔I外邊的信號處理電路，信號處理電路對信號進行放大濾波數(shù)模轉(zhuǎn)換等處理之后傳輸給計算機進行處理計算得到微型固體化學推進器10的推力變化曲線?！?br> 本發(fā)明的有益效果通過力平衡天平實現(xiàn)了消除推進系統(tǒng)和傳感器自重對測量結(jié)果的影響；采用多傳感器測量組合，減小因單一傳感器測量造成的測量誤差，提高測量精度；通過MEMS慣性測量組合與電容傳感器相結(jié)合可以測量出微化學推進器的最大推力，同時可以實時監(jiān)測推力的大小變化。


圖I為本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)2為本發(fā)明的力平衡天平的裝配側(cè)視中1_真空腔；2-橫梁；3_調(diào)平螺母；4_緊固螺栓；5_天平支刀；6_配重砝碼；7-MEMS慣性測量組合；8_卡線座；9_微化學推進器控制信號線；10_微化學推進器；11_防震墊；12_豎梁；13_電容傳感器；14-信號總線；15-信號處理電路；16-處理顯示計算機；17-支撐底座；18_電容傳感器輸出信號線；19-MEMS慣性測量組合輸出信號線。
具體實施例方式實施例I :微型固體化學推進器推力測量裝置，該裝置包括力平衡天平、MEMS慣性測量組合
7、電容傳感器13、微型固體化學推進器10、信號與處理系統(tǒng)；參閱圖1，本實施例中的微型固體化學推進器推力測量裝置，主要包括支撐部件、力平衡天平、MEMS慣性測量組合7、電容傳感器13、微型固體化學推進器10，信號與處理系統(tǒng)；所述支撐部件用于容納其余部件，包括在真空腔I內(nèi)放置的防震墊11，以及固定于防震墊11上的支撐底座17 ;防震墊11用于隔絕外界振動對天平的影響；所述電容傳感器13通過支架與所述支撐部件固連；電容傳感器13用來測量天平豎梁12的位移；所述力平衡天平為等臂天平，包括橫梁2、豎梁12和微調(diào)平衡裝置；所述橫梁2和豎梁12材料均為密度小于400kg/m3，厚度小于5mm的纖維板，以減輕質(zhì)量，增大豎梁12在運動中的加速度、角速度和位移信號，橫梁2和豎梁12固連成對稱的十字架結(jié)構(gòu)，且通過橫梁2中心放置于支撐底座17上的天平支刀5上；所述微調(diào)平衡裝置使得橫梁2處于水平方向；本實施例中的微調(diào)平衡裝置包括分別位于橫梁2兩端的兩個配重砝碼6以及固定于橫梁中心的調(diào)平螺母3;所述MEMS慣性測量組合7固定于豎梁12上，包括一個單軸MEMS加速度計和一個單軸MEMS陀螺儀;MEMS加速度計用來測量天平豎梁12在運動過程中的加速度，MEMS陀螺儀用來測量天平豎梁12在運動過程中的角加速度；所述微型固體化學推進器10固定于豎梁12上；且微型固體化學推進器10產(chǎn)生推力方向與豎梁12垂直；所述信號與處理系統(tǒng)包括一個具有模擬信號放大濾波和數(shù)模轉(zhuǎn)化的信號處理電路15和固定于豎梁12上的信號總線14 ;所述信號總線14包括電容傳感器輸出信號線18、MEMS慣性測量組合輸出信號線19和微化學推進器點火控制信號線；為了減小信號線的運動對于測量的影響，本實施例中采用絕緣外徑小于O. 5mm的柔性信號線；信號總線14用來采集所述電容傳感器和MEMS慣性測量組合產(chǎn)生的電壓信號；信號總線14用卡線座8固定在天平支撐底座17上，通過天平支刀5連接到MEMS慣性測量組合7和微化學推進器10并用卡線座8固定在豎梁12上；在豎梁12與橫梁2連接的部分有信號線冗余。作為替代方式，本實施例中的橫梁2和豎梁12的材料也可以是膠合板，LDPE塑料板等板材；本實施例的工作過程首先按照圖I所示將裝置裝配起來，裝配好以后調(diào)整兩個配重砝碼6的質(zhì)量使得天平豎梁12的方向近似于重力加速度方向，然后細微調(diào)整調(diào)平螺母3使得天平豎梁12方向與重力加速度方向相同；開啟控制計算機16和信號處理電路15處于工作狀態(tài)，計算機發(fā)出點火信號通過信號線14傳遞到微化學推進器10，使微化學推進器10點火產(chǎn)生推力，推動力平衡天平的豎梁12運動；信號處理電路15采集MEMS慣性測量組合7和電容傳感器13傳出的數(shù)據(jù)并進行數(shù)模轉(zhuǎn)換和放大濾波等處理，將信號傳輸給計算機16進行計算得出并顯示推力大小曲線，實現(xiàn)了實時監(jiān)測推力大小的變化。
權(quán)利要求
1.微型固體化學推進器推力測量系統(tǒng)，其特征在于主要包括支撐部件、力平衡天平、MEMS慣性測量組合(7)、電容傳感器(13)、微型固體化學推進器(10)，信號與處理系統(tǒng)； 所述支撐部件用于容納其余部件，包括在真空腔(I)內(nèi)放置的防震墊(11)，以及固定于防震墊(11)上的支撐底座(17)； 所述電容傳感器(13)通過支架與所述支撐部件固連； 所述力平衡天平為等臂天平，包括橫梁(2)、豎梁(12)和微調(diào)平衡裝置；所述橫梁(2)和豎梁(12)固連成對稱的十字架結(jié)構(gòu)，且通過橫梁(2)中心放置于支撐底座(17)上的天平支刀(5)上；所述微調(diào)平衡裝置使得橫梁(2)處于水平方向； 所述MEMS慣性測量組合(7)固定于豎梁(12)上，包括一個單軸MEMS加速度計和一個單軸MEMS陀螺儀； 所述微型固體化學推進器(10)固定于豎梁(12)上；且微型固體化學推進器(10)產(chǎn)生推力方向不與豎梁(12)平行； 所述信號與處理系統(tǒng)包括一個具有模擬信號放大濾波和數(shù)模轉(zhuǎn)化的信號處理電路(15)和固定于豎梁(12)上的信號總線(14);所述信號總線(14)包括電容傳感器輸出信號線(18)、MEMS慣性測量組合輸出信號線(19)和微化學推進器點火控制信號線；信號總線(14)用卡線座(8)固定在天平支撐底座(17)上，通過天平支刀(5)連接到MEMS慣性測量組合(7)和微化學推進器(10)并用卡線座(8)固定在豎梁(12)上；在豎梁(12)與橫梁(2)連接的部分有信號線冗余。
2.如權(quán)利要求I所述的微型固體化學推進器推力測量系統(tǒng)，其特征在于所述所述橫梁(2)和豎梁(12)材料為密度小于400kg/m3，厚度小于5mm的纖維板。
3.如權(quán)利要求I所述的微型固體化學推進器推力測量系統(tǒng)，其特征在于所述所述橫梁(2)和豎梁(12)材料為膠合板。
4.如權(quán)利要求I所述的微型固體化學推進器推力測量系統(tǒng)，其特征在于所述所述橫梁(2)和豎梁(12)材料為LDPE塑料板。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于測量微化學推進器推力的測量裝置。所述裝置包括主要包括支撐部件、力平衡天平、MEMS慣性測量組合7、電容傳感器13、微型固體化學推進器10，信號與處理系統(tǒng)。本發(fā)明的特點在于通過力平衡天平實現(xiàn)了消除推進系統(tǒng)和傳感器自重對測量結(jié)果的影響；采用多傳感器測量組合，避免由于單一傳感器誤差造成的測量不確定性，提高了測量的精確度與可信度；通過MEMS慣性測量組合與電容傳感器相結(jié)合可以測量出微化學推進器的最大推力，由于采用了高精度的MEMS加速度計、MEMS陀螺儀以及高采樣頻率的信號處理電路，同時可以實時監(jiān)測推力的大小變化。
文檔編號G01L5/00GK102937496SQ20121040481
公開日2013年2月20日 申請日期2012年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月22日
發(fā)明者苑偉政, 申強, 張和民, 郝永存, 謝建兵 申請人:西北工業(yè)大學