微推力测量标定实验报告

宇航推进专业综合实验报告反馈力法微小推力测量系统标定实验报告人：孔维鹏学号：SY1415215指导教师：日期：2014年10月12日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；2)反馈电路一套；3)标定装置一套；4)电源三台；5)万用表一个；6)导线若干。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微推力测量实验原始数据砝码质量/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14714724714714654703638642640641632645580681280981079681310122712331230123512121230202050206020405、推力架静态参数分析5.1、灵敏度选取第一组数据，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1，图中黑色线为正行程，加载砝码质量；红色线为反行程，卸载砝码质量。图1第一组微推力架输出与砝码质量关系对第一组数据进行线性拟合，结果为：TSO=83.07019𝑀𝑊+392.15251。具体数值如表2所示：表2第一组微推力架标定灵敏度分析数据微推力架输出与砝码质量关系曲线截距截距误差斜率斜率误差AdjR-Squ392.152512.4539483.070190.237230.99993当砝码质量增加1g时，微推力架的输出增加83.07mV，取重力加速度为9.83m/s2，得到当推力为1mV时微推力架输出为8.45mV，即微推力架的灵敏度K为8.45mV/mN。同时，由校正决定系数AdjR-Squ等于0.99993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。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/mVΔLUp返行程输出/mVΔLDownΔH1475.22274714.22274723.222713641.36316383.363086420.6369245807.50358061.503468124.496546101222.85412274.14559123310.14566202053.5562503.5563120503.556310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，最大的偏差出现在反行程挂载10g时，偏差值为10.1456mV，由线性度计算公式𝛿𝐿=∆𝐿max𝑌𝐹𝑆×100%可以得到微推力架200mN量程的线性度为：𝛿𝐿200=10.1456(200/9.83)×83.07019+392.15251×100%=0.487%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5g、10g时，微推力架输出差值为6mV。根据迟滞性误差计算公式𝛿𝐻=∆𝐻max𝑌𝐹𝑆×100%可以得到微推力架200mN量程推力测量迟滞误差𝛿𝐻200为𝛿𝐻200=6(200/9.83)×83.07019+392.15251×100%=0.288%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𝛿𝑅=∆𝑅max𝑌𝐹𝑆×100%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20mV，出现在加载20g砝码时的第二组数据和第三组数据。因此得到微推力架200mN量程重复性误差𝛿𝑅200为𝛿𝑅200=20(200/9.83)×83.07019+392.15251×100%=0.96%6、思考题（1）标定装置本身的重量会对标定结果产生怎样的影响？答：由本次实验所测得的三组实验数据所得到的拟合曲线可以看出，当不加砝码时，微推力架392.15mV左右的输出，说明本次实验中并没有消除标定装置自身重量的影响。而在数据处理的过程中，标定装置的自重由于差值的原因被抵消掉了，因此标定装置的自重对标定结果的影响不大。（2）推力架是如何实现快速稳定的？快速稳定有哪些意义？答：通过推力架的电磁线圈提供的负反馈来实现快速稳定的。推力架快速稳定后能够减少推力架震动所产生的误差，同时能够快速得到数据。