北航 反馈力法微小推力测量系统.docx
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北航反馈力法微小推力测量系统
火箭发动机专题实验
反馈力法微小推力测量系统
标定试验
学生姓名
学号
指导教师
汤海滨
日期
1、实验目的
1）了解常见的微小推力测量方法；
2）了解反馈力法微小推力测量系统测量原理；
3）掌握反馈力法微小推力测量系统的标定方法；
4）学会分析反馈力法微小推力测量系统的静态参数。
2、实验设备及功能
1）微推力架一台；
主要用于测试微推力器的推力，在本次试验中作为反馈力法测微小推力标定实验的主要载体。
其结构如图一所示：
图一微推力架机械结构示意图
2）反馈电路一套；
实验所用到的推力架采用闭环的控制系统，由前置电路、PID控制电路、功率放大电路组成。
前置电路用于把位移传感器输出进行简单计算后传递至PID控制电路；PID控制电路，对位移传感器输出进行信号运算；功率放大电路，使用乙类互补推挽功率放大电路，用于驱动线圈。
其具体的反馈电路图如图二所示。
图二微推力架电路原理图
3）标定装置一套；
标定装置主要有3部分组成。
分别是定滑轮、支撑装置、线、砝码盘。
标定装置作为推力架的力加载输入，用于对微推力架进行实验标定。
4）电源三台；
分别为传感器、电路板和三极管供电，用于驱动电路系统的各个组成部分。
整个反馈电路共有处需要供电。
总电路需要供电±15V，三极管需要供电±5V，传感器需要供电24V，所有电源均是直流稳压电源。
5）万用表一个；
电路板已经预留了信号输出接口，直接用导线从接口处引出信号即可用万用表进行测量。
实际测试时，观察万用表的读数，万用表的直流电压值与反馈线圈中的电流值相对应。
6）导线若干。
用于连接电路板与万用表、三类电源等。
3、实验内容与步骤
3.1反馈电路接线
整个反馈电路共有处需要供电。
总电路需要供电±15V，三极管需要供电
±5V，传感器需要供电24V，所有电源均是直流稳压电源。
接线时遵循红正黑负的原则，注意不要把正负极性反接，否则会导致元器件被烧毁，甚至发生爆炸。
实验桌上有三个电源，推力架后方的电源是为整个电路供电的，可以提供±15V和±12V的电压，其控制面板上有切换按钮可以切换输出电压。
右侧有两个电源堆叠在一起，上方的电源是传感器电源，下方的是三极管电源。
使用时先把电源的电源线连接好，然后把相应的线接到相应的电路板的接口上。
电路板上除了供电电路之外还有一路磁线圈的驱动电路需要连线，该路线路是从放大电路的输出端连接至磁线圈的线圈接口。
连接完成之后用万用表检查线路是否正确，有无开路情况。
3.2测量线路连接
标定时可用万用表的直流电压档进行测量。
电路板已经预留了信号输出接口，直接用导线从接口处引出信号即可用万用表进行测量。
3.3安装标定装置
标定装置主要有3部分组成。
分别是定滑轮、支撑装置、线、砝码盘。
推力架上有安装孔，先把支撑装置安装到推力架上，再把定滑轮安装到支撑装置上，然后用线把砝码盘连接到推力架上，并使线水平放置在定滑轮的沟槽内。
3.4解锁推力架
此推力架的弹性元件为高精度的弹性轴承，为延长轴承的使用寿命，在推力架不工作时需要将其锁死，防止动架晃动。
标定前需要解除其锁定。
3.5启动电源
除电路总电源只有一个电源按钮之外，其他电源在电源按钮按下之后还需按下输出按钮才能输出电压。
按下输出按钮前要调整好电源的输出电压，防止烧毁元器件。
3.6标定推力架
按照附表中的要求，逐个添加砝码到砝码盘中，并观察万用表的读数，待读数稳定之后记录数据，直到完成表中的所有内容。
3.7关闭电源
依次关闭总电路的电源，传感器的电源和三极管的电源。
关闭电源时先按输出按钮，再按电源按钮。
4、原始数据记录表
表1反馈力法微小推力测量系统标定实验记录表
砝码质量/g
微推力架输出/mv
第一组
第二组
第三组
正行程
返行程
正行程
返行程
正行程
返行程
0
99.2
99.2
99.6
99.6
99.6
99.6
1
112.4
112.8
112.8
113.5
113.5
113.2
3
139.8
139.8
140
140.3
140
140.6
5
167.2
167.3
167.5
169.1
167.6
168.4
10
236
237
237
237
237
237
20
374
374
374
374
374
374
把测量值减去加载砝码质量为0时的输出以减小或消除标定装置本身重量引起的漂移。
得到下表：
表2消除零漂后的实验数据
砝码质量/g
微推力架输出/mv
第一组
第二组
第三组
正行程
返行程
正行程
返行程
正行程
返行程
0
0
0
0
0
0
0
1
13.2
13.6
13.2
13.9
13.9
13.6
3
40.6
40.6
40.4
40.7
40.4
41
5
68
68.1
67.9
69.5
68
68.8
10
136.8
137.8
137.4
137.4
137.4
137.4
20
274.8
274.8
274.4
274.4
274.4
274.4
5、推力架静态参数分析
本次实验主要需要根据标定结果确定推力架的灵敏度、线性度、迟滞性和重复性，这是推力架最主要的几个静态参数，下面将根据实验数据计算这几个参数。
5.1灵敏度
微推力架灵敏度是指微推力架输出（采样电阻上电压）与输入微推力架的力（发动机推力）之间的关系。
微推力架标定过程中，通过找出微推力架输出和所加砝码质量的关系得到微推力架灵敏度。
根据原始数据表1中的第一组数据。
以砝码质量为X轴，微推力架输出为Y轴，画出正行程和反行程的微推力架输出和砝码质量关系图，如图3，图中红色线为正行程，加载砝码质量；蓝色线为反行程，卸载砝码质量。
图三微推力架输出与砝码质量关系
对原始数组表1中的第一组数据进行线形拟合，拟合方程参照下式：
（公式1）
其中：
TSO为微推力架输出，mV；MW为砝码的质量，g；KTM为微推力架输出与砝码质量的关系，为所得曲线的斜率，mV/g。
对第一组数据拟合得到微推力架输出与砝码质量的关系曲线的系数正行程：
Y=13.755X+98.696，R2=1；
返行程：
Y=13.759X+98.919，R2=1；
正返行程拟合：
Y=13.757X+98.807，R2=1，KTM=13.757。
正行程变化1g砝码时的微推力架输出为13.755mV，取重力加速度为9.83m/s2，得到当推力为1mN时微推力架输出为1.399mV，即微推力架的灵敏度：
K=1.3993mV/mN；
返行程灵敏度:
K=1.3997mV/mN；
正返行程拟合：
K=1.3995mV/mN。
同时，由校正决定系数R2等于1可以看出，各个数据点——微推力架输出与挂载砝码质量之间的线性关系非常好。
对第二组数据拟合得到微推力架输出与砝码质量的关系曲线的系数正行程：
Y=13.746X+99.135，R2=1；
返行程：
Y=13.720X+99.737，R2=1；
正返行程拟合：
Y=13.733X+99.436，R2=1，KTM=13.733。
根据第二组数据计算的微推力架的灵敏度:
K=1.3984mV/mN；
返行程灵敏度：
K=1.3957mV/mN；
正返行程拟合：
K=1.3970mV/mN。
同时，由校正决定系数R2等于1可以看出，各个数据点——微推力架输出与挂载砝码质量之间的线性关系非常好。
对第三组数据拟合得到微推力架输出与砝码质量的关系曲线的系数正行程：
Y=13.732X+99.361，R2=1；
返行程：
Y=13.726X+99.583，R2=1；
正返行程拟合：
Y=13.729X+99.472，R2=1，KTM=13.729。
根据第三组数据计算的微推力架的灵敏度：
K=1.3969mV/mN；
返行程时：
K=1.3963mV/mN；
正返行程拟合：
K=1.3966mV/mN。
同时，由校正决定系数R2等于1可以看出，各个数据点——微推力架输出与挂载砝码质量之间的线性关系非常好。
5.2线性度
使用灵敏度作出理想的微推力架输出与砝码质量关系曲线，与实际的微推力架输出比较来论证静态标定中的线性度。
使用第一组的数据，将输出减去砝码质量为0时的输出，转换为消除零漂后的输出，再根据上一步计算得到的灵敏度得到数据如下表。
表3微推力架标定线性度和迟滞性分析数据
砝码质量/g
理想输出/mV
正行程输出/mV
ΔLUp
返行程输出/mV
ΔLDown
ΔH
1
13.757
13.2
0.557
13.6
0.157
0.4
3
41.271
40.6
0.671
40.6
0.671
0
5
68.785
68.0
0.785
68.1
0.685
0.1
10
137.57
136.8
0.77
137.8
0.23
1
20
275.14
274.8
0.34
274.8
0.34
0
表中：
ΔLUp为正行程挂载砝码时微推力架输出与理想微推力架输出之间的差值；ΔLDown为返行程挂载砝码微推力架输出与理想微推力架输出之间的差值；ΔH为挂载相同砝码质量时正行程微推力架输出和反行程微推力架输出之间的差值。
表3中第二列中理想微推力架输出由砝码质量乘于拟合得到的KTM求得。
。
由表3中数据，最大的偏差出现在正行程挂载5g时，偏差值为0.785mV，由线性度计算公式：
（公式2）
可以得到微推力架200mN量程的线性度δL200为：
（公式3）
式中：
δL为线性度；ΔLmax为微推力架输出最大偏差；YFS为满量程微推力架输出。
5.3迟滞性
在表3中第7列，列出了挂载砝码质量不同时正行程和反行程微推力架输出之间的差值。
其中最大的差值出现在挂载的砝码质量为10g时，微推力架输出差值为1mV。
根据迟滞性误差计算公式：
（公式4）
可以得到微推力架200mN量程推力测量迟滞误差δH200为
（公式5）
其中：
δH为迟滞误差；ΔHmax为微推力架输出的最大的迟滞误差。
5.4重复性
使用原始数据表1中数据来论证微推力架200mN量程的重复性。
重复性误差的计算公式为
（公式6）
式中：
δR为重复性误差；ΔR为重复偏差。
使用3次重复测量中，每一次砝码标定时微推力架输出最大偏差作为ΔR的值，即ΔR为重复性试验中出现的最大偏差。
最大偏差为1.8mV，出现在返行程加载5g砝码时的第一组数据和第二组数据之间。
因此得到微推力架200mN量程重复性误差δR200为
（公式7）
6、思考题
1）此标定装置本身的重量会对标定结果产生怎样的影响？
答：
标定装置本身具有一定的重量，相当于在没加砝码时，就给推力架施加了载荷。
这会导致在没加砝码时，传感器会由于标定装置的重量产生输出。
于是导致微推力架输出与砝码质量关系并不会过坐标轴原点，但这并不会影响微推力架输出与砝码质量关系拟合直线的斜率，也就不会影响到灵敏度。
在实际的计算中，可以通过把测量值减去加载砝码质量为0时的输出以减小或消除标定装置本身重量引起的漂移，标定装置本身不会影响到灵敏度、线性度、迟滞性、重复性等参数的计算。
2）推力架是如何实现快速稳定的？
快速稳定有哪些意义？
答：
由于采用了闭环控制系统，微推力架主要是通过位移传感器的输出作为PID控制电路的输入，以达到对微推力架的输出进行闭环控制的目的。
所以通过选择合理的比例、微分、积分调节参数，可以实现推力架的快速稳定。
提高线圈的频率也可以提高系统的响应速度。
采用闭环控制实现快速稳定的方法有利于减小误差、实现了测试系统稳、快、准的要求，位移传感器的输出也会比较稳定，读数和测量结果也会更加精确。
3）你认为此推力架存在哪些问题？
可以如何改进？
答：
因为标定装置与实际推力架使用过程中的发动机在同一侧，所以调整配重必须要求整个装置的重心在弹性转轴的中心轴线上，否则会造成测量误差。
为了不对系统重心和发动机安装时的重心位置产生影响，接线等装置应该尽量通过动架中心并穿过转轴的中心线。
其次本次试验微推力系统的输出电压太小，可通过调节PID控制电路参数、线圈与传感器的位置、采样电阻大小等参数使输出变大。
最后应通过加润滑油等方式尽量减小滑轮与轴之间的摩擦力，以降低标定装置标定时摩擦力给测量带来的误差。
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