本发明专利技术公开了一种单丝扭摆式快响应直接力及微冲量测量装置，包括单丝扭摆、加速度传感器、冲量检测单元、电压信号调理单元和数据处理模块，单丝扭摆包括底座，底座上设有竖直固定的扭丝，扭丝的中部固定有水平布置的摆动臂，摆动臂上装设有用于夹持固定射流激励器或推力器的夹持器，加速度传感器装设固定于摆动臂上，冲量检测单元包括激光器、反光镜和光电位置传感器，反光镜装设于摆动臂上，激光器通过反光镜的反射对准光电位置传感器，光电位置传感器、加速度传感器的输出端分别通过电压信号调理单元和数据处理模块相连。本发明专利技术能够实现对等离子体高能合成射流的快响应直接力及微冲量测量，具有测量精度高、抗干扰能力强、结构简单的优点。
【技术实现步骤摘要】
一种单丝扭摆式快响应直接力及微冲量测量装置
本专利技术涉及高超声速飞行器高机动性技术研究领域，具体涉及一种单丝扭摆式快响应直接力及微冲量测量装置。
技术介绍
等离子体高能合成射流激励器自2003年约翰霍普金斯大学应用物理实验室首次提出后，一直受到广泛的关注和研究。等离子体高能合成射流激励器产生等离子体高能合成射流，由于其射流的形成不需要气源、管路、阀门等装置，而是直接利用周围流场气体形成射流，即无流体供应系统，具有响应快、无移动部件、质量轻、射流穿透能力强等优点，因此在高速流动控制方面显示出巨大应用潜力。随着超声速/高超声速飞行器技术的迅速发展，直接力控制技术正成为改善高速飞行器响应速度、提高制导精度、增加可用过载和机动能力的有效手段。相对基于空气舵的气动力控制方式，基于侧向喷流的直接力控制具有时间延迟小、响应速度快、高空环境控制效率高的优点。目前基于侧向喷流的反作用力控制系统，主要通过小型推力器或高压储气/液罐装置喷射高速气/液射流产生侧喷力。小型推力器主要选用燃气发生器、小型火箭发动机或者直接由主发动机侧向引流，这种实现方式的缺点在于直接力的工作范围受到推力器燃料消耗的限制，推力大小不可调且推力器燃料消耗尽之后不能继续使用。高压储气罐装置则气液燃料的体积巨大，携带不方便，推力器工作时燃料消耗会引起飞行器质心的漂移。针对这两种直接力产生方式存在的不足，结合等离子体高能合成射流激励器的特点，国防科技大学在2011年首先提出了将等离子体高能合成射流激励器作为反作用力生成装置，用于飞行器快响应直接力控制的思想，并于2012年申请了“一种快响应直接力产生装置”专利技术专利。但是，目前对于等离子体高能合成射流快响应直接力的测量，目前尚无有效的测量仪器，主要是存在时间响应太快(微秒量级，常规喷流响应时间为毫秒量级)、电磁干扰严重(常规喷流无电磁干扰)等技术难题。针对这些技术难点，亟需设计一种能够在强电磁干扰下工作的快响应直接力/微冲量测量仪器，这对于等离子体高能合成射流激励器应用于高超声速飞行器快响应直接力控制研究具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：为更好开展快响应直接力作用高超声速飞行器实现高机动控制性能的研究，针对现有技术的上述问题，提供一种能够实现对等离子体高能合成射流的快响应直接力及微冲量测量，测量精度高、抗干扰能力强、结构简单的单丝扭摆式快响应直接力及微冲量测量装置。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种单丝扭摆式快响应直接力及微冲量测量装置，包括单丝扭摆、加速度传感器、冲量检测单元、电压信号调理单元和数据处理模块，所述单丝扭摆包括底座，所述底座上设有竖直固定的扭丝，所述扭丝的中部固定有水平布置的摆动臂，所述摆动臂上装设有用于夹持固定射流激励器或推力器的夹持器，所述加速度传感器装设固定于摆动臂上，所述冲量检测单元包括激光器、反光镜和光电位置传感器，所述反光镜装设于摆动臂上，所述激光器的发射头通过反光镜的反射对准光电位置传感器，所述光电位置传感器、加速度传感器的输出端分别通过电压信号调理单元和数据处理模块相连，所述数据处理模块采用式(4)计算快响应直接力、采用式(11)计算快响应直接力作用的微冲量；式(4)中，F表示射流激励器或推力器所产生等离子体高能合成射流的快响应直接力，R表示射流激励器或推力器的喷流中心孔距扭丝的距离，J表示扭丝的扭摆转动惯量，a表示射流激励器或推力器的加速度；式(11)中，I表示快响应直接力作用的微冲量，J表示摆动臂扭摆的转动惯量，R表示射流激励器或推力器的喷流中心孔距扭丝(12)的距离，ξ表示系统的阻尼系数，wd表示有阻尼固有频率，dsmax表示光电位置传感器上激光光斑最大移动距离，L表示光电位置传感器到反光镜的距离，t＝T/4，其中T为扭摆转动周期，扭摆转动周期T的计算函数表达式为T＝2π/wd。优选地，所述加速度传感器包括相互连接固定的屏蔽壳体和支座，所述屏蔽壳体内设有压电元件、惯性元件和弹簧，所述惯性元件一端通过压电元件与屏蔽壳体的内壁相连、另一端通过弹簧与屏蔽壳体的内壁相连，所述压电元件为采用偏聚氟乙烯制成的压电薄膜，所述压电元件通过屏蔽导线引出屏蔽壳体外并与电压信号调理单元相连。优选地，所述加速度传感器装设固定于摆动臂的端部且位于夹持器的背面。优选地，所述反光镜装设于摆动臂的中部。优选地，所述反光镜为对激光器发射的激光频率具有98％以上反射率的镀膜光学平面镜。本专利技术的单丝扭摆式快响应直接力及微冲量测量装置具有下述优点：本专利技术的单丝扭摆式快响应直接力及微冲量测量装置在工作时，通过加速度传感器接受射流激励器或推力器产生的反作用力，将加速度信号转换为电压信号，再经电压信号调理单元转换为合适大小并能检测的电压信号输出至数据处理模块；同时，射流激励器或推力器产生的反作用力使得单丝扭摆的扭丝偏转一定角度，反光镜随着扭丝转动，由于激光器的发射头通过反光镜的反射对准光电位置传感器，因此冲量检测单元能够放大扭丝的偏转位移，光电位置传感器采集偏转位移的光斑位移并输出电流信号，再经电压信号调理单元转换为合适大小并能检测的电压信号输出至数据处理模块，最终通过数据处理模块利用已经标定好的加速度—电压关系、冲量—电压关系，将来自加速度传感器的电压值换算为加速度数值、将来自光电位置传感器的电压值换算为冲量数值，并绘出直接力随时间的变化曲线，从而完成快响应直接力及微冲量的在强电磁干扰环境下快响应(微秒量级)直接力、微冲量(微牛秒量级)测量，具有能够实现对等离子体高能合成射流的快响应直接力及微冲量测量，测量精度高、抗干扰能力强、结构简单的优点。附图说明图1为本专利技术实施例的框架结构示意图。图2为本专利技术实施例中单丝扭摆及其相关部件的安装结构示意图。图3为本专利技术实施例中加速度传感器的原理示意图。图4为本专利技术实施例中冲量测量的原理示意图。图例说明：1、单丝扭摆；11、底座；12、扭丝；13、摆动臂；131、夹持器；2、加速度传感器；21、屏蔽壳体；22、支座；23、压电元件；24、惯性元件；25、弹簧；3、冲量检测单元；31、激光器；32、反光镜；33、光电位置传感器；4、电压信号调理单元；5、数据处理模块。具体实施方式如图1和图2所示，本实施例的单丝扭摆式快响应直接力及微冲量测量装置包括单丝扭摆1、加速度传感器2、冲量检测单元3、电压信号调理单元4和数据处理模块5，单丝扭摆1包括底座11，底座11上设有竖直固定的扭丝12，扭丝12的中部固定有水平布置的摆动臂13，摆动臂13上装设有用于夹持固定射流激励器或推力器的夹持器131，加速度传感器2装设固定于摆动臂13上，冲量检测单元3包括激光器31、反光镜32和光电位置传感器33，反光镜32装设于摆动臂13上，激光器31的发射头通过反光镜32的反射对准光电位置传感器33，光电位置传感器33、加速度传感器2的输出端分别通过电压信号调理单元4和数据处理模块5相连。本实施例在工作时，通过加速度传感器2接受射流激励器或推力器产生的反作用力，将加速度信号转换为电压信号，再经电压信号调理单元4转换为合适大小并能检测的电压信号输出至数据处理模块5；同时，射流激励器或推力器产生的反作用力使得单丝扭摆1的扭丝12偏转一定角度，反光镜32随着扭丝12本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种单丝扭摆式快响应直接力及微冲量测量装置，其特征在于：包括单丝扭摆(1)、加速度传感器(2)、冲量检测单元(3)、电压信号调理单元(4)和数据处理模块(5)，所述单丝扭摆(1)包括底座(11)，所述底座(11)上设有竖直固定的扭丝(12)，所述扭丝(12)的中部固定有水平布置的摆动臂(13)，所述摆动臂(13)上装设有用于夹持固定射流激励器或推力器的夹持器(131)，所述加速度传感器(2)装设固定于摆动臂(13)上，所述冲量检测单元(3)包括激光器(31)、反光镜(32)和光电位置传感器(33)，所述反光镜(32)装设于摆动臂(13)上，所述激光器(31)的发射头通过反光镜(32)的反射对准光电位置传感器(33)，所述光电位置传感器(33)、加速度传感器(2)的输出端分别通过电压信号调理单元(4)和数据处理模块(5)相连。
【技术特征摘要】
1.一种单丝扭摆式快响应直接力及微冲量测量装置，其特征在于：包括单丝扭摆(1)、加速度传感器(2)、冲量检测单元(3)、电压信号调理单元(4)和数据处理模块(5)，所述单丝扭摆(1)包括底座(11)，所述底座(11)上设有竖直固定的扭丝(12)，所述扭丝(12)的中部固定有水平布置的摆动臂(13)，所述摆动臂(13)上装设有用于夹持固定射流激励器或推力器的夹持器(131)，所述加速度传感器(2)装设固定于摆动臂(13)上，所述冲量检测单元(3)包括激光器(31)、反光镜(32)和光电位置传感器(33)，所述反光镜(32)装设于摆动臂(13)上，所述激光器(31)的发射头通过反光镜(32)的反射对准光电位置传感器(33)，所述光电位置传感器(33)、加速度传感器(2)的输出端分别通过电压信号调理单元(4)和数据处理模块(5)相连，所述数据处理模块(5)采用式(4)计算快响应直接力、采用式(11)计算快响应直接力作用的微冲量；式(4)中，F表示射流激励器或推力器所产生等离子体高能合成射流的快响应直接力，R表示射流激励器或推力器的喷流中心孔距扭丝(12)的距离，J表示扭丝(12)的扭摆转动惯量，a表示射流激励器或推力器的加速度；式(11)中，I表示快响应直接力作用的...
【专利技术属性】
技术研发人员：张宇，罗振兵，王林，夏智勋，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。