為了實現空間微推力器的高精度推力測量，提出了一種電容橋式差分讀出的雙單擺推力測量方案，其測量頻帶從10 ^-3 Hz ～ 0.016 Hz，可實現分辨率為0.1 μN，量程1 mN 的微推力測量。與意大利帕多瓦大學設計的雙單擺微推力差分測量系統(tǒng)相比，方案具有更強的共模抑制能力，操作簡單易行。

引言

　　隨著精密空間科學實驗任務的發(fā)展，對電推力器推力精度的要求日益提高。重力梯度衛(wèi)星GOCE要求推力分辨率達到12 μN，而空間引力波探測任務則提出0. 1 μN 的更高分辨率的要求。這種高精度的推力器需求，對相應的地面推力測試和標定提出了挑戰(zhàn)。

　　國內外科研機構研制了一些高精度的推力測量裝置。美國噴氣推進實驗室( JPL) 的水平扭擺式測量裝置，法國國家宇航局( ONERA) 的可以衰減地面振動的豎直擺式測量裝置，意大利帕多瓦大學的具有共模抑制能力的雙單擺式測量裝置，以及國內最近提出的基于超導差分加速度測量原理的測量裝置，均達到0. 1 μN 的分辨能力。中國科學院力學研究所的扭絲式測量裝置達到2 μN 的分辨能力。

　　由于雙單擺式測量裝置的兩個檢驗質量質心不重合，對轉動信號的響應不同，因此轉動噪聲較難抑制，而且兩個擺的懸掛點相距較遠，溫度差異較大，熱膨脹也會給力的測量帶來誤差。為此，改進了測力方案，將參考擺套在工作擺上，讓兩者的質心及軸線重合，并采用電容橋式位移傳感系統(tǒng)。新方案的共模抑制能力大大加強，反應靈敏，測量方法簡單，易于實現。

實驗原理和測試方法

推力測量實驗設計

　　圖1 是意大利帕多瓦大學設計的雙單擺微推力測量裝置。A 為電推力器，B 為與A 質量相同的物體，作為參考擺使用。推力器被4 根石英絲如圖1 所示的方式懸掛起來。這種懸掛方式使推進器可以在測量軸方向自由運動，而非測量軸方向的運動則受到限制。

圖1 雙單擺示意圖

　　在理想情況下，兩擺完全相同，當整個測量裝置受到平動擾動時，兩擺對擾動的響應相同，不發(fā)生相對位移。若兩擺發(fā)生相對位移，則一定是由A 的推力引起的。用電容位移傳感器測量A 與B 的相對位移，根據擺的動力學方程，就可以知道電推力器產生的推力。這種推力測量方案對平臺震動中的平動有很好抑制能力，但由于兩個擺質心不重合，對平臺震動中轉動的響應是不同的，因此無法抑制震動中的轉動對測量的影響。

　　另一方面，推力器在工作過程中產生熱量，造成擺的支撐結構產生熱形變，由于兩擺的懸掛位置相距較遠，很難保證在兩個懸掛位置上產生相同的熱形變，因此，支撐結構的熱形變就會使兩擺產生相對位移，從而引起力的測量誤差。為解決這個問題，需要在試驗裝置中布置多個溫度傳感器和加熱裝置對擺的支撐結構進行溫控，這無疑增加了實驗裝置的復雜程度。

圖2 雙單擺改進圖

　　為此，研究者對帕多瓦大學的測量裝置進行了改進。如圖2 所示。將參考擺B 套擺A 上，使兩者的質心、軸線重合，擺長相等，確保兩者具有相同的運動方向和固有頻率。同時，采用電容橋直接測量A 與B 的相對位移，而不是像原方案那樣測量每個擺到支架的位移，允許兩擺做較大幅度的擺動，因此可以承受更大的平臺震動。

結論

　　提出改進的雙單擺微推力測量的方案。與意大利帕多瓦大學設計的雙單擺式推力測量方案相比，新方案將參考擺套在工作擺上，兩者的質心及軸線重合，確保了系統(tǒng)實現高精度的差分測量。改進后的方案較原來的方案共模抑制能力更強，對溫控的要求更低，可行性更高。在位移讀出這一關鍵方面，選用電容橋式差分測量，其位移測量精度高，響應速度快，增益可調，容易實現高精度或大量程的推力測量。