一种用于微小推力测量的高分辨率角位移测量装置及其方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 111380486 A(43)申请公布日 2020.07.07

(21)申请号 202010217268.6(22)申请日 2020.03.25

(71)申请人 北京航空航天大学

地址 100191 北京市海淀区学院路37号(72)发明人 杨文将　冀宇　刘朝鑫　宋东彬　(51)Int.Cl.

G01B 11/26(2006.01)

权利要求书1页 说明书3页 附图2页

CN 111380486 A(54)发明名称

一种用于微小推力测量的高分辨率角位移测量装置及其方法(57)摘要

本发明公开了一种用于微小推力测量的高分辨率角位移测量装置及其方法。测量装置包括激光位移传感器、支架、阿基米德测量块、数据采集仪，阿基米德测量块随被测目标同轴转动，其外径随方位角呈线性增加，通过测量激光传感器和阿基米德测量块侧表面之间的距离变化解算被测目标的角位移；测量步骤包括(1)激光位移传感器发射测量光测量其与阿基米德测量块侧表面之间的距离，(2)数据采集仪采集并记录激光文位移传感器输出的模拟信号电压，(3)通过输出电压的变化来解算被测目标的角位移。本发明原理简单，测量时响应速度快，测量分辨率高，解决了现有角位移测量方法原理复杂、制作成本高、调试难度大等不足。

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权　利　要　求　书

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1.一种用于微小推力测量的高分辨率角位移测量装置，其特征在于，包括激光位移传感器、用于安装并调整激光传感器高度和水平位置的支架、阿基米德测量块、采集并记录激光传感器输出信号的数据采集仪。

激光位移传感器通过螺钉固定于支架上，通过支架调节其与阿基米德测量块保持同一高度，其激光发射端对准阿基米德测量块圆心；阿基米德测量块通过高精度线切割加工而成，中心有螺纹孔，通过螺钉与被测目标同轴固定连接，测量时随被测目标同步转动；数据采集仪与计算机连接，可以采集并记录激光位移传感器输出的模拟信号电压。

2.如权利要求1所述的一种用于微小推力测量的高分辨率角位移测量装置，其特征在于，阿基米德测量块的外径随方位角呈线性增加，其外径R和角度θ满足如下数学关系：

R＝72+(1/5)×θ (0≤θ≤360°)

3.一种用于微小推力测量的高分辨率角位移测量方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)激光位移传感器发射测量光测量其与阿基米德测量块侧表面之间的距离；(2)数据采集仪采集并记录激光位移传感器输出的模拟信号电压；(3)根据模拟信号电压的变化量解算阿基米德测量块的角位移变化量。

4.如权利要求3所述的一种用于微小推力测量的高分辨率角位移测量装置方法，其特征在于，利用特殊设计的阿基米德测量块，将被测目标的角位移变化转化为激光位移传感器和阿基米德测量块侧表面之间的距离变化，测量分辨可达0.01°。

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一种用于微小推力测量的高分辨率角位移测量装置及其方法

技术领域

[0001]本发明涉及测量技术领域，具体是一种用于微小推力测量的高分辨率角位移测量装置及其方法。

背景技术

[0002]微推力器的地面推力测量是其研制过程中必不可少的一个关键环节，微小推力的精确测量可以为其设计改进、参数选择和性能评估提供必要的参考数据。微推力器的推力通常为mN级甚至μN级，难以通过力传感器直接测量，现有的微小推力测量装置大多通过测量台架在推力作用下的位移或形变来计算推力大小。其中，MIT和北航分别提出了一种基于磁悬浮轴承的微小推力测量方式，该方法通过测量悬浮转子在推力器作用下的角位移来计算微小推力。然而，微推力器的推重比非常小，通常低于<10-5，对角位移测量分辨率提出了很高的要求。

[0003]本发明提出了一种用于微小推力测量的高分辨率角位移测量装置及其方法，具有响应速度快、测量分辨率高、制作成本低等显著优点。发明内容

[0004]本发明的目的在于：针对上述问题，提供一种用于微小推力测量的高分辨率角位移测量装置及其方法。本发明的技术方案如下：

[0005]一种用于微小推力测量的高分辨率角位移测量装置，包括：激光位移传感器，所述传感器可以将被测目标的位移变化输出为模拟信号电压，其响应时间不超过5ms，测量分辨率可达2μm；支架，所述支架用于固定安装激光位移传感器，可以调节激光传感器的竖直高度和水平位置；数据采集仪，所述采集仪可以接收并记录采集激光位移传感器输出的模拟信号；阿基米德测量块，所述测量块与被测试目标同轴固定连接并随之同步转动，该测量块外径R(单位：mm)随方位角θ(单位：°)的增大而成线性增加，满足如下数学关系：[0006]R＝72+(1/5)×θ(0≤θ≤360°)[0007]相应的，所述阿基米德测量块的角度变化量Δθ(单位：°)满足如下数学关系：[0008]Δθ＝5×ΔR[0009]其中，ΔR(单位：mm)为阿基米德测量块的外径变化量。激光位移传感器的测量分辨率为0.002mm，对应的角位移测量分辨率为0.01°。

[0010]一种用于微小推力测量的高分辨率角位移测量方法，包括如下步骤：[0011](1)所述激光位移传感器发射测量光测量其与阿基米德测量块的侧表面之间的距离L(单位：mm)；[0012](2)所述数据采集仪采集并记录激光位移传感器输出的模拟信号电压U(单位：V)；[0013](3)根据模拟信号电压的变化量ΔU(单位：V)解算所述阿基米德测量块的角位移变化量Δθ(单位：°)。[0014]进一步的，所述步骤(3)中，所述数据采集仪记录的模拟信号U的变化量ΔU满足如

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下数学关系：

[0015]ΔU＝ΔL＝ΔR[0016]其中，ΔL(单位：mm)为激光位移传感器和阿基米德测量块之间距离的变化量。[0017]在任意时刻，待测机构的角位移为:[0018]Δθ＝5×ΔU

[0019]本发明的优点在于：[0020]1)原理简单，只需测量一个物理量U，即可解算出被测目标的角位移Δθ；[0021]2)响应速度快，激光位移传感器的响应时间不超过5ms；[0022]3)测量分辨率高，激光位移传感器的测量分辨率可达2μm，相应的角位移测量分辨率可达0.01°；

[0023]4)非接触式测量，对被测目标的运动状态不会造成任何干扰。附图说明

[0024]图1为本发明的测量装置示意图；

[0025]图2为本发明的阿基米德测量块示意图；[0026]图3为本发明的测量原理示意图；[0027]图4为本发明的测量方法流程图。[0028]1-激光位移传感器；2-阿基米德测量块；3-支架；4-数据采集仪。

具体实施方式

[0029]下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

[0030]本发明一种基于激光位移传感器的非接触式高分辨率角位移测量装置，所述测量装置如图1所示，包括激光位移传感器1，阿基米德测量块2，支架3，数据采集仪4；

[0031]所述激光位移传感器1可将检测到的距离变化ΔL转化为模拟信号ΔU输出，且距离每变化1mm，输出电压相应变化1V，即：[0032]ΔU＝ΔL

[0033]所述激光位移传感器1的测量重复性误差不超过2μm，响应时间不超过5ms；[0034]所述激光位移传感器1通过螺钉固定于所述支架3上，测量时保持静止；[0035]所述支架3包括竖直和水平两个直线导轨，测量前调节激光位移传感器1与阿基米德测量块2保持同一高度，并调节激光位移传感器1的发射端对准阿基米德测量块2的圆心；[0036]所述阿基米德测量块2通过高精度线切割加工而成，中心有螺纹孔，通过螺钉与被测目标同轴固定连接，测量时随被测目标同步转动，其外径R随方位角的增大而线性增加，满足如下数学关系：[0037]R＝72+(1/5)×θ(0≤θ≤360°)[0038]所述数据采集仪4与计算机连接，可以采集并记录激光位移传感器1输出的模拟信号电压。

[0039]本发明一种用于微小推力测量的高分辨率角位移测量方法，所述测量步骤如图4所示，包括：

[0040]步骤一，所述激光位移传感器1发射测量光测量其与阿基米德测量块2的侧表面之

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间的距离L；

[0041]进一步的，所述激光位移传感器1和所述阿基米德测量块2的侧表面之间的距离变化量ΔL满足如下数学关系：[0042]ΔL＝ΔR＝(1/5)×Δθ[0043]步骤二，所述数据采集仪4采集并记录所述激光位移传感器输出的模拟信号电压U；

[0044]步骤三，根据模拟信号电压的变化量ΔU解算所述阿基米德测量块的角位移变化量Δθ。

[0045]进一步的，所述数据采集仪4所记录的模拟信号U的变化量ΔU满足如下数学关系：[0046]ΔU＝ΔL＝ΔR＝(1/5)×Δθ[0047]因此，在任意时刻，被测目标的角位移为Δθ＝5×ΔU

[0048]本发明提出了一种用于微小推力测量的高分辨率角位移测量装置，并揭示了相应的测量方法，通过阿基米德测量块将角位移变化转换为测量块和激光位移传感器之间的距离变化，原理简单、测量分辨率高、响应速度快，具有很强的实用性。

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图1

图2

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说　明　书　附　图

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图3

图4

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