微牛级推力测量技术研究

摘要

随着空间科学技术的发展，微纳卫星掀起了近年来国际上微小卫星研究的热潮后，人类对冷气推进、微型电阻推进、电喷雾推进以及微脉冲等离子推进等微型推进器的研究兴趣越来越浓厚，对用于测试微推进器性能的推力测量技术的研究路径越来越深入。 本论文以推力测量技术为研究背景，自主设计、研发了一套完整的微推力测量实验平台，主要包括：平衡补偿弱力产生及标定装置、扭秤水平扭摆装置、角位移测量装置和推力补偿装置。平衡补偿弱力产生及标定装置为测量系统提供精确的电磁标定力；扭秤水平扭摆装置、角位移测量装置和推力补偿装置三者构成一个闭环系统，由角位移测量装置中的PSD探测器将扭秤水平扭摆装置中的平衡支架的位置信号反馈给推力补偿装置中的PID控制电路，继而控制平衡支架的运动状态，使得电磁产生装置产生电磁力，补偿微推力器产生的推力，通过测得电流来计算推力器产生推力的大小，从而完成推力测量工作。 所研制的“C型磁体+PCB板线圈”的电磁产生装置提供的标定范围为5.2μN~5.78mN，对应的线圈电流范围为0.1~100mA，力与电流的线性拟合决定系数为0.9999。所研制的PID控制器的输出电流范围为?107.2mA~107.8mA，对系统产生的最小推力补偿残差±0.37μN，最大推力补偿残差±0.52μN。所研制的微推力测量系统的测量范围为0.05μN~5.78mN，测量灵敏度为57.8μN/mA，分辨力为0.05μN；76.6μN时，相对误差为0.8%；118.62μN时，相对误差为3.18%；592.71μN时，相对误差3.70%；1054.20μN时，相对误差为4.27%。 完成了VAT平均推力的测量工作，经系统测量结果如下：在10Hz、20Hz、30Hz、40Hz和50Hz下产生的平均推力分别为112.1μN、216.3μN、332.6μN、463.6μN和574.9μN；对应产生的元冲量分别为11.21μN?s/c、10.85μN?s/c、11.08μN?s/c、11.59μN?s/c和11.50μN?s/c。 本论文还对线圈和磁体相对位置变化以及推进器自重变化对实验测量结果造成的影响提出了解决方法和研究方案，为后续实验工作的开展奠定了基础。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 微牛级推力测量的国内外研究现状

1.2.1 天平结构型

1.2.2 扭摆结构型

1.2.3 单摆结构型

1.2.4 形变结构型

1.3 本文的主要贡献

第二章 微牛级推力测量系统设计

2.1 力矩平衡推力测量原理

2.2 平衡补偿弱力产生及标定设计

2.2.1 电磁力法

2.2.2 静电力法

2.2.3 重力法

2.2.4 标定力产生方法选取及其标定设计

2.3 扭秤系统扭丝的选取

2.4 角位移测量系统设计

2.4.1 基于光杠杆测量原理的折叠光路系统设计

2.4.2 光电位置传感器

2.4.3 PSD转换电路分析

2.5 推力补偿系统设计

2.5.1 PID闭环控制原理

2.5.2 PID调节电路分析

2.5.3 PID调节参数整定

2.6 本章小结

第三章 微牛级推力测量系统搭建与实验结果分析

3.1 平衡补偿弱力产生及标定实验

3.1.1 磁路和线圈设计

3.1.2 基于COMSOL软件的弱力仿真测试

3.1.3 弱力标定搭建

3.1.4 弱力标定结果与分析

3.2 扭秤水平扭摆实验

3.2.1 平衡支架的设计

3.2.2 扭丝夹具的设计

3.2.3 磁阻尼的设计

3.2.4 扭秤水平扭摆装置的组装

3.3 角位移测量实验

3.3.1 PSD转换电路仿真

3.3.2 角位移测量装置组装及测试

3.3.3 角位移测量装置测试结果分析

3.4 推力补偿实验

3.4.1 PID控制系统的电路设计

3.4.2 推力补偿装置组装及测量

3.4.3 推力补偿控制标定结果分析

3.5 真空弧推力器平均推力测量实验

3.6 本章小结

第四章 微牛级推力测量实验影响因素讨论

4.1 线圈和磁极相对位置影响

4.2 外界环境影响

4.3 扭丝非线性效应

4.4 扭秤加工组装精度影响

4.5 推进器影响

4.6 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 后续工作展望

致谢

参考文献

附录一

附录二

附录三

附录四

攻读硕士学位期间取得的成果