一种基于声弹性技术的电推进领域微推力瞬态测量系统

摘要

本发明涉及一种基于声弹性技术的电推进领域微推力瞬态测量系统。通过测定其受力时引起的声时变化，显示其受力的大小和分布规律。同时采用高精度测量芯片记录声时，近似反映推力器的实时变化。本发明是非接触式测量，也是非破坏性的测量方法，不需要在结构物上直接安装传感器或其他测量装置，可以降低机械振动、供电线缆对推力测量的干扰，解决目前常用微推力和微冲量测量装置存在的零点漂移、平衡位置不稳定、标定困难以及精度低等问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微推力测量系统，尤其涉及在电推进领域对其微推力实时测量系统。

背景技术

目前，国内对电推进推力器的微推力和微冲量的高精度测量，比较常见是基于单摆、倒立摆、扭摆等推力测量系统。其中，基于倒立摆原理的电磁天平测量冲量时，存在严重的零点漂移，电磁天平平衡位置不稳定也导致了测量精度较差，因此，一般只能用来定性或半定量分析。

相对而言，采用扭摆测量推力或冲量具有较高的精确度和敏感性，扭摆的历史可追溯到1798年卡文迪许为了测量重力加速度常数而发明的扭秤。随着对扭摆测量装置的不断改进，其测量范围变得更加广泛，C.Phipps等人设计了一种采用静态标定的扭摆，来测量激光烧蚀微推力器产生的纳牛秒量级的冲量。尽管扭摆测量系统具有如此优点，但是其只能对推力器产生的平均推力和冲量进行测量，难以解决涉及到推力器瞬时推力的问题。

现阶段测量瞬时推力应用较为广泛的主要是压电式传感器，包括压电晶体、压电陶瓷以及PVDF(聚偏二氟乙烯)压电传感器，其优点在于能够将待测推力转换为电压，可以精确测量变化的推力，并且具有响应快、灵敏度高以及结构简单等诸多优点。但是压电式传感器的工作环境要求苛刻，易受到电推力器工作过程中电磁场的影响，导致测量结果不准确或测量无法正常进行。

声弹性是研究结构、流体和声场相互作用的一个力学分支,它涉及船舶、水中兵器、飞机、汽车、建筑、化工以及海洋和水利工程等诸多领域。任意弹性结构在各种外力作用下产生强迫振动,并向周围或内部声介质中辐射声波,声波又以负载形式反作用在弹性结构上,改变结构的振动甚至可能改变激励外力,形成激励--结构--流体--声场耦合的力学系统。声弹性研究的主要任务是建立这种耦合系统的基本力学和声学关系,研究和分析结构受激振动和声辐射的特征和规律。声弹性方法是无损测量应力的一种方法，可以测量整个声传播路径上的应力，测量深度大，设备简单灵活，并且具有很好的经济性，是一种分析非透明材料应力的新方法。材料的应力引起波速的变化，通过测量波速的变化即可得出应力的变化，而如果设定同样的距离，可以通过测定声时的变化得出波速的变化最终体现应力的变化。本发明将声弹性方法应用推力器瞬态推力的测量领域，一方面具有结构简单、易于操作以及可靠性高等优点，最重要的是为解决传统推力测量方法难以测量瞬态推力的问题提供了方法。

传统的推力测量装置主要是用来测量推力器的平均推力和冲量，而瞬态推力的测量方法相对较少，对于高精度的测量手段也一直比较匮乏，比较常见的推力/冲量测量台架包括单摆、倒立摆、扭摆等。研究中，曾采用基于倒立摆原理的电磁天平进行了推力器的微冲量测量，但由测量结果发现电磁天平存在严重的零点漂移。电磁天平平衡位置不稳定，导致测量精度难以保证，一般只能用来定性或半定量分析。目前微推力器能够输出的元冲量从亚uN·s到数百μN·s之间。微推力器产生的冲量一般比较小，其量级为uN·s到mN·s之间。尽管毫牛秒或牛秒量级的微冲量比较容易测量，然而，随着微冲量的降低，纳牛秒和微牛秒微冲量的准确测量则变得十分困难。而脉冲等离子体推力器产生的冲量一般为微牛秒量级。基于激光烧蚀固体工质产生推力的激光微推力器(μLPT)则可以产生nN·s量级的微推力。中国TEPO工程采用的脉冲等离子推力器产生的元冲量为58.4μN·s。NASA和ESA的LISA工程中采用的是微牛量级的推力器。另外，NASA ST7任务采用的是2-20μN的推力器，精度在0.1μN以内。实验研究中，精确测量这样微小的推力比较困难。由于测量仪器本身和环境存在着噪声，往往将被测信号淹没，极大地影响测量精度。微推力器工作时，测量台架受力产生振动，也会影响测量精度。另外，抽真空过程也会对真空舱及内部测量系统产生不利影响。因此，对微小推力和冲量的精确测量仍然是实验研究中需要解决的难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对微推力器产生的随时间不断变化的推力，扭摆、电磁天平等传统的推力测量方式无法测量推力器瞬态推力大小值的问题以及压电式传感器测量过程中易受到推力器电磁干扰的缺点，提出一种即能够测量推力器瞬态推力又能够记录推力器推力变化整个过程的瞬态推力测量系统。

本发明以脉冲等离子体推力器为应用背景，以声弹性方法为主要技术方案，通过超声换能器产生超声波，进一步将应力引起的声波波速变化转化为固定距离中传播声时的变化，接收通道完成滤波和数据采集后，在计算机中通过编程实现数据处理，实现对脉冲等离子体推力器工作推力测量，开发出一套适用于脉冲等离子体推力器的高精度、高分辨率瞬态微推力测量平台。

本发明的声学环境激励系统主要有超声换能器、声弹性元件和高速瞬态信号采集器。超声换能器作为超声波生成器，为声弹性元件营造声学环境，在弹性介质中传播的超声波波速受介质内部的应力影响会产生微小的变化，这种声速与应力之间的关系称为声弹性效应，它是声弹性应力测定的依据。当弹性元件测力的核心体现在声弹性元件上，因此选择合适的材料与尺寸是测力精度和分辨率的核心。材料内部应力的存在引起声波速度的变化，因此声弹性方法测力的关键在于波速的测量，进而就可以根据声弹性公式计算出残余应力的大小。采集到发射信号和接收信号后，需分析处理信号，计算两个信号之间的延值，高精度的时延估计算法能精确地计算出被测试件内部的应力值。信号之间的延值直接决定测力的精度，因此对于高速瞬态信号采集器而言，要求其能够快速而精准地记录信号。

本发明根据脉冲等离子体推力器的特点，拟采用声弹性方法，以声弹性元件为核心构建声学环境激励系统，通过测定其应力变化，透过应力的变化进而显示其受力的大小和分布规律。声弹性元件可以将应力的变化体现为声时的变化，采用高速信号采集器记录信号之间的延值，借以反映推力器的实时变化。这种测量方式是非接触式测量，也是非破坏性的测量方法，不需要在结构物上直接安装传感器或其他测量装置，可以降低机械振动、供电线缆对推力测量的干扰，解决目前常用微推力和微冲量测量装置存在的零点漂移、平衡位置不稳定、标定困难以及精度低等问题。

结构描述

基于声弹性原理的瞬态推力测量系统主要包括五部分，分别为：声学环境激励系统、推力器系统、控制系统、信号数据采集系统以及信号处理显示系统。整体组成如图1所示，

所述声学环境激励系统：如图2所示，包括2块有机玻璃楔块1，发射探头2，吸声材料板3，声弹性元件4，固定装置5，接收探头7，发射探头2发射超声波到有机玻璃楔块1，折射再次进入声弹性元件4传播后再次折射到另一块有机玻璃楔块再被接收探头7接收；

其中，发射探头2、接收探头7分别设置在2块有机玻璃楔块1斜面上方，吸声材料板3安装在设置有发射探头的有机玻璃楔块侧面，2块有机玻璃楔块分别设置在声弹性元件4两头，2块有机玻璃楔块之间通过固定装置5固定连接；

根据推力器推力大小的不同，可以更换声弹性元件4，以满足测量要求。发射探头2是用来产生声波，主要由现场可编程门阵列和直接数字频率合成器。接收探头7主要完成滤波和数据采集。有机玻璃楔块为低声速媒质，声弹性元件为高声速媒质。吸声材料用来吸收楔块中经界面多次反射的纵波。固定装置保证各器件的稳定。

发射探头发射超声波，超声波以第一临界角从波速较低媒质入射到波速较高的媒质时，会产生L_CR波和折射横波，且二者的频率相同，横波在声弹性元件经过多次反射，会与L_CR波一样被接收探头接收，这一接收信号存在与LCR波频率相同的超声杂波，而由于L_CR波的特性可知，它将先于其他超声杂波到达接收探头。吸声材料板对不符合条件的声波进行选择，保证留下测量需要的声波。固定装置维持声学环境激励系统的稳定，不被运动影响声学元件的正常运转。

该系统主要功能为给声弹性元件营造一个声学的环境，把受力后的声弹性元件的应力变化转化为波速的变化，同时通过接收探头对信息进行读取。

所述推力器系统：推力器系统，包括推力器8和杠杆9，推力器8与杠杆9一端连接。本发明以实现测力为目的，因此不考虑推力器内部的结构和功能，可以根据测力的需要更换不同类型的待测量的推力器。

推力器系统的杠杆9另一端与声弹性元件4连接，采用半刚性连接。

杠杆对推力进行传递与放大。声弹性元件的波速变化与应力变化直接相关，杠杆9作用是对推力器的推力以适当的倍数进行放大，提供一个更大的推力从而得到更大的应力进而使得波速变化的测量更为精准，同时根据杠杆的参数可以对方法倍数进行等比例换算得出真实数值。

该系统主要功能为产生推力，并将推力放大并传递到声弹性元件上使其处于应力状态。

所述信号数据采集系统：包括高精度芯片计时器，通过测量相同距离的传播声时来反应声速的变化，体现应力和推力的变化。传播声时的硬件测量主要是利用计时器，得到发射探头发射超声发射波与接收探头接收回波之间的时间间隔，从而计算得到超声波的传播速度。高精度实现时间间隔测量是本发明应力检测的核心部分。这里选用高精度芯片计时器，分辨率达到125ps。当发射探头2发射出超声波时，数据采集系统的芯片对其进行一次记录，当接收探头7接收超声波时，芯片再次采集一次信号。主要功能为采集传播声时数据，进行收集与整理，提供给信号处理显示系统。

所述控制系统：图2中的发射探头发射的超声波不能连续存在，否则接收探头信号出现混乱。因此需要对发射探头进行定时触发，以一个能被接收探头识别的频率，且在两次触发时间段内，近似认为声弹性元件变形量为零，此时可以结合此时数据采集系统的传播声时换算出来的推力可以近似等价于此时刻的推力。因此这里选用一个定时触发器6用来实现向发射探头2定时发射超声波。

推力器中大多数不是连续工作而是脉冲式工作。若在推力器不工作的时候仍然发射超声波这是不环保的。本发明主要面向等离子体推力器，该推力器获取推力需要向外界喷出等离子体利用作用力与反作用力实现推进。等离子体对于电磁信号具有屏蔽效应。本发明设定一个电磁发射器10，当推力器工作时喷出等离子体时屏蔽电磁信号，此时电磁触发器11触发抑制定时触发器6工作。

控制系统的主要功能为控制电磁波发射的时间间隔以及控制电磁波发射的时刻。

所述信号处理显示系统：利用瞬态数据采集系统获得的测量结果形式为各个时刻的声时，因此对图像处理系统来说获取声时后的重要工作就是将声时、声速、应力和推力进行换算，这一步可以通过MATLAB编程实现；

每一时刻的声时对应该时刻的瞬时推力大小，而控制系统和瞬态数据采集系统保证了接收探头采集得到某一瞬时的推力大小大致近似为设定的时间间隔的推力大小，通过对一系列声时进行处理获得的推力按照时刻的先后顺利连接起来可近似反映推力器工作时推力的实时变化；

信号处理显示系统的主要功能为根据采集的数据进行计算和处理，提取其中的推力信息，并以具体数值和推力图像显示出来。

所述声学环境激励系统，要求有较大发射能量的超声波且能够与其它杂波很好的分离，能被接收探头很好的接收且易被计时器芯片采集信号。

所述声学环境激励系统，声弹性元件的特征参数选择，长度宽度厚度根据待测推力器推力的大小值以及接收探头的灵敏度进行匹配。声弹性元件可以是铝或铜等多种材料制成，不同材料声速变化情况不同但是只有声速随应力呈线性变化才能用声弹性法测应力，因此本发明选用的声弹性元件材料以铝为主；

所述声学环境激励系统，各元件都紧密连接，该系统应用于真空中，声速只能透过元件进行传播，连接的方式以及好坏程度直接影响声波的传播，进一步影响声时测量的准确性。

所述推力器系统，杠杆必须能够达到推力传播的作用，并且在冲击作用下不发生形变或近似不发生形变。同时推力器和声弹性元件在杠杆上的位置符合优化理论，满足推力放大原理的同时不对整体系统精度测量产生影响。

所述控制系统，能对激光光源触发时刻、推力器加载时刻和瞬态采集信号的时刻三者精确地进行同步控制。

所述控制系统，超声波的产生时间间隔足够小可以将声弹性元件变形量忽略不计，近似为恒定不变。同时时间间隔不影响接收探头对前后两次声波采集效果。

所述信号数据采集系统，计时器高精度采集芯片能实现准确误差小的测量声波在声弹性元件中传播时间。

所述信号处理显示系统，编程实现对声时信息快速而准确的处理，进一步通过图像直观显示出来。

本发明是非接触式测量，也是非破坏性的测量方法，不需要在结构物上直接安装传感器或其他测量装置，可以降低机械振动、供电线缆对推力测量的干扰，解决目前常用微推力和微冲量测量装置存在的零点漂移、平衡位置不稳定、标定困难以及精度低等问题。

附图说明

图1瞬态推力测量系统组成；

图2声学环境激励系统结构组成；

图3推力器系统。

具体实施方式

一种基于声弹性法的测量瞬时推力系统，通过测定其受力时引起的声时变化，显示其受力的大小和分布规律。同时采用高精度测量芯片记录声时，近似反映推力器的实时变化。本发明是非接触式测量，也是非破坏性的测量方法，不需要在结构物上直接安装传感器或其他测量装置，可以降低机械振动、供电线缆对推力测量的干扰，解决目前常用微推力和微冲量测量装置存在的零点漂移、平衡位置不稳定、标定困难以及精度低等问题。本发明将声弹性方法应用于推力器瞬态推力的测量领域，具有结构简单、易于操作以及可靠性高等优点，最重要的是为解决传统电推进推力测量方法难以测量瞬态微推力的问题提供了基本测量思路，能够实现高精度准确的测量瞬时推力和冲量。

一种基于声弹性技术的电推进领域微推力瞬态测量系统，以声弹性元件为构件，通过声弹性元件将应力的变化体现为声时的变化，采用信号采集器记录信号之间的延值，以此反映推力器的实时变化，

所述微推力瞬态测量系统包括声学环境激励系统、推力器系统，

所述声学环境激励系统：包括2块有机玻璃楔块1，发射探头2，吸声材料板3，声弹性元件4，固定装置5，接收探头7，发射探头2发射超声波到有机玻璃楔块，折射再次进入声弹性元件传播后再次折射到另一块有机玻璃楔块再被接收探头接收；

所述声学环境激励系统把受力后的声弹性元件的应力变化转化为波速的变化，通过接收探头对信息进行读取；

所述推力器系统如图3所示：包括推力器8和杠杆9，推力器与杠杆一端连接，

所述推力器系统的杠杆另一端与声弹性元件连接，杠杆对推力进行传递与放大，并将推力传递到声弹性元件上使其处于应力状态。

所述微推力瞬态测量系统还包括控制系统、信号数据采集系统以及信号处理显示系统，

所述信号数据采集系统，包括高精度芯片计时器，数据采集系统采集传播声时数据，进行收集与整理，提供给信号处理显示系统；

所述控制系统控制电磁波发射的时间间隔以及控制电磁波发射的时刻；

所述信号处理显示系统根据声时信息在计算机上进行计算和处理，提取其中的推力信息，并以具体数值和推力图像显示出来；

所述声弹性元件的长度宽度厚度根据待测推力器推力的大小值以及接收探头的灵敏度进行匹配，声弹性元件材料选择声速随应力呈线性变化的材料；

所述声学环境激励系统置于真空中，声速只能透过各元件进行传播。