昂 陽，王 海，劉 杰

（1.安徽工程大學(xué)a.機(jī)械與汽車工程學(xué)院；b.安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)數(shù)控及伺服技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，安徽蕪湖241000；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)院，安徽合肥230027）

基于扭擺結(jié)構(gòu)微推力測(cè)試機(jī)構(gòu)的巴特沃茲濾波器

昂 陽1a，1b，王 海1a，1b，劉 杰2

（1.安徽工程大學(xué)a.機(jī)械與汽車工程學(xué)院；b.安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)數(shù)控及伺服技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，安徽蕪湖241000；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)院，安徽合肥230027）

設(shè)計(jì)的微推力測(cè)試系統(tǒng)主要由扭擺機(jī)構(gòu)構(gòu)成，該扭擺機(jī)構(gòu)置于真空倉內(nèi)，具有經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的懸掛結(jié)構(gòu)以及扭秤結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)推進(jìn)器單脈沖沖量的開環(huán)測(cè)量，同時(shí)還能夠?qū)ζ骄屏υ陂_環(huán)和閉環(huán)條件下進(jìn)行測(cè)量。因在推力測(cè)試的過程中存在的大量干擾會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果受到影響甚至被淹沒于噪聲中，故首先根據(jù)扭擺的運(yùn)動(dòng)特性確定了測(cè)試裝置的動(dòng)力學(xué)模型以及階躍響應(yīng)模型，并驗(yàn)證了在系統(tǒng)的階躍響應(yīng)模型中，系統(tǒng)的第五階自然頻率與外界干擾項(xiàng)的頻率一致。其次，通過確定測(cè)試系統(tǒng)中干擾噪聲的頻率來確定巴特沃茲濾波器的上限截止頻率和下限截止頻率。最后，設(shè)計(jì)巴特沃茲濾波器的電路，并仿真得到了系統(tǒng)的濾波特性圖。通過特性圖可看出，濾波器有效地衰減了相應(yīng)頻段內(nèi)的干擾噪聲，大大降低了測(cè)試信號(hào)的干擾。

微推力；測(cè)試系統(tǒng)；噪聲；巴特沃茲濾波器

在航空航天領(lǐng)域，推進(jìn)器的研發(fā)還存在許多技術(shù)難題，如：扭絲懸掛扭擺結(jié)構(gòu)的推力測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)，由于扭絲的承重能力有限，且對(duì)推進(jìn)器的懸掛及其位置選擇等都需要根據(jù)具體的情況來進(jìn)行設(shè)計(jì)［1］，這在一定程度上限制了推進(jìn)器裝置功能的發(fā)揮。自2000年以來，空間推進(jìn)器的發(fā)展呈現(xiàn)出微型化的趨勢(shì)，扭絲懸掛扭擺結(jié)構(gòu)的測(cè)試與應(yīng)用技術(shù)也不斷成熟。這種結(jié)構(gòu)由于在μN(yùn)區(qū)間內(nèi)仍然具有較高的測(cè)量精度，主要應(yīng)用于測(cè)試PPT推進(jìn)器中［2］。

在推進(jìn)器的研究過程中，除推力大小及穩(wěn)定性外，推力測(cè)量系統(tǒng)需具備測(cè)量推進(jìn)器推力噪聲的能力的要求也被提了出來，即推力測(cè)量系統(tǒng)的等效推力噪聲必須小于推進(jìn)器的推力噪聲［3］。華中科技大學(xué)設(shè)計(jì)的扭擺結(jié)構(gòu)的推力測(cè)試裝置，采用在扭絲的上端安裝磁阻尼以限制單擺振幅，同時(shí)將推進(jìn)器置于高真空環(huán)境（低于10-4Pa）中，并用離子泵代替分子泵來維持真空度，以達(dá)到降低高頻機(jī)械噪聲的目的。這樣，他們將10-4～10-1Hz頻段的噪聲降低到了0.1μN(yùn)/Hz0.5；但是他們的設(shè)計(jì)在高于該頻段的噪聲仍然較大，這部分噪聲主要是由真空泵抽真空的機(jī)械振動(dòng)所引起的［1］。德國(guó)特拉夫特大學(xué)在單擺式推力測(cè)試裝置中應(yīng)用了巴特沃茲濾波器，并成功地將0.2Hz頻段的推力測(cè)試裝置的噪聲濾除［1］。特拉夫特大學(xué)的成功案例，使我們考慮將巴特沃茲濾波器應(yīng)用于扭擺型的推力測(cè)試系統(tǒng)中。參考其他對(duì)推力測(cè)試機(jī)構(gòu)噪聲的處理，我們嘗試構(gòu)建基于扭擺推力測(cè)試系統(tǒng)的巴特沃茲濾波器，以提高推力測(cè)試結(jié)果的精度［4］。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及理論

扭絲扭擺結(jié)構(gòu)推力測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，扭擺結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 微推力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 扭擺結(jié)構(gòu)示意圖

2 噪聲分析

建立測(cè)試機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)（如圖3）并調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，可以得到系統(tǒng)的最優(yōu)階躍響應(yīng)（如圖4）。

圖3 數(shù)據(jù)采集和處理電路

但是在實(shí)際測(cè)量過程中存在噪聲，且有可能淹沒有用信號(hào)，導(dǎo)致無法得出正確推力值。如圖5所示，在實(shí)驗(yàn)中加入一定頻率的噪聲后，信號(hào)被噪聲淹沒。

圖4 系統(tǒng)階躍響應(yīng)

圖5 加入噪聲后的信號(hào)波形

將信號(hào)進(jìn)行FFT變換后，信號(hào)的幅頻特性圖如圖6所示。由圖6可以看出，信號(hào)在一定的頻率范圍內(nèi)有較大的幅值，而這個(gè)頻率段的信號(hào)正是測(cè)試中的有用信號(hào)。本系統(tǒng)的有用信號(hào)主要集中在60～90 Hz，故使用帶通濾波器。

圖6 信號(hào)幅頻特性圖

3 測(cè)試系統(tǒng)的模態(tài)分析

對(duì)機(jī)構(gòu)模態(tài)進(jìn)行分析，可獲得各階固有頻率，為上限截止頻率和下限截止頻率的設(shè)計(jì)工作提供數(shù)據(jù)支持。在測(cè)試的過程中，關(guān)鍵是在有效濾除噪聲時(shí)有效保留有用信號(hào)。本文使用有限元法檢測(cè)出存在的6階固有頻率，見表1。

在系統(tǒng)的諧響應(yīng)分析（圖7）中可以看到，4階系統(tǒng)的振幅最大，其他階數(shù)很小，可初步斷定信號(hào)的最大振幅出在系統(tǒng)4階自然頻率時(shí)，即有用信號(hào)主要在75 Hz附近。因此，在選用巴特沃茲濾波器實(shí)現(xiàn)除噪功能時(shí)，設(shè)定濾波器上限截止頻率為90Hz，下限截止頻率為60Hz。

表1 測(cè)試機(jī)構(gòu)固有頻率

圖7 機(jī)構(gòu)的諧響應(yīng)分析

4 巴特沃茲濾波器的設(shè)計(jì)

圖8 濾波器原理圖

圖9 輸出濾波特性

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了5階巴特沃茲濾波器，當(dāng)頻率達(dá)到90 Hz時(shí)，信號(hào)開始逐漸衰減，從90 Hz到150 Hz，衰減了將近60 dB，而從60 Hz到90 Hz的有用信號(hào)無衰減，故將濾波器的通帶范圍設(shè)置為下限截止頻率60 Hz和上限截止頻率90 Hz。這既能夠滿足5階固有頻率幅度的要求，又能應(yīng)用于推力測(cè)試的噪聲處理。

［1］ZANDBERGEN B T C，JANSSENSS，VALENTE F，et al.Test Facility Development for Testing of Microthrusters at TU-Delft［C］//Delft University of Technology. 6th International Spacecraft Propulsion Conference，San Sebastian，Spain，3-6May，2010:1-9.

［2］MYRABO L N，MESSITT D G，MEAD F B.Ground and Fight Tests of a Laser Propelled Vehicle［C］//36th AIAA Aerospace Science Meeting and Exhibit，Reno，Nevada， 12-15 January，1998:98-1001.

［3］HITT D L，ZAKRZWSKIC M，THOMASM A.MEMS-based Satellite Micro-propulsion via Catalyzed Hydrogen Peroxide Decomposition［J］.SmartMater.Struct，2001（10）: 1163-1175.

［4］ 楊元俠.微牛頓量級(jí)推力器的推理性能研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2012.

［5］ 金星，洪延姬，陳景鵬，等.激光單脈沖沖量的扭擺測(cè)量方法［J］.強(qiáng)激光與粒子束，2006（11）：1809-1812.

［6］ 唐飛，葉雄英，周兆英.一種基于間接標(biāo)靶法的微小推力測(cè)量技術(shù)［J］.微納電子技術(shù)，2003（7/8）：438-441.

［7］ 王宇，尤政，王廣宇，等.一種多脈沖微推力的測(cè)量方法［J］.航空學(xué)報(bào)，2009（12）:2258-2263.

［8］ 岑繼文，徐進(jìn)良.一種微推力測(cè)量的簡(jiǎn)化處理方法［J］.航空學(xué)報(bào)，2008（2）：297-303.

【責(zé)任編輯 梅欣麗】

Butterworth Filter Design Based on M icro Thrust M easuring System of Torsion Pendulum Structure

ANG Yang1a，1b，WANG Hai1a，1b，LIU Jie2
（1.a.School ofMechanical and Automotive Engineering；b.Anhui Key Laboratory of Advanced Numerical Control and Servo Technology，Anhui Polytechnic University，Wuhu 241000，China；2.School of Engineering Science，University of Science and Technology of China，Hefei230027，China）

Themicro thrustmeasuring system designed in this thesiswasmainly composed of a torsion pendulum structure，which is arranged in the vacuum chamber.With the specially-designed suspension structure and the torsion balance structure，open loop measurementof the propeller single pulse impulse could be realized；the average thrustmeasurements could also be carried out in the open and closed loop conditions.However，in the process of thrustmeasurement existed a lot of interference，as a result，the test results were affected by noise even submerged in noise.So according to the motion characteristics of torsional pendulum we first determined the dynamicsmodel of the test device and the step response model.We found that in the step response of the system model，the fifth order natural frequency of the system accorded with the external interference frequency.Secondly，we determined the upper and lower cutoff frequency in Butterworth filter by determining the noise in the frequency of testing system.Finally，through designing the circuit of the Butterworth filter and through simulation we got the waveform characteristics graph.It could be clearly seen that the designed filter could obviously attenuate interference noise，greatly reduce the interference to test signal.

micro thrust；measuring system；noise；Butterworth filter

TN713

A

2095-7726（2015）06-0055-04

2015-03-12

昂陽（1991-），男，安徽安慶人，碩士研究生，研究方向：微納米加工及其檢測(cè)技術(shù)。