CN111830284A - 一种空间静电加速度计电路功能的地面测试方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于测量技术领域，公开了一种空间静电加速度计电路功能的地面测试方法及装置，地面测试装置包括探头、电容传感电路、信号采集器和信号发生器；电容传感电路用于测量电容差信号；信号采集器用于记录传感电路的输出并判断传感电路功能是否正常；信号发生器的第一输出端连接至探头的调制信号输入端，用于将固定电容差调制到高频范围，信号发生器的第二输出端连接至电容传感电路的第二输入端，用于为相敏检波器提供解调参考信号。本发明由于不需要更换测点的电容，可以减少测试的复杂性，同时避免频繁更换电容对传感电路板引入的折损。另外，本发明还通过相位调制可以更加便捷地测试传感电路的频率响应。

Description

一种空间静电加速度计电路功能的地面测试方法及装置
技术领域
本发明属于测量技术领域，更具体地，涉及一种空间静电加速度计电路功能的地面测试方法及装置。
背景技术
空间静电加速度计具有精度高、能同时对六自由度进行检测等优点，广泛应用于现代空间实验中。在地球物理领域，静电加速度计可用于卫星重力测量，从而对地球重力场进行反演；在基础物理领域，可借助静电加速度计进行空间等效原理的验证和空间引力波探测等现代物理实验。
静电加速度计由于量程小，在地面进行测试时容易受到地球1g重力加速度的影响，重力会在竖直方向直接耦合进加速度计的控制环路内，或是通过某种方式间接耦合到水平方向的高敏感轴，这都会使得加速度输入超过仪器量程，进而使输出长期处于饱和状态，对于加速度计而言，电路测试通常需要结合探头或用固定电容模拟的探头进行测试，长期饱和输出难以在地面一些重要测试中判断加速度计功能，特别是电路检测和控制功能是否存在异常。
静电加速度计在整机组装前需要对电路进行标定，这可以通过多次更换电路测点处的固定电容实现。但该测点在加速度计组装完成后不可使用，无法在整机状态下对电路功能进行验证。为了实现整机状态下电路的功能测试，同时减少组装前测试由于频繁更换测点电容导致操作的复杂性，提出一种新的空间静电加速度计的地面测试装置。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种空间静电加速度计电路功能的地面测试方法及装置，旨在解决现有技术中需要频繁更换测点的电容导致测试过程复杂且容易引入折损的问题。
本发明提供了一种空间静电加速度计电路功能的地面测试方法，包括下述步骤：
S1：在电容位移传感电路的前端电路测点处焊接两个固定差分电容，并在差分电容的公共端接入调制电压信号Vp，同时在传感电路的相敏检波器中接入同频率的解调参考信号Vref；
S2：通过设定信号发生器输出信号的相位，对调制电压信号和解调参考信号的相位差进行调制使得调制电压信号和解调参考信号之间的相位差
Figure BDA0002573317520000021
实现电容传感电路的功能测试；其中，
Figure BDA0002573317520000022
为相位调制信号的斜率，t为信号输出的时刻。
更进一步地，通过改变相位调制信号的斜率
Figure BDA0002573317520000023
来实现对传感电路进行扫频，获得传感电路的频率响应。
更进一步地，在步骤S2之后还包括如下步骤：
S3：将加速度计控制器连接在电容传感电路的输出端，并对传感电路输出信号和加速度计控制器的输出信号进行记录，通过对比时域输出和理论输出来判断加速度计控制器是否正常工作。
更进一步地，通过改变相位调制信号的斜率来实现对加速度计控制器进行扫频以分析控制器的频率响应是否符合理论预期。
本发明还提供了一种空间静电加速度计电路功能的地面测试装置，包括：探头、电容传感电路、信号采集器和信号发生器；电容传感电路的第一输入端连接至探头的输出端，用于测量电容差信号；信号采集器的输入端连接至电容传感电路的输出端，用于记录传感电路的输出并判断传感电路功能是否正常；信号发生器的第一输出端连接至探头的调制信号输入端，用于将固定电容差调制到高频范围，信号发生器的第二输出端连接至电容传感电路的第二输入端，用于为相敏检波器提供解调参考信号。
更进一步地，电容传感电路包括：电荷放大器、交流放大器、相敏检波器和低通滤波器；电荷放大器的输入端作为电容传感电路的第一输入端，电荷放大器用于捕获由调制电压信号调制的电容差信号；交流放大器的输入端连接至电荷放大器的输出端，交流放大器用于对调制电压信号中心频率处的信号进行选择性放大，同时抑制其它频率的信号，有利于提高信噪比；相敏检波器的第一输入端连接至交流放大器的输出端，相敏检波器的第二输入端作为电容传感电路的第二输入端，相敏检波器用于对被调制的电容差进行解调；低通滤波器的输入端连接至相敏检波器的输出端，低通滤波器用于滤除由相敏检波器解调产生的高频信号，以提高信噪比。
更进一步地，还包括加速度计控制器，加速度计控制器连接至电容传感电路的输出端，用于计算反馈电压信号以稳定加速度计闭环。
更进一步地，信号发生器产生的调制电压信号和解调参考信号具有相同的频率，且调制电压信号和解调参考信号之间的相位差
Figure BDA0002573317520000031
更进一步地，通过对调制电压信号的相位进行调制获得电容传感电路的频率响应。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于不需要更换测点的电容，可以减少测试的复杂性，同时避免频繁更换电容对传感电路板引入的折损。另外，本发明通过相位调制可以更加便捷地测试传感电路的频率响应；由于相位调制可以使传感电路的输出产生变动，可以协同加速度计控制器进行测试，有益于在整体层面判断电路功能是否正常。
附图说明
图1是本发明第一实施例提供的空间静电加速度计电路功能的地面测试装置的原理框图。
图2是本发明第二实施例提供的空间静电加速度计电路功能的地面测试装置的原理框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明主要用于空间静电加速度计电路功能的地面测试，提供了一种空间静电加速度计电路功能的地面测试方法，包括下述步骤：
S1：在电容位移传感电路的前端电路测点处焊接两个固定差分电容，并在差分电容的公共端接入调制电压信号Vp，同时在传感电路的相敏检波器中接入同频率的解调参考信号Vref；
其中，固定差分电容的平均值与真实探头的平衡电容相等，差分值以不超过传感电路最大量程为宜。
S2：通过设定信号发生器输出信号的相位，对调制电压信号和解调参考信号的相位差进行调制使得调制电压信号和解调参考信号之间的相位差
Figure BDA0002573317520000041
其中，相位差可通过固定信号发生器输出信号之一的相位，而改变另一个信号的相位；更具体地，若保持解调参考信号相位不变，令调制电压信号的相位按
Figure BDA0002573317520000042
进行调制，通过时域响应与理论输出的对比可以判断电路功能是否正常，若保持调制电压信号的相位不变，对解调参考信号的相位进行调制，通常在操作上更容易实现，同样可以通过时域响应与理论输出的对比可以判断电路功能是否正常，但改变相位调制信号的斜率仅能对传感电路的低通滤波器部分进行频率响应分析。
作为本发明的一个实施例，可以通过改变相位调制信号的斜率
Figure BDA0002573317520000043
来实现对传感电路进行扫频，获得传感电路的频率响应。
在本发明实施例中，在步骤S2之后还包括如下步骤：
S3：将加速度计控制器连接在电容传感电路的输出端，并对传感电路输出信号(亦即加速度计控制器的输入信号)和加速度计控制器的输出信号进行记录，通过对比时域输出和理论输出来判断加速度计控制器是否正常工作。
其中，通过改变相位调制信号的斜率来实现对加速度计控制器进行扫频以分析控制器的频率响应是否符合理论预期。
由于在现有技术中探头1输入的载波信号和相敏检波器23的解调参考信号相位差恒定，因而当探头电容固定时输出为恒定值，必须通过改变探头电容才能使输出发生变化，进而对电路功能进行检验。而在本发明中，通过对探头的载波信号和相敏检波器的解调参考信号相位差进行调制，使得传感输出能够在探头电容保持不变时也能够随着该调制信号产生变化，通过判断实验输出与理论输出的差异来评估电路的功能状态及动态性能。
如图1所示，本发明还提供了一种空间静电加速度计电路功能的地面测试装置，包括：探头1、电容传感电路2、信号采集器3和信号发生器4；电容传感电路2的第一输入端连接至探头1的输出端，用于测量电容差信号；信号采集器3的输入端连接至所述电容传感电路2的输出端，用于记录传感电路的输出并判断传感电路功能是否正常；信号发生器4的第一输出端连接至所述探头1的调制信号输入端，用于将固定电容差调制到高频范围，信号发生器4的第二输出端连接至电容传感电路2的第二输入端，用于为相敏检波器提供解调参考信号。
其中探头1可以采用真实敏感探头或用固定电容模拟的探头，探头1测点固定电容的公共端接入信号发生器4生成的载波电压信号
Figure BDA0002573317520000051
非公共端接入电荷放大器21。
作为本发明的一个实施例，电容传感电路2包括：电荷放大器21、交流放大器22、相敏检波器23和低通滤波器24；电荷放大器21的输入端作为电容传感电路2的第一输入端，电荷放大器21用于捕获由调制电压信号调制的电容差信号；交流放大器22的输入端连接至电荷放大器21的输出端，交流放大器22用于对调制电压信号中心频率处的信号进行选择性放大，同时抑制其它频率的信号，有利于提高信噪比；相敏检波器23的第一输入端连接至交流放大器22的输出端，相敏检波器23的第二输入端作为电容传感电路2的第二输入端，相敏检波器23用于对被调制的电容差进行解调；低通滤波器24的输入端连接至相敏检波器23的输出端，低通滤波器24用于滤除由相敏检波器解调产生的高频信号，以提高信噪比。
在本发明实施例中，信号采集器3可通过直接绘图与理论时域输出进行对比；也可在扫频后绘制电路的幅频响应和相频响应，与理论频率响应进行对比。
作为本发明的一个实施例，地面测试装置还包括加速度计控制器5，加速度计控制器5连接至电容传感电路的输出端，用于计算反馈电压信号以稳定整个加速度计闭环。
在本发明实施例中，信号发生器4产生的调制电压信号和解调参考信号具有相同的频率，且调制电压信号和解调参考信号之间的相位差
Figure BDA0002573317520000061
具体地，既可以对调制电压信号的相位进行调制，也可以对解调参考信号的相位进行调制。
与现有技术相比，本发明无须频繁更换测点电容，仅使用固定差分电容就可以实现电容传感电路的功能测试。另外，本发明通过对调制电压信号的相位进行调制，还能够得到整个电容传感电路的频率响应。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的空间静电加速度计电路功能的地面测试方法及装置，下面根据附图首先介绍本发明提供的传感电路单元测试的具体实施方式。
如图1所示，电荷放大器21、交流放大器22、相敏检波器23和低通滤波器24构成电容传感电路2的主体部分，其输入信号来自探头1的电容，探头1可以采用真实的探头，不使用高压悬浮时探头电容为恒定值，因而地面实验常采用两个容值不同的固定电容来模拟探头输出的电容差对传感电路进行单独测试；利用信号发生器4产生一单频载波信号
Figure BDA0002573317520000071
并注入探头1的电容公共端口，载波信号表达式为：
Figure BDA0002573317520000072
另一方面，利用信号发生器4产生频率相同的解调参考电压信号
Figure BDA0002573317520000073
输入给相敏检波器23以便对调制信号进行解调。设参考电压为：
Figure BDA0002573317520000074
经相敏检波器23和低通滤波器24后，输出的传感电压Vs与载波信号和参考电压的相位差的余弦成正比，即
Figure BDA0002573317520000075
此时若保持载波信号
Figure BDA0002573317520000076
与参考电压信号
Figure BDA0002573317520000077
的相位差不变，则输出为直流，与传统测试方案相同。本发明通过改变信号发生器输出的两个信号的相位差，使其随时间变动，例如，可设
Figure BDA0002573317520000078
则输出的残差电压为
Figure BDA0002573317520000079
其随时间产生周期变动，可以用来定性观测传感电路的功能是否出现异常。进一步，通过合理设计相位差的变动使得传感电路的输出在一定范围内，对实验进行动态标定，并与理论输出进行对比可以定量分析传感电路的性能。
如图2所示，若在电容传感电路2后接入加速度计控制器5，还能够对控制器功能进行测试。具体实施方案为：根据传感电路和控制器的量程除以系统增益来设计信号发生器4产生的电压幅值，以确保电容传感电路2和加速度计控制器5的输出不至于饱和，通过不断改变信号相位调制信号的频率(即
Figure BDA00025733175200000710
)，综合信号采集器3记录的电容传感电路2的输出和加速度计控制器5的输出，通过扫频获得加速度计控制器5传递函数表达式，与理论对比判断电路是否存在异常。
本发明通过对载波信号和解调参考信号的相位进行调制，使得传感电路的输出受调制相位的控制，进而使得探头电容为恒定值时也能使电路产生变动的输出，通过将输出与理论进行比对，实现加速度计电路功能的地面测试。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种空间静电加速度计电路功能的地面测试方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1：在电容位移传感电路的前端电路测点处焊接两个固定差分电容，并在差分电容的公共端接入调制电压信号Vp，同时在传感电路的相敏检波器中接入同频率的解调参考信号Vref；
S2：通过设定信号发生器输出信号的相位，对调制电压信号和解调参考信号的相位差进行调制使得调制电压信号和解调参考信号之间的相位差
Figure FDA0002573317510000011
实现电容传感电路的功能测试；
其中，
Figure FDA0002573317510000012
为相位调制信号的斜率，t为信号输出的时刻。
2.如权利要求1所述的地面测试方法，其特征在于，通过改变相位调制信号的斜率
Figure FDA0002573317510000013
来实现对传感电路进行扫频，获得传感电路的频率响应。
3.如权利要求1或2所述的地面测试方法，其特征在于，在步骤S2之后还包括如下步骤：
S3：将加速度计控制器连接在电容传感电路的输出端，并对传感电路输出信号和加速度计控制器的输出信号进行记录，通过对比时域输出和理论输出来判断加速度计控制器是否正常工作。
4.如权利要求3所述的地面测试方法，其特征在于，通过改变相位调制信号的斜率来实现对加速度计控制器进行扫频以分析控制器的频率响应是否符合理论预期。
5.一种空间静电加速度计电路功能的地面测试装置，其特征在于，包括：探头(1)、电容传感电路(2)、信号采集器(3)和信号发生器(4)；
所述电容传感电路(2)的第一输入端连接至探头(1)的输出端，用于测量电容差信号；
所述信号采集器(3)的输入端连接至所述电容传感电路(2)的输出端，用于记录传感电路的输出并判断传感电路功能是否正常；
所述信号发生器(4)的第一输出端连接至所述探头(1)的调制信号输入端，用于将固定电容差调制到高频范围，信号发生器(4)的第二输出端连接至电容传感电路(2)的第二输入端，用于为相敏检波器提供解调参考信号。
6.如权利要求5所述的地面测试装置，其特征在于，所述电容传感电路(2)包括：电荷放大器(21)、交流放大器(22)、相敏检波器(23)和低通滤波器(24)；
所述电荷放大器(21)的输入端作为所述电容传感电路(2)的第一输入端，所述电荷放大器(21)用于捕获由调制电压信号调制的电容差信号；
所述交流放大器(22)的输入端连接至所述电荷放大器(21)的输出端，所述交流放大器(22)用于对调制电压信号中心频率处的信号进行选择性放大，同时抑制其它频率的信号，有利于提高信噪比；
所述相敏检波器(23)的第一输入端连接至所述交流放大器(22)的输出端，所述相敏检波器(23)的第二输入端作为所述电容传感电路(2)的第二输入端，所述相敏检波器(23)用于对被调制的电容差进行解调；
所述低通滤波器(24)的输入端连接至所述相敏检波器(23)的输出端，所述低通滤波器(24)用于滤除由相敏检波器解调产生的高频信号，以提高信噪比。
7.如权利要求5或6所述的地面测试装置，其特征在于，还包括加速度计控制器(5)，所述加速度计控制器连接至电容传感电路的输出端，用于计算反馈电压信号以稳定加速度计闭环。
8.如权利要求5-7所述的地面测试装置，其特征在于，所述信号发生器(4)产生的调制电压信号和解调参考信号具有相同的频率，且调制电压信号和解调参考信号之间的相位差
Figure FDA0002573317510000021
9.如权利要求5-8所述的地面测试装置，其特征在于，通过对调制电压信号的相位进行调制获得电容传感电路(2)的频率响应。
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