[发明专利]微小力的动态旋转测量系统及测量与标定方法

权利要求书

1.微小力的动态旋转测量系统，所述旋转是磁悬浮转子系统，包括一环状超导导轨，一硬磁转子，硬磁转子通过支架支撑在超导导轨上；转子由转轴、转子支架、叶片构成，转轴为硬磁材料的扁平圆柱环，根据叶片与转子支架数量的不同，其上沿周向均匀开有3～12个3mm宽，5mm长的通孔供转子支架一端径向插入，转子支架为轻型钛合金材料矩形长条，转子支架长度在15mm到50mm之间不等，用以配合不同的微小力；转子支架另一端设置有叶片，叶片采用轻型钛合金材料，为矩形网状薄板，叶片个数对应为3-12个，每片叶片上附着所需测量的持续力，并在叶片下方角落处附着一小块反光片用以测量，其中，转子支架配有两组不同长度，当转子支架长度增加时，待测微小力提供的动力距呈线性增加，同时旋转系统所受阻力与系统转动惯量也同时增加，存在的最优转子支架长度是增加或减少20mm作为另一组转子支架的长度，即确定两组转子支架长度。

2.低阻力旋转系统的微小力测量与标定方法，微小力测量与标定方法使用权利要求1所述的微小力的动态旋转测量系统，微小力的总推力σ的范围在10^-9～10^-5N；

包括下述步骤：

a.确定测量与标定中所用的两组臂长

预先简单估计待测微小力的量级，将待测微小力附着在叶片上，每组转子支架和叶片个数取3-12个，转子支架配有两组不同长度，当转子支架长度增加时，待测微小力提供的动力距呈线性增加，同时旋转系统所受阻力与系统转动惯量也同时增加，存在最优的转子支架长度；结合实际操作中对转子支架的长度下限和上限的其他要求，利用模拟程序对系统进行建模并确定使得转子在预估量级的微小力作用下加速度最高的最优转子支架长度，而后增加或减少20mm作为另一组转子支架的长度，即确定两组转子支架长度；

b.对两种不同转子支架长度的组合的转动惯量进行标定

通过落体法，对转动惯量进行标定，采用测角加速度法；

对于一转子支架长度，具体公式为：

其中m_i,β_i,i＝1,2,3,4为四次测量的落体配重和角加速度；J₁,J₂分别为转轴的转动惯量和固定待测转子后的总转动惯量；R为绕线半径；g为本地重力加速度；

c.标定系统阻力角速度、测量动力角速度

标定时，通过电磁启动给定一个初始角速度ω₀，而后不提供任何动力，在阻力的作用下转子将会逐渐变慢，经简化其运动规律为：

ω_f＝ω₀-ft

其中，ω_f为转子的角速度，ω₀为初始角速度，f为系统阻力产生的角加速度，t为时间；

测量时，系统有一定初始速度，在动力的作用下，运动会逐渐加速，利用运动方程可知在实验测量期间满足

ω_c＝ω₀+at

其中，ω_c为转子的角速度，ω₀为初始角速度，a为动力与阻力同时作用对系统产生的角加速度，t为时间；

对两种不同转子支架长度的组合进行测量，利用实验中电脑记录的脉冲时间t_i，i＝1,2,3,4，记录点1、2之间和3、4之间转子转过的角度θ，以及记录1、2与记录3、4之间的间隔时间T，得到转子的加速度：

其中，T应当比max{(t₂-t₁),(t₄-t₃)}大至少一个量级；

d.选择测量加速度的时间参数

转子加速度ζ的误差公式为：

其中，(Δt)₁和(Δt)₂分别代表步骤c中所述的t₂-t₁差值和t₄-t₃差值，选择T＞＞max{1,(t₂-t₁),(t₄-t₃)}，θ为2π的倍数，则第一项和第二项误差很好控制；

标定或测量开始约20分钟之后，利用电脑测得(Δt)₁；第三项误差有最小值根据角速度的近似线性变化规律，选择T使得二者比例接近此最优值；

e.消除微小力力心与旋转中心轴的偏差，得到小推力σ

两次测量时，不更换叶片，只更换长度不同的转子支架，对应的角加速度与转动惯量分别为a₁,J₁；a₂,J₂，由于叶片、中心转轴、连接方式均无改变，则两次测量中转子支架的长度差即为推力半径的长度差ΔL，总推力σ满足：

f.由推力σ与叶片的面积和个数得到所需的推力面密度或推力脉冲大小。