微推力测量实验装置的设计与研究

摘要

自从Coulomb和Cavendish首次将扭秤技术应用到电磁力和万有引力等精密测量以来，扭秤作为一种主要的弱力检测精密工具被广泛应用于很多精密测量以及材料特性研究等领域。目前，精密扭秤是国际公认的地面上最精密的力或力矩检测仪器之一。
　　本论文以空间微推进器微推力测量为研究对象，采用了扭秤悬挂推进器测力的设计方案，搭建了微推力测量实验平台，初步设计了一套完整的扭秤微推力测量系统，包括扭丝夹具、扭秤绝缘连接、推进器通电设计、扭丝退火热处理装置、光杠杆原理参考光路系统、平行板电容器施力装置等。在实验室环境下的原理实验中，准确标定了实验所使用悬丝的扭转弹性系数，并通过理论建模计算了测量标定过程中的扭转频率，其测量值和理论计算值的相对误差为0.11％，说明了测量标定取得很理想的效果。同时，在实验室环境下的原理实验中，测量了平行板电容器产生的54～323μN范围的微推力，其测量精度可达到2μN，并通过理论建模对扭秤微推力测量进行了动态计算分析，得到了测力实验的平均相对误差为0.027％。
　　实验中发现，噪音、空气流动和地面振动等外界干扰限制了扭秤最小测力，为了提高扭秤最小测力值，本文设计了减小噪音等外界干扰和限制扭秤单摆振幅的涡流损耗磁阻尼系统，目前已初步完成磁阻尼系统设计的理论计算工作，为下一步工作的开展奠定了基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 微推力测量实验的研究现状

1．2．1 Cavendish方法测量弱力

1．2．2 “扭秤周期法”测量弱力

1．2．3 “静电补偿法”测量弱力

1．2．4 “角加速度法”测量弱力

1．2．5 弱力测量在推进器微推力测量上的应用

1．3 本文研究内容

第2章 微推力测量实验平台与实验测试方法

2．1 微推力测量实验原理

2．2 微推力测量实验设计

2．2．1 微推力测量实验台

2．2．2 微推力测量实验设计

2．3 扭丝的选取

2．3．1 扭丝扭转弹性系数

2．3．2 扭丝直径选取

2．3．3 扭丝承重

2．4 扭丝的退火热处理

2．5 秤杆及与扭丝的绝缘连接设计

2．5．1 扭秤秤杆的设计

2．5．2 扭丝的绝缘及与秤杆的连接

2．6 磁阻尼系统

2．6．1 扭秤系统振荡模式分析

2．6．2 磁阻尼系统的理论计算与设计

2．6．3 磁阻尼系统阻尼系数的计算

2．6．4 环形永磁铁的空间磁场

2．6．5 磁阻尼系统设计的理论计算

2．6．5 扭丝与磁阻尼盘的连接

2．7 光杠杆参考系统

2．8 平行板电容器施力系统

2．8．1 平行板电容器实验装置

2．8．2 平行板电容器对扭秤施力的实现

2．9 扭丝扭转系数的标定

2．9．1 扭丝扭转弹性系数标定的基本原理

2．9．2 扭丝扭转弹性系数标定实验设计

2．10 扭秤秤杆转角测量

2．10．1 施力后扭秤位置的变化

2．10．2 扭秤转角测量方法

2．11 微推力测量实验真空系统

2．12 本章小结

第3章 微推力测量实验结果

3．1 扭丝退火热处理结果

3．2 扭丝扭转弹性系数的标定

3．2．1 扭丝扭转弹性系数标定的测量结果

3．2．2 扭丝扭转弹性系数标定的理论计算结果

3．2．3 扭丝扭转弹性系数标定中的测量误差分析

3．2．4 扭丝扭转弹性系数理论计算结果

3．3 扭秤微推力测量实验结果

3．3．1 扭秤微推力测量实验结果

3．3．2 扭秤转角测量的误差分析

3．3．3 扭秤转角测量中垂直角度偏差影响分析

3．4 扭秤微推力测量动态计算分析

3．4．1 扭秤微推力测量动态计算基本理论

3．4．2 扭秤微推力测量动态计算分析结果

3．5 扭秤微推力测量评估

3．6 本章小结

第4章 扭秤微推力测量实验影响的讨论

4．1 噪声干扰

4．2 地面振动

4．3 扭丝非线性效应

4．4 扭丝热弹性效应

4．5 扭秤加工制作中的影响

4．6 本章小结

总结与展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士期间发表的论文

攻读硕士期间从事的科研项目