双单摆式微推力测量系统的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)首都师范大学物理系 作者:边星

  为了实现空间微推力器的高精度推力测量,提出了一种电容桥式差分读出的双单摆推力测量方案,其测量频带从10 -3 Hz ~ 0.016 Hz,可实现分辨率为0.1 μN,量程1 mN 的微推力测量。与意大利帕多瓦大学设计的双单摆微推力差分测量系统相比,方案具有更强的共模抑制能力,操作简单易行。

引言

  随着精密空间科学实验任务的发展,对电推力器推力精度的要求日益提高。重力梯度卫星GOCE要求推力分辨率达到12 μN,而空间引力波探测任务则提出0. 1 μN 的更高分辨率的要求。这种高精度的推力器需求,对相应的地面推力测试和标定提出了挑战。

  国内外科研机构研制了一些高精度的推力测量装置。美国喷气推进实验室( JPL) 的水平扭摆式测量装置,法国国家宇航局( ONERA) 的可以衰减地面振动的竖直摆式测量装置,意大利帕多瓦大学的具有共模抑制能力的双单摆式测量装置,以及国内最近提出的基于超导差分加速度测量原理的测量装置,均达到0. 1 μN 的分辨能力。中国科学院力学研究所的扭丝式测量装置达到2 μN 的分辨能力。

  由于双单摆式测量装置的两个检验质量质心不重合,对转动信号的响应不同,因此转动噪声较难抑制,而且两个摆的悬挂点相距较远,温度差异较大,热膨胀也会给力的测量带来误差。为此,改进了测力方案,将参考摆套在工作摆上,让两者的质心及轴线重合,并采用电容桥式位移传感系统。新方案的共模抑制能力大大加强,反应灵敏,测量方法简单,易于实现。

实验原理和测试方法

推力测量实验设计

  图1 是意大利帕多瓦大学设计的双单摆微推力测量装置。A 为电推力器,B 为与A 质量相同的物体,作为参考摆使用。推力器被4 根石英丝如图1 所示的方式悬挂起来。这种悬挂方式使推进器可以在测量轴方向自由运动,而非测量轴方向的运动则受到限制。

双单摆示意图

图1 双单摆示意图

  在理想情况下,两摆完全相同,当整个测量装置受到平动扰动时,两摆对扰动的响应相同,不发生相对位移。若两摆发生相对位移,则一定是由A 的推力引起的。用电容位移传感器测量A 与B 的相对位移,根据摆的动力学方程,就可以知道电推力器产生的推力。这种推力测量方案对平台震动中的平动有很好抑制能力,但由于两个摆质心不重合,对平台震动中转动的响应是不同的,因此无法抑制震动中的转动对测量的影响。

  另一方面,推力器在工作过程中产生热量,造成摆的支撑结构产生热形变,由于两摆的悬挂位置相距较远,很难保证在两个悬挂位置上产生相同的热形变,因此,支撑结构的热形变就会使两摆产生相对位移,从而引起力的测量误差。为解决这个问题,需要在试验装置中布置多个温度传感器和加热装置对摆的支撑结构进行温控,这无疑增加了实验装置的复杂程度。

双单摆改进图

图2 双单摆改进图

  为此,研究者对帕多瓦大学的测量装置进行了改进。如图2 所示。将参考摆B 套摆A 上,使两者的质心、轴线重合,摆长相等,确保两者具有相同的运动方向和固有频率。同时,采用电容桥直接测量A 与B 的相对位移,而不是像原方案那样测量每个摆到支架的位移,允许两摆做较大幅度的摆动,因此可以承受更大的平台震动。

结论

  提出改进的双单摆微推力测量的方案。与意大利帕多瓦大学设计的双单摆式推力测量方案相比,新方案将参考摆套在工作摆上,两者的质心及轴线重合,确保了系统实现高精度的差分测量。改进后的方案较原来的方案共模抑制能力更强,对温控的要求更低,可行性更高。在位移读出这一关键方面,选用电容桥式差分测量,其位移测量精度高,响应速度快,增益可调,容易实现高精度或大量程的推力测量。

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