[发明专利]一种微推力测试系统及方法

说明书

本发明公开一种微推力测试系统,其适用于1～1000mN，推重比为10^‑5～10^‑2范围内的推力的测试，在测量带宽足够的情况下，大大提高了测量精度。其包括台架、位移传感器、在线标定组件、阻尼系统、计算机测控设备；所述计算机测控设备包括相连的高频数据采集卡、工控机、显示装置；反射式激光位移传感器采集的位移数据通过工控机处理后经过显示装置来展现；工控机控制升降台的高度，测量标准砝码加载下的摆推力响应，实现稳态推力标定；工控机控制阻尼系统来使台架静止。还提供了采用这种装置的测试方法。

技术领域

本发明属于物理学的技术领域，具体地涉及一种微推力测试系统，以及采用该系统的测试方法，其主要用于推力1～1000mN、推重比为10^-5～10^-2范围内的推力的测试。

背景技术

微型推力器的特点是推力比较小，一般推力在数百毫牛量级，精确测量如此小的推力比较困难。对于微型推力器，它还可以以脉冲形式工作，因此，不仅存在如何测量小推力的问题，还需要测量脉冲冲量。为缩短测试准备时间、减弱环境噪声的影响，必须考虑台架阻尼；为避免长期测试的零漂，必须考虑在线标定推力的问题。因此，高精度、高环境可靠性的推力测量技术，是微型推力器研究中必须发展的技术之一。

国内外的微推力/冲量测量技术，测量方法可概括为两种类型：

(1)直接法：当推力较大，且推重比较大时，将推力器直接放置于测力传感器上，进行推力的直接测量。当推力较大，但推重比较小，常利用设计精密的天平台架来平衡推力器的重力，再利用压电陶瓷等力传感器，将推力信号直接转换为电信号，后接放大器，再采集记录。压电传感器的“零变形”特征使其成为动态响应最佳的测量元件，其频率能够达到数十kHz。因此，测量系统的固有频率主要取决于天平台架机械件。为提高固有频率，必须硬化机械部件，这必然减小了推力测量的灵敏度。此外，受制于小量程力传感器的测力下限，这种测力方法仅能够实现较大推重比情况下的数百mN以上的推力测量。若用于更小的推力测试，无法保证足够的测量精度。

(2)间接法：设计不同结构的推力台架，将推力测量转化为台架位移或加速度测量。常用的台架结构类型包括单摆、双摆或扭摆等，它可以通过标定静态推力与台架位移/加速度之间的关系，实现平均推力测量。这种方法也是应用最为广泛的微小推力测量方法，其中单摆结构一般进行mN量级的推力测量，扭摆多用于mN、uN甚至nN量级的推力测量。

逐一分析上述可借鉴方案的优劣，不难发现，虽然直接法的测量带宽足够，但利用测力传感器直接进行mN级推力测试，测量精度很难满足要求。商用测力传感器中，量程最小的约为10N(PCB,209C01)，其最大响应频率100kHz，非线性度<1％，估计其测量精度在数十mN量级，测量精度不满足要求。并且，大部分推力器的推重比很小，如10^-5～10^-2，难以利用直接测力法。

间接测力法中，常将测力转为测量位移或者加速度。在加速度方案中，需要测量推进器点火前后台架速度变化,也就是台架动量的改变,来测试平均推力。该方法不但需要测试台架的速度,而且需要进行台架有效质量的标定，同时,推力作用时间也需要精确测量。相较于位移方法，该方法应用较少。在位移测量方案中，需要设计不同结构的推力台架，将推力测量转化为台架位移测量。它可以通过标定静态推力与台架位移之间的关系，实现平均推力测量。这是应用最为广泛的微小推力测量方法，可实现低至亚微牛顿的微力测量。但现有的微小推力测量技术的测量带宽不足，难以同时测量微小推力和微冲量，同时需要实现在线标定和提供操作简便性和环境适用性。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种微推力测试系统,其适用于推重比为10^-5～10^-2范围内1～1000mN的推力的测试。实现很高的测量带宽，大大提高了测量精度。