CN110308307B - 一种静电力平衡式石英挠性加速度计的电极参数设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种静电力平衡式石英挠性加速度计的电极参数设计方法，在明确加速度计量程和精度设计要求后，完成敏感摆片的基本结构以及电路基本参数设计，采用本方法即可完成加速度计的驱动电极和检测电极的参数设计，设计结果满足加速度计的量程、精度设计指标。该方法基于静电驱动力关系式和检测电容容值关系式，方法简单、易行、有效。

Description

一种静电力平衡式石英挠性加速度计的电极参数设计方法
技术领域
本发明涉及一种静电力平衡式石英挠性加速度计的电极参数设计方法，属于航天器测量技术领域。
背景技术
在航天器自主控制任务中，需要敏感10-7g～10-8g的加速度。现有的航天用液浮摆式加速度计和石英挠性加速度计的精度无法满足该任务需求。静电悬浮加速度计可实现超高精度，但其结构复杂，量程极小，目前未有用于导航敏感器的先例。
静电力平衡式石英挠性加速度计综合了综合静电悬浮加速度计和适应摆式加速度的优点。该加速度计采用静电力实现力反馈闭环，代替传统石英挠性加速度计使用的电磁力闭环，无需在结构上设计线圈和永磁体，结构简单，且力反馈精度高，可满足空间电推进加速度测量的精度要求。
静电力平衡式石英挠性加速度计采用电容检测、静电力反馈的检测和驱动方式，敏感结构包括敏感摆片、检测电极和驱动电极。为了减小驱动信号和检测信号之间的耦合干扰，采用相互独立的驱动电极和检测电极。两种电极均镀在敏感摆片和对应的固定电极结构上，为了实现高灵敏度检测和高分辨率的静电力反馈，需要对驱动电极和检测电极的参数进行合理设计。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种静电力平衡式石英挠性加速度计的电极参数设计方法，在明确加速度计量程和精度设计要求后，完成敏感摆片的基本结构以及电路基本参数设计，采用本方法即可完成加速度计的驱动电极和检测电极的参数设计，设计结果满足加速度计的量程、精度设计指标。该方法基于静电驱动力关系式和检测电容容值关系式，方法简单、易行、有效。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种静电力平衡式石英挠性加速度计的电极参数设计方法，所述电极包括驱动电极和检测电极，电极参数设计方法包括如下步骤：
S1、基于设定的加速度计量程am、满量程驱动电压Vom、摆片的质量m；建立驱动电极参数模型；
S2、基于设定的加速度计精度aa、电容检测分辨率Csr、摆片的敏感方向刚度k、摆片的质量m、建立检测电极参数模型；
S3、根据摆片单侧的总面积A、S1所述的驱动电极参数模型、S2所述的检测电极参数模型；确定所述电极的静态间隙d0，驱动极板面积Ad，驱动极板面积As。
上述静电力平衡式石英挠性加速度计的电极参数设计方法，S1中所述的驱动电极参数模型为：
Figure BDA0002078950050000021
式中，Ad为驱动极板面积，d0为静态间隙，Vdb为可动驱动极板上施加的固定直流电压，ε0为绝对介电常数，ε为驱动电容间隙材料的相对介电常数。
上述静电力平衡式石英挠性加速度计的电极参数设计方法，S2中所述的检测电极参数模型为：
Figure BDA0002078950050000022
式中，As为驱动极板面积，d0为静态间隙，ε0为绝对介电常数，ε为驱动电容间隙材料的相对介电常数。
上述静电力平衡式石英挠性加速度计的电极参数设计方法，S3中所述摆片单侧的总面积A、S1所述的驱动电极参数模型中的驱动极板面积Ad、S2所述的检测电极参数模型中的检测极板面积As满足如下关系：
Ad+As≤ηA
式中，η为极板面积使用率。
上述静电力平衡式石英挠性加速度计的电极参数设计方法，所述静电力平衡式石英挠性加速度计的电极为差分式电极。
一种静电力平衡式石英挠性加速度计，包括表头和电路，所述表头包括摆片、驱动电极和检测电极，所述电路包括电容检测电路、静电力驱动电路、力平衡闭环控制电路；
所述摆片用于检测外部的加速度，所述检测电极用于检测所述摆片的电容变化，所述驱动电极用于向所述摆片提供平衡驱动力；
所述电容检测电路用于检测检测电极的电容变化量，所述静电力驱动电路用于向所述驱动电极提供力平衡驱动电压；所述力平衡闭环控制电路用于控制所述摆片位于平衡位置；
所述驱动电极和检测电极相互独立。
上述静电力平衡式石英挠性加速度计，其特征在于，所述静电力平衡式石英挠性加速度计采用静电力反馈的闭环工作方式。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
一种静电力平衡式石英挠性加速度计的电极参数设计方法，在明确加速度计量程和精度设计要求后，完成敏感摆片的基本结构以及电路基本参数设计，采用本方法即可完成加速度计的驱动电极和检测电极的参数设计，设计结果满足加速度计的量程、精度设计指标。该方法基于静电驱动力关系式和检测电容容值关系式，方法简单、易行、有效。
根据本发明方法进行设计，实现满量程加速度输入条件下反馈驱动电压满量程输出，使加速度计的输出信号分辨率和噪声水平最优；根据驱动极板和检测极板和总极板的面积关系，以及加速度计精度和电路电容检测分辨率的关系，可以在满足电极面积分割的基础上，使加速度计的加速度敏感精度最优。
附图说明
图1为本发明方法的实施步骤流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
一种静电力平衡式石英挠性加速度计的电极参数设计方法，如图1所示，包括下列步骤：
(1)已知加速度计的指标要求，包括量程am和精度aa；
(2)根据加速度计指标要求已完成电路相关参数设计，包括电容检测分辨率Csr，满量程驱动电压Vom；
(3)根据加速度计指标要求已完成敏感摆片参数设计，包括摆片的质量m、摆片的敏感方向刚度k，摆片单侧的总面积A；
(4)加速度计的电极为差分式电极，电极由摆片可动极板、上固定极板和下固定极板组成，包括驱动电极和检测电极两个部分。电极参数包括静态间隙d0，驱动极板面积Ad，驱动极板面积As；
(5)驱动电极的单边驱动电容为：
Figure BDA0002078950050000041
其中，ε0为绝对介电常数，ε为电容间隙材料的相对介电常数；
(6)已知在摆片可动驱动极板上施加的固定直流电压为Vdb，当在上固定驱动极板上施加驱动电压Vdf，在上固定驱动极板上施加驱动电压-Vdf，则驱动电极提供的总驱动力为：
Figure BDA0002078950050000042
(7)当加速度计工作在最大量程处时，摆片受到的等效加速度作用力为：
Fdmax＝mam (3)
固定驱动极板上施加的驱动电压为：
Vdf＝Vom (4)
(8)加速度计工作在力平衡模式下，因此摆片受到的等效加速度作用力Fdmax和驱动电极提供的总驱动力Fd相互抵消，根据式(1)～(4)，可得驱动电极的参数的满足：
Figure BDA0002078950050000051
(9)检测电极的单边检测电容为：
Figure BDA0002078950050000052
(10)一般情况下，要求加速度计的检测分辨率ac和精度aa为：
ac＝0.1aa (7)
对应的检测电极间隙变化量为：
Figure BDA0002078950050000053
将式(8)代入式(6)，由于Δd≈0，则检测电容变化量为：
Figure BDA0002078950050000054
(11)加速度计的检测分辨率对应的检测电容变化量需满足：
ΔCs≥Csr (10)
根据式(6)～(10)，可得检测电极的参数的满足：
Figure BDA0002078950050000055
(12)驱动极板面积Ad和驱动极板面积As需满足：
Ad+As≤ηA (12)
其中，η为极板面积使用率；
(13)联立式(5)、(11)、(12)，计算得到加速度计的电极参数。
一种静电力平衡式石英挠性加速度计，所述静电力平衡式石英挠性加速度计采用静电力反馈的闭环工作方式，所述静电力平衡式石英挠性加速度计由表头和电路组成，表头由摆片(包括质量块和梁)、驱动电极和检测电极组成，电路由电容检测电路、静电力驱动电路、力平衡闭环控制电路组成，
所述静电力平衡式石英挠性加速度计采用相互独立的驱动电极和检测电极，不共用电极，在同一个极板上进行电极划分。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种静电力平衡式石英挠性加速度计的电极参数设计方法，其特征在于，所述电极包括驱动电极和检测电极，电极参数设计方法包括如下步骤：
S1、基于设定的加速度计量程am、满量程驱动电压Vom、摆片的质量m；建立驱动电极参数模型；
S2、基于设定的加速度计精度aa、电容检测分辨率Csr、摆片的敏感方向刚度k、摆片的质量m、建立检测电极参数模型；
S3、根据摆片单侧的总面积A、S1所述的驱动电极参数模型、S2所述的检测电极参数模型；确定电极的静态间隙d0，驱动极板面积Ad，检测极板面积As；
S1中所述的驱动电极参数模型为：
Figure FDA0003074074490000011
式中，Vdb为可动驱动极板上施加的固定直流电压，ε0为绝对介电常数，ε为驱动电容间隙材料的相对介电常数；
S2中所述的检测电极参数模型为：
Figure FDA0003074074490000012
S3中所述摆片单侧的总面积A、S1所述的驱动电极参数模型中的驱动极板面积Ad、S2所述的检测电极参数模型中的检测极板面积As满足如下关系：
Ad+As≤ηA
式中，η为极板面积使用率。
2.根据权利要求1所述的一种静电力平衡式石英挠性加速度计的电极参数设计方法，其特征在于，所述静电力平衡式石英挠性加速度计的电极为差分式电极。
3.一种静电力平衡式石英挠性加速度计，其特征在于，包括表头和电路，所述表头包括摆片、驱动电极和检测电极，所述电路包括电容检测电路、静电力驱动电路、力平衡闭环控制电路；
所述摆片用于检测外部的加速度，所述检测电极用于检测所述摆片的电容变化，所述驱动电极用于向所述摆片提供平衡驱动力；
所述电容检测电路用于检测检测电极的电容变化量，所述静电力驱动电路用于向所述驱动电极提供力平衡驱动电压；所述力平衡闭环控制电路用于控制所述摆片位于平衡位置；
所述驱动电极和检测电极相互独立；
电极的静态间隙、驱动极板面积、检测极板面积采用权利要求1的方法确定。
4.根据权利要求3所述的一种静电力平衡式石英挠性加速度计，其特征在于，所述静电力平衡式石英挠性加速度计采用静电力反馈的闭环工作方式。
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