本發(fā)明涉及航天器力測試，尤其涉及一種用于航天器的大量程準靜態(tài)六維力測量裝置。

背景技術：

1、準靜態(tài)載荷一般是指穩(wěn)態(tài)載荷與低頻動態(tài)載荷的綜合，甚至在綜合考慮各種載荷的時候一般利用準靜態(tài)載荷的概念。在航天領域，火箭發(fā)射過程，航天器在外星的著陸、起飛過程都是典型的準靜態(tài)過程，相關的地面驗證試驗力測量任務需要熱真空環(huán)境下的寬頻六維力測量技術。

2、目前，根據(jù)測量形式可將多維力傳感器劃分為應變式、電容式、電感式、光電式和壓電式多維力傳感器。其中，電阻應變式多維力傳感器的工作原理是將電阻應變片的彈性變形以電阻變化的信號輸出，具有靜態(tài)線性度好、精度高、滯后性低、剛度低等特點，多用于靜態(tài)或低頻信號測量。電感式多維力傳感器主要根據(jù)電磁感應理論，把被測物理量的改變，通過狡辯磁場轉(zhuǎn)換為可測量的電感信號變化，但電感式力傳感器的靈敏度、線性度和量程之間的關系復雜，難以協(xié)調(diào)，不適合快速動態(tài)測量。電容式多維力傳感器能夠?qū)C械量的改變，轉(zhuǎn)換為可測的電容量的改變，實現(xiàn)測量目的，具有靈敏度高、過載能力強等優(yōu)點，但存在寄生電容，容易對測量精度產(chǎn)生影響。壓電式力傳感器通常采用石英晶體、壓電陶瓷等作為力敏元件，并和測量轉(zhuǎn)換電路共同完成對被測量的測量，具有動態(tài)性能好、精度高、靈敏度高、穩(wěn)定性好、固有頻率高等特點。光電式力傳感器主要利用光電技術理論將被測量的改變轉(zhuǎn)換為對應電信號，實現(xiàn)被測對象的檢測，具有響應快、精度高、靈敏度高等特點。

3、壓電式三向力傳感器具有精度高、剛度大、量程和測試頻率覆蓋范圍大的特點，可應用于航天器的三向力測量領域。然而，六維力傳感器的結構設計和工藝制造水平會對傳感器的測量精度產(chǎn)生影響，結構設計會對傳感器剛度、動靜態(tài)測量精度、靈敏度、維間耦合等產(chǎn)生直接影響，是決定傳感器性能的核心因素。目前作為成熟產(chǎn)品出售的六維力傳感器在量程、精度、剛度、測試頻率范圍等指標上不能滿足航天器地面試驗中的大量程寬頻準靜態(tài)六維力測量要求，因此需要研制適用于航天器的大量程寬頻六維力測量裝置。

技術實現(xiàn)思路

1、針對上述的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種用于航天器的大量程準靜態(tài)六維力測量裝置，以滿足航天器地面試驗中的大量程寬頻準靜態(tài)六維力測量要求。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種用于航天器的大量程準靜態(tài)六維力測量裝置，包括有四個力傳感器、一組上下安裝板、電荷放大器和數(shù)據(jù)采集儀，四個所述力傳感器安裝在上安裝板和下安裝板之間并呈矩形對角分布，所述力傳感器與所述電荷放大器連接，所述電荷放大器根據(jù)所述力傳感器的測量信號以輸出三軸向的合力及合力矩到所述數(shù)據(jù)采集儀；其中：

3、所述電荷放大器為kistler多通道信號調(diào)節(jié)器，具體用于：

4、根據(jù)所述力傳感器輸入的所述測量信號，通過如下公式計算并輸出對應的合力及合力矩：

5、fx＝fx1＋2+fx3+4；

6、fy＝fy1+4+fy2+3；

7、fz＝fz1+fz2+fz3+fz4；

8、mx＝[b·(fz1+fz2-fz3-fz4)]·kmx；

9、my＝[a·(-fz1+fz2+fz3-fz4)]·kmy；

10、mz＝[b·(-fx1＋2+fx3＋4)+a·(fy1+4-fy2＋3)]·kmz；

11、其中，其中，fx表示四個所述力傳感器x軸向的合力，fy表示四個所述力傳感器y軸向的合力，fz表示四個所述力傳感器z軸向的合力，fx1+2表示第一力傳感器和第二力傳感器在x軸向測量的合力，fx3+4表示第三力傳感器和第四力傳感器在x軸向測量的合力，fy1+4表示第一力傳感器和第四力傳感器在y軸向測量的合力，fy2+3表示第二力傳感器和第三力傳感器在y軸向測量的合力，fz1表示第一力傳感器在z軸向測量的合力，fz2表示第二力傳感器在z軸向測量的合力，fz3表示第三力傳感器在z軸向測量的合力，fz4表示第四力傳感器在z軸向測量的合力，mx表示四個所述力傳感器x軸向的合力矩，my表示四個所述力傳感器y軸向的合力矩，mz表示四個所述力傳感器z軸向的合力矩，k表示力矩修正系數(shù)。

12、可選的，所述電荷放大器還用于：

13、通過如下公式以被測飛躍器質(zhì)心坐標系為基準進行合力矩的質(zhì)心變換計算：

14、l器＝l臺+δl；

15、m器＝l器×f；

16、m臺＝l臺×f；

17、

18、mx器＝mx臺+fzdy-fydz；

19、my器＝my臺+fxdy-fzdx；

20、mz器＝mz臺+fydy-fxdy；

21、其中，l器為所述飛躍器質(zhì)心，l臺為所述測量裝置質(zhì)心，f為所述飛躍器收到的外部力，m器為所述飛躍器質(zhì)心處受到的力矩，δl為所述測量裝置質(zhì)心到所述飛躍器質(zhì)心的變化量，mx器為質(zhì)心變換后的所述飛躍器的x軸向的合力矩，my器為質(zhì)心變換后的所述飛躍器的y軸向的合力矩，mz器為質(zhì)心變換后的所述飛躍器的z軸向的合力矩，mx臺為質(zhì)心變換后的所述測量裝置x軸向的合力矩，my臺為質(zhì)心變換后的所述測量裝置y軸向的合力矩，mz臺為質(zhì)心變換后的所述測量裝置z軸向的合力矩。

22、可選的，所述力傳感器為商用壓電式大量程三向力傳感器。

23、可選的，所述上安裝板和所述下安裝板為矩形對稱結構，且均為鋁制材質(zhì)。

24、可選的，所述數(shù)據(jù)采集儀為多通道lms系統(tǒng)。

25、可選的，四個所述力傳感器的上下端面分別與所述上安裝板和所述下安裝板連接固定，所述上安裝板和所述下安裝板與待測航天器組接。

26、進一步的，所述力傳感器與所述上安裝板以及所述下安裝板之間為螺接固定。

27、本發(fā)明所述的用于航天器的大量程準靜態(tài)六維力測量裝置包括有四個力傳感器、一組上下安裝板、電荷放大器和數(shù)據(jù)采集儀，四個力傳感器安裝在上安裝板和下安裝板之間并呈矩形對角分布，所述力傳感器與電荷放大器連接，電荷放大器根據(jù)所述力傳感器的測量信號以輸出三軸向的合力及合力矩到所述數(shù)據(jù)采集儀；所述電荷放大器為kistler多通道信號調(diào)節(jié)器，具體用于根據(jù)所述力傳感器輸入的所述測量信號，計算并輸出對應的合力及合力矩。如此，本發(fā)明基于成熟的壓電式三向力傳感器，實現(xiàn)了大量程寬頻六維力測量，具備可測試頻帶寬，偏心測試精度高，成本低等優(yōu)點，滿足了航天器的大量程寬頻六維力測量需求。

技術特征：

1.一種用于航天器的大量程準靜態(tài)六維力測量裝置，其特征在于，包括有四個力傳感器、一組上下安裝板、電荷放大器和數(shù)據(jù)采集儀，四個所述力傳感器安裝在上安裝板和下安裝板之間并呈矩形對角分布，所述力傳感器與所述電荷放大器連接，所述電荷放大器根據(jù)所述力傳感器的測量信號以輸出三軸向的合力及合力矩到所述數(shù)據(jù)采集儀；其中：

2.根據(jù)權利要求1所述的用于航天器的大量程準靜態(tài)六維力測量裝置，其特征在于，所述電荷放大器還用于：

3.根據(jù)權利要求1所述的用于航天器的大量程準靜態(tài)六維力測量裝置，其特征在于，所述力傳感器為商用壓電式大量程三向力傳感器。

4.根據(jù)權利要求1所述的用于航天器的大量程準靜態(tài)六維力測量裝置，其特征在于，所述上安裝板和所述下安裝板為矩形對稱結構，且均為鋁制材質(zhì)。

5.根據(jù)權利要求1所述的用于航天器的大量程準靜態(tài)六維力測量裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集儀為多通道lms系統(tǒng)。

6.根據(jù)權利要求1所述的用于航天器的大量程準靜態(tài)六維力測量裝置，其特征在于，四個所述力傳感器的上下端面分別與所述上安裝板和所述下安裝板連接固定，所述上安裝板和所述下安裝板與待測航天器組接。

7.根據(jù)權利要求6所述的用于航天器的大量程準靜態(tài)六維力測量裝置，其特征在于，所述力傳感器與所述上安裝板以及所述下安裝板之間為螺接固定。

技術總結
本發(fā)明提供了一種用于航天器的大量程準靜態(tài)六維力測量裝置，包括有四個力傳感器、一組上下安裝板、電荷放大器和數(shù)據(jù)采集儀，四個力傳感器安裝在上安裝板和下安裝板之間并呈矩形對角分布，所述力傳感器與電荷放大器連接，電荷放大器根據(jù)所述力傳感器的測量信號以輸出三軸向的合力及合力矩到所述數(shù)據(jù)采集儀；所述電荷放大器為Kistler多通道信號調(diào)節(jié)器，具體用于根據(jù)所述力傳感器輸入的所述測量信號，計算并輸出對應的合力及合力矩。如此，本發(fā)明實現(xiàn)了航天器的大量程寬頻準靜態(tài)力測量，可獲取航天器連接點處的界面力及力矩信息，具備可測試頻帶寬，偏心測試精度高，成本低的優(yōu)點。

技術研發(fā)人員：楊曉寧,馬功泊,李長勛,馮國松,楊光,范軍紅,朱建斌,董宇輝,顧菲,劉可鑫
受保護的技術使用者：北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/10/10