專利名稱：微型固體化學(xué)推進(jìn)器推力測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
微型固體化學(xué)推進(jìn)器推力測量裝置技術(shù)領(lǐng)域:本發(fā)明涉及了一種微型固體化學(xué)推進(jìn)器的推力測量裝置背景技術(shù):推進(jìn)系統(tǒng)是大多數(shù)航天器的關(guān)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(bǔ)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(shù)的不斷成熟，若需要微型航天器完成某些特殊任務(wù)，如衛(wèi)星編隊(duì)飛行，則需要給這些微型航天器配備推進(jìn)系統(tǒng)。由于傳統(tǒng)的推進(jìn)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(jìn)系統(tǒng)。如何測量微型推進(jìn)系統(tǒng)的推力一直是研究熱點(diǎn)，通過對(duì)微型推進(jìn)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(jìn)器推力測試技術(shù)” [I]中給出了幾種微推進(jìn)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(duì)于UN級(jí)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(shí)現(xiàn)微牛級(jí)動(dòng)態(tài)推力測試的方法和實(shí)驗(yàn)研究”[2]中給出了一種利用位移來測量動(dòng)態(tài)推力的方法。但是利用位移傳感器來測量微小推力會(huì)受限于位移傳感器的測量精度，會(huì)有比較大的測量誤差(文獻(xiàn)2中測量誤差為10%)。隨著MEMS加速度計(jì)和MEMS陀螺儀精度的不斷提高，使得測量天平梁瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)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(jì)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(xué)推進(jìn)器的推力測量裝置，通過力平衡天平消除推進(jìn)系統(tǒng)和傳感器自重對(duì)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(shí)時(shí)監(jiān)測傳感器的數(shù)據(jù)可以得出微化學(xué)推進(jìn)器的推力隨時(shí)間的變化，為μ N級(jí)微型固體化學(xué)推進(jìn)器的設(shè)計(jì)改進(jìn)和微型衛(wèi)星動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供重要參考。本發(fā)明的解決方案是:微型固體化學(xué)推進(jìn)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(xué)推進(jìn)器10，信號(hào)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(duì)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(gè)單軸MEMS加速度計(jì)和一個(gè)單軸MEMS陀螺儀；所述微型固體化學(xué)推進(jìn)器10固定于豎梁12上；且微型固體化學(xué)推進(jìn)器10產(chǎn)生推力方向不與豎梁12平行；所述信號(hào)與處理系統(tǒng)包括一個(gè)具有模擬信號(hào)放大濾波和數(shù)模轉(zhuǎn)化的信號(hào)處理電路15和固定于豎梁12上的信號(hào)總線14 ;所述信號(hào)總線14包括電容傳感器輸出信號(hào)線18、MEMS慣性測量組合輸出信號(hào)線19和微化學(xué)推進(jìn)器點(diǎn)火控制信號(hào)線；信號(hào)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(xué)推進(jìn)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(hào)線冗余。測量時(shí)，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(xì)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(hào)線給微型固體化學(xué)推進(jìn)器10點(diǎn)火，點(diǎn)火之后產(chǎn)生推力使得天平豎梁12產(chǎn)生擺動(dòng)，MEMS慣性測量組合7測量豎梁12在運(yùn)動(dòng)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(hào)均通過固定于天平豎梁12上的信號(hào)線傳輸給真空腔I外邊的信號(hào)處理電路，信號(hào)處理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大濾波數(shù)模轉(zhuǎn)換等處理之后傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理計(jì)算得到微型固體化學(xué)推進(jìn)器10的推力變化曲線。本發(fā)明的有益效果:通過力平衡天平實(shí)現(xiàn)了消除推進(jìn)系統(tǒng)和傳感器自重對(duì)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(xué)推進(jìn)器的最大推力，同時(shí)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測推力的大小變化。

:圖1為本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)圖圖2為本發(fā)明的力平衡天平的裝配側(cè)視圖圖中: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(xué)推進(jìn)器控制信號(hào)線；10_微化學(xué)推進(jìn)器；11_防震墊；12_豎梁；13_電容傳感器；14-信號(hào)總線；15-信號(hào)處理電路；16-處理顯示計(jì)算機(jī)；17-支撐底座；18_電容傳感器輸出信號(hào)線；19-MEMS慣性測量組合輸出信號(hào)線。
具體實(shí)施方式
:實(shí)施例1:微型固體化學(xué)推進(jìn)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(xué)推進(jìn)器10、信號(hào)與處理系統(tǒng)；參閱圖1，本實(shí)施例中的微型固體化學(xué)推進(jìn)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(xué)推進(jìn)器10，信號(hào)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(dòng)對(duì)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(yùn)動(dòng)中的加速度、角速度和位移信號(hào)，橫梁2和豎梁12固連成對(duì)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(shí)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(gè)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(gè)單軸MEMS加速度計(jì)和一個(gè)單軸MEMS陀螺儀;MEMS加速度計(jì)用來測量天平豎梁12在運(yùn)動(dòng)過程中的加速度，MEMS陀螺儀用來測量天平豎梁12在運(yùn)動(dòng)過程中的角加速度；所述微型固體化學(xué)推進(jìn)器10固定于豎梁12上；且微型固體化學(xué)推進(jìn)器10產(chǎn)生推力方向與豎梁12垂直；所述信號(hào)與處理系統(tǒng)包括一個(gè)具有模擬信號(hào)放大濾波和數(shù)模轉(zhuǎn)化的信號(hào)處理電路15和固定于豎梁12上的信號(hào)總線14 ;所述信號(hào)總線14包括電容傳感器輸出信號(hào)線18、MEMS慣性測量組合輸出信號(hào)線19和微化學(xué)推進(jìn)器點(diǎn)火控制信號(hào)線；為了減小信號(hào)線的運(yùn)動(dòng)對(duì)于測量的影響，本實(shí)施例中采用絕緣外徑小于0.5mm的柔性信號(hào)線；信號(hào)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(hào)；信號(hào)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(xué)推進(jìn)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(hào)線冗余。作為替代方式，本實(shí)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(shí)施例的工作過程:首先按照?qǐng)D1所示將裝置裝配起來，裝配好以后調(diào)整兩個(gè)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(xì)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(jì)算機(jī)16和信號(hào)處理電路15處于工作狀態(tài)，計(jì)算機(jī)發(fā)出點(diǎn)火信號(hào)通過信號(hào)線14傳遞到微化學(xué)推進(jìn)器10，使微化學(xué)推進(jìn)器10點(diǎn)火產(chǎn)生推力，推動(dòng)力平衡天平的豎梁12運(yùn)動(dòng)；信號(hào)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(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換和放大濾波等處理，將信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)16進(jìn)行計(jì)算得出并顯示推力大小曲線，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測推力大小的變化。
權(quán)利要求1.微型固體化學(xué)推進(jìn)器推力測量裝置，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(xué)推進(jìn)器(10)，信號(hào)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(duì)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(gè)單軸MEMS加速度計(jì)和一個(gè)單軸MEMS陀螺儀； 所述微型固體化學(xué)推進(jìn)器(10)固定于豎梁(12)上；且微型固體化學(xué)推進(jìn)器(10)產(chǎn)生推力方向不與豎梁(12)平行； 所述信號(hào)與處理系統(tǒng)包括一個(gè)具有模擬信號(hào)放大濾波和數(shù)模轉(zhuǎn)化的信號(hào)處理電路(15)和固定于豎梁(12)上的信號(hào)總線(14);所述信號(hào)總線(14)包括電容傳感器輸出信號(hào)線(18)、MEMS慣性測量組合輸出信號(hào)線(19)和微化學(xué)推進(jìn)器點(diǎn)火控制信號(hào)線；信號(hào)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(xué)推進(jìn)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(hào)線冗余。
2.如權(quán)利要求1所述的微型固體化學(xué)推進(jìn)器推力測量裝置，其特征在于: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1所述的微型固體化學(xué)推進(jìn)器推力測量裝置，其特征在于:所述橫梁(2)和豎梁(12)材料為膠合板。
4.如權(quán)利要求1所述的微型固體化學(xué)推進(jìn)器推力測量裝置，其特征在于:所述橫梁(2)和豎梁(12)材料為LDPE塑料板。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種用于測量微化學(xué)推進(jìn)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(xué)推進(jìn)器10，信號(hào)與處理系統(tǒng)。本實(shí)用新型的特點(diǎn)在于通過力平衡天平實(shí)現(xiàn)了消除推進(jìn)系統(tǒng)和傳感器自重對(duì)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(xué)推進(jìn)器的最大推力，由于采用了高精度的MEMS加速度計(jì)、MEMS陀螺儀以及高采樣頻率的信號(hào)處理電路，同時(shí)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測推力的大小變化。
文檔編號(hào)G01L5/00GK202974530SQ20122054261
公開日2013年6月5日 申請(qǐng)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(qiáng), 張和民, 郝永存, 謝建兵 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)