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

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種能滿足用于微納衛(wèi)星的微推進器性能測試需求的高精度微推力測量系統(tǒng)。為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采取了以下的技術方案扭擺式高精度微推力測量系統(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、翅片結構，連接線，所述支撐架的橫桿上設有位置調節(jié)器，所述剛性軸的底端連接有石蠟固化杯，所述翅片結構設在石蠟固化杯內、并以剛性軸為中心軸中心對稱的設在剛性軸下部上；所述推力杠桿的長臂端上設有微推進器，以及與微推進器相配的線性位移傳感器；推力杠桿短臂端上設有配重杯； 所述推力杠桿通過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，構成旋轉杠桿系統(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節(jié)器，可以自由調節(jié)棉線懸掛點的位置；旋轉杠桿系統(tǒng)通過連接線上端懸掛于該位置調節(jié)器。懸掛后的旋轉杠桿系統(tǒng)通過在推力杠桿的配重杯中增減配重塊以調節(jié)至水平使旋轉杠桿系統(tǒng)的重心在旋轉軸之上，配重杯中的配重塊用石蠟固定；旋轉杠桿系統(tǒng)經調節(jié)水平后，向底座的石蠟固化杯添加熔融石蠟并冷卻固化，使翅片結構與石蠟固化杯固定。位于杠桿長臂端的微推進器產生微小推力時，會產生旋轉力矩使得旋轉杠桿系統(tǒng)產生微小的旋轉運動，杠桿長臂端的線性位移傳感器檢測出產生的旋轉位移量，從而測量出微推進器產生的微小推力。所述推力杠桿的橫截面為“工”字型，并采用硬質鋁合金材料制作。所述位置調節(jié)器包括螺桿，在螺桿上設有滾動軸承以及多個螺母，所述連接線一端連接在滾動軸承上。所述連接線為棉線。棉線相對金屬線更柔軟，而且可拉伸性更好，不會對旋轉杠桿系統(tǒng)的扭轉剛度產生可測量出來的影響。本發(fā)明扭擺式高精度微推力測量系統(tǒng)主要由兩部分組成旋轉杠桿系統(tǒng)和底座臺架系統(tǒng)。此外還包括線性位移傳感器。旋轉杠桿系統(tǒng)由推力桿桿、柔性鉸鏈、剛性軸及其底部的軸對稱翅片結構四者裝配而成，通過先上端連接線懸掛，再下端石蠟杯固定的方式將旋轉杠桿系統(tǒng)安裝到底座臺架系統(tǒng)上。旋轉杠桿系統(tǒng)的工作原理是利用推力杠桿長臂端產生的微小推力，對杠桿的支點產生一個力矩，杠桿的支點位于剛性軸軸心上且用柔性鉸鏈連接。產生的力矩會使柔性鉸鏈產生扭轉變形，從而使杠桿長臂端產生一個微小位移。旋轉杠桿系統(tǒng)的平衡調節(jié)通過向配重杯內添加砝碼實現(xiàn)，并用石蠟固化的方法固定住防止測量過程中出現(xiàn)砝碼移動的現(xiàn)象而影響杠桿系統(tǒng)的平衡。旋轉杠桿系統(tǒng)與底座支架系統(tǒng)之間安裝固定分為兩步第一步，用連接線懸吊旋轉杠桿系統(tǒng)，調節(jié)平衡后，通過位置調節(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，待石蠟凝固后就能使旋轉杠桿系統(tǒng)固定在底座上，并能承受扭矩的作用。由于推力測量系統(tǒng)的噪音信號大部分來自于環(huán)境的振動噪音，特別是當旋轉杠桿系統(tǒng)得旋轉中心與杠桿系統(tǒng)的質心不再一條鉛垂線上時，這個現(xiàn)象會非常嚴重。為此本發(fā)明通過連接線懸吊的方式，利用不倒翁原理充分調節(jié)杠桿為水平狀態(tài)。為了不至在固定過程中對推力測量系統(tǒng)有任何外力的影響而使推力測量系統(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稱翅片結構，從而固定剛性軸。旋轉杠桿系統(tǒng)的旋轉運動可通過推力杠桿長臂端的線性位移傳感器來檢測，此信號可轉換為推力值。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點本發(fā)明結構簡單、體積小、精度高、使用方便，能滿足微推力裝置的實驗測量要求，具有良好的應用前景。


圖1為本發(fā)明扭擺式高精度微推力測量系統(tǒng)的結構示意圖；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與翅片結構9以及剛性軸7之間的裝配示意圖；圖4為圖1中位置調節(jié)器12的原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明的內容做進一步詳細說明。實施例請參閱圖1所示，本發(fā)明的扭擺式高精度微推力測量系統(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、翅片結構9和線性位移傳感器11。支撐架1 的橫桿上設有位置調節(jié)器12，剛性軸7的底端連接有石蠟固化杯8，翅片結構9設在石蠟固化杯8內、并以剛性軸7為中心軸中心對稱的設在剛性軸7下部上，推力杠桿5的長臂端上設有微推進器10，以及與微推進器10相配的線性位移傳感器11，推力杠桿5短臂端上設有配重杯2 ；推力杠桿5通過柔性鉸鏈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，用于連接整個旋轉杠桿系統(tǒng)，往配重杯2內添加砝碼直至杠桿平衡后，通過位置調節(jié)器12調節(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)的裝配過程。當在推力杠桿的長臂端的微推進器10產生微小推力時，產生的扭矩會使柔性鉸鏈6發(fā)生扭轉變形，推力杠桿5的長臂端會產生相應的位移，位移量通過長臂端的線性位移傳感器11轉化為電壓信號進入信號收集器。參照附圖2所示，為推力杠桿5的橫截面示意圖，采用“工”字型的橫截面設計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慣性矩。提高了系統(tǒng)的靈敏度和反應性。參照附圖3為剛性軸7與翅片結構9以及石蠟固化杯8之間的裝配位置關系。呈中心對稱的翅片結構9安裝在剛性軸7的下端，且使翅片結構9的對稱中心軸與剛性軸7 的軸線重合。將裝配好的剛性軸7和翅片結構9放入石蠟固化杯8內，調節(jié)推力杠桿5水平之后，再通過位置調節(jié)器12調整裝配好的剛性軸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，石蠟凝固后即實現(xiàn)了石蠟固化杯8連接的底座與剛性軸7支撐的旋轉杠桿系統(tǒng)之間的固定裝配。石蠟固化過程中會發(fā)生體積變小的過程，由于石蠟固化杯8內各處石蠟的凝固速度不一樣，這會在石蠟內部產生拉應力，如果石蠟固化杯8與剛性軸7和翅片結構9組成的系統(tǒng)不呈中性對稱，則石蠟固化過程產生的應力分布不對稱會導致剛性軸7發(fā)生偏斜，進而影響推力杠桿5的水平。因此必須如上述步驟所述嚴格保證剛性軸7的軸線，翅片結構9的對稱中心軸以及石蠟固化杯8的軸線三者的重合，從而使得各個方向石蠟產生的應力相同而不會影響推力杠桿5的水平度。參照附圖4為位置調節(jié)器12的結構示意圖。螺桿13兩端用螺母15連接，并固定在支架1上，螺桿13的中部安裝有滾動軸承14，滾動軸承14的外圈連接棉線3。旋動螺桿 13，則其相對螺母15有左右的位置移動，從而帶動棉線3在左右方向移動，實現(xiàn)位置調節(jié)的功能。上列詳細說明是針對本發(fā)明可行實施例的具體說明，該實施例并非用以限制本發(fā)明的專利范圍，凡未脫離本發(fā)明所為的等效實施或變更，均應包含于本案的專利范圍中。
權利要求
1.扭擺式高精度微推力測量系統(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)、翅片結構(9)和連接線(3)，所述支撐架(1)的橫桿上設有位置調節(jié)器(12)，剛性軸(7)的底端連接有石蠟固化杯(8)，所述翅片結構(9) 設在石蠟固化杯(8)內、并以剛性軸(7)為中心軸，中心對稱地安裝在剛性軸(7)下部；所述推力杠桿( 的長臂端上設有微推進器(10)，以及與微推進器(10)相配的線性位移傳感器(11)，推力杠桿( 短臂端設有配重杯O)；所述推力杠桿( 保持水平的狀態(tài)通過柔性鉸鏈(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節(jié)器(1 上，另一端連接在聯(lián)接軸的軸線位置。
2.如權利要求1所述的扭擺式高精度微推力測量系統(tǒng)，其特征在于所述推力杠桿(5) 的橫截面為“工”字型，并采用硬質鋁合金材料制作。
3.如權利要求1所述的的扭擺式高精度微推力測量系統(tǒng)，其特征在于所述配重杯(2) 內采用石蠟固定配重塊。
4.如權利要求1所述的的扭擺式高精度微推力測量系統(tǒng)，其特征在于所述位置調節(jié)器(1 包括螺桿(13)，在螺桿(1 上設有滾動軸承(14)以及多個螺母(15)，所述連接線 (3) 一端連接在滾動軸承(14)上。
5.如權利要求1到4中任一所述的的扭擺式高精度微推力測量系統(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量系統(tǒng)，支撐架的橫桿上設有位置調節(jié)器，所述剛性軸的底端連接有石蠟固化杯，翅片結構設在石蠟固化杯內、并以剛性軸為中心軸中心對稱的設在剛性軸下部上；推力杠桿的長臂端上設有微推進器，以及與微推進器相配的線性位移傳感器；推力杠桿短臂端上設有配重杯；所述推力杠桿通過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節(jié)器，可以自由調節(jié)棉線懸掛點的位置；旋轉杠桿系統(tǒng)通過連接線上端懸掛于該位置調節(jié)器。本發(fā)明結構簡單、體積小、精度高、使用方便，能滿足微推力裝置的實驗測量要求，具有良好的應用前景。
文檔編號G01L5/12GK102169035SQ201010601029
公開日2011年8月31日 申請日期2010年12月22日 優(yōu)先權日2010年12月22日
發(fā)明者付健, 岑繼文, 徐進良 申請人:中國科學院廣州能源研究所