專利名稱：航天器空間微小擾動載荷測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種航天器空間微小擾動載荷測量系統(tǒng)，用于對航天器內(nèi)部微小擾動載荷在空 間六個自由度上的振動信號進(jìn)行動態(tài)測量。
技術(shù)背景目前的航天器大多都屬于大型柔性展開式結(jié)構(gòu)，且?guī)в写罅康墓鈱W(xué)元件，它們對指向精度 和穩(wěn)定度均提出了很高的要求。另外在現(xiàn)代航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)中，反作用、單框架力矩陀螺 和太陽翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)等是其控制系統(tǒng)中的重要元件，它們在提供必要的控制動力的同時也會引起 一些有害振動(為簡單起見，下面將上述三種系統(tǒng)統(tǒng)稱為擾動源)。這些擾動主要由飛輪不平 衡、軸承擾動、電機(jī)擾動、電機(jī)驅(qū)動器誤差等引起的，其中飛輪不平衡是導(dǎo)致飛輪振動的最主 要原因，這些擾動力和擾動力矩會降低太空中精密性儀器的性能指標(biāo)，因此測量和分析航天器 有效載荷擾動的動態(tài)特性，對于分析并消除擾動從而提高航天器的姿態(tài)控制精度和加強(qiáng)航天器 的安全設(shè)計(jì)有著非常重要的工程意義。由于航天器擾動源的擾動很小，個別有效載荷如動量輪在空間三個方向只能產(chǎn)生幾十毫牛 頓甚至幾毫牛頓的微弱擾動，要想在具有相對強(qiáng)烈千擾背景噪音的地面實(shí)驗(yàn)室中測量此類擾動 十分困難，而其對相應(yīng)傳感器的精度要求非常高。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種航天器空間微小擾動載荷測 量系統(tǒng)，測量并分析航天器運(yùn)行過程中，擾動源在空間六個自由度上的動態(tài)特性，為提高航天器的姿態(tài)控制精度和加強(qiáng)航天器的安全設(shè)計(jì)提供可靠的測試數(shù)據(jù)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是航天器空間微小擾動載荷測量系統(tǒng)，其特征在于它由鋼架支座、負(fù)載盤、 一根柔性橡膠拉索、六根拉力鋼索、六個壓電力傳感器、七個 靜態(tài)拉力傳感器、六根調(diào)力螺桿、 一個起重滑輪以及數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)組成k其固定連接關(guān) 系是鋼架支座和負(fù)載盤分別通過六根調(diào)力螺桿、六個靜態(tài)拉力傳感器、六根拉力鋼索、六個 壓電力傳感器連接在一起，六個調(diào)力螺桿的一端通過螺帽和鋼架支座相連，六個調(diào)力螺桿的另 一端分別和六個靜態(tài)拉力傳感器連接，同時六個靜態(tài)拉力傳感器分別和六根拉力鋼索一端相連， 六根鋼索的另一端和六個壓電力傳感器相連，壓電力傳感器直接通過螺釘安裝在負(fù)載盤上；負(fù)載盤通過一根柔性橡膠拉索和第七個靜態(tài)拉力傳感器與起重滑輪相連接，各壓電力傳感器通過 信號傳輸線和數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)相連。
所述的壓電力傳感器的為壓電陶瓷元件。
所述的負(fù)載盤為正六邊形，在其中心法線方向上與柔性橡膠拉索相連，并通過靜態(tài)力傳感 器測量其拉力。
所述的六個壓電力傳感器兩個為一組分別分布在負(fù)載盤的三個不相鄰頂點(diǎn)的兩側(cè)。
所述的鋼架支座的上框架為正六邊形結(jié)構(gòu)，下框架為四根柱狀結(jié)構(gòu)，均勻分布于上框架下 方支撐整個結(jié)構(gòu)，并保證其剛度滿足動態(tài)測試要求。
所述的連接鋼架支座和負(fù)載盤之間的六根調(diào)力螺桿、六個靜態(tài)拉力傳感器、六根拉力鋼索、 六個壓電力傳感器分別處于六條直線上；六根調(diào)力螺桿分別通過螺帽與鋼架支座的上框架的六 個邊相連，并保證它們與壓電力傳感器之間的拉力鋼索分別與對應(yīng)框架上的邊垂直。
所述的六個靜態(tài)拉力傳感器分別通過鋼環(huán)與六個調(diào)力螺桿具體掛鉤裝置的一端相連，保障 靜態(tài)拉力傳感器不承受彎矩。
采用上述航天器空間微小擾動載荷測量系統(tǒng)測量航天器空間微小擾動載荷的測量方法，其 特征在于將航天器擾動源試件按照姿態(tài)要求安裝在負(fù)載盤上，可以通過起重滑輪調(diào)節(jié)柔性橡 膠拉索的拉力，調(diào)節(jié)與鋼架支座的上框架的六個邊分別相連的六個調(diào)力螺桿，預(yù)緊分別通過六 個靜態(tài)拉力傳感器與六個調(diào)力螺桿相連的六根拉力鋼索，并使每根拉力鋼索的預(yù)緊力保持一致 這時，通過七個靜態(tài)拉力傳感器可以得到負(fù)載盤上的動態(tài)載荷與拉力鋼索的拉力之間的比例關(guān) 系；運(yùn)行擾動源，其擾動載荷產(chǎn)生的擾動通過測量系統(tǒng)會轉(zhuǎn)化為與之成線性比例的拉力鋼索的 振動信號，壓電力傳感器將拉力鋼索動態(tài)拉力信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)采集 和處理各壓電力傳感器的電壓信號，以此為基礎(chǔ)可準(zhǔn)確分析出航天器擾動源空間微擾動特征。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)
1、 本發(fā)明通過測量系統(tǒng)成比例放大微擾動信號，從而使得微擾動信號可以用現(xiàn)有傳感進(jìn)行 測量，克服了缺少高精度傳感器問題；
2、 本發(fā)明可以靈活的在三維空間按照擾動源姿態(tài)控制要求進(jìn)行測量；
3、 本發(fā)明測量裝置和被測量試件分離，不需要在被測試件上安裝附加設(shè)備和傳感器，不影 響被測試件的動態(tài)特征，不損傷被測試件結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)完畢后試件還可以正常使用;
4、 本發(fā)明通過傳感器和拉力鋼索的空間旋轉(zhuǎn)對稱布局，合理的調(diào)節(jié)拉力鋼索的預(yù)緊力和柔 性橡膠拉索的拉力，實(shí)現(xiàn)了信號的放大并可以進(jìn)行具有較大質(zhì)量擾動源的實(shí)際運(yùn)行條件下的精 確測量，提高了測量的可靠性。


圖l為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖
圖2為本發(fā)明中負(fù)載盤的結(jié)構(gòu)示意圖3為用本發(fā)明在穩(wěn)態(tài)載荷作用下測量到的六個通道的信號數(shù)據(jù)示意圖； 圖4為用本發(fā)明在穩(wěn)態(tài)載荷作用下將測量到的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定變換后的載荷值；
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明由鋼架支座l、負(fù)載盤2、 一根柔性橡膠拉索3、六根拉力鋼索4、六 個壓電力傳感器5、七個靜拉力傳感器6、六根調(diào)力螺桿7、 一個起重滑輪8和計(jì)算機(jī)9組成； 其固定連接關(guān)系是鋼架支座1和負(fù)載盤2通過六根調(diào)力螺桿7、六個壓電力傳感器5、六根拉 力鋼索4、六個靜態(tài)拉力傳感器6連接在一起；六個調(diào)力螺桿7的螺紋端通過螺帽和鋼架支座1 相連，六個調(diào)力螺桿7的另一端為掛鉤裝置分別和六個靜拉力傳感器6通過鋼環(huán)連接，這樣可 以保障靜態(tài)拉力傳感器6不承受彎矩；同時靜拉力傳感器6分別和六根拉力鋼索4 一端相連， 六根拉力鋼索4的另一端分別和六個壓電力傳感器5相連，六個壓電力傳感器5直接通過螺釘 安裝在負(fù)載盤2上，如圖2所示；負(fù)載盤2通過第七個靜態(tài)拉力傳感器6和一根柔性橡膠拉索3 與起重滑輪8相連接；各傳感器通過信號傳輸線和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)9相連。
其中連接鋼架支座1和負(fù)載盤2之間的六根調(diào)力螺桿7、六個靜態(tài)拉力傳感器6、六根拉力 鋼索4、六個壓電力傳感器5分別處于六條直線上，六根調(diào)力螺桿7分別通過螺帽與鋼架支座1 的上框架的六個邊相連，并保證它們與壓電力傳感器5之間的拉力鋼索4分別與對應(yīng)上框架的 邊垂直。
負(fù)載盤2為正六邊形，在其中心法線方向上與柔性橡膠拉索3相連，并通過靜態(tài)力傳感器6 測量其拉力；六個壓電力傳感器5兩個為一組分別分布在負(fù)載盤2的三個不相鄰頂點(diǎn)的兩側(cè)， 各壓電力傳感器5均為壓電陶瓷元件。
鋼架支座1上框架為正六邊形結(jié)構(gòu)，下框架為四根柱狀結(jié)構(gòu)，均勻分布于上框架下方支撐 整個結(jié)構(gòu)，并保證其剛度滿足動態(tài)測試要求。
航天器擾動源(試件)按照姿態(tài)要求通過螺釘固定安裝在負(fù)載盤2上，通過起重滑輪8調(diào) 節(jié)柔性橡膠拉索3的拉力，可以調(diào)節(jié)該拉力與試件及載荷盤重量和的差A(yù)『；調(diào)節(jié)與鋼架支座l 的上框架連接的六根調(diào)力螺桿7,預(yù)緊通過六個靜態(tài)拉力傳感器6與六根調(diào)力螺桿相連的六根拉 力鋼索4，并使每根拉力鋼索4的預(yù)緊力保持一致;'這時'，各拉力鋼索4的拉力與A『/6的比值
即為擾動載荷的放大倍數(shù)；運(yùn)行擾動源，其擾動載荷產(chǎn)生的擾動通過測量系統(tǒng)會轉(zhuǎn)化為與之成 線性比例的鋼索拉力4的振動信號，利用壓電力傳感器5將拉力鋼索4動態(tài)拉力信號轉(zhuǎn)換為電 壓信號，使用數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)9采集和處理壓電力傳感器5的電壓信號，以此為基礎(chǔ)可準(zhǔn) 確分析出航天器擾動源空間微擾動特征。由于通過數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)9得到的是壓電力傳感器5的電壓信號，六個壓電力傳感器5 測量的是時域信號圖，再根據(jù)壓電力傳感器5的靈敏度系數(shù)，即將力信號轉(zhuǎn)化為電信號的比值; 為得到有效載荷擾動信號，需要將壓電力傳感器5的電壓信號與壓電力傳感器5相應(yīng)的靈敏度 系數(shù)相乘，即將信號進(jìn)行標(biāo)定變換，標(biāo)定變換后可以得到的有效載荷擾動信號圖。
以下面在穩(wěn)態(tài)載荷作用下以擾動源振幅為45毫牛，頻率為52Hz時的情況為例，按照上述 的測量方法，可以得到此時測量到的六個通道的信號數(shù)據(jù)示意圖，如圖3所示；以及將測量到 的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定變換后的載荷值的示意圖，如圖4所示；該測量系統(tǒng)以同樣的原理還可以 對其他穩(wěn)態(tài)載荷和非穩(wěn)態(tài)載荷作用下不同的擾動源和不同的頻率進(jìn)行測量，而且本系統(tǒng)可以有 效測量幾個毫牛頓量級的擾動載荷，所以可知本發(fā)明航天器空間微小擾動載荷測量系統(tǒng)精度非 常高，能夠?qū)教炱饔行лd荷在空間微擾動動態(tài)變化過程中進(jìn)行有效的測量和記錄。
權(quán)利要求
1、航天器空間微小擾動載荷測量系統(tǒng)，其特征在于它由鋼架支座(1)、負(fù)載盤(2)、一根柔性橡膠拉索(3)、六根拉力鋼索(4)、六個壓電力傳感器(5)、七個靜態(tài)拉力傳感器(6)、六根調(diào)力螺桿(7)、一個起重滑輪(8)以及數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)(9)組成；其固定連接關(guān)系是鋼架支座(1)和負(fù)載盤(2)分別通過六根調(diào)力螺桿(7)、六個靜態(tài)拉力傳感器(6)、六個壓電力傳感器(5)連接在一起，六個調(diào)力螺桿(7)的一端通過螺帽和鋼架支座(1)相連，六個調(diào)力螺桿(7)的另一端分別和六個靜態(tài)拉力傳感器(6)連接，同時六個靜態(tài)拉力傳感器(6)分別和六根拉力鋼索(4)一端相連，六根鋼索(4)的另一端分別和六個壓電力傳感器(5)相連，壓電力傳感器(5)直接通過螺釘安裝在負(fù)載盤(2)上；負(fù)載盤(2)通過一根柔性橡膠拉索(3)和第七個靜態(tài)拉力傳感器(6)與起重滑輪(8)相連接，六個壓電力傳感器(5)通過信號傳輸線與數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)(9)相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的航天器空間微小擾動載荷測量系統(tǒng)，其特征在于所述的壓電力 傳感器(5)的為壓電陶瓷元件。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的航天器空間微小擾動載荷測量系統(tǒng)，其特征在于所述的負(fù)載盤 (2)為正六邊形，在其中心法線方向上與柔性橡膠拉索(3)相連，并通過靜態(tài)力傳感器(6)測量其拉力。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的航天器空間微小擾動載荷測量系統(tǒng)，其特征在于所述的六個壓 電力傳感器(5)兩個為一組分別分布在負(fù)載盤(2)的三個不相鄰頂點(diǎn)的兩側(cè)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的航天器空間微小擾動載荷測量系統(tǒng)，其特征在于鋼架支座(1) 的上框架為正六邊形結(jié)構(gòu)，下框架為四根柱狀結(jié)構(gòu)，均勻分布于上框架下方支撐整個結(jié)構(gòu)，并 保證其剛度滿足動態(tài)測試要求。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的航天器空間微小擾動載荷測量系統(tǒng)，其特征在于連接鋼架支座(1)和負(fù)載盤(2)之間的六根調(diào)力螺桿(7)、六個靜態(tài)拉力傳感器(6)、六根拉力鋼索(4)、 六個壓電力傳感器(5)分別處于六條直線上；六根調(diào)力螺桿(7)分別通過螺帽與鋼架支座(1) 的上框架的六個邊相連，并保證它們與壓電力傳感器(5)之間的拉力鋼索(4)分別與對應(yīng)框 架上的邊垂直。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的航天器空間微小擾動載荷測量系統(tǒng)，其特征在于六個靜態(tài)拉力 傳感器(6)分別通過鋼環(huán)與六個調(diào)力螺桿(7) —端的掛鉤相連，保障靜態(tài)拉力傳感器(6)不 承受彎矩。
8、 采用權(quán)利要求1所述的測量系統(tǒng)測量航天器空間微小擾動載荷的測量方法，其特征在于將航天器擾動源試件按照姿態(tài)要求安裝在負(fù)載盤(2)上，可以通過起重滑輪(8)調(diào)節(jié)柔性橡 膠拉索(3)的拉力，調(diào)節(jié)與鋼架支座(1)的上框架的六個邊分別相連的六個調(diào)力螺桿(7)， 預(yù)緊分別通過六個靜態(tài)拉力傳感器(6)與六個調(diào)力螺桿(7)相連的六根拉力鋼索(4)，并使 每根拉力鋼索(4)的預(yù)緊力保持一致；這時，通過七個靜態(tài)拉力傳感器(6)可以得到負(fù)載盤 (2)上的動態(tài)載荷與拉力鋼索(4)的拉力之間的比例關(guān)系；運(yùn)行擾動源，其擾動載荷產(chǎn)生的 擾動通過測量系統(tǒng)會轉(zhuǎn)化為與之成線性比例的拉力鋼索(4)的振動信號，壓電力傳感器(5) 將拉力鋼索(4)動態(tài)拉力信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)(9)采集和處理各壓電 力傳感器(5)的電壓信號，以此為基礎(chǔ)可準(zhǔn)確分析出航天器擾動源空間微擾動特征。
全文摘要
航天器有效載荷空間微擾動測試系統(tǒng)，其特征在于由鋼架支座、負(fù)載盤、一根柔性橡膠拉索、六根拉力鋼索、六個壓電力傳感器、七個靜態(tài)拉力傳感器、六根調(diào)力螺桿、一個起重滑輪以及數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)組成；六個調(diào)力螺桿的螺紋端通過螺帽和鋼架支座的上框架相連，螺桿的另一端分別和六個靜態(tài)拉力傳感器連接，同時靜態(tài)拉力傳感器分別和六根拉力鋼索一端相連，鋼索的另一端和六個壓電力傳感器相連，各壓電力傳感器直接通過螺釘安裝在負(fù)載盤上；負(fù)載盤和起重滑輪通過第七個靜態(tài)拉力傳感器和一根柔性橡膠拉索相連接；各壓電力傳感器通過導(dǎo)線均與數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)相連；該測量系統(tǒng)可以靈活的在三維空間按照擾動源姿態(tài)控制要求進(jìn)行測量，并且測量的可靠性高。
文檔編號G01H11/08GK101246063SQ20081010239
公開日2008年8月20日 申請日期2008年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月21日
發(fā)明者付志超, 曾林錫, 海 楊, 王鵬輝, 偉 程 申請人:北京航空航天大學(xué)