成功案例| Kistler支持瑞士电子与微技术中心创新空间技术测试设备的开发

作为卫星姿态控制的磁悬浮轴承研究的一部分，瑞士电子与微技术中心（CSEM）的两名工程师正在使用Kistler的测力台设备来测试一种新型磁悬浮轴承反作用轮的微振动。基于精确的微振动测量，他们能够验证控制算法的有效性--这种控制算法能够在整个速度范围内主动抑制同步振动，干扰和功耗减少，从而实现更高的转速。

2019年，瑞士电子与微技术中心（CSEM）庆祝了35年的技术创新和成果转移。这一研究机构总部设在瑞士纳沙泰尔，最初与制表行业有着密切的联系：多年来已发展成为一个真正多功能的欧洲研发和技术的核心，最重要的是，它是瑞士及其他地区大学和行业客户的宝贵合作伙伴。CSEM是一个非盈利组织，现在雇用了500多名研究人员和工程师，他们专注于广泛的应用领域：可再生能源、生物医疗技术、微系统、工业自动化，量子和激光技术以及科学仪器（包括空间应用新技术的开发，如增材制造、柔性和磁悬浮致动器）。

图片先进卫星测试的重点是防止由机载执行器引起的微振动，这可能（例如）降低相机图像的质量。

空间技术创新

在空间技术领域，CSEM多年来一直是欧洲航天局（ESA）的合作伙伴。他们联合研究的一个重点——也是ESA中期战略的一部分——消除卫星上来自零部件产生的振动干扰。这些微振动不仅限制了卫星姿态控制的精度，还会导致更高的能耗和图像质量恶化（成像任务时）。

在振源或有效载荷处有不同的方法来消除干扰振动。作为不同探索方法的一部分，CSEM目前有几个项目--重点分别是数值模型、主动-被动减振以及基于算法的抑制。在其中一个项目中，CSEM及其合作伙伴正在研究一种基于磁悬浮的创新技术。CSEM微振动设备负责人Leopoldo Rossini报告说：“在奇石乐测量技术的支持下，我们对一个磁悬浮轴承的反作用轮原型产品进行了测试。而瑞士Celeroton公司的这项技术具有许多优点，如无摩擦、几乎无限的使用寿命、通过控制主动抑制不必要振动，以及在更高速度下实现更高性能。”

在位于纳沙泰尔的CSEM中，Kistler高灵敏度、定制化的多分量测力台（包含4个压电式力传感器）正在测试磁悬浮轴承反作用轮 。

极低振动的先进卫星部件

CSEM工程师使用Kistler的测量链来测试反作用轮的振动。定制化、一体设计的测力台包括四个压电式三分量力传感器，安装在两个预紧板之间，以此达到最大机械刚度（见图）。该测力台安装在具有四个主动气动隔振的花岗岩台面上，以尽可能消除外部环境影响。由于微振动发生在mN范围内，因此需要一个高灵敏度、低噪声的测量链。除了反作用轮外，还可以将步进电机和制冷机等各种执行器放置在测力台上用来进行测试。

在磁悬浮反作用轮工作情况时，转速范围为±20000rmp：这使得能够抑制运行期间产生的主要振动多重谐波力的抑制算法有效性得到充分验证。CSEM的研发工程师Guzmán Borque Gallego说：“由于磁悬浮几乎无摩擦，因此此技术也会带来更多应用机会。它让我们几乎可以自由地定位转子，使振动最小化——例如，让转子绕其惯性主轴旋转，以抑制与转子不平衡有关的振动，从而减少损耗接近于零。”

“来自Kistler的设备非常理想，它为我们提供了非常高质量的测试结果。”

——CSEM 研发工程师Guzmán Borque Gallego

在CSEM处测得的微振动瀑布图显示了力的峰值振幅与转子转速和频率的函数关系（使用Kistler测力台得出）。

精确的实时测量使闭环控制成为可能

Borque Gallego继续补充道：“我们测量的力很小，在毫mN范围内，但即使是在μN范围内，我们仍然可以看到差异。这允许对所有测量进行准确判断，从而在测试过程中获得高质量的数据。”数据采集系统由20 kHz采样频率的高速系统处理，由于测量准确，可以清楚地识别控制算法带来的效果（见图表）。

Rossini补充道：“我们收到了来自合作伙伴和客户的积极反馈，他们对此类数据有着丰富的经验。如果没有Kistler的支持，这一切都不可能实现：他们的应用专家Reinhard Bosshard在许多方面都为我们提供了帮助，例如帮助我们选择合适的设备来完成最理想测量链。”

尽管研究人员最初打算使用具有数字输出的LabAmp5167A，但最终还是选择了Kistler公司的5080A电荷放大器，该放大器能够更精确的测量，并且由于模拟信号传输，具有更高的实时测试能力。Rossini补充说：“我们很高兴在这里拥有新的Kistler技术，因为我们在欧空局和德国的合作伙伴也将其用于检测用途。这种设备非常坚固，即使超过量程，也不会发生故障。现在已经证明了它的能力，我们肯定会在未来微振动领域的项目中和Kistler加速度传感器一并使用。” 

Kistler的5080A多通道实验室电荷放大器在宽测量范围内提供高信号质量，使其成为微振动测力台应用的理想选择。

为长途太空旅行做最好的准备

CSEM、Celeroton AG及其在德国的合作伙伴开发的磁悬浮轴承反作用轮技术可能会如何发展？会很快被发射到太空吗？

“磁悬浮轴承反作用轮的优点是显而易见的：能产生比传统反作用轮更低的振动和更高的转速，这意味着性能的提高以及尺寸和重量的减轻。由于没有摩擦，没有磨损，产品的寿命几乎是无限的，” Borque Gallego强调。“这是一个引以为傲的项目，我们希望能进入下一步：实际使用、测试，甚至与合作伙伴一起验证。”

两位来自纳沙泰尔的CSEM的科学家-- Leopoldo Rossini（左）和Guzmán Borque Gallego，以及Kistler提供的用于空间技术测试的多分量测力台及后端分析的测试链。

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Kistler推出航天应用的多分量力测量课程。作为业内专家，Kistler专注于为空间应用开发可靠和精确的解决方案。我们与著名的航空航天公司合作，将在本次课程中分享我们积累的实践经验。Kistler应用工程师将介绍压电原理，概述测量链。讨论力/力矩测量的实际问题，如安装和调试。您还将深入了解奇石乐的力和扭矩测量的仪器，以及力限制振动测试（FLVT）。

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