[实用新型]一种基于PSD的C型管扭摆测量系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种基于高灵敏度光电位置传感器 PSD(Position Sensitive Detector)的C型管扭摆测量系统。

背景技术

对电推推进或激光微推进的推力测量包括平均推力测量和脉冲冲量测量。微推力测量主要是基于微推力测量台架进行的，其实质是通过观察在微推力作用下推力测量台架的力学响应从而间接地测量推力或者冲量。根据推力范围不同，测量方法也不同。对于数十mN到N级的推力，大多采用称重式天平台架，或者重力摆结构；对于μN量级推力，则需要采用扭摆。

2003年，美国M. Gamero-Casta?o在NASA、喷气推进实验室和空军研究实验室的资助下研制了一台灵敏度很高的扭摆式微推力测量系统。该系统能支撑44kg的推力器，微推力测量的分辨率高达0.03μN^[1]。该扭摆的横梁由两个挠性枢轴支撑，横梁位移由一个光纤位移传感器（fiber optic displacement sensor, LDS）来探测。LDS在采集频率为100赫兹以内时的分辨率为5.0nm，因此该扭摆的推力测量分辨率很高。

为研究激光微推进的性能，美国光学学会的C. R. Phipps等人开发了一种灵敏度极高的扭摆。该扭摆的分辨率为25nN，能支撑15kg的推力器。扭摆能测的最大推力为500μN，精度为0.5%，最小推力为100nN，精度为25%。该扭摆的高分辨率主要得益于半径很小的扭丝以及光杠杆。

日本东京大学航空航天学院H. Koizumi等人也开发了与Casta?o类似的扭摆。其冲量测量最小可达1μNs，精度为0.7μNs。

在国内，指挥学院金星教授对激光单脉冲冲量的扭摆测量方法行了理论分析^[4]。中科大李静博士也开发了用于激光烧蚀推力测量的类似于C. R. Phipps的扭摆。其扭摆的冲量测试范围为10^-7Ns~10^-4Ns，可分辨的最小冲量约10^-7Ns。

扭摆的优点是灵敏度高。推力器的重力由扭摆扭丝的轴向拉力或杆轴的支撑力承担，扭丝的扭转角度反应推力大小，因而，对于数十千克的推力器即使它的推力为μN量级也可用扭摆进行测量。对于扭丝类的扭摆，其最大的缺点在于很难将推力器、配重和横梁三者的重心严格定位在扭丝所在的轴线上。即使在测量之前已将横梁配平，重心位于扭丝上，在测量过程中，由于横梁转动和推力的作用，重心很容易偏离扭丝。重心偏离扭丝将引起横梁角位移的振幅和周期的变化，从而产生较大的测量误差。M. Gamero-Casta?o所研制的扭摆由于挠性枢轴的直径较大，推力器、配重和横梁三者重心可限制挠性枢轴上，不存在类似扭丝扭摆的问题。这种扭摆可以做到精度很高，但这种扭摆加工、组装的工艺要求高，研制费用昂贵。

发明内容

本实用新型针对现有扭摆电磁兼容性差的缺点，提出了一种抗电磁干扰能力强，分辨率高，测量误差小，承载能力强的基于PSD的C型管扭摆测量系统。

所述基于PSD的C型管扭摆测量系统包括：C型管1、激光反射镜2，横梁3，激光器4，平面反光镜Ⅰ5， PSD 6，平面反光镜Ⅱ7。

其中， C型管1两端固定于扭摆框架上，C型管1保持竖直状态。C型管1垂直穿过横梁3的中心孔，并固定于横梁上。横梁3位于C型管1的中间位置，保持水平状态。激光反射镜2位于C型管1内部，紧邻横梁3。激光反射镜2的镜面朝向C型管1开口方向。C型管的中心轴线经过激光反射镜2的镜面。

平面反光镜Ⅰ5和平面反光镜Ⅱ7的镜面相互平行并且都与C型管1的轴线平行。平面反光镜Ⅰ5和平面反光镜Ⅱ7分别位于激光反射镜2的镜面两侧。激光器4固定于扭摆框架上，其发出的激光入射到激光反射镜2的中心。经激光反射镜2反射的激光又经平面反光镜Ⅰ5和平面反光镜Ⅱ7的数次反射后射入PSD 6。PSD 6也固定于扭摆框架上。激光光斑位置由PSD6测出，根据光斑位置的变化可计算出扭摆横梁的位移。

所述C型管为“C”型横截面开口薄壁圆杆。

所述横梁上预留微推力器接口。

该扭摆测量系统继承了Casta?o扭摆高分辨率的特点，而且安装方便，研制费用不高。

附图说明

图1为图1横梁与C型管结构示意图，

图2为光杠杆及横梁位移测量装配示意图。

具体实施方式

一种基于PSD的C型管扭摆测量系统包括：C型管1、激光反射镜2，横梁3，激光器4，平面反光镜Ⅰ5， PSD 6，平面反光镜Ⅱ7。