[发明专利]一种基于动态光弹性法的电推进领域微推力瞬态测量系统

说明书

本发明涉及一种基于动态光弹性法的电推进领域微推力瞬态测量系统。本发明根据电推进的推力特点，基于动态光弹性法，以光学弹性元件为核心构建光路系统，通过测定其受力时光学条纹图像的实时变化，从而显示瞬时受力的大小与变化情况。本系统包括激光器，光学弹性元件，高速瞬态图像采集器以及必要的图像处理技术，主要用于采集脉冲式推进系统产生的随时间不断变化的瞬态推力。本系统基于应力‑光学定律，运用光弹性特殊材料以及高速摄影装置将推力器产生的推力可视化，尤其记录推力的变化过程，以研究电推进推力器推力的变化机理。

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。

动态光弹性是实验固体力学中一种基本的模型试验方法，利用光学灵敏材料受力后能产生暂时双折射现象的特性制成光弹性元件，当施加连续载荷时，元件各点的应力 发生变化，相应条纹也会发生不同程度的变形，此时，通过采用高速摄影技术记录元件 的条纹变化过程，进而得到应力变化过程，最终可以反推出推力的变化规律。动态光弹 性法由于具有直观性和瞬时性的优点，已经广泛应用于诸如碰撞、冲击以及爆破等过程 中结构应力的动态相应分析。

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(μ LPT)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