專利名稱：扭擺式高精度微推力測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于微推力裝置的高精度微推力測(cè)量系統(tǒng)，特別是用于航天器件微推進(jìn)器實(shí)驗(yàn)研究的高精度微推力測(cè)量系。
背景技術(shù)：
隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展，微小衛(wèi)星在近年來(lái)得到了迅猛的發(fā)展。用于微小衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)節(jié)和軌道調(diào)節(jié)的微推進(jìn)器具有很高的性能要求重量小，產(chǎn)生可控制的微牛量級(jí)推力。其工作方式可分為連續(xù)工作型和脈沖工作型。一般的測(cè)量裝置對(duì)微推進(jìn)器推力的精確測(cè)量比較困難。一方面，儀器的噪音信號(hào)會(huì)影響精度；同時(shí)，微推進(jìn)器脈沖工作時(shí)傳遞給臺(tái)架的瞬間力也會(huì)影響測(cè)量精度。因此，有必要研制一種新型的微推力測(cè)量裝置來(lái)滿足微小衛(wèi)星發(fā)展的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能滿足用于微納衛(wèi)星的微推進(jìn)器性能測(cè)試需求的高精度微推力測(cè)量系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采取了以下的技術(shù)方案扭擺式高精度微推力測(cè)量系統(tǒng)， 包括有支撐架、推力杠桿、柔性鉸鏈、剛性軸、線性位移傳感器、翅片結(jié)構(gòu)，連接線，所述支撐架的橫桿上設(shè)有位置調(diào)節(jié)器，所述剛性軸的底端連接有石蠟固化杯，所述翅片結(jié)構(gòu)設(shè)在石蠟固化杯內(nèi)、并以剛性軸為中心軸中心對(duì)稱的設(shè)在剛性軸下部上；所述推力杠桿的長(zhǎng)臂端上設(shè)有微推進(jìn)器，以及與微推進(jìn)器相配的線性位移傳感器；推力杠桿短臂端上設(shè)有配重杯； 所述推力杠桿通過(guò)柔性鉸鏈以保持水平狀態(tài)的與剛性軸的頂端連接，并保證與剛性軸垂直，構(gòu)成旋轉(zhuǎn)杠桿系統(tǒng)；所述柔性鉸鏈的頂端與聯(lián)接軸連接，所述連接線一端懸吊在位置調(diào)節(jié)器上，另一端連接在聯(lián)接軸的軸線位置；連接線上端所連接的位置調(diào)節(jié)器，可以自由調(diào)節(jié)棉線懸掛點(diǎn)的位置；旋轉(zhuǎn)杠桿系統(tǒng)通過(guò)連接線上端懸掛于該位置調(diào)節(jié)器。懸掛后的旋轉(zhuǎn)杠桿系統(tǒng)通過(guò)在推力杠桿的配重杯中增減配重塊以調(diào)節(jié)至水平使旋轉(zhuǎn)杠桿系統(tǒng)的重心在旋轉(zhuǎn)軸之上，配重杯中的配重塊用石蠟固定；旋轉(zhuǎn)杠桿系統(tǒng)經(jīng)調(diào)節(jié)水平后，向底座的石蠟固化杯添加熔融石蠟并冷卻固化，使翅片結(jié)構(gòu)與石蠟固化杯固定。位于杠桿長(zhǎng)臂端的微推進(jìn)器產(chǎn)生微小推力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩使得旋轉(zhuǎn)杠桿系統(tǒng)產(chǎn)生微小的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，杠桿長(zhǎng)臂端的線性位移傳感器檢測(cè)出產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)位移量，從而測(cè)量出微推進(jìn)器產(chǎn)生的微小推力。所述推力杠桿的橫截面為“工”字型，并采用硬質(zhì)鋁合金材料制作。所述位置調(diào)節(jié)器包括螺桿，在螺桿上設(shè)有滾動(dòng)軸承以及多個(gè)螺母，所述連接線一端連接在滾動(dòng)軸承上。所述連接線為棉線。棉線相對(duì)金屬線更柔軟，而且可拉伸性更好，不會(huì)對(duì)旋轉(zhuǎn)杠桿系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)剛度產(chǎn)生可測(cè)量出來(lái)的影響。本發(fā)明扭擺式高精度微推力測(cè)量系統(tǒng)主要由兩部分組成旋轉(zhuǎn)杠桿系統(tǒng)和底座臺(tái)架系統(tǒng)。此外還包括線性位移傳感器。旋轉(zhuǎn)杠桿系統(tǒng)由推力桿桿、柔性鉸鏈、剛性軸及其底部的軸對(duì)稱翅片結(jié)構(gòu)四者裝配而成，通過(guò)先上端連接線懸掛，再下端石蠟杯固定的方式將旋轉(zhuǎn)杠桿系統(tǒng)安裝到底座臺(tái)架系統(tǒng)上。旋轉(zhuǎn)杠桿系統(tǒng)的工作原理是利用推力杠桿長(zhǎng)臂端產(chǎn)生的微小推力，對(duì)杠桿的支點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)力矩，杠桿的支點(diǎn)位于剛性軸軸心上且用柔性鉸鏈連接。產(chǎn)生的力矩會(huì)使柔性鉸鏈產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，從而使杠桿長(zhǎng)臂端產(chǎn)生一個(gè)微小位移。旋轉(zhuǎn)杠桿系統(tǒng)的平衡調(diào)節(jié)通過(guò)向配重杯內(nèi)添加砝碼實(shí)現(xiàn)，并用石蠟固化的方法固定住防止測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)砝碼移動(dòng)的現(xiàn)象而影響杠桿系統(tǒng)的平衡。旋轉(zhuǎn)杠桿系統(tǒng)與底座支架系統(tǒng)之間安裝固定分為兩步第一步，用連接線懸吊旋轉(zhuǎn)杠桿系統(tǒng)，調(diào)節(jié)平衡后，通過(guò)位置調(diào)節(jié)器使剛性軸的軸線與底座上石蠟固化杯的軸線重合。第二步，往石蠟固化杯里添加熔融的液態(tài)石蠟，待石蠟?zāi)毯缶湍苁剐D(zhuǎn)杠桿系統(tǒng)固定在底座上，并能承受扭矩的作用。由于推力測(cè)量系統(tǒng)的噪音信號(hào)大部分來(lái)自于環(huán)境的振動(dòng)噪音，特別是當(dāng)旋轉(zhuǎn)杠桿系統(tǒng)得旋轉(zhuǎn)中心與杠桿系統(tǒng)的質(zhì)心不再一條鉛垂線上時(shí)，這個(gè)現(xiàn)象會(huì)非常嚴(yán)重。為此本發(fā)明通過(guò)連接線懸吊的方式，利用不倒翁原理充分調(diào)節(jié)杠桿為水平狀態(tài)。為了不至在固定過(guò)程中對(duì)推力測(cè)量系統(tǒng)有任何外力的影響而使推力測(cè)量系統(tǒng)發(fā)生傾斜，采用液態(tài)石蠟自然固化的方法固定剛性軸下端的軸對(duì)稱翅片結(jié)構(gòu)，從而固定剛性軸。旋轉(zhuǎn)杠桿系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可通過(guò)推力杠桿長(zhǎng)臂端的線性位移傳感器來(lái)檢測(cè)，此信號(hào)可轉(zhuǎn)換為推力值。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、精度高、使用方便，能滿足微推力裝置的實(shí)驗(yàn)測(cè)量要求，具有良好的應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明扭擺式高精度微推力測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1中推力杠桿5的截面圖；圖3為圖1中石蠟固化杯8與翅片結(jié)構(gòu)9以及剛性軸7之間的裝配示意圖；圖4為圖1中位置調(diào)節(jié)器12的原理圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明的扭擺式高精度微推力測(cè)量系統(tǒng)主要包括包括支撐架 1、連接線3、推力杠桿5、柔性鉸鏈6、剛性軸7、翅片結(jié)構(gòu)9和線性位移傳感器11。支撐架1 的橫桿上設(shè)有位置調(diào)節(jié)器12，剛性軸7的底端連接有石蠟固化杯8，翅片結(jié)構(gòu)9設(shè)在石蠟固化杯8內(nèi)、并以剛性軸7為中心軸中心對(duì)稱的設(shè)在剛性軸7下部上，推力杠桿5的長(zhǎng)臂端上設(shè)有微推進(jìn)器10，以及與微推進(jìn)器10相配的線性位移傳感器11，推力杠桿5短臂端上設(shè)有配重杯2 ；推力杠桿5通過(guò)柔性鉸鏈6以保持水平狀態(tài)的與剛性軸7的頂端連接安裝在一起形成有旋轉(zhuǎn)杠桿系統(tǒng)；柔性鉸鏈6的上端還與聯(lián)接軸4連接，連接線3 —端懸吊連接在位置調(diào)節(jié)器12上，另一端連接在聯(lián)接軸4的軸線上，用于連接整個(gè)旋轉(zhuǎn)杠桿系統(tǒng)，往配重杯2內(nèi)添加砝碼直至杠桿平衡后，通過(guò)位置調(diào)節(jié)器12調(diào)節(jié)剛性軸7位于石蠟固化杯8的中心位置。往石蠟固化杯9注入熔融石蠟并冷卻固化，至此完成了系統(tǒng)的裝配過(guò)程。當(dāng)在推力杠桿的長(zhǎng)臂端的微推進(jìn)器10產(chǎn)生微小推力時(shí)，產(chǎn)生的扭矩會(huì)使柔性鉸鏈6發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，推力杠桿5的長(zhǎng)臂端會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的位移，位移量通過(guò)長(zhǎng)臂端的線性位移傳感器11轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)進(jìn)入信號(hào)收集器。參照附圖2所示，為推力杠桿5的橫截面示意圖，采用“工”字型的橫截面設(shè)計(jì)在保證彎曲剛度的前提下大大地減小了杠桿的重量和旋轉(zhuǎn)慣性矩。提高了系統(tǒng)的靈敏度和反應(yīng)性。參照附圖3為剛性軸7與翅片結(jié)構(gòu)9以及石蠟固化杯8之間的裝配位置關(guān)系。呈中心對(duì)稱的翅片結(jié)構(gòu)9安裝在剛性軸7的下端，且使翅片結(jié)構(gòu)9的對(duì)稱中心軸與剛性軸7 的軸線重合。將裝配好的剛性軸7和翅片結(jié)構(gòu)9放入石蠟固化杯8內(nèi)，調(diào)節(jié)推力杠桿5水平之后，再通過(guò)位置調(diào)節(jié)器12調(diào)整裝配好的剛性軸7與石蠟固化杯8之間的位置，使兩者的軸線重合。然后往石蠟固化杯8倒入熔融石蠟，石蠟?zāi)毯蠹磳?shí)現(xiàn)了石蠟固化杯8連接的底座與剛性軸7支撐的旋轉(zhuǎn)杠桿系統(tǒng)之間的固定裝配。石蠟固化過(guò)程中會(huì)發(fā)生體積變小的過(guò)程，由于石蠟固化杯8內(nèi)各處石蠟的凝固速度不一樣，這會(huì)在石蠟內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，如果石蠟固化杯8與剛性軸7和翅片結(jié)構(gòu)9組成的系統(tǒng)不呈中性對(duì)稱，則石蠟固化過(guò)程產(chǎn)生的應(yīng)力分布不對(duì)稱會(huì)導(dǎo)致剛性軸7發(fā)生偏斜，進(jìn)而影響推力杠桿5的水平。因此必須如上述步驟所述嚴(yán)格保證剛性軸7的軸線，翅片結(jié)構(gòu)9的對(duì)稱中心軸以及石蠟固化杯8的軸線三者的重合，從而使得各個(gè)方向石蠟產(chǎn)生的應(yīng)力相同而不會(huì)影響推力杠桿5的水平度。參照附圖4為位置調(diào)節(jié)器12的結(jié)構(gòu)示意圖。螺桿13兩端用螺母15連接，并固定在支架1上，螺桿13的中部安裝有滾動(dòng)軸承14，滾動(dòng)軸承14的外圈連接棉線3。旋動(dòng)螺桿 13，則其相對(duì)螺母15有左右的位置移動(dòng)，從而帶動(dòng)棉線3在左右方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)位置調(diào)節(jié)的功能。上列詳細(xì)說(shuō)明是針對(duì)本發(fā)明可行實(shí)施例的具體說(shuō)明，該實(shí)施例并非用以限制本發(fā)明的專利范圍，凡未脫離本發(fā)明所為的等效實(shí)施或變更，均應(yīng)包含于本案的專利范圍中。
權(quán)利要求
1.扭擺式高精度微推力測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于包括有支撐架(1)、推力杠桿(5)、柔性鉸鏈(6)、剛性軸(7)、線性位移傳感器(11)、翅片結(jié)構(gòu)(9)和連接線(3)，所述支撐架(1)的橫桿上設(shè)有位置調(diào)節(jié)器(12)，剛性軸(7)的底端連接有石蠟固化杯(8)，所述翅片結(jié)構(gòu)(9) 設(shè)在石蠟固化杯(8)內(nèi)、并以剛性軸(7)為中心軸，中心對(duì)稱地安裝在剛性軸(7)下部；所述推力杠桿( 的長(zhǎng)臂端上設(shè)有微推進(jìn)器(10)，以及與微推進(jìn)器(10)相配的線性位移傳感器(11)，推力杠桿( 短臂端設(shè)有配重杯O)；所述推力杠桿( 保持水平的狀態(tài)通過(guò)柔性鉸鏈(6)與剛性軸(7)的頂端連接；所述柔性鉸鏈(6)的上端還與聯(lián)接軸(4)連接，所述連接線C3) —端懸吊連接在位置調(diào)節(jié)器(1 上，另一端連接在聯(lián)接軸的軸線位置。
2.如權(quán)利要求1所述的扭擺式高精度微推力測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述推力杠桿(5) 的橫截面為“工”字型，并采用硬質(zhì)鋁合金材料制作。
3.如權(quán)利要求1所述的的扭擺式高精度微推力測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述配重杯(2) 內(nèi)采用石蠟固定配重塊。
4.如權(quán)利要求1所述的的扭擺式高精度微推力測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述位置調(diào)節(jié)器(1 包括螺桿(13)，在螺桿(1 上設(shè)有滾動(dòng)軸承(14)以及多個(gè)螺母(15)，所述連接線 (3) 一端連接在滾動(dòng)軸承(14)上。
5.如權(quán)利要求1到4中任一所述的的扭擺式高精度微推力測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述連接線(3)為棉線。
全文摘要
本發(fā)明公開了扭擺式高精度微推力測(cè)量系統(tǒng)，支撐架的橫桿上設(shè)有位置調(diào)節(jié)器，所述剛性軸的底端連接有石蠟固化杯，翅片結(jié)構(gòu)設(shè)在石蠟固化杯內(nèi)、并以剛性軸為中心軸中心對(duì)稱的設(shè)在剛性軸下部上；推力杠桿的長(zhǎng)臂端上設(shè)有微推進(jìn)器，以及與微推進(jìn)器相配的線性位移傳感器；推力杠桿短臂端上設(shè)有配重杯；所述推力杠桿通過(guò)柔性鉸鏈以保持水平狀態(tài)的與剛性軸的頂端連接；所述連接線一端懸吊連接在位置調(diào)節(jié)器上，另一端連接在柔性鉸鏈的軸線上；連接線上端所連接的位置調(diào)節(jié)器，可以自由調(diào)節(jié)棉線懸掛點(diǎn)的位置；旋轉(zhuǎn)杠桿系統(tǒng)通過(guò)連接線上端懸掛于該位置調(diào)節(jié)器。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、精度高、使用方便，能滿足微推力裝置的實(shí)驗(yàn)測(cè)量要求，具有良好的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G01L5/12GK102169035SQ201010601029
公開日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2010年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月22日
發(fā)明者付健, 岑繼文, 徐進(jìn)良 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所