一種基于psd的c型管扭擺測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種基于高靈敏度光電位置傳感器PSD(PositionSensitiveDetector)的C型管扭擺測量系統(tǒng)。該包括：C型管（1）、激光反射鏡（2），橫梁（3），激光器（4），平面反光鏡Ⅰ（5），PSD（6），平面反光鏡Ⅱ（7）。C型管（1）兩端固定于扭擺框架上，C型管保持豎直狀態(tài)，C型管垂直穿過橫梁（3）的中心孔，并固定于橫梁上；橫梁（3）位于C型管的中間位置，保持水平狀態(tài)；激光反射鏡（2）位于C型管內(nèi)部，緊鄰橫梁（3），激光反射鏡（2）的鏡面朝向C型管開口方向。該系統(tǒng)抗電磁干擾能力強(qiáng)，分辨率高，測量誤差小，承載能力強(qiáng)，繼承了Casta?o扭擺高分辨率的特點(diǎn)，而且安裝方便，研制費(fèi)用不高。
【專利說明】一種基于PSD的C型管扭擺測量系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種基于高靈敏度光電位置傳感器PSD(Position SensitiveDetector)的C型管扭擺測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]對電推推進(jìn)或激光微推進(jìn)的推力測量包括平均推力測量和脈沖沖量測量。微推力測量主要是基于微推力測量臺架進(jìn)行的，其實(shí)質(zhì)是通過觀察在微推力作用下推力測量臺架的力學(xué)響應(yīng)從而間接地測量推力或者沖量。根據(jù)推力范圍不同，測量方法也不同。對于數(shù)十mN到N級的推力，大多采用稱重式天平臺架，或者重力擺結(jié)構(gòu)；對于U N量級推力，則需要采用扭擺。
[0003]2003年，美國M.Gamero-Castano在NASA、噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室和空軍研究實(shí)驗(yàn)室的資助下研制了一臺靈敏度很高的扭擺式微推力測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)能支撐44kg的推力器，微推力測量的分辨率高達(dá)0.03 u N[1]。該扭擺的橫梁由兩個撓性樞軸支撐，橫梁位移由一個光纖位移傳感器(fiber optic displacement sensor, LDS)來探測。LDS在采集頻率為100赫茲以內(nèi)時的分辨率為5.0nm,因此該扭擺的推力測量分辨率很高。
[0004]為研究激光微推進(jìn)的性能，美國光學(xué)學(xué)會的C.R.Phipps等人開發(fā)了一種靈敏度極高的扭擺。該扭擺的分辨率為25nN，能支撐15kg的推力器。扭擺能測的最大推力為500 u N，精度為0.5%，最小推力為IOOnN,精度為25%。該扭擺的高分辨率主要得益于半徑很小的扭絲以及光杠桿。
[0005]日本東京大學(xué)航空航天學(xué)院H.Koizumi等人也開發(fā)了與Castafio類似的扭擺。其沖量測量最小可達(dá)I U Ns，精度為0.7 U Ns。
[0006]在國內(nèi)，指揮學(xué)院金星教授對激光單脈沖沖量的扭擺測量方法行了理論分析[4]。中科大李靜博士也開發(fā)了用于激光燒蝕推力測量的類似于c.R.Phipps的扭擺。其扭擺的沖量測試范圍為10_H0_4NS，可分辨的最小沖量約10_7Ns。
[0007]扭擺的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高。推力器的重力由扭擺扭絲的軸向拉力或桿軸的支撐力承擔(dān)，扭絲的扭轉(zhuǎn)角度反應(yīng)推力大小，因而，對于數(shù)十千克的推力器即使它的推力為UN量級也可用扭擺進(jìn)行測量。對于扭絲類的扭擺，其最大的缺點(diǎn)在于很難將推力器、配重和橫梁三者的重心嚴(yán)格定位在扭絲所在的軸線上。即使在測量之前已將橫梁配平，重心位于扭絲上，在測量過程中，由于橫梁轉(zhuǎn)動和推力的作用，重心很容易偏離扭絲。重心偏離扭絲將引起橫梁角位移的振幅和周期的變化，從而產(chǎn)生較大的測量誤差。M.Gamero-Castafio所研制的扭擺由于撓性樞軸的直徑較大，推力器、配重和橫梁三者重心可限制撓性樞軸上，不存在類似扭絲扭擺的問題。這種扭擺可以做到精度很高，但這種扭擺加工、組裝的工藝要求高，研制費(fèi)用昂貴。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本實(shí)用新型針對現(xiàn)有扭擺電磁兼容性差的缺點(diǎn)，提出了一種抗電磁干擾能力強(qiáng)，分辨率高，測量誤差小，承載能力強(qiáng)的基于PSD的C型管扭擺測量系統(tǒng)。
[0009]所述基于PSD的C型管扭擺測量系統(tǒng)包括:C型管1、激光反射鏡2，橫梁3，激光器4，平面反光鏡I 5，PSD 6，平面反光鏡II 7。
[0010]其中，C型管I兩端固定于扭擺框架上，C型管I保持豎直狀態(tài)。C型管I垂直穿過橫梁3的中心孔，并固定于橫梁上。橫梁3位于C型管I的中間位置，保持水平狀態(tài)。激光反射鏡2位于C型管I內(nèi)部，緊鄰橫梁3。激光反射鏡2的鏡面朝向C型管I開口方向。C型管的中心軸線經(jīng)過激光反射鏡2的鏡面。
[0011]平面反光鏡I 5和平面反光鏡II 7的鏡面相互平行并且都與C型管I的軸線平行。平面反光鏡I 5和平面反光鏡II 7分別位于激光反射鏡2的鏡面兩側(cè)。激光器4固定于扭擺框架上，其發(fā)出的激光入射到激光反射鏡2的中心。經(jīng)激光反射鏡2反射的激光又經(jīng)平面反光鏡I 5和平面反光鏡II 7的數(shù)次反射后射入PSD 6。PSD 6也固定于扭擺框架上。激光光斑位置由PSD6測出，根據(jù)光斑位置的變化可計(jì)算出扭擺橫梁的位移。
[0012]所述C型管為“C”型橫截面開口薄壁圓桿。
[0013]所述橫梁上預(yù)留微推力器接口。
[0014]該扭擺測量系統(tǒng)繼承了 Castafio扭擺高分辨率的特點(diǎn)，而且安裝方便，研制費(fèi)用不聞。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為圖1橫梁與C型管結(jié)構(gòu)示意圖，
[0016]圖2為光杠桿及橫梁位移測量裝配示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]一種基于PSD的C型管扭擺測量系統(tǒng)包括:C型管1、激光反射鏡2，橫梁3，激光器4，平面反光鏡I 5，PSD 6，平面反光鏡II 7。
[0018]其中，C型管I保持豎直狀態(tài)。C型管I兩端固定于扭擺框架上，C型管I垂直穿過并固定于橫梁3的中心孔。橫梁3位于C型管I的中間位置，保持水平狀態(tài)。激光反射鏡2位于C型管I內(nèi)部，緊鄰橫梁3。激光反射鏡2的鏡面朝C型管I開口方向。C型管的中心軸線經(jīng)過激光反射鏡2的鏡面。
[0019]平面反光鏡I 5和平面反光鏡II 7的鏡面相互平行并且都與C型管I的軸線平行。平面反光鏡I 5和平面反光鏡II 7分別位于激光反射鏡2的鏡面兩側(cè)。激光器4固定于扭擺框架上，其發(fā)出的激光入射到激光反射鏡2的中心。經(jīng)激光反射鏡2反射的激光又經(jīng)平面反光鏡I 5和平面反光鏡II 7的數(shù)次反射后射入PSD 6。PSD 6也固定于扭擺框架上。激光光斑位置由PSD6測出，根據(jù)光斑位置的變化可計(jì)算出扭擺橫梁的位移。
[0020]所述C型管為“C”型橫截面開口薄壁圓桿。C型管的機(jī)械和材料設(shè)計(jì)可參考開口薄壁圓桿的扭轉(zhuǎn)理論。
[0021]在橫梁的兩端分別安裝微推力器和配重裝置。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，要求橫梁處于水平狀態(tài)，為了調(diào)平，可調(diào)節(jié)配重在橫梁上的相對位置。橫梁本身的重量對于扭擺的扭矩是沒有影響的，但對轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)動周期影響很大，并且考慮到橫梁懸垂于扭桿上，故應(yīng)盡可能的減小其質(zhì)量。[0022]本測量系統(tǒng)在橫梁上預(yù)留了微推力器接口，可以方便地掛載PPT等多種微推力器。另外，預(yù)留高壓直流電源接口，采用良好的高壓隔離措施，保證實(shí)驗(yàn)臺架和高壓電源之間的物理電氣隔離；在扭桿上套裝螺旋導(dǎo)線，引出高壓直流電，解決了微推力器供電系統(tǒng)對推力測量的影響。
【權(quán)利要求】
1.一種基于PSD的C型管扭擺測量系統(tǒng)，包括:C型管(I)、激光反射鏡(2)，橫梁(3)，激光器(4)，平面反光鏡I (5)，PSD (6)，平面反光鏡II (7)，其特征在于，C型管(I)兩端固定于扭擺框架上，C型管保持豎直狀態(tài)，C型管垂直穿過橫梁(3)的中心孔，并固定于橫梁上；橫梁(3)位于C型管的中間位置，保持水平狀態(tài)；激光反射鏡(2)位于C型管內(nèi)部，緊鄰橫梁(3)，激光反射鏡(2)的鏡面朝向C型管開口方向，C型管的中心軸線經(jīng)過激光反射鏡2的鏡面； 平面反光鏡I (5)和平面反光鏡II (7)的鏡面相互平行并且都與C型管(I)的軸線平行，平面反光鏡I (5)和平面反光鏡II (7)分別位于激光反射鏡(2)的鏡面兩側(cè)，激光器(4)固定于扭擺框架上，PSD (6)也固定于扭擺框架上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于PSD的C型管扭擺測量系統(tǒng)，其特征在于，所述C型管為C型橫截面開口薄壁圓桿。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于PSD的C型管扭擺測量系統(tǒng)，其特征在于，所述橫梁上預(yù)留微推力器接口。
【文檔編號】G01L5/00GK203465047SQ201320547582
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月5日
【發(fā)明者】何振, 吳建軍, 張華 , 魯高飛, 劉澤軍 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)