[发明专利]一种微牛级微推力测试系统及测试方法

说明书

本发明提供了一种微牛级微推力测试系统及测试方法，包括：台架；悬臂，通过挠性轴与所述台架连接；利用电磁阻力防止所述悬臂水平摆动的阻尼装置；安装在所述悬臂的一端的推力装置；安装在所述悬臂的另一端的位移测量装置，用于通过磁性间的斥力对所述悬臂的水平摆动进行标定的标定装置；用于为前述设备提供真空环境的真空仓；用于接收和控制测量过程的控制单元。本发明可以实现推重比为10‑7～10‑4范围内的推力的测试，并在测量带宽足够的情况下，大大提高测量精度。同时减弱环境影响，大幅减少试验等待时间，提高测量次数。

技术领域

本发明涉及物理力学领域，特别是涉及一种能够测量1～3000uN，推重比为10^-7～10^-4范围内微型推力器推力的测试系统。

背景技术

微型推力器的特点是推力比较小，一般推力在数百毫牛以下，精确测量如此小的推力比较困难。对于微型推力器，它还可以以脉冲形式工作，因此，不仅存在如何测量小推力的问题，还需要测量脉冲冲量。为缩短测试准备时间、减弱环境噪声的影响，必须考虑台架阻尼；为避免长期测试的零漂，必须考虑在线标定推力的问题。因此，高精度、高环境可靠性的推力测量技术，是微型推力器研究中必须发展的技术之一。

目前采用微推力/冲量测量技术可概括为两种类型：

(1)直接法：当推力较大，且推重比较大时，将推力器直接放置于测力传感器上，进行推力的直接测量。当推力较大，但推重比较小，常利用设计精密的天平台架来平衡推力器的重力，再利用压电陶瓷等力传感器，将推力信号直接转换为电信号，后接放大器，再采集记录。压电传感器的“零变形”特征使其成为动态响应最佳的测量元件，其频率能够达到数十kHz。因此，测量系统的固有频率主要取决于天平台架机械件。为提高固有频率，必须硬化机械部件，这必然减小了推力测量的灵敏度。此外，受制于小量程力传感器的测力下限，这种测力方法仅能够实现较大推重比情况下的数百mN以上的推力测量。若用于更小的推力测试，无法保证足够的测量精度。

(2)间接法：设计不同结构的推力台架，将推力测量转化为台架位移或加速度测量。常用的台架结构类型包括单摆、双摆或扭摆等，它可以通过标定静态推力与台架位移/加速度之间的关系，实现平均推力测量。这种方法也是应用最为广泛的微小推力测量方法，其中单摆结构一般进行mN量级的推力测量，扭摆多用于mN、uN甚至nN量级的推力测量。

逐一分析上述可借鉴方案的优劣，不难发现，虽然直接法的最小测力极限约为数十mN，不能用来测量uN级别的推力器推力。并且，uN级的大部分推力器的推重比很小，如10^-7～10^-4，难以利用直接测力法。

间接测力法中，常将测力转为测量位移或者加速度。在加速度方案中，需要测量推进器点火前后台架速度变化,也就是台架动量的改变,来测试平均推力。该方法不但需要测试台架的速度,而且需要进行台架有效质量的标定，同时,推力作用时间也需要精确测量。相较于位移方法，该方法应用较少。在位移测量方案中，需要设计不同结构的推力台架，将推力测量转化为台架位移测量。它可以通过标定静态推力与台架位移之间的关系，实现稳态推力测量。这是应用最为广泛的微小推力测量方法，可实现低至亚微牛顿的微力测量。但现有的微小推力测量技术的测量精度和带宽不足，难以同时测量微小推力和微冲量。同时，在卫星推进的地面测试试验中，需要实现自动化控制、采集、在线标定、此外还需要真空适用性和操作简便性。

发明内容

本发明的目的是要提供一种能够测量1～3000uN，推重比为10^-7～10^-4范围内微型推力器推力的测试系统，及使用该测试系统的测试方法。

特别地，本发明提供一种微牛级微推力测试系统，包括：

台架，提供安装基座；

悬臂，通过挠性轴与所述台架连接，使所述悬臂的两端以挠性轴为支点相对所述台架实现水平摆动；