CN106872730A - 一种加速度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加速度测量装置及方法。该装置包括：电极笼、位移测量系统、悬浮控制系统、检验质量块和计算装置；电极笼为长方体；检验质量块初始时位于电极笼内部的平衡位置；位移测量系统用于测量检验质量块的位移数据，悬浮控制系统的输入端连接位移测量系统的输出端，悬浮控制系统的输出端连接电极笼，用于根据位移测量系统测量的位移数据产生反馈控制电压，控制所述检验质量块的平动和转动，使所述检验质量块悬浮于所述电极笼的平衡位置；计算装置的输入端连接悬浮控制系统的另一输出端，根据反馈控制电压计算检验质量块的线加速度和角加速度。采用本发明，实现了测控分离，降低了测量系统与控制系统之间的相互干扰，提高检测精度。

Description

一种加速度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及加速度测量领域，特别是涉及一种加速度测量装置及方法。

背景技术

根据牛顿第二定律，加速度是物体位移随时间的二次导数，等于物体受到的合外力除以其质量。高精度加速度测量装置用于精密测量大气阻力、太阳光压等非保守力的大小，其需求主要体现在以下方面：(1)它是重力测量卫星进行全球重力场测绘任务的关键载荷，有利于提高全球重力场测量精度，建立统一高程基准；(2)空间引力波探测，欧空局就设计了采用静电悬浮加速度测量装置测量引力波的eLISA计划；(3)改善大气模型，有利于准确测量并预报飞行器受到的大气阻力；(4)对航天器的微重力环境进行监测，为微重力科学实验服务。

目前国外已经实现了高精度静电悬浮加速度测量装置在航天任务中的应用，以静电悬浮加速度计为例，静电悬浮加速度计属于差分电容检测方式惯性加速度传感器，它主要由传感器探头和信号检测与控制电路两部分组成。传感器中的检验质量块作为公共电极与周围电极构成了电容桥，实现差分检测，通过金丝给检验质量块提供偏置电压和调制电压信号。当没有输入加速度信号时，检验质量块处在结构平衡位置即中心位置；当有外界非保守力作用于加速度计时，作为惯性结构的检验质量块与周围电极发生相对位置变化，偏离结构中心，通过差分电容检测电路检测出这一变化并输出一微弱的电信号，经过放大后再经过反馈控制回路加在检验质量块四周的电容极板上，施加一个与外力相反方向的静电力，将偏离结构中心的检验质量块拉回到原来的平衡位置。反馈控制电压与输入加速度大小成正比，从而可以实现对输入加速度的定量标定。

此种静电悬浮加速度计的测量和控制是合二为一的，传感器的电极既是测量电极又是控制电极，由于测控是实时交替进行的，电容的测量是通过测量电极上的电压来实现的，而控制是需要将电压加在电极上的，故测控会产生相互影响，形成干扰，影响测量精度；另外对电容的测量，不及基础电量的测量那么准确和方便。以上这些因素极大的影响了测量精度，使得测量精度难以进一步提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种加速度测量装置及方法，以解决现有静电悬浮加速度测量装置由于测控一体的技术瓶颈，使得测量精度难以进一步提高的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种加速度测量装置，所述装置包括：电极笼、位移测量系统、悬浮控制系统、检验质量块和计算装置；

所述电极笼为长方体；所述检验质量块初始时位于所述电极笼内部的平衡位置；所述位移测量系统和所述悬浮控制系统位于所述电极笼上；

所述位移测量系统用于测量所述检验质量块的位移数据，所述位移数据包括所述检验质量块沿三个坐标轴方向的平动位移数据和所述检验质量块沿所述三个坐标轴方向的转动角位移数据；所述三个坐标轴包括x轴、y轴和z轴，所述x轴与所述电极笼的上表面和下表面垂直；所述y轴与所述电极笼的前表面和后表面垂直；所述z轴与所述电极笼的左表面和右表面垂直；

所述悬浮控制系统的输入端连接所述位移测量系统的输出端，所述悬浮控制系统的输出端连接所述电极笼，用于根据所述位移测量系统测量的所述位移数据产生反馈控制电压，控制所述检验质量块的平动和转动，使所述检验质量块悬浮于所述电极笼的平衡位置；

所述计算装置的输入端连接所述悬浮控制系统的另一输出端，用于根据所述悬浮控制系统产生的反馈控制电压计算所述检验质量块的线加速度和角加速度。

可选的，所述位移测量系统具体为光学相干位移检测系统，所述光学相干位移检测系统通过向所述检验质量块发射光信号和接收反射回的光信号，实现对所述检验质量块的位移数据的测量。

可选的，所述位移测量系统具体包括：第一干涉仪探头、第二干涉仪探头、光学位移检测装置、第一光学位移检测装置、第二光学位移检测装置和位移解调装置；

所述第一干涉仪探头分别位于所述电极笼的上、下、左、右、前、后六个面上，用于测量所述检验质量块沿三个坐标轴方向的平动位移数据，所述第一干涉仪探头的个数为2n，其中n为大于3的整数，所述电极笼的两个相对面上的第一干涉仪探头个数相等；

所述第二干涉仪探头分别位于所述电极笼的上表面、右表面和前表面上，用于测量所述检验质量块沿所述三个坐标轴方向的转动角位移数据，且所述上表面、下表面和前表面上的第二干涉仪探头个数均为大于或等于2的偶数；

所述第一光学位移检测装置接收所述第一干涉仪探头的数据信号，所述第二光学位移检测装置接收所述第二干涉仪探头的数据信号；

所述第一光学位移检测装置的输出端和所述第二光学位移检测装置的输出端均与所述位移解调装置的输入端连接。

可选的，所述电极笼上表面上的第一干涉仪探头与所述电极笼下表面上的第一干涉仪探头对称分布，每两个对称分布的第一干涉仪探头组成第一探头对，所述第一探头对中的两个第一干涉仪探头之间的连线与所述x轴平行，用于测量所述检验质量块在x轴方向的平动位移数据；所述电极笼左表面上的第一干涉仪探头与所述电极笼右表面上的第一干涉仪探头对称分布，每两个对称分布的第一干涉仪探头组成第二探头对，所述第二探头对中的两个第一干涉仪探头之间的连线与所述z轴平行，用于测量所述检验质量块在z轴方向的平动位移数据；所述电极笼前表面上的第一干涉仪探头与所述电极笼后表面上的第一干涉仪探头对称分布，每两个对称分布的第一干涉仪探头组成第三探头对，所述第三探头对中的两个第一干涉仪探头之间的连线与所述y轴平行，用于测量所述检验质量块在y轴方向的平动位移数据；

所述上表面上的第二干涉仪探头关于所述上表面的面心左右对称分布，每两个对称分布的第二干涉仪探头组成第四探头对，所述第四探头对中的两个第二干涉仪探头之间的连线与所述y轴垂直，用于测量所述检验质量块绕y轴转动的角位移数据；所述右表面上的第二干涉仪探头关于所述右表面的面心前后对称分布，每两个对称分布的第二干涉仪探头组成第五探头对，所述第五探头对中的两个第二干涉仪探头之间的连线与所述x轴垂直，用于测量所述检验质量块绕x轴转动的角位移数据；所述前表面上的第二干涉仪探头关于所述前表面的面心上下对称分布，每两个对称分布的第二干涉仪探头组成第六探头对，所述第六探头对中的两个第二干涉仪探头之间的连线与所述z轴垂直，用于所述检验质量块绕z轴转动的角位移数据；

所述第一探头对、所述第二探头对和所述第三探头对中，每一探头对的两个第一干涉仪探头分别通过光纤连接于第一光学位移检测装置的两个输入端；

所述第四探头对、所述第五探头对和所述第六探头对中，每一探头对的两个第二干涉仪探头分别通过光纤连接于第二光学位移检测装置的两个输入端。

可选的，所述悬浮控制系统具体包括：控制电极和控制器；所述控制器的输入端连接所述位移测量系统的输出端，所述控制器的输出端连接所述控制电极，所述控制器用于根据所述位移测量系统测量的所述位移数据产生反馈控制电压，施加到相应的所述控制电极，以便控制所述检验质量块的平动和转动，使所述检验质量块悬浮于所述电极笼的平衡位置；

所述控制电极分别位于所述电极笼的上、下、左、右、前、后表面上；所述电极笼上表面上的控制电极与所述电极笼下表面上的控制电极对称分布，且每两个对称分布的控制电极的中心之间的连线与所述上表面垂直；所述电极笼左表面上的控制电极与所述电极笼右表面上的控制电极对称分布，且每两个对称分布的控制电极的中心之间的连线与所述左表面垂直；所述电极笼前表面上的控制电极与所述电极笼后表面上的控制电极对称分布，且每两个对称分布的控制电极的中心之间的连线与所述前表面垂直。

一种加速度测量方法，所述方法包括：

获取检验质量块的位移数据，所述位移数据包括所述检验质量块沿三个坐标轴方向的平动位移数据和所述检验质量块绕所述三个坐标轴方向的转动角位移数据；所述三个坐标轴包括x轴、y轴和z轴，所述x轴与加速度测量装置中电极笼的上表面和下表面垂直；所述y轴与所述电极笼的前表面和后表面垂直；所述z轴与所述电极笼的左表面和右表面垂直；所述加速度测量装置包括：电极笼、位移测量系统、悬浮控制系统、检验质量块和计算装置；所述电极笼为长方体；所述检验质量块位于所述电极笼内部，当所述检验质量块初始时位于所述电极笼的平衡位置；所述位移测量系统和所述悬浮控制系统位于所述电极笼上；所述悬浮控制系统的输入端连接所述位移测量系统的输出端，所述悬浮控制系统的输出端连接所述电极笼，所述计算装置的输入端连接所述悬浮控制系统的另一输出端；

根据所述位移数据，获取使所述检验质量块回归平衡位置的反馈控制电压，所述反馈控制电压包括x轴方向的反馈控制电压、y轴方向的反馈控制电压和z轴方向的反馈控制电压；

根据所述反馈控制电压，计算所述检验质量块沿三个坐标轴方向的线加速度；

根据所述反馈控制电压，计算所述检验质量块绕所述三个坐标轴方向转动的角加速度。

可选的，所述获取检验质量块的位移数据，具体包括：

获取三个坐标轴对应的第一光学位移检测装置的上波长变化数据；

根据所述第一光学位移检测装置的上波长变化数据获取所述检验质量块沿三个坐标轴方向的平动位移数据；

获取三个坐标轴对应的第二光学位移检测装置的上波长变化数据；

根据所述第二光学位移检测装置的上波长变化数据获取所述检验质量块绕所述三个坐标轴方向的转动角位移数据。

可选的，所述根据所述位移数据，获取使所述检验质量块回归平衡位置的反馈控制电压，具体包括：

根据所述位移数据，利用模糊-PID控制器获取使所述检验质量块回归平衡位置的反馈控制电压；

当所述检验质量块偏离平衡位置的位移数据大于设定阈值时，所述模糊-PID控制器采用捕获模式及比例调节和微分调节控制，并通过模糊规则使PID控制器取大于第一设定值的比例参数与小于第二设定值的微分参数；

当所述检验质量块偏离平衡位置的位移数据大于零且振动幅度大于设定幅度，所述模糊-PID控制器采用比例调节、积分调节和微分调节控制，并通过模糊规则取所述大于第一设定值的比例参数、小于第三设定值的积分参数；

当所述检验质量块偏离平衡位置的位移数据小于或等于设定阈值时，所述模糊-PID控制器采用比例调节和积分调节控制，并通过模糊规则取所述大于第一设定值的比例参数与小于第三设定值的积分参数。

可选的，所述根据所述反馈控制电压，获得所述检验质量块沿三个坐标轴方向的线加速度，具体包括：

对于所述三个坐标轴的每一个坐标轴方向，利用公式获得所述检验质量块沿所述坐标轴方向的线加速度a，其中U为所述坐标轴方向的两极板间的固定偏压，U_f为所述坐标轴方向的反馈控制电压，S为所述坐标轴方向的极板面积，d所述坐标轴方向的极板间距，ε所述坐标轴方向的极板间介质介电常数，m为所述检验质量块的质量。

可选的，所述根据所述反馈控制电压，获得所述检验质量块绕所述三个坐标轴方向转动的角加速度，具体包括：

对于所述三个坐标轴的每一个坐标轴方向，利用公式获得所述检验质量块沿所述坐标轴方向的角加速度β，其中U为所述坐标轴方向的两极板间的固定偏压，U_f为所述坐标轴方向的反馈控制电压，S为所述坐标轴方向的极板面积，d所述坐标轴方向的极板间距，ε所述坐标轴方向的极板间介质介电常数，m为所述检验质量块的质量，I为所述检验质量块对所述坐标轴的转动惯量，w为所述检验质量块的边长。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明加速度测量装置采用光学相干位移检测技术对检验质量块的平动位移和转动角位移进行实时精确测量，利用静电悬浮控制技术对检验质量块进行精确回归控制，最后通过施加在控制电极上的反馈控制电压来实现线加速度和角加速度的精确测量。从而实现了测控分离，可有效降低测量系统与控制系统之间的相互干扰，降低线路影响要素。

进一步地，现有成熟的激光F-P干涉仪技术可以获得pm级的位移测量精度，检验质量姿态旋转的测量精度可达2×10^-5角秒，将大幅提高静电悬浮加速度计的探测精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明加速度测量装置实施例1结构图；

图2为本发明加速度测量方法实施例1流程图；

图3为本发明加速度测量装置实施例2结构示意图；

图4为本发明加速度测量装置实施例2中位移检测系统示意图；

图5为本发明中检验质量块转动角位移测量示意图；

图6为本发明中检验质量块线加速度计算原理示意图；

图7为本发明中检验质量块角加速度计算原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明加速度测量装置实施例1结构图。如图1所示，该装置包括：检验质量块101、电极笼102、位移测量系统103、悬浮控制系统104和计算装置105；

所述电极笼102为长方体(也可以为正方体，正方体是特殊的长方体)；所述检验质量块101位于所述电极笼102的内部，初始时，检验质量块101不受外力作用，检验质量块101位于电极笼102内部的平衡位置，此处平衡位置为电极笼102内部的中心位置，此时检验质量块101处于平衡状态；所述位移测量系统103和所述悬浮控制系统104位于所述电极笼102上；

所述位移测量系统103用于测量所述检验质量块101的位移数据，具体的，位移测量系统103可以为光学相干位移检测系统，所述光学相干位移检测系统通过向所述检验质量块101发射光信号和接收反射回的光信号，实现对所述检验质量块101的位移数据的测量。所述位移数据包括所述检验质量101块沿三个坐标轴方向的平动位移数据和沿所述三个坐标轴方向的转动角位移数据；三个坐标轴包括x轴、y轴和z轴，所述x轴与所述电极笼102的上表面和下表面垂直；所述y轴与所述电极笼102的前表面和后表面垂直；所述z轴与所述电极笼102的左表面和右表面垂直。

具体地，位移测量系统102包括：第一干涉仪探头、第二干涉仪探头、光学位移检测装置、第一光学位移检测装置、第二光学位移检测装置和位移解调装置；所述第一干涉仪探头分别位于所述电极笼102的上、下、左、右、前、后六个面上，用于测量所述检验质量块101沿三个坐标轴方向的平动位移数据，所述第一干涉仪探头的个数为2n，其中n为大于3的整数，所述电极笼102的两个相对面上的第一干涉仪探头个数相等；所述第二干涉仪探头分别位于所述电极笼102的上表面、右表面和前表面上，用于测量所述检验质量块102沿所述三个坐标轴方向的转动角位移数据，且所述上表面、下表面和前表面上的第二干涉仪探头个数均为大于或等于2的偶数；所述第一光学位移检测装置接收所述第一干涉仪探头的数据信号，所述第二光学位移检测装置接收所述第二干涉仪探头的数据信号；所述第一光学位移检测装置的输出端和所述第二光学位移检测装置的输出端均与所述位移解调装置的输入端连接。

所述电极笼102上表面上的第一干涉仪探头与所述电极笼102下表面上的第一干涉仪探头对称分布，每两个对称分布的第一干涉仪探头组成第一探头对，所述第一探头对中的两个第一干涉仪探头之间的连线与所述x轴平行，用于测量所述检验质量块101在x轴方向的平动位移数据；所述电极笼102左表面上的第一干涉仪探头与所述电极笼102右表面上的第一干涉仪探头对称分布，每两个对称分布的第一干涉仪探头组成第二探头对，所述第二探头对中的两个第一干涉仪探头之间的连线与所述z轴平行，用于测量所述检验质量块101在z轴方向的平动位移数据；所述电极笼102前表面上的第一干涉仪探头与所述电极笼102后表面上的第一干涉仪探头对称分布，每两个对称分布的第一干涉仪探头组成第三探头对，所述第三探头对中的两个第一干涉仪探头之间的连线与所述y轴平行，用于测量所述检验质量块101在y轴方向的平动位移数据；

所述上表面上的第二干涉仪探头关于所述上表面的面心左右对称分布，每两个对称分布的第二干涉仪探头组成第四探头对，所述第四探头对中的两个第二干涉仪探头之间的连线与所述y轴垂直，用于测量所述检验质量块101绕y轴转动的角位移数据；所述右表面上的第二干涉仪探头关于所述右表面的面心前后对称分布，每两个对称分布的第二干涉仪探头组成第五探头对，所述第五探头对中的两个第二干涉仪探头之间的连线与所述x轴垂直，用于测量所述检验质量块101绕x轴转动的角位移数据；所述前表面上的第二干涉仪探头关于所述前表面的面心上下对称分布，每两个对称分布的第二干涉仪探头组成第六探头对，所述第六探头对中的两个第二干涉仪探头之间的连线与所述z轴垂直，用于所述检验质量块101绕z轴转动的角位移数据；也可以在所述上表面上关于所述上表面的面心前后对称分布设置第二干涉仪探头，每两个前后对称分布的第二干涉仪探头组成第六探头对，所述第六探头对中的两个第二干涉仪探头之间的连线与所述z轴垂直，用于所述检验质量块101绕z轴转动的角位移数据。

所述第一探头对、所述第二探头对和所述第三探头对中，每一探头对的两个第一干涉仪探头分别通过光纤连接于第一光学位移检测装置的两个输入端；所述第四探头对、所述第五探头对和所述第六探头对中，每一探头对的两个第二干涉仪探头分别通过光纤连接于第二光学位移检测装置的两个输入端。

例如，第一干涉仪探头的设置可以为：电极笼102上表面和下表面各1个探头相互对应，电极笼102左表面和右表面各2个探头相互对应，电极笼102前表面和后表面各1个探头相互对应。第二干涉仪探头的设置可以为：电极笼102上表面2个探头，电极笼102前表面4个探头，电极笼102右表面6个探头；也可以为电极笼102上表面4个探头(前后两个对称，左右两个对称)，电极笼102右表面6个探头。探头越多，测量的准确性和稳定性越高。

所述悬浮控制系统104的输入端连接所述位移测量系统103的输出端，所述悬浮控制系统104的输出端连接所述电极笼102，用于根据所述位移测量系统测量103的所述位移数据产生反馈控制电压，控制所述检验质量块101的平动和转动，使所述检验质量块101悬浮于所述电极笼102的平衡位置。

具体地，所述悬浮控制系统104包括：控制电极和控制器；所述控制器的输入端连接所述位移测量系统103的输出端，所述控制器的输出端连接所述控制电极，所述控制器用于根据所述位移测量系统103测量的所述位移数据产生反馈控制电压，施加到相应的所述控制电极，以便控制所述检验质量块101的平动和转动，使所述检验质量块101悬浮于所述电极笼102的平衡位置；

所述控制电极分别位于所述电极笼102的上、下、左、右、前、后表面上；所述电极笼102上表面上的控制电极与所述电极笼102下表面上的控制电极对称分布，且每两个对称分布的控制电极的中心之间的连线与所述上表面垂直；所述电极笼102左表面上的控制电极与所述电极笼102右表面上的控制电极对称分布，且每两个对称分布的控制电极的中心之间的连线与所述左表面垂直；所述电极笼102前表面上的控制电极与所述电极笼102后表面上的控制电极对称分布，且每两个对称分布的控制电极的中心之间的连线与所述前表面垂直。

所述计算装置105的输入端连接所述悬浮控制系统104的另一输出端，用于根据所述悬浮控制系统104产生的反馈控制电压计算所述检验质量块101的线加速度和角加速度。

本发明加速度测量装置可以用于测量飞行器的线加速度和角加速度，检验质量块的线加速度与角加速度即为飞行器的线加速度和角加速度。当空间飞行器受到外界非保守力作用时，飞行器的加速度正比于控制电极上施加的反馈控制电压的大小，通过反馈控制电压的测量即可精确测量飞行器加速度的大小和方向。

图2为本发明加速度测量方法实施例1流程图。该方法应用于图1所示的测量装置，如图2所示，该方法包括：

步骤201：获取检验质量块的位移数据，所述位移数据包括所述检验质量块沿三个坐标轴方向的平动位移数据和所述检验质量块绕所述三个坐标轴方向的转动角位移数据。

具体地，位移数据获取流程为：

获取三个坐标轴对应的第一光学位移检测装置的上波长变化数据；

根据所述第一光学位移检测装置的上波长变化数据获取所述检验质量块沿三个坐标轴方向的平动位移数据；

获取三个坐标轴对应的第二光学位移检测装置的上波长变化数据；

根据所述第二光学位移检测装置的上波长变化数据获取所述检验质量块绕所述三个坐标轴方向的转动角位移数据。

步骤202：获取反馈控制电压。根据所述位移数据，获取使所述检验质量块回归平衡位置的反馈控制电压，所述反馈控制电压包括x轴方向电极的反馈控制电压、y轴方向电极的反馈控制电压和z轴方向电极的反馈控制电压。

具体地，反馈控制电压获取流程为：

根据所述位移数据，利用模糊-PID控制器获取使所述检验质量块回归平衡位置的反馈控制电压；

当所述检验质量块偏离平衡位置的位移数据大于设定阈值时，所述模糊-PID控制器采用捕获模式及比例调节和微分调节控制，并通过模糊规则使PID控制器取大于第一设定值的比例参数与小于第二设定值的微分参数；

当所述检验质量块偏离平衡位置的位移数据大于零且振动幅度大于设定幅度，所述模糊-PID控制器采用比例调节、积分调节和微分调节控制，并通过模糊规则取所述大于第一设定值的比例参数、小于第三设定值的积分参数；

当所述检验质量块偏离平衡位置的位移数据小于或等于设定阈值时，所述模糊-PID控制器采用比例调节和积分调节控制，并通过模糊规则取所述大于第一设定值的比例参数与小于第三设定值的积分参数。

步骤203：计算检验质量块线加速度。根据所述反馈控制电压，计算所述检验质量块沿三个坐标轴方向的线加速度。对于所述三个坐标轴的每一个坐标轴方向，可以利用公式获得所述检验质量块沿所述坐标轴方向的线加速度a，其中U为所述坐标轴方向的两极板间的固定偏压，U_f为所述坐标轴方向的反馈控制电压，S为所述坐标轴方向的极板面积，d所述坐标轴方向的极板间距，ε所述坐标轴方向的极板间介质介电常数，m为所述检验质量块的质量。

步骤204：计算检验质量块角加速度。根据所述反馈控制电压，计算所述检验质量块绕所述三个坐标轴方向转动的角加速度。对于所述三个坐标轴的每一个坐标轴方向，可以利用公式获得所述检验质量块沿所述坐标轴方向的角加速度β，其中U为所述坐标轴方向的两极板间的固定偏压，U_f为所述坐标轴方向的反馈控制电压，S为所述坐标轴方向的极板面积，d所述坐标轴方向的极板间距，ε所述坐标轴方向的极板间介质介电常数，m为所述检验质量块的质量，I为所述检验质量块对所述坐标轴的转动惯量，w为所述检验质量块的边长。

图3为本发明加速度测量装置实施例2结构示意图。如图3所示，加速度测量装置包括：检验质量块301、电极笼302、光学相干位移检测系统和静电悬浮控制系统。所述检验质量块301位于所述电极笼302的中心位置即平衡位置，图3中检验质量块301为长方体构架，体积为4cm×4cm×1cm，其材料可以是钛合金或Pt-Rh合金。

所述光学相干位移检测系统位于所述电极笼302上，用于通过向检验质量块301发射光信号和接收其反射回的光信号，实现对检验质量块301的平动位移和转动角位移的实时测量；所述静电悬浮控制系统位于电极笼302上，用于实时控制检验质量块301的平动和转动，使其恒定悬浮于电极笼302的平衡位置，所述电极笼302的中心与待测飞行器的质心相重合。

具体地，光学相干位移检测系统包括若干对测量平动位移的第一干涉仪探头和测量转动角位移的第二干涉仪探头。测量平动位移的第一干涉仪探头设置有3对，用于测量检验质量块301在三个坐标轴方向的平动位移。其中，在电极笼302的x轴方向的上下两个表面中心位置处设置1对干涉仪探头，用于测量检验质量块301在x方向的平动位移，在电极笼302的y轴方向的前后两个表面中心位置处设置1对干涉仪探头，用于测量检验质量块301在y方向的平动位移，在电极笼302的z轴方向的左右两个表面中心位置处设置1对干涉仪探头，用于测量检验质量块301在z方向的平动位移。

测量转动角位移的第二干涉仪探头设置有3对，用于测量检验质量块301绕三个坐标轴转动的角位移。其中，在电极笼302的x轴方向的上表面处，相对面心左右对称分布的1对干涉仪探头，用于测量检验质量块301绕y轴转动的角位移；在电极笼302的x轴方向的上表面处，相对面心前后对称分布的1对干涉仪探头，用于测量检验质量块301绕z轴转动的角位移；在电极笼302的z轴方向的右表面处，相对面心前后对称分布的1对干涉仪探头，用于测量检验质量块301绕x轴转动的角位移。

以电极笼302的左表面和右表面为例，第一干涉仪探头包括探头3011和探头3012，第二干涉仪探头包括探头3021和探头3022。

所述静电悬浮控制系统包括若干个控制电极3030，所述控制电极3030对称的装配在所述电极笼302的上下、前后、左右六个面上，每个所述控制电极3030与检验质量块301构成一对差分电容。所述静电悬浮控制系统通过实时接收光学相干位移检测系统反馈的检验质量块301的平动位移和转动角位移数据，经伺服控制产生反馈控制电压，施加到相应的控制电极上，与电容中原有的固定偏压相向叠加以产生静电恢复力(矩)，从而对检验质量块进行平动和转动的实时控制，使检验质量块恒定悬浮在电极笼的平衡位置。

为了实现三维平动和三维转动的控制，并考虑到电极的对称性，在所述电极笼302的x方向上下两表面各装配了大小和面积相等的4块控制电极，控制电极面积为9.92cm²，每块2.48cm²；在电极笼的y方向前后两表面、z方向左右两表面各装配了大小和面积相等的2块控制电极，控制电极面积为2.8cm²，每块1.4cm²。x方向检验质量块至极板间的间隙d＝60μm，而y、z方向检验质量块至极板间的间隙d＝75μm。

检验质量块的静电悬浮控制可采用常规的模糊-PID控制器来实现，通过控制算法将反馈控制电压施加到对应控制电极上形成静电力(矩)，实现对检验质量块平动和转动的控制，使检验质量块恒定的悬浮在平衡位置，从而最终通过反馈控制电压的大小实现线加速度和角加速度的测量。

图4为本发明加速度测量装置实施例2中位移检测系统示意图。如图4所示，每对所述干涉仪探头分别通过光纤与第一光学位移检测装置401和第二光学位移检测装置402相连，所述光学位移检测装置401和402为迈克尔逊位移检测装置或法布里-珀罗位移检测装置；光源通过系统中的各对干涉仪探头向检验质量块301发射光信号，并接收其反射回的光信号，光信号中包含检验质量块301的平动和转动信息，光信号通过光纤传输到光学位移检测装置401和402，利用干涉原理处理光信号，将检验质量块301的平动位移、转动角位移转化为干涉光的变化；对各对干涉仪探头的测量结果，通过矢量叠加原理，最终计算出检验质量块301在三个坐标轴方向偏离平衡位置的平动位移及检验质量块301绕三个坐标轴转动的角位移，并反馈给静电悬浮控制系统对检验质量块301进行平动和转动的实时控制，使检验质量块301快速回归到平衡位置。

下面以法布里－珀罗(F-P)位移检测装置为例，对检验质量块的平动位移和转动角位移的测量进行分析。

在初始状态时，检验质量块位于电极笼中心位置(即平衡位置)。当检验质量块沿z轴方向进行平移时，设其平动位移为Δz，则与干涉仪探头3011与3012相连的F-P位移检测装置401的上波长变化为：式中λ₀为F-P干涉谱中光谱的中心波长，l为干涉仪腔长，n_g为介质折射率，所测的l的变化包含了检验质量块的平动位移Δz。测得的上波长变化Δλ通过位移解调装置403对环境误差进行补偿后，可以获得pm级的平动位移Δz的测量精度。

该方法消除了常规光学相干位移测量方法中光强变化对测量结果的影响，可使测量系统具有更强的抗干扰能力。而且可通过F-P腔长与干涉光谱波峰之间距离的一一对应关系，实现位移量的绝对测量。采用上述同样的方法，利用x轴方向、y轴方向各一对干涉仪探头即可获取小磁体检验质量块在x轴和y轴两个方向上的平动位移。

图5为本发明中检验质量块转动角位移测量示意图。如图5所示，设检验质量块绕x轴顺时针转动，偏转角为θ，有式中e为3021与3022两个干涉仪探头的垂直距离，是个固定值。Δl为此对干涉仪探头发出的光信号在检验质量上形成的探测点连线在z轴方向的投影，很显然Δl是可通过与3021和3022两个干涉仪探头相连的F-P位移检测装置402测量到的位移量。

采用同样的方法，即可获取检验质量块绕y轴和z轴方向转动的角位移。本方法中由于采用了F-P干涉技术，检验质量块转动角位移的测量精度高于2×10^-5角秒。

检验质量块的平动控制和线加速度的测量：

由物理学知识可以得到平板电容器的静电力为

式中F为静电力，U为两极板间的固定偏压，ε为极板间介质介电常数，S为极板面积，d为极板间距。

图6为本发明中检验质量块线加速度计算原理示意图。以x轴方向线加速度为例，当飞行器存在x方向的线加速度a时，如图6所示，检验质量块将受到反方向的惯性力F_惯＝ma的作用，运用光学相干位移检测技术实时测量出检验质量块偏离平衡位置的线位移。通过模糊-PID控制器输出反馈控制电压U_f，使上电容的电压变为U+U_f，下电容的电压变为U-U_f，因而上电容的静电力F₁变大，下电容的静电力F₂变小。二者之差恰与惯性力ma相平衡，使检验质量块回归到平衡位置。根据(1)式，可得

在平衡位置检验质量块受到的静电合力为

可得线加速度

可见线加速度的大小与反馈控制电压U_f成线性关系，通过U_f的测量即可测量出飞行器线加速度的大小和方向。

检验质量块的转动控制和角加速度的测量：

图7为本发明中检验质量块角加速度计算原理示意图。如图7所示，检验质量块左右各有一对平板电容器。当加速度计存在一绕y轴做顺时针方向转动的角加速度β时，检验质量块将受到一y轴正方向的惯性力矩M_惯＝Iβ的作用，I为检验质量块对中心x轴的转动惯量，检验质量块将相对于加速度计逆时针方向转动。运用光学相干位移检测技术实时测量出检验质量块转动的角位移。通过模糊-PID控制器输出反馈控制电压，使电容1的电压变为U+U_f，而电容2的电压变为U-U_f，则检验质量块左半部分将受到一向上的静电合力F作用，而右半部分将受到一向下的静电合力F作用，形成的静电力矩与惯性力矩相平衡，使检验质量块回归到平衡位置。

检验质量块左右两部分受到的静电合力为

F＝F₁-F₂ (6)

式中F₁、F₂分别为电容1、电容2对检验质量块所施加的静电力，F₁、F₂的求解与(2)、(3)两式类似。

产生的静电力矩为

M＝Fw (7)

由M＝M_惯＝Iβ，可得检验质量块角加速度

同样，角加速度的大小与反馈控制电压U_f成线性关系，通过U_f的测量即可测量出飞行器角加速度的大小和方向。

本发明高精度静电悬浮加速度计保持了现有静电悬浮加速度计的优点，但回避了测控一体的技术瓶颈。本发明采用光学相干位移检测技术对检验质量块的平动位移和转动角位移进行实时精确测量，利用静电悬浮控制技术对检验质量块进行精确回归控制，最后通过施加在控制电极上的反馈控制电压来实现线加速度和角加速度的精确测量。从而实现了测控分离，可有效降低测量系统与控制系统之间的相互干扰，降低线路影响要素，现有成熟的激光F-P干涉仪技术可以获得pm级的位移测量精度，检验质量姿态旋转的测量精度可达2×10^-5角秒，将大幅提高静电悬浮加速度计的探测精度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种加速度测量装置，其特征在于，所述装置包括：电极笼、位移测量系统、悬浮控制系统、检验质量块和计算装置；

所述电极笼为长方体；所述检验质量块初始时位于所述电极笼内部的平衡位置；所述位移测量系统和所述悬浮控制系统位于所述电极笼上；

所述位移测量系统用于测量所述检验质量块的位移数据，所述位移数据包括所述检验质量块沿三个坐标轴方向的平动位移数据和所述检验质量块沿所述三个坐标轴方向的转动角位移数据；所述三个坐标轴包括x轴、y轴和z轴，所述x轴与所述电极笼的上表面和下表面垂直；所述y轴与所述电极笼的前表面和后表面垂直；所述z轴与所述电极笼的左表面和右表面垂直；

所述悬浮控制系统的输入端连接所述位移测量系统的输出端，所述悬浮控制系统的输出端连接所述电极笼，用于根据所述位移测量系统测量的所述位移数据产生反馈控制电压，控制所述检验质量块的平动和转动，使所述检验质量块悬浮于所述电极笼的平衡位置；

所述计算装置的输入端连接所述悬浮控制系统的另一输出端，用于根据所述悬浮控制系统产生的反馈控制电压计算所述检验质量块的线加速度和角加速度。

2.根据权利要求1所述的加速度测量装置，其特征在于，所述位移测量系统具体为光学相干位移检测系统，所述光学相干位移检测系统通过向所述检验质量块发射光信号和接收反射回的光信号，实现对所述检验质量块的位移数据的测量。

3.根据权利要求2所述的加速度测量装置，其特征在于，所述位移测量系统具体包括：第一干涉仪探头、第二干涉仪探头、光学位移检测装置、第一光学位移检测装置、第二光学位移检测装置和位移解调装置；

所述第一干涉仪探头分别位于所述电极笼的上、下、左、右、前、后六个面上，用于测量所述检验质量块沿三个坐标轴方向的平动位移数据，所述第一干涉仪探头的个数为2n，其中n为大于3的整数，所述电极笼的两个相对面上的第一干涉仪探头个数相等；

所述第二干涉仪探头分别位于所述电极笼的上表面、右表面和前表面上，用于测量所述检验质量块沿所述三个坐标轴方向的转动角位移数据，且所述上表面、下表面和前表面上的第二干涉仪探头个数均为大于或等于2的偶数；

所述第一光学位移检测装置接收所述第一干涉仪探头的数据信号，所述第二光学位移检测装置接收所述第二干涉仪探头的数据信号；

所述第一光学位移检测装置的输出端和所述第二光学位移检测装置的输出端均与所述位移解调装置的输入端连接。

4.根据权利要求3所述的加速度测量装置，其特征在于，所述电极笼的上表面上的第一干涉仪探头与所述电极笼下表面上的第一干涉仪探头对称分布，每两个对称分布的第一干涉仪探头组成第一探头对，所述第一探头对中的两个第一干涉仪探头之间的连线与所述x轴平行，用于测量所述检验质量块在x轴方向的平动位移数据；所述电极笼的左表面上的第一干涉仪探头与所述电极笼的右表面上的第一干涉仪探头对称分布，每两个对称分布的第一干涉仪探头组成第二探头对，所述第二探头对中的两个第一干涉仪探头之间的连线与所述z轴平行，用于测量所述检验质量块在z轴方向的平动位移数据；所述电极笼前表面上的第一干涉仪探头与所述电极笼后表面上的第一干涉仪探头对称分布，每两个对称分布的第一干涉仪探头组成第三探头对，所述第三探头对中的两个第一干涉仪探头之间的连线与所述y轴平行，用于测量所述检验质量块在y轴方向的平动位移数据；

所述上表面上的第二干涉仪探头关于所述上表面的面心左右对称分布，每两个对称分布的第二干涉仪探头组成第四探头对，所述第四探头对中的两个第二干涉仪探头之间的连线与所述y轴垂直，用于测量所述检验质量块绕y轴转动的角位移数据；所述右表面上的第二干涉仪探头关于所述右表面的面心前后对称分布，每两个对称分布的第二干涉仪探头组成第五探头对，所述第五探头对中的两个第二干涉仪探头之间的连线与所述x轴垂直，用于测量所述检验质量块绕x轴转动的角位移数据；所述前表面上的第二干涉仪探头关于所述前表面的面心上下对称分布，每两个对称分布的第二干涉仪探头组成第六探头对，所述第六探头对中的两个第二干涉仪探头之间的连线与所述z轴垂直，用于所述检验质量块绕z轴转动的角位移数据；

所述第一探头对、所述第二探头对和所述第三探头对中，每一探头对的两个第一干涉仪探头分别通过光纤连接于第一光学位移检测装置的两个输入端；

所述第四探头对、所述第五探头对和所述第六探头对中，每一探头对的两个第二干涉仪探头分别通过光纤连接于第二光学位移检测装置的两个输入端。

5.根据权利要求1所述的加速度测量装置，其特征在于，所述悬浮控制系统具体包括：控制电极和控制器；所述控制器的输入端连接所述位移测量系统的输出端，所述控制器的输出端连接所述控制电极，所述控制器用于根据所述位移测量系统测量的所述位移数据产生反馈控制电压，施加到相应的所述控制电极，以便控制所述检验质量块的平动和转动，使所述检验质量块悬浮于所述电极笼的平衡位置；

所述控制电极分别位于所述电极笼的上、下、左、右、前、后表面上；所述电极笼上表面上的控制电极与所述电极笼下表面上的控制电极对称分布，且每两个对称分布的控制电极的中心之间的连线与所述上表面垂直；所述电极笼左表面上的控制电极与所述电极笼右表面上的控制电极对称分布，且每两个对称分布的控制电极的中心之间的连线与所述左表面垂直；所述电极笼前表面上的控制电极与所述电极笼后表面上的控制电极对称分布，且每两个对称分布的控制电极的中心之间的连线与所述前表面垂直。

6.一种加速度测量方法，其特征在于，所述方法包括：

获取检验质量块的位移数据，所述位移数据包括所述检验质量块沿三个坐标轴方向的平动位移数据和所述检验质量块绕所述三个坐标轴方向的转动角位移数据；所述三个坐标轴包括x轴、y轴和z轴，所述x轴与加速度测量装置中电极笼的上表面和下表面垂直；所述y轴与所述电极笼的前表面和后表面垂直；所述z轴与所述电极笼的左表面和右表面垂直；所述加速度测量装置包括：电极笼、位移测量系统、悬浮控制系统、检验质量块和计算装置；所述电极笼为长方体；所述检验质量块位于所述电极笼内部，当所述检验质量块初始时位于所述电极笼的平衡位置；所述位移测量系统和所述悬浮控制系统位于所述电极笼上；所述悬浮控制系统的输入端连接所述位移测量系统的输出端，所述悬浮控制系统的输出端连接所述电极笼，所述计算装置的输入端连接所述悬浮控制系统的另一输出端；

根据所述位移数据，获取使所述检验质量块回归平衡位置的反馈控制电压，所述反馈控制电压包括x轴方向的反馈控制电压、y轴方向的反馈控制电压和z轴方向的反馈控制电压；

根据所述反馈控制电压，计算所述检验质量块沿三个坐标轴方向的线加速度；

根据所述反馈控制电压，计算所述检验质量块绕所述三个坐标轴方向转动的角加速度。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述获取检验质量块的位移数据，具体包括：

获取三个坐标轴对应的第一光学位移检测装置的上波长变化数据；

根据所述第一光学位移检测装置的上波长变化数据获取所述检验质量块沿三个坐标轴方向的平动位移数据；

获取三个坐标轴对应的第二光学位移检测装置的上波长变化数据；

根据所述第二光学位移检测装置的上波长变化数据获取所述检验质量块绕所述三个坐标轴方向的转动角位移数据。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述位移数据，获取使所述检验质量块回归平衡位置的反馈控制电压，具体包括：

根据所述位移数据，利用模糊-PID控制器获取使所述检验质量块回归平衡位置的反馈控制电压；

当所述检验质量块偏离平衡位置的位移数据大于设定阈值时，所述模糊-PID控制器采用捕获模式及比例调节和微分调节控制，并通过模糊规则使PID控制器取大于第一设定值的比例参数与小于第二设定值的微分参数；

当所述检验质量块偏离平衡位置的位移数据大于零且振动幅度大于设定幅度，所述模糊-PID控制器采用比例调节、积分调节和微分调节控制，并通过模糊规则取所述大于第一设定值的比例参数、小于第三设定值的积分参数；

当所述检验质量块偏离平衡位置的位移数据小于或等于设定阈值时，所述模糊-PID控制器采用比例调节和积分调节控制，并通过模糊规则取所述大于第一设定值的比例参数与小于第三设定值的积分参数。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述反馈控制电压，获得所述检验质量块沿三个坐标轴方向的线加速度，具体包括：

对于所述三个坐标轴的每一个坐标轴方向，利用公式获得所述检验质量块沿所述坐标轴方向的线加速度a，其中U为所述坐标轴方向的两极板间的固定偏压，U_f为所述坐标轴方向的反馈控制电压，S为所述坐标轴方向的极板面积，d所述坐标轴方向的极板间距，ε所述坐标轴方向的极板间介质介电常数，m为所述检验质量块的质量。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述反馈控制电压，获得所述检验质量块绕所述三个坐标轴方向转动的角加速度，具体包括：

对于所述三个坐标轴的每一个坐标轴方向，利用公式获得所述检验质量块沿所述坐标轴方向的角加速度β，其中U为所述坐标轴方向的两极板间的固定偏压，U_f为所述坐标轴方向的反馈控制电压，S为所述坐标轴方向的极板面积，d所述坐标轴方向的极板间距，ε所述坐标轴方向的极板间介质介电常数，m为所述检验质量块的质量，I为所述检验质量块对所述坐标轴的转动惯量，w为所述检验质量块的边长。