一种用于太空微重力环境的小质量测量系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于太空微重力环境的小质量测量系统，包括支架、导向机构、水平弹簧振子和传感单元，其中支架具有底板和处于底板水平两侧的侧板，并作为其他元件的安装载体；导向机构水平悬挂在支架的两个侧板之间，并且它的两端分别通过加工有外螺纹的堵头与侧板相连；水平弹簧振子包括作为待测量对象的小质量物体和分别连接在其水平两侧的两个弹簧，它整体套设在导向机构上并且弹簧与堵头上的外螺纹相啮合；传感单元包括霍尔传感器，并用于对水平弹簧振子执行简谐振动的运动周期进行测量。通过本发明，能够以结构简单紧凑、易于实现的方式执行小质量测量过程，同时具备测量精度高、可控性好等特点。
【专利说明】一种用于太空微重力环境的小质量测量系统
【技术领域】
[0001] 本发明属于航天设备【技术领域】，更具体地，涉及一种用于太空微重力环境的小质 量测量系统。
【背景技术】
[0002] 太空微重力环境中质量的测量是航天员进行各项试验研究中最重要的研究项目 之一，也是航天员长期飞行，长期生活进行健康防护所依据不可缺少的技术指标。根据实际 任务的需要，可以把在微重力环境下质量测量分为大质量测量和小质量测量，大质量测量 目前在国内已经得到解决，而对于小质量（本领域中通常表示200g?5000g的范围）的测 量还鲜有报道。基于我国载人航天的迫切需求，在太空实验舱中有很大一部分质量比较小 的实验物品需要测量，相比大质量的测量，它精度要求相对更高，难度更大。
[0003] 微重力状态是指重力或其他的外力引起的加速度不超过1〇一?10e_4g时的状 态，目前，国内外在微重力环境下测量质量的方法主要有四种：基于振动原理的测量方法、 基于牛顿第二定律原理的测量方法、基于动量定律的测量方法以及离心测量方法。例如，日 本研究者Koichi Maru等基于动量守恒和牛顿第一定律来对小质量进行测量，其误差可由 2. 4%左右降到0. 3 %左右；另一位日本研究者Toshiro Ono则利用频率可控（FCM)方式对 太空环境下的物体质量进行测量。然而，上述现有技术仍存在操作不便、运算处理复杂和难 以实现等缺陷，因此本领域中有必要对此作出进一步的改进和完善。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于太空微重力环境 的小质量测量系统，其中通过对其关键组件的设置方式及其测量算法进行改进，相应可以 结构简单紧凑、易于实现的方式执行小质量测量过程，同时具备测量精度高、可控性好等特 点。
[0005] 为实现上述目的，按照本发明，提供了一种用于太空微重力环境的小质量测量系 统，所述小质量为200g?5000g的质量范围，其特征在于，该测量系统包括支架、导向机构、 水平弹簧振子和传感单元，其中：
[0006] 所述支架具有底板和处于底板水平两侧的侧板，并共同构成框架结构以作为其他 元件的安装载体；
[0007] 所述导向机构水平悬挂在支架的两个侧板之间，并且它的两端分别通过堵头与所 述侧板相连；所述堵头呈端部倒圆处理的圆柱体结构，并在端部的外表面上各自加工有外 螺纹；
[0008] 所述水平弹簧振子包括作为待测量对象的小质量物体、以及分别连接在小质量物 体水平两侧的两个相同弹簧也即第一弹簧和第二弹簧，由此共同构成可沿着水平方向作简 谐振动的弹簧振子结构；该水平弹簧振子整体套设在所述导向机构上，并且第一弹簧和第 二弹簧两者的部分簧丝各自与所述堵头上的外螺纹相啮合；
[0009] 所述传感单元包括安装在支架底板上的霍尔传感器和设置在小质量物体上的磁 极，并用于对所述水平弹簧振子执行简谐振动的运动周期进行测量。
[0010] 作为进一步优选地，上述测量系统基于以下公式执行对小质量物体的质量测量：
[0011]
【权利要求】
1. 一种用于太空微重力环境的小质量测量系统，所述小质量为200g?5000g的质量范 围，其特征在于，该测量系统包括支架、导向机构、水平弹簧振子和传感单元，其中： 所述支架（1)具有底板和处于底板水平两侧的侧板，并共同构成框架结构以作为其他 元件的安装载体； 所述导向机构水平悬挂在支架（1)的两个侧板之间，并且它的两端分别通过堵头（4) 与所述侧板相连；所述堵头（4)呈端部倒圆处理的圆柱体结构，并在端部的外表面上各自 加工有外螺纹； 所述水平弹簧振子包括作为待测量对象的小质量物体（7)、以及分别连接在小质量物 体（7)水平两侧的两个相同弹簧也即第一弹簧（5)和第二弹簧￠)，由此共同构成可沿着水 平方向作简谐振动的弹簧振子结构；该水平弹簧振子整体套设在所述导向机构上，并且第 一弹簧（5)和第二弹簧（6)两者的部分簧丝各自与所述堵头（4)上的外螺纹相啮合； 所述传感单元包括安装在支架（1)底板上的霍尔传感器（8)和设置在小质量物体（7) 上的磁极（9)，并用于对所述水平弹簧振子执行简谐振动的运动周期进行测量。
2. 如权利要求1所述的用于太空微重力环境的小质量测量系统，其特征在于，上述测 量系统基于以下公式执行对小质量物体的质量测量：
其中，m表示作为待测量对象的小质量物体的质量，单位为kg ;m(l表示所述水平弹簧振 子中两个弹簧的总质量，单位为kg ;T表示所述水平弹簧振子执行简谐振动的运动周期，单 位为秒；k表示所述水平弹簧振子中两个弹簧的劲度系数之和。
3. 如权利要求1或2所述的用于太空微重力环境的小质量测量系统，其特征在于，所述 导向机构譬如由空气轴承（2)和设置其上的直线导轨（3)共同组成。
4. 如权利要求1-3任意一项所述的用于太空微重力环境的小质量测量系统，其特征在 于，所述小质量物体（7)与第一弹簧（5)、第二弹簧（6)相连的部位同样加工成堵头结构，该 堵头结构呈端部倒圆处理的圆柱体，并在端部的外表面上各自加工有外螺纹，由此与第一 弹簧（5)和第二弹簧（6)两者的部分簧丝分别相啮合。
5. 如权利要求4所述的用于太空微重力环境的小质量测量系统，其特征在于，上述测 量系统还包括中央处理单元，该中央处理单元用于对所述传感单元所测得的数据进行计算 处理，并输出至显示单元予以输出。
【文档编号】G01G9/00GK104142174SQ201410360068
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月25日 优先权日:2014年7月25日
【发明者】王院生, 汪洪艳, 栗庆元 申请人:湖北三江航天险峰电子信息有限公司