[发明专利]一种用于微小推力测量的高分辨率角位移测量装置及其方法

说明书

本发明公开了一种用于微小推力测量的高分辨率角位移测量装置及其方法。测量装置包括激光位移传感器、支架、阿基米德测量块、数据采集仪，阿基米德测量块随被测目标同轴转动，其外径随方位角呈线性增加，通过测量激光传感器和阿基米德测量块侧表面之间的距离变化解算被测目标的角位移；测量步骤包括(1)激光位移传感器发射测量光测量其与阿基米德测量块侧表面之间的距离，(2)数据采集仪采集并记录激光文位移传感器输出的模拟信号电压，(3)通过输出电压的变化来解算被测目标的角位移。本发明原理简单，测量时响应速度快，测量分辨率高，解决了现有角位移测量方法原理复杂、制作成本高、调试难度大等不足。

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体是一种用于微小推力测量的高分辨率角位移测量装置及其方法。

背景技术

微推力器的地面推力测量是其研制过程中必不可少的一个关键环节，微小推力的精确测量可以为其设计改进、参数选择和性能评估提供必要的参考数据。微推力器的推力通常为mN级甚至μN级，难以通过力传感器直接测量，现有的微小推力测量装置大多通过测量台架在推力作用下的位移或形变来计算推力大小。其中，MIT和北航分别提出了一种基于磁悬浮轴承的微小推力测量方式，该方法通过测量悬浮转子在推力器作用下的角位移来计算微小推力。然而，微推力器的推重比非常小，通常低于10^-5，对角位移测量分辨率提出了很高的要求。

本发明提出了一种用于微小推力测量的高分辨率角位移测量装置及其方法，具有响应速度快、测量分辨率高、制作成本低等显著优点。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述问题，提供一种用于微小推力测量的高分辨率角位移测量装置及其方法。本发明的技术方案如下：

一种用于微小推力测量的高分辨率角位移测量装置，包括：激光位移传感器，所述传感器可以将被测目标的位移变化输出为模拟信号电压，其响应时间不超过5ms，测量分辨率可达2μm；支架，所述支架用于固定安装激光位移传感器，可以调节激光传感器的竖直高度和水平位置；数据采集仪，所述采集仪可以接收并记录采集激光位移传感器输出的模拟信号；阿基米德测量块，所述测量块与被测试目标同轴固定连接并随之同步转动，该测量块外径R(单位：mm)随方位角θ(单位：°)的增大而成线性增加，满足如下数学关系：

R＝72+(1/5)×θ(0≤θ≤360°)

相应的，所述阿基米德测量块的角度变化量Δθ(单位：°)满足如下数学关系：

Δθ＝5×ΔR

其中，ΔR(单位：mm)为阿基米德测量块的外径变化量。激光位移传感器的测量分辨率为0.002mm，对应的角位移测量分辨率为0.01°。

一种用于微小推力测量的高分辨率角位移测量方法，包括如下步骤：

(1)所述激光位移传感器发射测量光测量其与阿基米德测量块的侧表面之间的距离L(单位：mm)；

(2)所述数据采集仪采集并记录激光位移传感器输出的模拟信号电压U(单位：V)；

(3)根据模拟信号电压的变化量ΔU(单位：V)解算所述阿基米德测量块的角位移变化量Δθ(单位：°)。

进一步的，所述步骤(3)中，所述数据采集仪记录的模拟信号U的变化量ΔU满足如下数学关系：

ΔU＝ΔL＝ΔR

其中，ΔL(单位：mm)为激光位移传感器和阿基米德测量块之间距离的变化量。

在任意时刻，待测机构的角位移为:

Δθ＝5×ΔU

本发明的优点在于：

1)原理简单，只需测量一个物理量U，即可解算出被测目标的角位移Δθ；