基于扭摆结构微推力测试机构的巴特沃兹滤波器

昂 阳，王 海，刘 杰

（1.安徽工程大学a.机械与汽车工程学院；b.安徽省重点实验室先进数控及伺服技术实验室，安徽芜湖241000；2.中国科学技术大学工程科学院，安徽合肥230027）

基于扭摆结构微推力测试机构的巴特沃兹滤波器

昂 阳1a，1b，王 海1a，1b，刘 杰2

（1.安徽工程大学a.机械与汽车工程学院；b.安徽省重点实验室先进数控及伺服技术实验室，安徽芜湖241000；2.中国科学技术大学工程科学院，安徽合肥230027）

设计的微推力测试系统主要由扭摆机构构成，该扭摆机构置于真空仓内，具有经过特殊设计的悬挂结构以及扭秤结构，可实现对推进器单脉冲冲量的开环测量，同时还能够对平均推力在开环和闭环条件下进行测量。因在推力测试的过程中存在的大量干扰会导致测试结果受到影响甚至被淹没于噪声中，故首先根据扭摆的运动特性确定了测试装置的动力学模型以及阶跃响应模型，并验证了在系统的阶跃响应模型中，系统的第五阶自然频率与外界干扰项的频率一致。其次，通过确定测试系统中干扰噪声的频率来确定巴特沃兹滤波器的上限截止频率和下限截止频率。最后，设计巴特沃兹滤波器的电路，并仿真得到了系统的滤波特性图。通过特性图可看出，滤波器有效地衰减了相应频段内的干扰噪声，大大降低了测试信号的干扰。

微推力；测试系统；噪声；巴特沃兹滤波器

在航空航天领域，推进器的研发还存在许多技术难题，如：扭丝悬挂扭摆结构的推力测量装置的设计，由于扭丝的承重能力有限，且对推进器的悬挂及其位置选择等都需要根据具体的情况来进行设计［1］，这在一定程度上限制了推进器装置功能的发挥。自2000年以来，空间推进器的发展呈现出微型化的趋势，扭丝悬挂扭摆结构的测试与应用技术也不断成熟。这种结构由于在μN区间内仍然具有较高的测量精度，主要应用于测试PPT推进器中［2］。

在推进器的研究过程中，除推力大小及稳定性外，推力测量系统需具备测量推进器推力噪声的能力的要求也被提了出来，即推力测量系统的等效推力噪声必须小于推进器的推力噪声［3］。华中科技大学设计的扭摆结构的推力测试装置，采用在扭丝的上端安装磁阻尼以限制单摆振幅，同时将推进器置于高真空环境（低于10-4Pa）中，并用离子泵代替分子泵来维持真空度，以达到降低高频机械噪声的目的。这样，他们将10-4～10-1Hz频段的噪声降低到了0.1μN/Hz0.5；但是他们的设计在高于该频段的噪声仍然较大，这部分噪声主要是由真空泵抽真空的机械振动所引起的［1］。德国特拉夫特大学在单摆式推力测试装置中应用了巴特沃兹滤波器，并成功地将0.2Hz频段的推力测试装置的噪声滤除［1］。特拉夫特大学的成功案例，使我们考虑将巴特沃兹滤波器应用于扭摆型的推力测试系统中。参考其他对推力测试机构噪声的处理，我们尝试构建基于扭摆推力测试系统的巴特沃兹滤波器，以提高推力测试结果的精度［4］。

1 结构设计及理论

扭丝扭摆结构推力测试系统结构如图1所示，扭摆结构如图2所示。

图1 微推力系统结构图

图2 扭摆结构示意图

2 噪声分析

建立测试机构的数据采集和处理系统（如图3）并调整系统参数，可以得到系统的最优阶跃响应（如图4）。

图3 数据采集和处理电路

但是在实际测量过程中存在噪声，且有可能淹没有用信号，导致无法得出正确推力值。如图5所示，在实验中加入一定频率的噪声后，信号被噪声淹没。

图4 系统阶跃响应

图5 加入噪声后的信号波形

将信号进行FFT变换后，信号的幅频特性图如图6所示。由图6可以看出，信号在一定的频率范围内有较大的幅值，而这个频率段的信号正是测试中的有用信号。本系统的有用信号主要集中在60～90 Hz，故使用带通滤波器。

图6 信号幅频特性图

3 测试系统的模态分析

对机构模态进行分析，可获得各阶固有频率，为上限截止频率和下限截止频率的设计工作提供数据支持。在测试的过程中，关键是在有效滤除噪声时有效保留有用信号。本文使用有限元法检测出存在的6阶固有频率，见表1。

在系统的谐响应分析（图7）中可以看到，4阶系统的振幅最大，其他阶数很小，可初步断定信号的最大振幅出在系统4阶自然频率时，即有用信号主要在75 Hz附近。因此，在选用巴特沃兹滤波器实现除噪功能时，设定滤波器上限截止频率为90Hz，下限截止频率为60Hz。

表1 测试机构固有频率

图7 机构的谐响应分析

4 巴特沃兹滤波器的设计

图8 滤波器原理图

图9 输出滤波特性

5 结束语

本文设计了5阶巴特沃兹滤波器，当频率达到90 Hz时，信号开始逐渐衰减，从90 Hz到150 Hz，衰减了将近60 dB，而从60 Hz到90 Hz的有用信号无衰减，故将滤波器的通带范围设置为下限截止频率60 Hz和上限截止频率90 Hz。这既能够满足5阶固有频率幅度的要求，又能应用于推力测试的噪声处理。

［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］ 杨元侠.微牛顿量级推力器的推理性能研究［D］.武汉:华中科技大学，2012.

［5］ 金星，洪延姬，陈景鹏，等.激光单脉冲冲量的扭摆测量方法［J］.强激光与粒子束，2006（11）：1809-1812.

［6］ 唐飞，叶雄英，周兆英.一种基于间接标靶法的微小推力测量技术［J］.微纳电子技术，2003（7/8）：438-441.

［7］ 王宇，尤政，王广宇，等.一种多脉冲微推力的测量方法［J］.航空学报，2009（12）:2258-2263.

［8］ 岑继文，徐进良.一种微推力测量的简化处理方法［J］.航空学报，2008（2）：297-303.

【责任编辑 梅欣丽】

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

昂阳（1991-），男，安徽安庆人，硕士研究生，研究方向：微纳米加工及其检测技术。