[发明专利]一种基于重力矩的纳牛级弱力实时标定系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于重力矩的纳牛级弱力实时标定系统，包括测试台框架，还包括转轴、摆臂、位移/角度传感器、标定臂和标定物体，转轴的固定部与测试台框架固连，转轴的活动部与摆臂中部相连，摆臂可绕转轴在垂直平面内旋转，位移/角度传感器测量摆臂的偏转角度，摆臂一端设置有待测微推进器，标定臂的中部与摆臂的中部固连，标定臂上设置有多个凹槽，标定物体通过悬丝与顶部环连接，顶部环挂于凹槽内，本发明还公开了一种基于重力矩的纳牛级弱力实时标定方法，本发明精度高，操作便捷，标定范围广，可实现实时标定，适用于多种需求标准力产生的设备。

技术领域

本发明属于空间微推进器测试技术领域，具体涉及一种基于重力矩的纳牛级弱力实时标定系统，还涉及一种基于重力矩的纳牛级弱力实时标定方法。

背景技术

分辨率在微牛量级及更高精度的微推进器在高精度太空实验中有重要应用。空间任务对卫星的姿态控制和轨道控制的精度要求越来越高，而控制的执行器即是高精度空间微推进器，它是空间任务及其重要的组成部分，其性能也决定了空间任务的执行质量甚至成败。高精度的深空探测、空间小卫星编队飞行、空间引力波探测计划、空间等效原理检验、空间微重力隔振等项目中，还需要用微推进器对卫星或局部载荷受到的非引力扰动进行实时补偿，进行无拖曳控制。

地面性能评估测试和精度标定是微推进器发展的必由之路，也是其空间应用的前提条件之一。地面评估的常用装置为单摆、倒摆以及扭摆等，这些测试台的精度可达微牛甚至亚微牛量级。测试台的测量原理通常是灵敏结构在力矩的作用下发生形变或位移，通过对位移的测量可计算出力矩的大小。但由于装配误差，材料变化和各种外界因素，系统的刚度与理论存在误差。为了结果的准确性，需要运用已知力/力矩对弱力测量系统进行标定。

法国航空航天局自1999年开始发展的竖直扭摆型微推力测试台。摆臂用刀口悬挂在框架上，摆臂M受到的重力作用在机械敏感结构上，其标定方法的相对精度为0.5％。为减小机械刚度，该方案同样需要精确配平以使摆臂质心靠近旋转轴。

麻省理工学院太空推进实验室为其单摆型微推力测试台所设计的标定系统。重物附在直径小、重量轻的细绳上，并将细绳缠绕在可自由旋转的线轴上。绳子绕圆柱杆弯曲，将垂直重力转化为水平张力。悬挂在线环右侧的重物有助于产生这种张力，但左侧的重物则不会。这种设置有效地改变了重力的方向，但细绳和滚轮之间的摩擦力会造成误差。

2019年，中国航空航天大学基于重力设计了一种微推力架精度测量装置及测量方法(CN 110307925 B)：在微推力架的定架上固定一定架加长架，在定架加长架上固定第一测量支架，在第一测量支架上固定一定滑轮，缠绕于定滑轮圆周上的绳索的两端分别接砝码盘和微推力架的动架，通过在砝码盘中加入已知质量的砝码对动架提供一个已知的推力，以此确定微推力架的测量精度。该方案的不足是，滑轮的摩擦会带来标定误差且难以准确评估该误差。

关于测试台的标定方法，ZL201920886848.7给出了悬球标定方案，该方案的不足是不能实时标定。以上几种方法与本方案的标定力来源相同，均来自重力。用重力方法标定是目前可信度最高的方案。

除了用重力/重力矩标定，目前较为常用的标定方式还有静电力标定和电磁力标定，对应的代表结构为静电梳和电磁线圈等。这类方式有非接触，可产生极小作用力的优点。但结构较为复杂，产生的力难以直接确定，需要二次标定，属于间接测量；而且会引入额外的电磁场，增加与系统的耦合，造成额外的误差。重力方法结构简单，一般只需要已知质量的重物加载到力臂上即可。重力可追溯到万有引力，是目前已知的最精确的力源，理论上与温度、振动、电磁场没有耦合效应，可信度较高；无需引入电磁场，操作简单，未知系统误差较小。