昂 陽，王 海，劉 杰

（1.安徽工程大學a.機械與汽車工程學院；b.安徽省重點實驗室先進數(shù)控及伺服技術實驗室，安徽蕪湖241000；2.中國科學技術大學工程科學院，安徽合肥230027）

基于扭擺結構微推力測試機構的巴特沃茲濾波器

昂 陽1a，1b，王 海1a，1b，劉 杰2

（1.安徽工程大學a.機械與汽車工程學院；b.安徽省重點實驗室先進數(shù)控及伺服技術實驗室，安徽蕪湖241000；2.中國科學技術大學工程科學院，安徽合肥230027）

設計的微推力測試系統(tǒng)主要由扭擺機構構成，該扭擺機構置于真空倉內(nèi)，具有經(jīng)過特殊設計的懸掛結構以及扭秤結構，可實現(xiàn)對推進器單脈沖沖量的開環(huán)測量，同時還能夠對平均推力在開環(huán)和閉環(huán)條件下進行測量。因在推力測試的過程中存在的大量干擾會導致測試結果受到影響甚至被淹沒于噪聲中，故首先根據(jù)扭擺的運動特性確定了測試裝置的動力學模型以及階躍響應模型，并驗證了在系統(tǒng)的階躍響應模型中，系統(tǒng)的第五階自然頻率與外界干擾項的頻率一致。其次，通過確定測試系統(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，設計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頻段內(nèi)的干擾噪聲，大大降低了測試信號的干擾。

微推力；測試系統(tǒng)；噪聲；巴特沃茲濾波器

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

在推進器的研究過程中，除推力大小及穩(wěn)定性外，推力測量系統(tǒng)需具備測量推進器推力噪聲的能力的要求也被提了出來，即推力測量系統(tǒng)的等效推力噪聲必須小于推進器的推力噪聲［3］。華中科技大學設計的扭擺結構的推力測試裝置，采用在扭絲的上端安裝磁阻尼以限制單擺振幅，同時將推進器置于高真空環(huán)境（低于10-4Pa）中，并用離子泵代替分子泵來維持真空度，以達到降低高頻機械噪聲的目的。這樣，他們將10-4～10-1Hz頻段的噪聲降低到了0.1μN/Hz0.5；但是他們的設計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械振動所引起的［1］。德國特拉夫特大學在單擺式推力測試裝置中應用了巴特沃茲濾波器，并成功地將0.2Hz頻段的推力測試裝置的噪聲濾除［1］。特拉夫特大學的成功案例，使我們考慮將巴特沃茲濾波器應用于扭擺型的推力測試系統(tǒng)中。參考其他對推力測試機構噪聲的處理，我們嘗試構建基于扭擺推力測試系統(tǒng)的巴特沃茲濾波器，以提高推力測試結果的精度［4］。

1 結構設計及理論

扭絲扭擺結構推力測試系統(tǒng)結構如圖1所示，扭擺結構如圖2所示。

圖1 微推力系統(tǒng)結構圖

圖2 扭擺結構示意圖

2 噪聲分析

建立測試機構的數(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（如圖4）。

圖3 數(shù)據(jù)采集和處理電路

但是在實際測量過程中存在噪聲，且有可能淹沒有用信號，導致無法得出正確推力值。如圖5所示，在實驗中加入一定頻率的噪聲后，信號被噪聲淹沒。

圖4 系統(tǒng)階躍響應

圖5 加入噪聲后的信號波形

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

圖6 信號幅頻特性圖

3 測試系統(tǒng)的模態(tài)分析

對機構模態(tài)進行分析，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計工作提供數(shù)據(jù)支持。在測試的過程中，關鍵是在有效濾除噪聲時有效保留有用信號。本文使用有限元法檢測出存在的6階固有頻率，見表1。

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

表1 測試機構固有頻率

圖7 機構的諧響應分析

4 巴特沃茲濾波器的設計

圖8 濾波器原理圖

圖9 輸出濾波特性

5 結束語

本文設計了5階巴特沃茲濾波器，當頻率達到90 Hz時，信號開始逐漸衰減，從90 Hz到150 Hz，衰減了將近60 dB，而從60 Hz到90 Hz的有用信號無衰減，故將濾波器的通帶范圍設置為下限截止頻率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，又能應用于推力測試的噪聲處理。

［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.微牛頓量級推力器的推理性能研究［D］.武漢:華中科技大學，2012.

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

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

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

［8］ 岑繼文，徐進良.一種微推力測量的簡化處理方法［J］.航空學報，2008（2）：297-303.

【責任編輯 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技術。