一種單絲扭擺式快響應(yīng)直接力及微沖量測量裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種單絲扭擺式快響應(yīng)直接力及微沖量測量裝置，包括單絲扭擺、加速度傳感器、沖量檢測單元、電壓信號調(diào)理單元和數(shù)據(jù)處理模塊，單絲扭擺包括底座，底座上設(shè)有豎直固定的扭絲，扭絲的中部固定有水平布置的擺動臂，擺動臂上裝設(shè)有用于夾持固定射流激勵器或推力器的夾持器，加速度傳感器裝設(shè)固定于擺動臂上，沖量檢測單元包括激光器、反光鏡和光電位置傳感器，反光鏡裝設(shè)于擺動臂上，激光器通過反光鏡的反射對準(zhǔn)光電位置傳感器，光電位置傳感器、加速度傳感器的輸出端分別通過電壓信號調(diào)理單元和數(shù)據(jù)處理模塊相連。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對等離子體高能合成射流的快響應(yīng)直接力及微沖量測量，具有測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種單絲扭擺式快響應(yīng)直接力及微沖量測量裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高超聲速飛行器高機(jī)動性技術(shù)研究領(lǐng)域，具體涉及一種單絲扭擺式快響應(yīng)直接力及微沖量測量裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]等離子體高能合成射流激勵器自2003年約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室首次提出后，一直受到廣泛的關(guān)注和研究。等離子體高能合成射流激勵器產(chǎn)生等離子體高能合成射流，由于其射流的形成不需要?dú)庠?、管路、閥門等裝置，而是直接利用周圍流場氣體形成射流，即無流體供應(yīng)系統(tǒng)，具有響應(yīng)快、無移動部件、質(zhì)量輕、射流穿透能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此在高速流動控制方面顯示出巨大應(yīng)用潛力。
[0003]隨著超聲速/高超聲速飛行器技術(shù)的迅速發(fā)展，直接力控制技術(shù)正成為改善高速飛行器響應(yīng)速度、提高制導(dǎo)精度、增加可用過載和機(jī)動能力的有效手段。相對基于空氣舵的氣動力控制方式，基于側(cè)向噴流的直接力控制具有時(shí)間延遲小、響應(yīng)速度快、高空環(huán)境控制效率高的優(yōu)點(diǎn)。目前基于側(cè)向噴流的反作用力控制系統(tǒng)，主要通過小型推力器或高壓儲氣/液罐裝置噴射高速氣/液射流產(chǎn)生側(cè)噴力。小型推力器主要選用燃?xì)獍l(fā)生器、小型火箭發(fā)動機(jī)或者直接由主發(fā)動機(jī)側(cè)向引流，這種實(shí)現(xiàn)方式的缺點(diǎn)在于直接力的工作范圍受到推力器燃料消耗的限制，推力大小不可調(diào)且推力器燃料消耗盡之后不能繼續(xù)使用。高壓儲氣罐裝置則氣液燃料的體積巨大，攜帶不方便，推力器工作時(shí)燃料消耗會引起飛行器質(zhì)心的漂移。針對這兩種直接力產(chǎn)生方式存在的不足，結(jié)合等離子體高能合成射流激勵器的特點(diǎn)，國防科技大學(xué)在2011年首先提出了將等離子體高能合成射流激勵器作為反作用力生成裝置，用于飛行器快響應(yīng)直接力控制的思想，并于2012年申請了 “一種快響應(yīng)直接力產(chǎn)生裝置”發(fā)明專利。
[0004]但是，目前對于等離子體高能合成射流快響應(yīng)直接力的測量，目前尚無有效的測量儀器，主要是存在時(shí)間響應(yīng)太快(微秒量級，常規(guī)噴流響應(yīng)時(shí)間為毫秒量級)、電磁干擾嚴(yán)重(常規(guī)噴流無電磁干擾)等技術(shù)難題。針對這些技術(shù)難點(diǎn)，亟需設(shè)計(jì)一種能夠在強(qiáng)電磁干擾下工作的快響應(yīng)直接力/微沖量測量儀器，這對于等離子體高能合成射流激勵器應(yīng)用于高超聲速飛行器快響應(yīng)直接力控制研究具有重要意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:為更好開展快響應(yīng)直接力作用高超聲速飛行器實(shí)現(xiàn)高機(jī)動控制性能的研究，針對現(xiàn)有技術(shù)的上述問題，提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)對等離子體高能合成射流的快響應(yīng)直接力及微沖量測量，測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單的單絲扭擺式快響應(yīng)直接力及微沖量測量裝置。
[0006]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0007]—種單絲扭擺式快響應(yīng)直接力及微沖量測量裝置，包括單絲扭擺、加速度傳感器、沖量檢測單元、電壓信號調(diào)理單元和數(shù)據(jù)處理模塊，所述單絲扭擺包括底座，所述底座上設(shè)有豎直固定的扭絲，所述扭絲的中部固定有水平布置的擺動臂，所述擺動臂上裝設(shè)有用于夾持固定射流激勵器或推力器的夾持器，所述加速度傳感器裝設(shè)固定于擺動臂上，所述沖量檢測單元包括激光器、反光鏡和光電位置傳感器，所述反光鏡裝設(shè)于擺動臂上，所述激光器的發(fā)射頭通過反光鏡的反射對準(zhǔn)光電位置傳感器，所述光電位置傳感器、加速度傳感器的輸出端分別通過電壓信號調(diào)理單元和數(shù)據(jù)處理模塊相連。
[0008]優(yōu)選地，所述加速度傳感器包括相互連接固定的屏蔽殼體和支座，所述屏蔽殼體內(nèi)設(shè)有壓電元件、慣性元件和彈簧，所述慣性元件一端通過壓電元件與屏蔽殼體的內(nèi)壁相連、另一端通過彈簧與屏蔽殼體的內(nèi)壁相連，所述壓電元件為采用偏聚氟乙烯制成的壓電薄膜，所述壓電元件通過屏蔽導(dǎo)線引出屏蔽殼體外并與電壓信號調(diào)理單元相連。
[0009]優(yōu)選地，所述加速度傳感器裝設(shè)固定于擺動臂的端部且位于夾持器的背面。
[0010]優(yōu)選地，所述反光鏡裝設(shè)于擺動臂的中部。
[0011]優(yōu)選地，所述反光鏡為對激光器發(fā)射的激光頻率具有98%以上反射率的鍍膜光學(xué)平面鏡。
[0012]本發(fā)明的單絲扭擺式快響應(yīng)直接力及微沖量測量裝置具有下述優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明的單絲扭擺式快響應(yīng)直接力及微沖量測量裝置在工作時(shí)，通過加速度傳感器接受射流激勵器或推力器產(chǎn)生的反作用力，將加速度信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)電壓信號調(diào)理單元轉(zhuǎn)換為合適大小并能檢測的電壓信號輸出至數(shù)據(jù)處理模塊；同時(shí)，射流激勵器或推力器產(chǎn)生的反作用力使得單絲扭擺的扭絲偏轉(zhuǎn)一定角度，反光鏡隨著扭絲轉(zhuǎn)動，由于激光器的發(fā)射頭通過反光鏡的反射對準(zhǔn)光電位置傳感器，因此沖量檢測單元能夠放大扭絲的偏轉(zhuǎn)位移，光電位置傳感器采集偏轉(zhuǎn)位移的光斑位移并輸出電流信號，再經(jīng)電壓信號調(diào)理單元轉(zhuǎn)換為合適大小并能檢測的電壓信號輸出至數(shù)據(jù)處理模塊，最終通過數(shù)據(jù)處理模塊利用已經(jīng)標(biāo)定好的加速度一電壓關(guān)系、沖量一電壓關(guān)系，將來自加速度傳感器的電壓值換算為加速度數(shù)值、將來自光電位置傳感器的電壓值換算為沖量數(shù)值，并繪出直接力隨時(shí)間的變化曲線，從而完成快響應(yīng)直接力及微沖量的在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下快響應(yīng)(微秒量級)直接力、微沖量(微牛秒量級)測量，具有能夠?qū)崿F(xiàn)對等離子體高能合成射流的快響應(yīng)直接力及微沖量測量，測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的框架結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2為本發(fā)明實(shí)施例中單絲扭擺及其相關(guān)部件的安裝結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖3為本發(fā)明實(shí)施例中加速度傳感器的原理示意圖。
[0016]圖4為本發(fā)明實(shí)施例中沖量測量的原理示意圖。
[0017]圖例說明:1、單絲扭擺；11、底座；12、扭絲；13、擺動臂；131、夾持器；2、加速度傳感器；21、屏蔽殼體；22、支座；23、壓電元件；24、慣性元件；25、彈簧；3、沖量檢測單元；31、激光器；32、反光鏡；33、光電位置傳感器；4、電壓信號調(diào)理單兀；5、數(shù)據(jù)處理模塊。

【具體實(shí)施方式】
[0018]如圖1和圖2所示，本實(shí)施例的單絲扭擺式快響應(yīng)直接力及微沖量測量裝置包括單絲扭擺1、加速度傳感器2、沖量檢測單元3、電壓信號調(diào)理單元4和數(shù)據(jù)處理模塊5，單絲扭擺I包括底座11，底座11上設(shè)有豎直固定的扭絲12，扭絲12的中部固定有水平布置的擺動臂13，擺動臂13上裝設(shè)有用于夾持固定射流激勵器或推力器的夾持器131，加速度傳感器2裝設(shè)固定于擺動臂13上，沖量檢測單元3包括激光器31、反光鏡32和光電位置傳感器33,反光鏡32裝設(shè)于擺動臂13上,激光器31的發(fā)射頭通過反光鏡32的反射對準(zhǔn)光電位置傳感器33，光電位置傳感器33、加速度傳感器2的輸出端分別通過電壓信號調(diào)理單元4和數(shù)據(jù)處理模塊5相連。本實(shí)施例在工作時(shí)，通過加速度傳感器2接受射流激勵器或推力器產(chǎn)生的反作用力，將加速度信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)電壓信號調(diào)理單元4轉(zhuǎn)換為合適大小并能檢測的電壓信號輸出至數(shù)據(jù)處理模塊5 ;同時(shí)，射流激勵器或推力器產(chǎn)生的反作用力使得單絲扭擺I的扭絲12偏轉(zhuǎn)一定角度，反光鏡32隨著扭絲12轉(zhuǎn)動，由于激光器31的發(fā)射頭通過反光鏡32的反射對準(zhǔn)光電位置傳感器33，因此沖量檢測單元3能夠放大扭絲12的偏轉(zhuǎn)位移，光電位置傳感器33米集偏轉(zhuǎn)位移的光斑位移并輸出電流信號,再經(jīng)電壓信號調(diào)理單元4轉(zhuǎn)換為合適大小并能檢測的電壓信號輸出至數(shù)據(jù)處理模塊5，最終通過數(shù)據(jù)處理模塊5利用已經(jīng)標(biāo)定好的加速度一電壓關(guān)系、沖量一電壓關(guān)系，將來自加速度傳感器2的電壓值換算為加速度數(shù)值、將來自光電位置傳感器33的電壓值換算為沖量數(shù)值，并繪出直接力隨時(shí)間的變化曲線，從而完成快響應(yīng)直接力及微沖量的測量，能夠?qū)崿F(xiàn)對等離子體高能合成射流的快響應(yīng)直接力及微沖量在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下快響應(yīng)(微秒量級)直接力、微沖量(微牛秒量級)的測量，具有測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)。
[0019]本實(shí)施例中，夾持器131中夾持固定的具體是等離子體高能合成射流激勵器。此夕卜，毫無疑問，本實(shí)施例也可以適用于其它類型的射流激勵器或推力器。
[0020]如圖1和圖2所示，本實(shí)施例中加速度傳感器2裝設(shè)固定于擺動臂13的端部且位于夾持器131的背面，由于等離子體高能合成射流激勵器推動擺動臂13時(shí)，擺動臂13對扭絲12的扭力最大且其端部加速度最大，因此加速度傳感器2裝設(shè)固定于擺動臂13的端部且位于夾持器131的背面，因此能夠確保等離子體高能合成射流激勵器對擺動臂13的推力，而且還能最大化采集等離子體高能合成射流激勵器推動擺動臂13轉(zhuǎn)動的加速度信息，提高加速度檢測的準(zhǔn)確度。
[0021]如圖1和圖2所示，反光鏡32裝設(shè)于擺動臂13的中部，確保扭絲12的偏轉(zhuǎn)后沖量檢測單元3采集的光斑偏移較小。
[0022]如圖3所示，加速度傳感器2包括相互連接固定的屏蔽殼體21和支座22，屏蔽殼體21內(nèi)設(shè)有壓電元件23、慣性元件24和彈簧25，慣性元件24 —端通過壓電元件23與屏蔽殼體21的內(nèi)壁相連、另一端通過彈簧25與屏蔽殼體21的內(nèi)壁相連,壓電兀件23為米用偏聚氟乙烯(PVDF)制成的壓電薄膜，壓電元件23通過屏蔽導(dǎo)線引出屏蔽殼體21外并與電壓信號調(diào)理單元4相連。由于加速度傳感器2包括屏蔽殼體21，壓電元件23為采用偏聚氟乙烯制成的壓電薄膜，壓電元件23通過屏蔽導(dǎo)線引出屏蔽殼體21外并與電壓信號調(diào)理單元4相連，因此能夠有效排除等離子體高能合成射流激勵器工作造成的電磁干擾，而且由于壓電元件23為采用偏聚氟乙烯制成的壓電薄膜，因此具有響應(yīng)時(shí)間短(μ s量級)、高電壓輸出(比壓電陶瓷加速度傳感器高10倍)、高介電強(qiáng)度(75ν/μπι)、高靈敏度(9mV/g)等特點(diǎn)。本實(shí)施例通過加速度傳感器2將加速度信號轉(zhuǎn)化為采用偏聚氟乙烯制成的壓電薄膜的位移信號，壓電薄膜變形極化產(chǎn)生電荷，快響應(yīng)直接力數(shù)值越大，作用加速度傳感器2的加速度值越大，加速度傳感器2中壓電薄膜的變形越大，其表面積累電荷越多，輸出電壓信號數(shù)值越大，從而實(shí)現(xiàn)將加速度信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)電壓信號調(diào)理單元4輸出至數(shù)據(jù)處理模塊5，數(shù)據(jù)處理模塊5利用已經(jīng)標(biāo)定好的加速度一電壓關(guān)系即可將電壓值換算為對應(yīng)的加速度數(shù)值，從而計(jì)算出直接力數(shù)值。
[0023]參見圖3,圖中右側(cè)的標(biāo)尺表示與地球保持相對靜止的運(yùn)動參考點(diǎn),稱為靜基準(zhǔn)；Xi表示等離子體高能合成射流激勵器(被測物體)與屏蔽殼體21相對于運(yùn)動參考點(diǎn)的位移，Xa表示慣性元件24 (質(zhì)量塊)相對于屏蔽殼體21的位移，k為彈簧25的彈簧常數(shù)，m為慣性元件24(質(zhì)量塊)的質(zhì)量，c為阻尼系數(shù)。根據(jù)圖3所示結(jié)構(gòu)，由牛頓第二定律可得到式⑴。
[0024]m d ( V|\+ V/) = -c - k.x()( I )
lit2 dt 1
[0025]式(I)中，X。表示輸出信號，Xi表示等離子體高能合成射流激勵器(被測物體)與屏蔽殼體21相對于運(yùn)動參考點(diǎn)的位移，k表示彈簧25的彈簧常數(shù)，m表示慣性元件24的質(zhì)量，c表示阻尼系數(shù)。根據(jù)式(I)可得到式(2)。
d2Xi' ?χ,λ ,d2x-,..
[0026]m——r^- + c~- + focn = —m——= —mu(,2)
dt2 dt 0 dr 1
[0027]式(2)中，X。表示輸出信號，Xi表示等離子體高能合成射流激勵器(被測物體)與屏蔽殼體21相對于運(yùn)動參考點(diǎn)的位移，k表示彈簧25的彈簧常數(shù)，m表示慣性元件24的質(zhì)量，c表示阻尼系數(shù)，％表示輸入信號，即等離子體高能合成射流激勵器(被測物體)的振動加速度。
[0028]計(jì)算壓電元件23的壓電方程可得到式(3)。
[0029]Dm= dn] ^ElnEnK5)
[0030]式(3)中，Dm表示電荷密度；dnj表示壓電應(yīng)力常數(shù)矩陣，σ表示應(yīng)力，En表示電場強(qiáng)度，ε °mn表示介電常數(shù)矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣，其中m = l、2、3，n = 1、2、3 ；j = 1、2、3、4、5、6。
[0031]本實(shí)施例中，數(shù)據(jù)處理模塊5采用式(4)根據(jù)加速度數(shù)值得到計(jì)算等離子體高能合成射流激勵器所產(chǎn)生等離子體高能合成射流的快響應(yīng)直接力的數(shù)值。
[0032]F.R = J.α
^ dv ^ chv dR ^ chv ^r Λ χ
[0033]V = R\\\a = 一 = R ——+ u'——=R ——=Ra(4)
dt dt dt dt
Γ π ^ J.α
[0034]F = ~—
[0035]式(4)中，F(xiàn)表示等離子體高能合成射流激勵器所產(chǎn)生等離子體高能合成射流的快響應(yīng)直接力，R表示等離子體高能合成射流激勵器的噴流中心孔距扭絲12的距離，J表示扭絲12的扭擺轉(zhuǎn)動慣量，α表示扭絲12的扭擺角加速度，a表示等離子體高能合成射流激勵器的加速度表示等離子體高能合成射流激勵器運(yùn)動線速度，w表示擺動臂13轉(zhuǎn)動角速度。
[0036]本實(shí)施例中，沖量檢測單兀3包括激光器31、反光鏡32和光電位置傳感器33,反光鏡32裝設(shè)于擺動臂13上，激光器31的發(fā)射頭通過反光鏡32的反射對準(zhǔn)光電位置傳感器33，光電位置傳感器33的輸出端通過電壓信號調(diào)理單元4和數(shù)據(jù)處理模塊5相連。沖量檢測單元3基于光電位置傳感器33實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)μ S量級時(shí)間響應(yīng)的微沖量測量。本實(shí)施例檢測的微沖量表現(xiàn)為扭絲12的扭擺偏轉(zhuǎn)角度，具體表現(xiàn)為光電位置傳感器33上激光光斑移動位移，本實(shí)施例光電位置傳感器33的分辨率為0.1 μ m，響應(yīng)時(shí)間為0.8 μ S，故本實(shí)施例針對微沖量的測量，可實(shí)現(xiàn)μ N.s級沖量測量精度。
[0037]本實(shí)施例在工作狀態(tài)下，等離子體高能合成射流激勵器工作噴出射流反作用力推動扭絲12轉(zhuǎn)動微小偏轉(zhuǎn)角，激光器31發(fā)射激光經(jīng)反光鏡32反射后落于光電位置傳感器(PSD) 33上，扭絲12的扭擺偏轉(zhuǎn)角度反映為光電位置傳感器33上激光光斑移動位移，光電位置傳感器33輸出的電流信號經(jīng)電壓信號調(diào)理單元4轉(zhuǎn)換成合適大小且能檢測的電壓信號后輸出至數(shù)據(jù)處理模塊5，數(shù)據(jù)處理模塊5則利用已經(jīng)標(biāo)定好的沖量一電壓關(guān)系將電壓值換算為沖量數(shù)值。本實(shí)施例中，反光鏡32為對激光器31發(fā)射的激光頻率具有98%以上反射率的鍍膜光學(xué)平面鏡，確保反射光線強(qiáng)度較高，從而能夠提升沖量檢測單元3進(jìn)行沖量檢測的準(zhǔn)確性。
[0038]參見圖4，本實(shí)施例中，等離子體高能合成射流激勵器工作噴出射流反作用力F (對應(yīng)沖量I)推動扭絲12轉(zhuǎn)動微小偏轉(zhuǎn)角Θ，經(jīng)反光鏡32反射后激光光纖的扭擺偏轉(zhuǎn)角度被放大為2 Θ，從而轉(zhuǎn)換為光電位置傳感器33上的激光光斑移動距離ds = Lsin (2 Θ )。等離子體高能合成射流激勵器工作噴出射流反作用力F的作用時(shí)間為幾微秒到幾十微秒，由于作用時(shí)間較短，因此可建立不考慮力參數(shù)的微沖量計(jì)算方法，即認(rèn)為激勵器射流反作用直接力瞬間作用于單絲扭擺I的擺動臂13，單絲扭擺I的擺動臂13獲得角速度，其阻尼振動方程可表示如式(5)所示。
Γ ? JO+Xf)+Ke=Q
[0039]<(5)
^ θ(())=0.θ(())=θοVJ
[0040]式(5)中，J表示擺動臂13扭擺的轉(zhuǎn)動慣量，K表示扭絲12的扭轉(zhuǎn)彈性系數(shù)，入表示系統(tǒng)的阻尼因子，Θ表示擺動臂13的扭擺轉(zhuǎn)動角度，么表示擺動臂13轉(zhuǎn)動的初始角速度，6表示擺動臂13的轉(zhuǎn)動角加速度。
[0041]由式(5)可得單絲扭擺I的擺動臂13的扭擺轉(zhuǎn)動角度Θ與初始角速度隊(duì)的關(guān)系如式(6)所示。
Θ
[0042]Θ = — f sin(u:,/)( 6)
W
[0043]式(6)中，Θ表示擺動臂13的扭擺轉(zhuǎn)動角度，Θ人示擺動臂13轉(zhuǎn)動的初始角速度，ξ = λ/2J表示扭擺運(yùn)動的阻尼系數(shù)，Wtf表示扭擺的自由振蕩頻率，
'V,, ^sjK IJ表示扭擺在無阻尼情況下的自由振蕩頻率，J表示扭擺的轉(zhuǎn)動慣量，λ表示系統(tǒng)的阻尼因子，K表示扭絲12的扭轉(zhuǎn)彈性系數(shù)。
[0044]假設(shè)等離子體高能合成射流快響應(yīng)直接力作用扭擺的沖量為I，根據(jù)動量定理可知，扭擺系統(tǒng)瞬間獲得初始角速度如式(7)所示。
[0045]θο=Ι~
J(7)
[0046]式(J)中，食表示擺動臂13轉(zhuǎn)動的初始角速度，J表示擺動臂13扭擺的轉(zhuǎn)動慣量；R表示激勵器噴口中心位置距扭絲距離，I表示快響應(yīng)直接力作用的微沖量(即作用扭擺沖量)。將式⑵代入式(6)可得式⑶。

IR
[0047]Θ = -~cw-sm(uy)(X)
[0048]當(dāng)單絲扭擺I的擺動臂13扭擺轉(zhuǎn)動到最大角度Θ max時(shí)，t = T/4，其中T = 2 π /Wd為扭擺轉(zhuǎn)動周期。故得等離子體高能合成射流激勵器的微沖量I的計(jì)算公式如式(9)所
/Jn ο
[0049]I = c7vv^max g2.v/(9)
R
[0050]式(9)中，J表示擺動臂13扭擺的轉(zhuǎn)動慣量，R表示激勵器噴口中心位置距扭絲距離，ξ表示系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，w表示扭擺的自由振蕩頻率，θ_表示擺動臂13扭擺轉(zhuǎn)動的最大角度。且J、R、l、w均可通過標(biāo)定得到，θ_則通過光電位置傳感器33上激光光斑最大移動距離dSmax得出，其具體的計(jì)算公式如式(10)所示。
I(ds 、
[0051 ] 0ma' 二 - ■ arctan —^( 1 ；
—2 \ L )
[0052]式(10)中，Qmax表不擺動臂13扭擺轉(zhuǎn)動的最大角度，dsmas表不光電位置傳感器33上激光光斑最大移動距離，L表不光電位置傳感器33到反光鏡32的距離。
[0053]將式(9)和式(10)結(jié)合，即可得到快響應(yīng)直接力作用的微沖量計(jì)算公式如式(11)所示。
[0054]I = c2■ arctan { a^lllax I(11)
2R^ L J
[0055]式(11)中，I表示快響應(yīng)直接力作用的微沖量，J表示擺動臂13扭擺的轉(zhuǎn)動慣量，R表示激勵器噴口中心位置距扭絲距離，ξ表示系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，wd表示有阻尼固有頻率，dsmax表不光電位置傳感器33上激光光斑最大移動距離，L表不光電位置傳感器33到反光鏡32的距離。
[0056]電壓信號調(diào)理單元4用于將輸入的電壓和電流進(jìn)行信號調(diào)理輸出合適大小并能檢測的電壓信號輸出，其具體可采用數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)處理模塊5具體可以根據(jù)需要采用微處理器實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理模塊5利用已經(jīng)標(biāo)定好的加速度一電壓、沖量一電壓關(guān)系，將電壓信號換算為加速度值、沖量數(shù)值，從而計(jì)算出直接力大小，繪制出直接力隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線。本實(shí)施例中涉及的測量設(shè)備部件均電磁屏蔽處理，能夠克服等離子體高能合成射流激勵器工作造成的強(qiáng)電磁干擾問題，且在解決了強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下，快響應(yīng)(微秒)直接力及微沖量(微牛秒)的測量問題，可用于飛行器等離子體高能合成射流直接力控制研究，也可用于其它類型噴流反作用力和沖量的高精度測量。
[0057]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種單絲扭擺式快響應(yīng)直接力及微沖量測量裝置，其特征在于:包括單絲扭擺(I)、加速度傳感器(2)、沖量檢測單元(3)、電壓信號調(diào)理單元(4)和數(shù)據(jù)處理模塊(5)，所述單絲扭擺(I)包括底座(11)，所述底座(11)上設(shè)有豎直固定的扭絲(12)，所述扭絲(12)的中部固定有水平布置的擺動臂(13)，所述擺動臂(13)上裝設(shè)有用于夾持固定射流激勵器或推力器的夾持器(131)，所述加速度傳感器(2)裝設(shè)固定于擺動臂(13)上，所述沖量檢測單元(3)包括激光器(31)、反光鏡(32)和光電位置傳感器(33)，所述反光鏡(32)裝設(shè)于擺動臂(13)上，所述激光器(31)的發(fā)射頭通過反光鏡(32)的反射對準(zhǔn)光電位置傳感器(33)，所述光電位置傳感器(33)、加速度傳感器(2)的輸出端分別通過電壓信號調(diào)理單元(4)和數(shù)據(jù)處理模塊(5)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單絲扭擺式快響應(yīng)直接力及微沖量測量裝置，其特征在于:所述加速度傳感器(2)包括相互連接固定的屏蔽殼體(21)和支座(22)，所述屏蔽殼體(21)內(nèi)設(shè)有壓電元件(23)、慣性元件(24)和彈簧(25)，所述慣性元件(24) —端通過壓電元件(23)與屏蔽殼體(21)的內(nèi)壁相連、另一端通過彈簧(25)與屏蔽殼體(21)的內(nèi)壁相連，所述壓電元件(23)為采用偏聚氟乙烯制成的壓電薄膜，所述壓電元件(23)通過屏蔽導(dǎo)線引出屏蔽殼體(21)外并與電壓信號調(diào)理單元(4)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單絲扭擺式快響應(yīng)直接力及微沖量測量裝置，其特征在于:所述加速度傳感器(2)裝設(shè)固定于擺動臂(13)的端部且位于夾持器(131)的背面。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單絲扭擺式快響應(yīng)直接力及微沖量測量裝置，其特征在于:所述反光鏡(32)裝設(shè)于擺動臂(13)的中部。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的單絲扭擺式快響應(yīng)直接力及微沖量測量裝置，其特征在于:所述反光鏡(32)為對激光器(31)發(fā)射的激光頻率具有98%以上反射率的鍍膜光學(xué)平面鏡。
【文檔編號】G01L5/00GK104165769SQ201410325996
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月9日
【發(fā)明者】張宇, 羅振兵, 王林, 夏智勛 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)