一种基于动态光弹性法的电推进领域微推力瞬态测量系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于动态光弹性法的电推进领域微推力瞬态测量系统。本发明专利技术根据电推进的推力特点，基于动态光弹性法，以光学弹性元件为核心构建光路系统，通过测定其受力时光学条纹图像的实时变化，从而显示瞬时受力的大小与变化情况。本系统包括激光器，光学弹性元件，高速瞬态图像采集器以及必要的图像处理技术，主要用于采集脉冲式推进系统产生的随时间不断变化的瞬态推力。本系统基于应力‑光学定律，运用光弹性特殊材料以及高速摄影装置将推力器产生的推力可视化，尤其记录推力的变化过程，以研究电推进推力器推力的变化机理。

【技术实现步骤摘要】
一种基于动态光弹性法的电推进领域微推力瞬态测量系统
本专利技术涉及一种微推力测量系统，尤其涉及在电推进领域对其微推力实时测量系统。
技术介绍
目前，国内对电推进推力器的微推力和微冲量的高精度测量，比较常见是基于单摆、倒立摆、扭摆等推力测量系统。其中，基于倒立摆原理的电磁天平测量冲量时，存在严重的零点漂移，电磁天平平衡位置不稳定也导致了测量精度较差，因此，一般只能用来定性或半定量分析。相对而言，采用扭摆测量推力或冲量具有较高的精确度和敏感性，扭摆的历史可追溯到1798年卡文迪许为了测量重力加速度常数而专利技术的扭秤。随着对扭摆测量装置的不断改进，其测量范围变得更加广泛，C.Phipps等人设计了一种采用静态标定的扭摆，来测量激光烧蚀微推力器产生的纳牛秒量级的冲量。尽管扭摆测量系统具有如此优点，但是其只能对推力器产生的平均推力和冲量进行测量，难以解决涉及到推力器瞬时推力的问题。现阶段测量瞬时推力应用较为广泛的主要是压电式传感器，包括压电晶体、压电陶瓷以及PVDF(聚偏二氟乙烯)压电传感器，其优点在于能够将待测推力转换为电压，可以精确测量变化的推力，并且具有响应快、灵敏度高以及结构简单等诸多优点。但是压电式传感器的工作环境要求苛刻，易受到电推力器工作过程中电磁场的影响，导致测量结果不准确或测量无法正常进行。动态光弹性是实验固体力学中一种基本的模型试验方法，利用光学灵敏材料受力后能产生暂时双折射现象的特性制成光弹性元件，当施加连续载荷时，元件各点的应力发生变化，相应条纹也会发生不同程度的变形，此时，通过采用高速摄影技术记录元件的条纹变化过程，进而得到应力变化过程，最终可以反推出推力的变化规律。动态光弹性法由于具有直观性和瞬时性的优点，已经广泛应用于诸如碰撞、冲击以及爆破等过程中结构应力的动态相应分析。传统的推力测量装置主要是用来测量推力器的平均推力和冲量，而瞬态推力的测量方法相对较少，对于高精度的测量手段也一直比较匮乏，比较常见的推力/冲量测量台架包括单摆、倒立摆、扭摆等。研究中，曾采用基于倒立摆原理的电磁天平进行了推力器的微冲量测量，但由测量结果发现电磁天平存在严重的零点漂移。电磁天平平衡位置不稳定，导致测量精度难以保证，一般只能用来定性或半定量分析。目前微推力器能够输出的元冲量从亚uN·s到数百μN·s之间。微推力器产生的冲量一般比较小，其量级为uN·s到mN·s之间。尽管毫牛秒或牛秒量级的微冲量比较容易测量，然而，随着微冲量的降低，纳牛秒和微牛秒微冲量的准确测量则变得十分困难。而脉冲等离子体推力器产生的冲量一般为微牛秒量级。基于激光烧蚀固体工质产生推力的激光微推力器(μLPT)则可以产生nN·s量级的微推力。中国TEPO工程采用的脉冲等离子推力器产生的元冲量为58.4μN·s。NASA和ESA的LISA工程中采用的是微牛量级的推力器。另外，NASAST7任务采用的是2-20μN的推力器，精度在0.1μN以内。实验研究中，精确测量这样微小的推力比较困难。由于测量仪器本身和环境存在着噪声，往往将被测信号淹没，极大地影响测量精度。微推力器工作时，测量台架受力产生振动，也会影响测量精度。另外，抽真空过程也会对真空舱及内部测量系统产生不利影响。因此，对微小推力和冲量的精确测量仍然是实验研究中需要解决的难题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，针对微推力器产生的随时间不断变化的推力，扭摆、电磁天平等传统的推力测量方式无法测量推力器瞬态推力大小值的问题以及压电式传感器测量过程中易受到推力器电磁干扰的缺点，提出一种即能够测量推力器瞬态推力又能够记录推力器推力变化整个过程的瞬态推力测量系统。本专利技术将动态光弹性方法应用于推力器瞬态推力的测量领域，一方面具有结构简单、易于操作以及可靠性高等优点，最重要的是为解决传统推力测量方法难以测量瞬态推力的问题提供了方法本专利技术以脉冲等离子体推力器为应用背景，以动态光弹性方法为主要技术方案，采用图像采集器件(包括CCD摄像机和图像采集卡)、脉冲激光器、脉冲等离子体推力器和光学元件构成瞬态图像采集系统,利用计算机对条纹图进行定量分析和光弹性应力分析，实现对脉冲等离子体推力器工作推力测量，设计出一套适用于脉冲等离子体推力器的高精度、高分辨率瞬态微推力测量平台。本专利技术的一种基于动态光弹性法的电推进领域微推力瞬态测量系统，光学系统主要由激光光源、光学弹性元件和高速瞬态图像采集器。脉冲激光器作为光源产生光学环境，其产生的脉冲激光的持续时间为30～50ns，它相当于几百万幅/每秒高速照相机“快门”打开的时间，在此时间间隔内可以认为光学弹性元件的变形量为零。很多非晶体的透明材料,例如玻璃、赛璐璐、酚醛树脂、环氧树脂、聚碳酸酷塑料等,在有应力的情况下,会呈现类似于双折射晶体一样的双折射效应。这种效应随应力的存在而存在,并随应力的消失而消失,故称为暂时双折射效应。双折射效应是光弹性法的物理基础。测力的核心体现在光学弹性元件上，因此选择合适的材料与尺寸是测力精度和分辨率的核心。动态光弹性方法测力的关键在于弹性元件的条纹图，条纹图的好坏直接决定测力的精度，因此对于高速瞬态图像采集器而言，要求其能够快速而精准地记录图像。本专利技术根据脉冲等离子体推力器的特点，拟采用动态光弹性方法，以光学弹性元件为核心构建光路系统，通过测定其受力时的光学条纹图像变化，显示其受力的大小和分布规律。同时采用高速摄像机记录光学条纹的瞬态图像，近似反映推力器的实时变化。这种测量方式是非接触式测量，也是非破坏性的测量方法，不需要在结构物上直接安装传感器或其他测量装置，可以降低机械振动、供电线缆对推力测量的干扰，解决目前常用微推力和微冲量测量装置存在的零点漂移、平衡位置不稳定、标定困难以及精度低等问题。本专利技术的基于动态光弹性法的电推进领域微推力瞬态测量系统包括五部分，分别为：光学环境激励系统、推力器系统、控制系统、瞬态图像采集器以及图像处理显示系统，其中，光学环境激励系统、推力器系统、瞬态图像采集器、图像处理显示系统都由控制系统控制，整体组成如图1所示。所述光学环境激励系统：从左至右依次为激光光源1、准直镜2、起偏镜3、1/4玻片Ⅰ4、光弹性元件5、1/4玻片Ⅱ6、检偏镜7、聚光镜8，各元件中心点都处于一条轴线上，各元件的规格特性与元件之间的距离符合光学成像规律，保证生成的应力图像清晰准确。推力器11通过刚性板10与光弹性元件5连接，高速相机9位于聚光镜8一侧。此外，根据推力器推力大小的不同，可以更换光弹性元件5，以满足测量要求，一般情况下光弹性元件可选用光学灵敏度较高、受力后具有暂时双折射效应特性的环氧树脂或者聚碳酸酯。光源1使用的是白光，为了使得光弹性元件能够在高速摄影成像清晰，保证光源距准直镜适当距离。准直镜2的作用是将光源发出的锥形光束变为平行光，使光线能够垂直进入光弹性元件。偏振片分为起偏镜和检偏镜，其中靠近光源一侧的为起偏镜3，自然光通过起偏镜之后获得平面偏振光；靠近聚光镜8一侧的为检偏镜7，其作用是检验光波的偏振状态。靠近光源一侧的1/4玻片Ⅰ4作用是将平面偏振光变为圆偏振光，靠近聚光镜8一侧的1/4玻片Ⅱ6作用是将圆偏振光变为平面偏振光。光弹性元件5种类繁多，可以根据所测推力大小以及变化速率等因素选择合适的光弹性材料，其应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于动态光弹性法的电推进领域微推力瞬态测量系统，以光学弹性元件为核心构建光路系统，通过测定其受力时光学条纹图像的实时变化，从而显示瞬时受力的大小与变化情况，其特征在于，系统包括光学环境激励系统、推力器系统、控制系统、瞬态图像采集器以及图像处理显示系统，其中，光学环境激励系统、推力器系统、瞬态图像采集器、图像处理显示系统都由控制系统控制，所述光学环境激励系统包括光弹性元件(5)，光学环境激励系统生成应力条纹图，该应力条纹图被瞬态图像采集系统采集；所述推力器系统包括推力器(11)和刚性板(10)，推力器(11)通过刚性板(10)与光弹性元件连接；瞬态图像采集系统通过高速相机(9)来实现；控制系统控制激光光源触发时刻、推力器加载时刻和瞬态采集应力图像时刻这3个时刻同步。

【技术特征摘要】
1.一种基于动态光弹性法的电推进领域微推力瞬态测量系统，以光学弹性元件为核心构建光路系统，通过测定其受力时光学条纹图像的实时变化，从而显示瞬时受力的大小与变化情况，其特征在于，系统包括光学环境激励系统、推力器系统、控制系统、瞬态图像采集器以及图像处理显示系统，其中，光学环境激励系统、推力器系统、瞬态图像采集器、图像处理显示系统都由控制系统控制，所述光学环境激励系统包括光弹性元件(5)，光学环境激励系统生成应力条纹图，该应力条纹图被瞬态图像采集系统采集；所述推力器系统包括推力器(11)和刚性板(10)，推力器(11)通过刚性板(10)与光弹性元件连接；瞬态图像采集系统通过高速相机(9)来实现；控制系统控制激光光源触发时刻、推力器加载时刻和瞬态采集应力图像时刻这3个时刻同步。2.根据权利要求1所述的一种基于动态光弹性法的电推进领域微推力瞬态测量系统，其特征在于，所述控制系统，包括电磁波发射器(13)、电磁触发器(14)、压力触发器(15)、延时器(16)和电控器(17)，所述压力触发器(15)在刚性板与弹性元件之间，处于过渡配合。3.根据权利要求1所述的一种基于动态光弹性法的电推进领域微推力瞬态测量系统，其特征在于，所述光学环境激励系统从左至右依次为激光光源(1)、准直镜(2)、起偏镜(3)、1/4玻片Ⅰ(4)、光弹性元件(5)、1/4玻片Ⅱ(6)、检偏镜(7)、聚光镜(8)，各元件中心点都处于一条轴线上，各元件的规格特性与元件之间的距离符合光学成像...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴建军，何振，欧阳，张宇，李健，何兆福，
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