CN112557700A - 一种静电加速度计的地面硬件在环仿真装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于测量技术领域，公开了一种静电加速度计的地面硬件在环仿真装置及方法；装置包括：探头模拟电路，乘法器、电容传感电路和反馈控制电路；探头模拟电路用于通过将电压信号解析后与虚拟加速度输入计算获得包含探头位置的各极板电容差信号，通过幅度调制的方式实现虚拟探头模拟真实探头输出信号；电容传感电路用于接收调制过后的电容差信号并利用交流放大器对信号进行选择性放大；反馈控制电路用于将各极板电容差信号组合成各自由度信号后，利用控制算法反组合成各极板静电力信号接入后续的探头模拟电路。本发明中，虚拟探头可以通过虚拟加速度输入模拟真实探头在轨时可能的运动状态，完成对探头六自由度的指标验证。

Description

一种静电加速度计的地面硬件在环仿真装置及方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，更具体地，涉及一种静电加速度计的地面硬件在环仿真装置及方法。

背景技术

静电加速度计是一种惯性传感器，以其精度高而应用于各种现代空间实验。由于静电加速度计的量程很小，对其进行地面测试时受重力加速度影响较为严重。为了克服重力影响，针对静电加速度计常用的地面测试方案有高压悬浮法、悬丝悬挂法和自由落体法。

高压悬浮法是通过向静电加速度计探头中竖直方向的极板施加高电压产生静电力来克服重力，这种方法的优点在于可以实现六自由度测量，但由于高压方向的非线性因素，使得竖直方向控制较为困难，且高压引入的耦合噪声难以评估敏感轴在轨运行时真实的噪声本底。

悬丝悬挂法是通过一根悬丝将检验质量挂起以克服重力，悬丝悬挂法的优点在于避免了高压耦合噪声的干扰，但其机械结构决定了该方法一次性最多只能对两个自由度进行测试。

自由落体法是对加速度计测试方案中最接近在轨状态的方法，但是自由落体的时间受限于实验装置的高度，无法观测加速度计在低频处的特性。

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静电加速度计的地面硬件在环仿真装置，旨在解决现有技术中由于操作复杂，无法同时测试六个自由度导致延长产品研究周期，增加测试成本的问题。

本发明提供了一种静电加速度计的地面硬件在环仿真装置，包括：探头模拟电路，乘法器、电容传感电路和反馈控制电路；探头模拟电路用于通过将包含反馈静电力信息的电压信号解析后与虚拟加速度输入计算获得包含探头位置的各极板电容差信号，通过幅度调制的方式实现虚拟探头模拟真实探头输出信号；乘法器的输入连接至所述探头模拟电路的输出端，用于完成探头模拟电路输出信号的幅度调制；电容传感电路的输入端连接至乘法器的输出端，用于接收调制过后的电容差信号，并利用交流放大器对信号进行选择性放大；通过锁相放大环节对调制后的信号进行解调，最后将解调后的信号经低通滤波后输送给后续的反馈控制电路；反馈控制电路的输入端连接至电容传感电路的输出端，用于将测量得到的各极板电容差信号组合成各自由度信号后，利用控制算法将包含各自由度的控制力信号反组合成各极板静电力信号接入后续的探头模拟电路。

更进一步地，探头模拟电路包括：虚拟加速度模块、加法器、动力学响应单元、电容差计算单元、调幅信号计算单元、DAC、ADC和静电执行机；虚拟加速度模块用于产生虚拟的加速度扰动信号；加法器的第一输入端连接至虚拟加速度模块的输出端用于接收虚拟加速度信号，第二输入端连接至所述静电执行机的输出端，用于将两路加速度信号相加得到施加到虚拟探头的合加速度；动力学响应单元的输入端连接至加法器的输出端，动力学响应单元用于将虚拟探头的加速度信号解析为位移信号；电容差计算单元的输入端连接至动力学响应单元的输出端，电容差计算单元用于将虚拟探头的位移信号解析为虚拟探头各极板电容差信号；调幅信号计算单元的输入端连接至所述电容差计算单元的输出端，调幅信号计算单元用于将虚拟探头各极板电容差信号归一化为真实探头对应输出各极板电容差信号；DAC的输入端连接至所述调幅信号计算单元的输出端，DAC用于将归一化后的虚拟探头电容差信号由数字信号转为模拟信号输出；ADC的输入端连接至反馈控制电路的输出端，用于将反馈模拟信号采集为数字信号；静电执行机的输入端连接至ADC的输出端，用于将采集后的反馈静电力信号解析为反馈加速度信号。

更进一步地，虚拟加速度模块、加法器、动力学响应单元、电容差计算单元、调幅信号计算单元、DAC、ADC和静电执行机采用FPGA实现。

更进一步地，控制电路包括：组合模块、控制模块和反组合模块；组合模块用于将各个极板对的电容差变化信号进行组合并解析出六个自由度的位移变化；控制模块用于实现对加速度计探头的控制；反组合模块用于将信号反组合为施加到加速度计的电容极板的电压信号。

更进一步地，电容传感电路具有固定电容差。

更进一步地，利用调幅的方式对真实探头输出信号的电容差行为进行模拟。

本发明还提供了一种基于上述的地面硬件在环仿真装置实现的在环仿真方法，包括下述步骤：

S1：将反馈控制电路板连接至所述地面硬件在环仿真装置的输入端，并将模拟乘法器连接至所述地面硬件在环仿真装置的输出端；

S2：通过上位机实时改变虚拟加速度模块产生的虚拟加速度扰动；

S3：采集虚拟探头模块的动力学相应单元的输出，并判断探头位置是否符合理论预期，若是，则电容传感电路和反馈控制电路的设计满足要求；否则重新设计并返回至步骤S1。

其中，利用数字硬件实现对真实模块的电信号行为模拟。

本发明通过一部分采用真实物理器件、一部分采用数值仿真的方式构成半物理仿真装置，能够对加速度计各种闭环指标在地面进行测试，具体地，能够对加速度计的控制算法模块包括参数设计进行快速验证，能够对加速度计的噪声本底完成评估。另外本发明提供的虚拟探头采用不同的算法还可以进一步模拟各种不同的在轨工作状态；虚拟探头可以通过虚拟加速度输入模拟真实探头在轨时可能的运动状态，完成对探头六自由度的指标验证。通过对硬件在环测试系统的ADC、DAC的量程和精度的调整也可以对加速度计的高精度和宽范围模式进行验证。

附图说明

图1是本发明实施例提供的静电加速度计的地面硬件在环仿真装置的原理框图；

图2是本发明实施例提供的静电加速度计的地面硬件在环仿真装置中控制电路的模块结构示意图；

图3是本发明实施例提供的静电加速度计的地面硬件在环仿真方法的实现流程图。

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。

本发明提出了一种针对加速度计地面测试采用的硬件在环仿真装置及方法，旨在解决现有技术中由于操作复杂，无法同时测试六个自由度导致延长产品研究周期，增加测试成本的技术问题。

如图1所示，本发明提供的静电加速度计的地面硬件在环仿真装置包括：探头模拟电路，电容传感电路7、控制电路8和反馈滤波电路9；探头模拟电路用于通过将包含反馈静电力信息的电压信号解析后与虚拟加速度输入计算获得包含探头位置的各极板电容差信号，通过幅度调制的方式实现虚拟探头模拟真实探头输出信号；乘法器7的输入连接至探头模拟电路的输出端，用于完成探头模拟电路输出信号的幅度调制；电容传感电路8的输入端连接至所述乘法器7的输出端，用于接收调制过后的电容差信号，并利用交流放大器对信号进行选择性放大；通过锁相放大环节对调制后的信号进行解调，最后将解调后的信号经低通滤波后输送给后续的反馈控制电路；反馈控制电路9的输入端连接至所述电容传感电路8的输出端，用于将测量得到的各极板电容差信号组合成各自由度信号后，利用控制算法将包含各自由度的控制力信号反组合成各极板静电力信号接入后续的探头模拟电路。

其中，探头模拟电路可以通过FPGA实现，具体包括：虚拟加速度模块1、加法器2、动力学响应单元3、电容差计算单元4、调幅信号计算单元5、DAC6、ADC10和静电执行机11；虚拟加速度模块1用于产生虚拟的加速度扰动信号；加法器2的第一输入端连接至虚拟加速度模块1的输出端用于接收虚拟加速度信号，第二输入端连接至静电执行机11的输出端，用于将两路加速度信号相加得到施加到虚拟探头的合加速度；动力学响应单元3的输入端连接至加法器2的输出端，动力学响应单元3用于将虚拟探头的加速度信号解析为位移信号；电容差计算单元4的输入端连接至动力学响应单元3的输出端，电容差计算单元4用于将虚拟探头的位移信号解析为虚拟探头各极板电容差信号；调幅信号计算单元5的输入端连接至电容差计算单元4的输出端，调幅信号计算单元5用于将虚拟探头各极板电容差信号归一化为真实探头对应输出各极板电容差信号；DAC6的输入端连接至调幅信号计算单元5的输出端，DAC6用于将归一化后的虚拟探头电容差信号由数字信号转为模拟信号输出；ADC10的输入端连接至所述反馈控制电路9的输出端，用于将反馈模拟信号采集为数字信号；静电执行机11的输入端连接至所述ADC10的输出端，用于将采集后的反馈静电力信号解析为反馈加速度信号。

本发明实例基于ZYNQ芯片，ZYNQ中包含ARM和FPGA，其中ARM部分设计包括FPGA数据采集、上传至上位机和接收上位机指令对FPGA中虚拟探头算法模块实时改变参数。

本发明通过对传感电路的载波电压进行幅度调制来模拟加速度输入，从而使传感电路产生一定响应，经控制电路进行控制，由高速ADC采集到FPGA，然后，利用FPGA中模拟的探头算法将输入的电压信号转化为等效的加速度信号与输入信号抵消，形成闭环。

本发明以通过ADC将控制电路输出的包含反馈加速度信息的电压信号解析并计算出包含探头位置的电压信号通过DAC施加给固定电容模块。可以认为是模拟真实探头行为的算法；代替静电加速度计的探头功能，从而避免了真实探头在地面测试时需要克服重力的问题。另一方面，通过向虚拟探头内注入虚拟加速度信号，可以观测微重力环境下的加速度计闭环响应，从而能够评估在轨工作状态。

本发明的传感电路和控制电路均采用静电加速度计真实电路板，从而在进行半物理仿真时能够更加准确反映出真实器件对加速度计闭环特性带来的影响。

其中，如图2所示，反馈控制电路9包括：组合模块90、控制模块91和反组合模块92，组合模块90用于将各个极板对的电容差变化信号组合解析出六个自由度的位移变化；控制模块91通过PID等控制算法完成对加速度计探头的控制；反组合模块92用于将信号反组合为施加到加速度计的电容极板的电压信号。

图3示出了本发明实施例提供的静电加速度计的地面硬件在环仿真方法的实现流程，具体包括下述步骤：

S1：将反馈控制电路板连接至地面硬件在环仿真装置的输入端，并将模拟乘法器连接至地面硬件在环仿真装置的输出端；

S2：通过上位机实时改变虚拟加速度模块产生的虚拟加速度扰动；

S3：采集虚拟探头模块的动力学相应单元的输出，并判断探头位置是否符合理论预期，若是，则电容传感电路和反馈控制电路的设计满足要求；否则重新设计并返回至步骤S1。

其中，利用数字硬件可以实现对真实模块的电信号行为模拟。

本发明通过一部分采用真实物理器件、一部分采用数值仿真的方式构成半物理仿真装置，能够对加速度计各种闭环指标在地面进行测试；具体的，能够对加速度计的控制算法模块包括参数设计进行快速验证，能够对加速度计的噪声本底完成评估。另外，虚拟探头采用不同的算法还可以进一步模拟各种不同的在轨工作状态；具体的，虚拟探头可以通过虚拟加速度输入模拟真实探头在轨时可能的运动状态，完成对探头六自由度的指标验证。通过对硬件在环测试系统的ADC、DAC的量程和精度的调整也可以对加速度计的高精度和宽范围模式进行验证。

本发明相比于高压悬浮方案避免了高电压引入的执行机非线性影响以及敏感轴方向受到的高压耦合噪声，从而更加接近静电加速度计在轨工作状态。

本发明相比于扭摆实验可以同时实现六自由度闭环测试，可以用来测试多自由度之间的耦合效应。

本发明由于利用基于FPGA实现并行算法的优势，可以同时并行实现六个自由度算法。

由于真实探头在加工过程中带来的误差和控制电路中反组合电路的不对称均会导致加速度计自由度之间产生耦合，而虚拟探头可以避免真实探头引入的自由度耦合的影响，方便评估控制电路对自由度耦合的影响。

由于自由落体实验时间受限于落塔的高度，百米落塔能提供5s左右微重力时间，不能对静电加速度计的低频特性进行测试和评估；而本发明相比于自由落体实验可以在虚拟微重力环境下持续更长的时间，从而能够对静电加速度计的低频特性进行测试和评估。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的静电加速度计半屋里仿真装置及方法，现以虚拟加速度输入为例介绍半物理仿真的具体实施方式。

首先，在虚拟探头内产生虚拟的加速度输入，将加速度信号进行数值积分即得到等效的位移信号。进一步，根据加速度计的探头布置可以得到电容差与位移之间的关系，进而将等效的位移信号转化为等效的电容差信号。

利用电容差信号与调幅电压的归一化关系，将电容差信号转化为幅度调制信号，设等效的电容差信号为ΔC(t)，传感电路接入的固定电容的差值为ΔC_fix，幅度调制信号为A(t)，则三者之间的转化关系为：

利用DAC将上述得到的调幅信号输出，利用模拟乘法器与传感电路的载波电压相乘，完成幅度调制。该过程也可在FPGA中通过数字乘法器完成调制，直接用DAC输出到传感电路。

该过程也可以在FPGA中由一个DDS，一路与调制信号通过数字乘法器完成调制后通过DAC输出到传感电路；另一路通过DAC输出供后端电容传感电路解调使用。

传感电路将对调幅后的信号产生响应，最终输出的解调信号与虚拟探头中计算的等效电容差信号成正比，即传感电路的输出对虚拟加速度做出了相应的响应。

传感电路输出的残差信号由控制电路响应，经过反馈滤波回路后由ADC采集送回FPGA的虚拟探头，此时虚拟探头将完成反馈电压到反馈加速度的计算，并与输入的虚拟加速度抵消，形成闭环。

测试时，输入信号不限于虚拟加速度信号，进一步可以输入虚拟的位移信号、虚拟的电容差信号，甚至直接输入幅度调制信号，根据等效关系进行相互转换对指标进行评估。

测试时，输入信号不限于虚拟加速度信号，为了模拟探头的任意位置和运动状态，观察探头的控制效果，进一步可以输入虚拟的唯一信号、虚拟的电容差信号，甚至直接输入幅度调制信号。

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 (8)

1.一种静电加速度计的地面硬件在环仿真装置，其特征在于，包括：探头模拟电路，乘法器(7)、电容传感电路(8)和反馈控制电路(9)；

所述探头模拟电路用于通过将包含反馈静电力信息的电压信号解析后与虚拟加速度计算获得包含探头位置的各极板电容差信号，通过幅度调制的方式实现虚拟探头模拟真实探头输出信号；

所述乘法器(7)的输入连接至所述探头模拟电路的输出端，用于完成探头模拟电路输出信号的幅度调制；

所述电容传感电路(8)的输入端连接至所述乘法器(7)的输出端，用于接收调制过后的电容差信号，并利用交流放大器对信号进行选择性放大；通过锁相放大环节对调制后的信号进行解调，并将解调后的信号经低通滤波后输送给反馈控制电路；

所述反馈控制电路(9)的输入端连接至所述电容传感电路(8)的输出端，用于将测量的各极板电容差信号组合成各自由度信号，并将包含各自由度的控制力信号反组合成各极板静电力信号后接入所述探头模拟电路。

2.如权利要求1所述的地面硬件在环仿真装置，其特征在于，所述探头模拟电路包括：虚拟加速度模块(1)、加法器(2)、动力学响应单元(3)、电容差计算单元(4)、调幅信号计算单元(5)、DAC(6)、ADC(10)和静电执行机(11)；

所述虚拟加速度模块(1)用于产生虚拟的加速度扰动信号；

所述加法器(2)的第一输入端连接至所述虚拟加速度模块(1)的输出端用于接收虚拟加速度信号，第二输入端连接至所述静电执行机(11)的输出端，用于将两路加速度信号相加得到施加到虚拟探头的合加速度；

所述动力学响应单元(3)的输入端连接至所述加法器(2)的输出端，所述动力学响应单元(3)用于将虚拟探头的加速度信号解析为位移信号；

所述电容差计算单元(4)的输入端连接至所述动力学响应单元(3)的输出端，所述电容差计算单元(4)用于将虚拟探头的位移信号解析为虚拟探头各极板电容差信号；

所述调幅信号计算单元(5)的输入端连接至所述电容差计算单元(4)的输出端，所述调幅信号计算单元(5)用于将虚拟探头各极板电容差信号归一化为真实探头对应输出各极板电容差信号；

所述DAC(6)的输入端连接至所述调幅信号计算单元(5)的输出端，所述DAC(6)用于将归一化后的虚拟探头电容差信号由数字信号转为模拟信号输出；

所述ADC(10)的输入端连接至所述反馈控制电路(9)的输出端，用于将反馈模拟信号采集为数字信号；

所述静电执行机(11)的输入端连接至所述ADC(10)的输出端，用于将采集后的反馈静电力信号解析为反馈加速度信号。

3.如权利要求2所述的地面硬件在环仿真装置，其特征在于，所述虚拟加速度模块(1)、所述加法器(2)、所述动力学响应单元(3)、所述电容差计算单元(4)、所述调幅信号计算单元(5)、所述DAC(6)、所述ADC(10)和所述静电执行机(11)采用FPGA实现。

4.如权利要求1-3任一项所述的地面硬件在环仿真装置，其特征在于，所述反馈控制电路(9)包括：组合模块(90)、控制模块(91)和反组合模块(92)；

所述组合模块(90)用于将各个极板对的电容差变化信号进行组合并解析出六个自由度的位移变化；

所述控制模块(91)用于实现对加速度计探头的控制；

所述反组合模块(92)用于将信号反组合为施加到加速度计的电容极板的电压信号。

5.如权利要求1-4任一项所述的地面硬件在环仿真装置，其特征在于，所述电容传感电路(8)具有固定电容差。

6.如权利要求2所述的地面硬件在环仿真装置，其特征在于，利用调幅的方式对真实探头输出信号的电容差行为进行模拟。

7.一种基于权利要求1-6任一项所述的地面硬件在环仿真装置实现的在环仿真方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1：将反馈控制电路板连接至所述地面硬件在环仿真装置的输入端，并将模拟乘法器连接至所述地面硬件在环仿真装置的输出端；

S2：通过上位机实时改变虚拟加速度模块产生的虚拟加速度扰动；

S3：采集虚拟探头模块的动力学相应单元的输出，并判断探头位置是否符合理论预期，若是，则电容传感电路和反馈控制电路的设计满足要求；否则重新设计并返回至步骤S1。

8.如权利要求7所述的在环仿真方法，其特征在于，利用数字硬件实现对真实模块的电信号行为模拟。

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