成功案例| Kistler支持瑞士電子與微技術中心創新空間技術測試設備的開發

作為衛星姿態控制的磁懸浮軸承研究的一部分，瑞士電子與微技術中心（CSEM）的兩名工程師正在使用Kistler的測力臺設備來測試一種新型磁懸浮軸承反作用輪的微振動。基于精確的微振動測量，他們能夠驗證控制算法的有效性--這種控制算法能夠在整個速度范圍內主動抑制同步振動，干擾和功耗減少，從而實現更高的轉速。

2019年，瑞士電子與微技術中心（CSEM）慶祝了35年的技術創新和成果轉移。這一研究機構總部設在瑞士納沙泰爾，最初與制表行業有著密切的聯系：多年來已發展成為一個真正多功能的歐洲研發和技術的核心，最重要的是，它是瑞士及其他地區大學和行業客戶的寶貴合作伙伴。CSEM是一個非盈利組織，現在雇用了500多名研究人員和工程師，他們專注于廣泛的應用領域：可再生能源、生物醫療技術、微系統、工業自動化，量子和激光技術以及科學儀器（包括空間應用新技術的開發，如增材制造、柔性和磁懸浮致動器）。

圖片先進衛星測試的重點是防止由機載執行器引起的微振動，這可能（例如）降低相機圖像的質量。

空間技術創新

在空間技術領域，CSEM多年來一直是歐洲航天局（ESA）的合作伙伴。他們聯合研究的一個重點——也是ESA中期戰略的一部分——消除衛星上來自零部件產生的振動干擾。這些微振動不僅限制了衛星姿態控制的精度，還會導致更高的能耗和圖像質量惡化（成像任務時）。

在振源或有效載荷處有不同的方法來消除干擾振動。作為不同探索方法的一部分，CSEM目前有幾個項目--重點分別是數值模型、主動-被動減振以及基于算法的抑制。在其中一個項目中，CSEM及其合作伙伴正在研究一種基于磁懸浮的創新技術。CSEM微振動設備負責人Leopoldo Rossini報告說：“在奇石樂測量技術的支持下，我們對一個磁懸浮軸承的反作用輪原型產品進行了測試。而瑞士Celeroton公司的這項技術具有許多優點，如無摩擦、幾乎無限的使用壽命、通過控制主動抑制不必要振動，以及在更高速度下實現更高性能。”

在位于納沙泰爾的CSEM中，Kistler高靈敏度、定制化的多分量測力臺（包含4個壓電式力傳感器）正在測試磁懸浮軸承反作用輪 。

極低振動的先進衛星部件

CSEM工程師使用Kistler的測量鏈來測試反作用輪的振動。定制化、一體設計的測力臺包括四個壓電式三分量力傳感器，安裝在兩個預緊板之間，以此達到最大機械剛度（見圖）。該測力臺安裝在具有四個主動氣動隔振的花崗巖臺面上，以盡可能消除外部環境影響。由于微振動發生在mN范圍內，因此需要一個高靈敏度、低噪聲的測量鏈。除了反作用輪外，還可以將步進電機和制冷機等各種執行器放置在測力臺上用來進行測試。

在磁懸浮反作用輪工作情況時，轉速范圍為±20000rmp：這使得能夠抑制運行期間產生的主要振動多重諧波力的抑制算法有效性得到充分驗證。CSEM的研發工程師Guzmán Borque Gallego說：“由于磁懸浮幾乎無摩擦，因此此技術也會帶來更多應用機會。它讓我們幾乎可以自由地定位轉子，使振動最小化——例如，讓轉子繞其慣性主軸旋轉，以抑制與轉子不平衡有關的振動，從而減少損耗接近于零。”

“來自Kistler的設備非常理想，它為我們提供了非常高質量的測試結果。”

——CSEM 研發工程師Guzmán Borque Gallego

在CSEM處測得的微振動瀑布圖顯示了力的峰值振幅與轉子轉速和頻率的函數關系（使用Kistler測力臺得出）。

精確的實時測量使閉環控制成為可能

Borque Gallego繼續補充道：“我們測量的力很小，在毫mN范圍內，但即使是在μN范圍內，我們仍然可以看到差異。這允許對所有測量進行準確判斷，從而在測試過程中獲得高質量的數據。”數據采集系統由20 kHz采樣頻率的高速系統處理，由于測量準確，可以清楚地識別控制算法帶來的效果（見圖表）。

Rossini補充道：“我們收到了來自合作伙伴和客戶的積極反饋，他們對此類數據有著豐富的經驗。如果沒有Kistler的支持，這一切都不可能實現：他們的應用專家Reinhard Bosshard在許多方面都為我們提供了幫助，例如幫助我們選擇合適的設備來完成最理想測量鏈。”

盡管研究人員最初打算使用具有數字輸出的LabAmp5167A，但最終還是選擇了Kistler公司的5080A電荷放大器，該放大器能夠更精確的測量，并且由于模擬信號傳輸，具有更高的實時測試能力。Rossini補充說：“我們很高興在這里擁有新的Kistler技術，因為我們在歐空局和德國的合作伙伴也將其用于檢測用途。這種設備非常堅固，即使超過量程，也不會發生故障。現在已經證明了它的能力，我們肯定會在未來微振動領域的項目中和Kistler加速度傳感器一并使用。” 

Kistler的5080A多通道實驗室電荷放大器在寬測量范圍內提供高信號質量，使其成為微振動測力臺應用的理想選擇。

為長途太空旅行做最好的準備

CSEM、Celeroton AG及其在德國的合作伙伴開發的磁懸浮軸承反作用輪技術可能會如何發展？會很快被發射到太空嗎？

“磁懸浮軸承反作用輪的優點是顯而易見的：能產生比傳統反作用輪更低的振動和更高的轉速，這意味著性能的提高以及尺寸和重量的減輕。由于沒有摩擦，沒有磨損，產品的壽命幾乎是無限的，” Borque Gallego強調。“這是一個引以為傲的項目，我們希望能進入下一步：實際使用、測試，甚至與合作伙伴一起驗證。”

兩位來自納沙泰爾的CSEM的科學家-- Leopoldo Rossini（左）和Guzmán Borque Gallego，以及Kistler提供的用于空間技術測試的多分量測力臺及后端分析的測試鏈。

《航天應用的多分量力測量》網絡課程

Kistler推出航天應用的多分量力測量課程。作為業內專家，Kistler專注于為空間應用開發可靠和精確的解決方案。我們與著名的航空航天公司合作，將在本次課程中分享我們積累的實踐經驗。Kistler應用工程師將介紹壓電原理，概述測量鏈。討論力/力矩測量的實際問題，如安裝和調試。您還將深入了解奇石樂的力和扭矩測量的儀器，以及力限制振動測試（FLVT）。

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