CN112684208A - 一种六自由度正交惯性传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种六自由度正交惯性传感器，属于空间精密测量技术领域。为克服传统惯性传感器精度低、结构复杂的技术问题，本发明包括：电极笼组件、置于所述电极笼组件内的测试质量；测试质量可通过静电力驱动方式相对于电极笼框架的中心进行六个自由度运动；电极笼组件设有三组电极，用以同时得到测试质量相对于电极笼组件的位置和角度；测试质量通过静电力实现与电极间的无接触；电连接器通过焊接导线与电极相连；三组电极在X、Y、Z上均相互正交布置。本发明弥补了惯性传感器测量精度不足的问题，同时全金属的电极笼框架结构大幅增加了系统的可靠性、便于与卫星载荷系统进行连接，而且在自由度分配上面充分解耦，降低了电路设计的难度。

Description

一种六自由度正交惯性传感器

技术领域

本发明属于空间精密测量技术领域，具体涉及一种六自由度正交惯性传感器。

背景技术

惯性传感器是进行微弱加速度测量的仪器，在航空及航天中有广泛的应用。在航空领域，其测量精度通常在1×10^-3g～1×10^-6g，其中g为1个地球重力加速度单位。在航天级应用中，如重力场测量，通常要求惯性传感器对于加速度的测量精度至少达到1×10^-9g，而在一些前沿科学实验，如空间激光干涉中更要求精度达到10^-15g以上。

现阶段惯性传感器通常所采用的是悬臂梁、摆臂或者是微机械结构，测量精度低，所以都还主要集中在加速度计阶段。抑或是采用玻璃腔体结构，结构复杂、加工困难、工艺流程繁琐，该类型的传感器测量间距设计较小，从而限制了系统测量分辨率的上限，而且装配试验等测量过程中会受到很大的冲击和振动，风险较大。

因此，亟需一种结构简单、精度高的惯性传感器。

发明内容

本发明的目的是提供一种六自由度正交惯性传感器，以解决技术中的上述不足之处。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种六自由度正交惯性传感器，包括：电极笼组件和置于所述电极笼组件内的测试质量；

电极笼组件包括中空的电极笼框架和固定在所述电极笼框架上的电极组件；

所述电极笼框架和所述测试质量均为六面体结构，所述测试质量设于所述电极笼框架的中心，所述测试质量通过静电力驱动方式可相对于所述电极笼框架的中心进行六个自由度运动；

所述电极组件包括X向电极组件、Y向电极组件和Z向电极组件，所述X向电极组件、所述Y向电极组件和所述Z向电极组件均包括对应的一组传感电极，三组所述传感电极在X、Y、Z方向上均相互正交的三组传感电极，用以同时得到所述测试质量相对于所述电极笼组件在X、Y、Z向的位置和角度；每组所述传感电极关于所述测试质量呈镜像对称布置；

所述电极均通过焊接导线连接电连接器。

进一步的，所述X向电极组件包括长度沿Z轴向平行布置的俩个X向传感电极；所述Y向电极组件包括长度沿X轴向平行布置的俩个Y向传感电极；所述Z向电极组件包括长度沿Y轴向平行布置的俩个Z向传感电极。

进一步的，所述Y向电极组件还包括Y向激励电极，用以对所述测试质进行激励带电；所述Z向电极组件还包括Z向激励电极，用以对所述测试质量进行激励带电。

进一步的，所述X向电极组件还包括与所述电极笼框架固定连接的圆柱形的X向电极板，所述X向传感电极固定在所述X向电极板上；

所述Y向电极组件还包括与所述电极笼框架固定连接的圆柱形的Y向电极板，所述Y向传感电极、及所述Y向激励电极固定在所述Y向电极板上；

所述Z向电极组件还包括与所述电极笼框架固定连接的圆柱形的Z向电极板，所述Z向传感电极、及所述Z向激励电极固定在所述Z向电极板上；

所述电极笼框架的侧面开有内方外圆的通孔；

所述通孔的方形孔用以容纳与所述电极笼框架的侧面相对应的所述激励电极和所述传感电极；所述通孔的圆柱面用以容纳与所述侧面相对应的所述X向电极板或所述Y向电极板或所述Z向电极板。

进一步的，所述X轴为测量敏感轴，所述X向传感电极的投影面积占所述测试质量对应面面积的50％以上，所述X向传感电极和所述测试质量对应面之间的间距应至少为2mm。

进一步的，所述Y轴和所述Z轴为非敏感轴，所述Y向传感电极的投影面积占所述测试质2对应面面积的30％以上，所述Z向传感电极电极的投影面积占所述测试质量对应面面积的30％以上；所述Y向传感电极和所述测试质量对应面之间的间距应至少为2mm，所述Z向传感电极和所述测试质量对应面之间的间距应至少为2mm。

进一步的，所述电极笼框架的Z向侧面设有大于所述测试质量包络尺寸的通孔，用于放置所述测试质量到电极笼框架内部。

进一步的，所述电极笼框架在同一方向的俩侧面上开有驱动通孔；所述测试质量对应面上开有与所述驱动通孔位置和尺寸相对应的锁紧盲孔；所述锁紧盲孔的底面为半凹球面。

传感器还包括用以在卫星发射过程中锁定所述传感器的锁定机构，所述锁定机构包括锁定驱动器本体和压杆；所述压杆的端部开有与锁紧盲孔的半凹球面配合的凸球面；

一对所述锁定机构分别从电极笼框架的俩侧面外部相对运动，直到每个所述锁定机构的所述压杆穿过所述通孔伸入所述锁紧盲孔中，保持所述测试质量相对所述电极笼框架位置不变。

在上述技术方案中，本发明提供的一种六自由度正交惯性传感器，本发明依靠静电力实现测试质量位置和加速度高精度测量的惯性传感器。其特点是无机械连接、大间隙、高精度、高稳定性，通过三轴相互正交的形式布置电极可以同时测量载体三个正交方向的线加速度以及角加速度，同时能够读取当前条件下测试质量相对于电极笼框架的位置和角度。

此外，由于本六自由度正交惯性传感器整体结构紧凑，能够实现三轴六自由度加速度的同步测量，测量精度高、集成度高，同步性好，六自由度充分解耦同时也降低了外界扰动对于测量的影响，从而降低了测量及控制电路的设计难度。进一步提高系统的测量能力以应对应用更为广泛且更高精度的测量需求。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的电极划分布置示意图的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的惯性传感器的位置测量原理示意图，其中图2a为测试质量转动的测量原理示意图，图2b为测试质量平动的测量原理示意图；

图3为本发明实施例提供的惯性传感器的加速度测量原理示意图；

图4为本发明实施例提供的惯性传感器的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的惯性传感器爆炸图的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的测试质量的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的X向电极组件结构示意图；

图8为本发明实施例提供的Y向电极组件结构示意图；

图9为本发明实施例提供的Z向电极组件结构示意图；

图10为本发明实施例提供的锁定机构结构示意图。

附图标记说明：

1、电极笼组件；2、测试质量；21、锁紧盲孔；3、X向电极组件；31、X向传感电极；32、X向电极板；4、Y向电极组件；41、Y向传感电极；42、Y向激励电极；43、Y向电极板；5、Z向电极组件；51、Z向传感电极；52、Z向激励电极；53、Z向电极板；6、电极笼框架；61、驱动通孔；7、电连接器；8、驱动器本体；81、压杆。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

如图1-10所示，本发明实施例提供的一种六自由度正交惯性传感器，包括电极笼组件1和置于电极笼组件1内的测试质量2；

电极笼组件1包括中空的电极笼框架6和固定在电极笼框架6上的电极；

电极笼框架6的内外表面和测试质量2均为六面体结构，测试质量2设于电极笼框架6的中心，测试质量2通过静电力驱动方式可相对于电极笼框架6的中心进行六个自由度运动，六个自由度具有独立性；测试质量2通过所述电极组件进行激励方式带电；

电极组件包括X向电极组件3、Y向电极组件4和Z向电极组件5，X向电极组件3、Y向电极组件4和Z向电极组件5均包括对应的一组传感电极，三组传感电极在X、Y、Z方向上均相互正交的三组传感电极，用以同时得到测试质量2相对于电极笼组件1在X、Y、Z向的位置和角度；每组传感电极关于测试质量2呈镜像对称布置；

电极均通过焊接导线连接电连接器7。

具体的，本发明的目的是提供一种六自由度正交惯性传感器结构，通过对电极面的相互正交布局设计，达到三个正交轴六个自由度的充分解耦的目的，从而实现对测试质量进行单轴控制的目的。本发明设计采用大密度的金属材质测试质量和毫米量级的测量间距，并在此基础上利用电容传感及静电力控制，来实现对10^-9g以上精度微小作用力下测试质量加速度的精确测量。同时能够对外界加速度扰动进行高精度补偿，使测试质量仅在保守力作用下在空间自由漂浮，从而配合空间激光干涉仪实现空间干涉测距。

电极笼框架6的中心为坐标轴原点，测试质量2的中心置于原点上，电极笼框架6的六个侧面上固定有传感电极。X向的每个侧面上均固定有X向电极组件3、Y向的每个侧面上均固定有Y向电极组件4，Z向的每个侧面上均固定有Z向电极组件5。相应的电极笼框架6的X、Y、Z三个方向的每个侧面的内壁面均固定有传感电极。同一方向，即相对的侧面上的传感电极为一组传感电极。三组传感电极三者沿X、Y、Z三个方向相互正交布置，用以同时得到测试质量2相对于电极笼组件1的在X、Y、Z向的位置和角度，对X、Y、Z三个测量轴六个自由度的充分解耦。测试质量激励带电的方式可采用本领域技术人员常用的在测试质量非敏感轴面中心位置上通过导电胶粘接金属丝将激励信号源电信号直接加载到测试质量上使其带电。但是在高精度的测量时，这部分金属丝会对测试质量产生力的作用，从而会产生一部分噪声，影响测量精度。所以有通常选的金丝也是非常的细。

测试质量2和电极笼框架6均为中心对称结构。每组传感电极关于电极笼框架6的中心对称布置，便于电极在电极笼框架6上的位置与测试质量2的位置相对应，从而形成能提供静电力的电容。测试质量2通过传感电极提供的静电力实现与传感电极均无接触，也就是测试质量2与电极笼框架6之间保持一定的距离。

测试质量2采用大密度、高强度、无磁性的金属合金材料，优先选用铍铜、银铜、铂铑、金铂等，来提高测量分辨率以及降低外界非保守力带来的加速度扰动。测试质量2大小优选的设计为40mm立方体。

电极笼框架6的内部是中空的，为测试质量2提供活动空间。电极笼框架6由无磁性、高硬度的钛合金材料制成，优选为TC4，用于安装六个方向的电极。立方体结构包括精确表征受到非保守力作用，结构更加紧凑，外包络更均匀，外部结构易于布置，便于准确定位测试质量2的质心位置等，电极笼框架6优选内外面均为立方体。

优选的，电极固定在电极笼框架6的内壁面上。外观结构简洁，而且电极固定在电极笼框架6的内部，能够被电极笼框架6保护。

优选的，电连接器7设在电极笼框架6的外侧面上，用于惯性传感器和其他电学元件之间实现信号连接与传递。

电极笼框架6的每个侧面上分别固定有俩个传感电极，俩个传感电极之间关于测试质量2镜像对称布置；

电极笼框架6分别在X、Y、Z方向上相对的俩个侧面上的传感电极为对应方向上的一组传感电极，一共四个。

X向电极组件3包括长度沿Z轴向平行布置的俩个X向传感电极31；Y向电极组件4包括长度沿X轴向平行布置的俩个Y向传感电极42；Z向电极组件5包括长度沿Y轴向平行布置的俩个Z向传感电极51。三组传感电极为长条状，与测试质量2的侧面相对。需要注意的是，X向传感电极31还可以沿Y轴向平行布置，Y向传感电极42可以沿Z轴向平行布置，Z向传感电极51沿X轴向平行布置，本发明还包括本领域技术人员可以想到的其他正交布置方式。

Y向电极组件4还包括Y向激励电极43，用以对测试质量2进行激励带电；Z向电极组件4还包括Z向激励电极52，用以对测试质量2进行激励带电。

具体的，每个传感电极或激励电极均采用玻璃基底材料，优先选用熔石英、微晶玻璃、ULE等材料，优选的电极面X向采用32mmX15mm的传感电极，Y向采用32mmX12mm的传感电极和10mmX10mm的激励电极，Z向采用32mmX10mm的传感电极和13mmX10mm的激励电极。电极经过表面局部镀膜工艺将其与电极笼框架6绝缘，通过光学抛光工艺来提高电极面的表面粗糙度从而降低寄生电容对测量的影响，焊接导线将电连接器与传感电极和激励电极分别相连。本发明利用大面积大质量的测试质量和电极笼组成六自由度惯性传感器，实现对外界微小扰动的高精度测量，并且能实现六个自由度的解耦，可以大幅度提高了现有测量技术的精度。在现有技术的基础上将各个自由度分别解耦，实现六个自由度的数值读取和测量。

X向传感电极31为长条状，长度沿Z轴分布。

Y向传感电极41和Y向激励电极42为长条状，长度沿X轴分布。俩个Y向激励电极42关于Y向传感电极41对称布置。优选的，Y向激励电极42与Y向传感电极41并列布置。

Z向传感电极51和Z向激励电极52为长条状，长度沿Y轴分布。俩个Z向传感电极51关于Z向激励电极52对称布置。优选的，Z向激励电极52与Y向传感电极51并列布置。

需要注意的是，其中Y向传感电极41或Z向传感电极51均可以做成如图1中Y向传感电极41示意性的为一个整块传感电极，也可以为多个分段的电极结构。

X向电极组件3还包括与电极笼框架6固定连接的圆柱形的X向电极板32，X向传感电极31固定在X向电极板32上；

Y向电极组件4还包括与电极笼框架6固定连接的圆柱形的Y向电极板43，Y向传感电极41、及Y向激励电极42固定在Y向电极板43上；

Z向电极组件5还包括与电极笼框架6固定连接的圆柱形的Z向电极板53，Z向传感电极51、及Z向激励电极52固定在Z向电极板53上；

电极笼框架6的侧面开有内方外圆的通孔；

通孔的方形侧面用以容纳与电极笼框架6的侧面相对应的激励电极和传感电极；通孔的圆柱面的用以配合与侧面相对应的X向电极板32或Y向电极板43或Z向电极板53的外侧面。

具体的，以Y向电极组件为例，本发明的Y向电极组件由相应的Y向电极板43、Y向传感电极41、Y向激励电极42以及电连接器7组成，电连接器7安装在Y向电极板43的外表面上。Y向电极组件可相对电极笼框架6进行可拆卸连接。Y向电极板43电极板采用与电极笼框架6同种材料加工完成，优选TC4，Y向传感电极41、Y向激励电极42与Y向电极板43通过螺钉连接，Y向传感电极41、Y向激励电极42经过表面局部镀膜工艺将其与相对应的Y向电极板43绝缘。X向电极组件3和Z向电极组件5的设计要求与此相似，这里不再赘叙。

具体的，X向电极板32、Y向电极板43、Z向电极板53的内部用螺钉安装相应的电极。因电极是一个方向平行并列设置，方形侧面可以容纳与相对应的电极。圆柱孔的开口面积大于方形孔的开口面积，圆形孔和方形孔交汇处形成了一个台阶面，便于将X向电极组件、Y向电极组件、Z向电极组件上的相应电极通过螺钉穿过相应的电极板后继续固定在台阶面上，实现可拆卸连接。便于单独更换、维修X向电极组件、Y向电极组件、Z向电极组件。

需要注意的是，X向电极板32或Y向电极板43或Z向电极板53的形状优选为圆形，便于加工和保证同轴度以及减少电极笼框架6的开口面积，具有更高的安装精度和保证电极笼框架6的强度。但也可以采用其他板状，如正方形、六边形等本领域技术人员能想到的其他形状。另外，其中一个轴向的方形孔的开口面积可大于测试质量2的外轮廓面积，便于将测试质量2安装到电极笼框架6内，而电极笼框架便于一体加工成型，减少拼装过程，提高测量精度。

X轴为敏感测量轴，同一面上X向传感电极31的X投影总面积占测试质量2对应面面积的50％以上，X向传感电极31和测试质量2对应面之间的间距至少为2mm。

敏感测量轴X轴上为了减少激励信号引入的串扰，同时为了提高测量分辨率，依据平行平板电容器的基本原理，将电极投影面积增大到测试质量对应面面积的50％以上，将电极和测试质量之间的间距增加到2mm以上，需要注意的是间距值可根据实际的需求合理选择，故而未采用激励电极。

Y轴和Z轴为非敏感测量轴，同一面上Y向传感电极41的投影总面积占测试质量2对应面面积的30％～40％，同一面上Z向传感电极51电极的投影总面积占测试质量2对应面面积的30％～40％；Y向传感电极41和测试质量2对应面之间的间距至少为2mm，Z向传感电极51和测试质量2对应面之间的间距至少为2mm。

非敏感测量轴Y、Z轴上每一侧各有两个激励电极，每一侧面上的Z向传感电极51和Y向传感电极41与测试质量2对应面之间的间距与X向的尽可能一致。

这里利用大面积大质量的测试质量和电极笼框架组成六自由度惯性传感器，实现对外界微小扰动的高精度测量，并且能实现六个自由度的解耦，可以大幅度提高了现有测量技术的精度。在现有技术的基础上将各个自由度分别解耦，实现六个自由度的数值读取和测量。

电极笼框架6的Z向侧面设有大于测试质量2包络尺寸的通孔，用于放置测试质量2到电极笼框架6内部。

电极笼框架6在Z向的俩侧面上开有驱动通孔61；测试质量2对应面上开有与驱动通孔61位置和尺寸相对应的锁紧盲孔21；锁紧盲孔21的底面为半凹球面。

传感器还包括用以在卫星发射过程中锁定传感器的锁定机构，锁定机构包括锁定驱动器本体8和压杆81；压杆81的自由端开有与锁紧盲孔21的半凹球面配合的凸球面。

具体的，优选在Z向电极板53的电极外周四角出打四个驱动通孔61，便于更换Z向电极板53。测试质量2对应面上开有与驱动通孔61位置和尺寸相对应的四个锁紧盲孔54，锁紧盲孔21的底面为半凹球面。驱动通孔61也可以打在电极笼框架6在Z向的俩侧面的四角处。相应的，压杆81优选数量为4个，分布在驱动器本体8的四角处。

本发明的惯性传感器常置于太空中进行测量，需要在入轨前测试质量2固定。驱动器本体8和压杆81固定安装，驱动器本体8在直线运动动力作用下，带动压杆81向锁紧盲孔21靠近。一对锁定机构分别从电极笼框架6的Z向的俩侧面外部相对运动，直到每个所述锁定机构的所述压杆81穿过所述通孔61伸入所述锁紧盲孔21中，保持所述测试质量2相对所述电极笼框架6位置不变。锁紧盲孔21用以限制压杆81轴向移动。电极笼框架6上设有驱动通孔61，便于锁定机构的压杆81穿设，用于入轨前测试质量2的固定，防止在电极笼框架6内撞击破坏。锁紧盲孔21的底面为半凹球面，也就是在Z向两端面加工出用于卫星发射到入轨前对测试质量进行完全锁定的配合球面，用以限制压杆81移动。一对锁定机构能相对沿Z向直线运动，一对锁定机构分别从电极笼框架6的Z轴上的一对侧面上相对运动，直到每个锁定机构的压杆81穿过驱动通孔54伸入锁紧盲孔21中。测试质量2在Z向相对的多个压杆81的挤压中，进行轴向和周向的固定。入轨后，一对锁定机构进行相背运动，松开惯性传感器，由于失重的原因，测试质量2悬浮在惯性传感器内。锁定机构的相对直线运动，可以由机械常用的直线运动机构同时实现，例如一个固定的齿轮置于俩个齿条中间互相啮合，俩个齿条与齿轮能实现同时啮合的滑动连接。齿轮的转动可以控制两个齿条相对运动和相背运动，每个齿条可以固定连接锁定机构。也可以由机械常用的直线运动机构单独控制，通过电学控制方法实现同时运动，例如每个锁定机构都由液压缸单独控制直线运动，由相应的控制系统控制每个液压缸相对同时运动。驱动锁定机构直线运动的装置可以参加机械领域的直线运动机构，这里不做赘叙。

本发明设计采用大质量的金属材质测试质量和毫米量级的测量间距，并在此基础上利用电容传感及静电力控制，来实现对10^-9g以上精度的微小作用力下测试质量的加速度的精确测量。同时能够对外界加速度扰动进行高精度的补偿，使测试质量仅在保守力作用下在空间自由漂浮，从而配合干涉仪实现空间激光干涉测距。

本发明采用的驱动方式是静电力驱动，定义X方向为敏感测量轴，Y，Z为非敏感测量轴。采用电极激励的方式使测试质量带电，采用传感电极上同步施加3kHz电容传感电压和100kHz静电力控制电压分频复用的电压加载方式，对测试质量的位置状态进行实时测量，并且根据实际测量需求进行相应的位置补偿。测试质量位于电极笼中央与电极之间形成平行平板电容。通过对两个非敏感轴上的激励电极施加如200kHz的高频激励电信号来对测试质量进行激励带电，同时在传感电极上施加如100kHz的高频驱动电信号，通过静电力对测试质量进行驱动控制。与此同时，在传感电极上加载如3kHz的低频测量电信号，当测试质量相对于传感电极位置发生变化时会导致二者之间的电容发生变化，根据每个每个轴相对电极板之间的电容变化，并通过惯性传感器的前端电子学单元滤波、放大得到反馈电压，通过反馈电压的大小和正负来解算出此时的测试质量受到的加速度大小和方向，也就得到了测试质量相对于电极笼所处的位置信息。

本发明的工作原理：如图2和图3，电极笼组件设置有三组、六对传感电极。测试质量设置于电极笼组件的中心，测试质量与各相对面的传感电极之间形成了平行平板电容，在同一方向上的两对传感电极和测试质量之间形成两对四个平行平板电容器，而同一方向上的两对平行平板电容之间又会构成差分电容，差分电容能够将测量精度提高一个数量级。测试质量通过静电力驱动方式在电极笼组件内相对于电极笼电极的中心可进行六个自由度运动。

测试质量运动测量的方式分为两种：

一种是相对位置测量，测试质量和相对传感电极之间形成的平行平板电容分别为C₁，C₂，C₃，C₄，当测试质量处于中心位置时，C₁＝C₂＝C₃＝C₄＝C₀，(C₀为平衡位置时对应的电容值)此时测试质量受到的来自两侧的静电力相等，测试质量相对电极笼静止。

由于：

其中，ε₀为介电常数，d为测试质量与传感电极之间间隙，S为传感电极电极面积。

当测试质量在空间会受到非保守力的作用，相对于电极笼组件会发生位置的改变，测试质量与传感电极之间间隙会发生变化，从而导致同向两侧电容不相等。

当测试质量相对于电极笼发生平动时，同方向一侧电容增大另一侧电容减少，同侧两电极电容相等，即C₁＝C₃≠C₂＝C₄。

当测试质量相对于所属电极笼发生转动时，同方向四组电容均发生变化，且相互不想等，即C₁≠C₃≠C₂≠C₄。当测试质量相对于电极笼发生位置变化时(平动/转动/平动转动耦合运动)，同方向一侧通过前端电子学采集电容值，经过运算放大输出为电压值即可得到当前位置下测试质量相对于电极笼的位置关系。

一种是测试质量所受加速度的测量，由于所属测试质量相对与电极笼组件发生位移时会导致间距变化，从而导致测试质量两侧受到的静电力发生变化。

其中，ε₀为介电常数，d为测试质量与传感电极之间间隙，S为传感电极电极面积，V为传感电极加载电压值。

与此同时，在相应电极板上加载大小相等方向相反的反馈电压，通过PID控制，使测试质量回到相对于电极笼组件的中心位置。此时测试质量两侧受到的静电力F₁、F₂发生变化分别是：

其中，V₁为传感电极上加载的反馈电压。

根据牛顿第二定律：

F₁-F₂＝ma

其中，m为测试质量的质量，a为所测量的非保守力作用下的加速度值。从上公式可推知反馈电压与测试质量加速度之间呈正比例关系。通过放大电路得到反馈电压的值从而得到测试质量受到的非保守力引起的加速度扰动大小。

测试质量通过传感电极提供的静电力实现与电极均无接触；电连接器通过焊接导线与电极分别相连；

三组传感电极三者之间长度方向上均相互正交布置，用以对X、Y、Z三个测量轴六个自由度的充分解耦。

本发明可提供三种测量模式：

测量方式一：加速度测量模式

在此测量模式下，通过X，Y，Z三个方向传感电极分别对测试质量在电极笼中的方位进行测量和控制，当有外界非保守力扰动存在时，测试质量将偏离中心位置，通过在传感电极上加载电压来使其回再次到中心位置，并使其始终保持在电极笼的中心位置，而此时电极上会持续存在加载的电压值，该电压值即能够反应出当前测试质量受到非保守力作用下的加速度扰动量的大小和方向。

测量方式二：惯性传感模式

在此测量模式下，首先X，Y，Z三个方向电极通过静电力控制将测试质量控制在电极笼的中央，待卫星系统稳定时随即开启进入惯性传感模式，此时在Y、Z方向持续施加静电力控制，使得测试质量在Y、Z轴方向上的运动进行实时测量，并通过微补偿器调整卫星位置使卫星在Y、Z轴方向上与测试质量之间的相对位置始终固定，体现为卫星跟随测试质量运动。与此同时让测试质量在空间敏感测量轴X轴方向上进入自由漂浮状态，从而能够通过外接激光干涉仪对更高精度的外界扰动引起的位置变化进行测量评价。

测量方式三：地面验证模式

地面验证模式需要在高真空度、良好的隔振条件下，采用单根悬丝悬挂测试质量的方式进行。运用悬丝悬挂来克服地球重力分量对于不同测量控制方向的耦合影响，通过电容传感和静电力控制来读取测试质量受到外界扰动情况下所引起的位置变化，从而实现地面对微小距离变化和微弱作用力的精确测量。

该惯性传感器可实现航空测量所需的三轴加速度计功能，同时能够实现更高精度的航天级非保守力作用下的加速度测量，是实现高精度微弱加速度测量重要技术发展方向，此外还可以校准空间微推力器的精度，在地球重力场测量，轨道加速度测量、推进技术验证，空间激光干涉等领域具有广阔的应用前景。

本发明利用大密度金属基测试质量以及大间隙非接触式的电极笼组件来提高系统测量精度，利用三轴间电极的合理布局方式来实现对三个测量轴上六个自由度的充分解耦，能够同时得到当前测试质量相对于电极笼组件的位置和角度。同时尽可能地通过增大传感电极面积来提高测量分辨率，并采用电极激励的方式使测试质量带电，采用传感电极上同步施加3kHz电容传感电压和200kHz静电力控制电压的方式(分频复用)对测试质量的位置状态进行实时测量，并且根据实际测量需求进行相应的位置补偿。本发明不仅弥补了现阶段惯性传感器测量精度不足的问题，同时采用全金属的框架结构大幅增加了系统的可靠性、便于与卫星载荷系统进行连接，而且在自由度分配上面充分解耦，降低了电路设计的难度，在空间科学实验任务中应用前景广阔。

本发明是一种依靠静电力控制测试质量来实现无接触式高精度测量的惯性传感器。其特点是无机械连接、大间隙、高精度、高稳定性，通过三轴相互正交的形式布置电极可以同时测量载体三个正交方向的线加速度以及角加速度，同时能够读取当前条件下测试质量相对于电极笼的位置和角度。

该惯性传感器可实现中高轨航天级非保守力作用下的加速度测量，同时能够实现更高精度的，是实现高精度微弱加速度测量重要技术发展方向，此外还可以校准空间微推力器的精度，在地球重力场测量，轨道加速度测量、推进技术验证，空间激光干涉等领域具有广阔的应用前景。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (9)

1.一种六自由度正交惯性传感器，其特征在于，包括：电极笼组件(1)、置于所述电极笼组件(1)内的测试质量(2)；

所述电极笼组件(1)包括中空的电极笼框架(6)和固定在所述电极笼框架(6)上的电极组件；

所述电极笼框架(6)的内外表面和所述测试质量(2)均为六面体结构；

所述测试质量(2)设于所述电极笼框架(6)的中心，所述测试质量(2)通过所述电极组件的传感电极提供的静电力驱动方式可相对于所述电极笼框架(6)的中心进行六个自由度运动；所述测试质量(2)通过所述电极组件进行激励方式带电；

所述电极组件包括X向电极组件(3)、Y向电极组件(4)和Z向电极组件(5)，所述X向电极组件(3)、所述Y向电极组件(4)和所述Z向电极组件(5)均包括对应的一组传感电极，三组所述传感电极在X、Y、Z轴方向上均相互正交用以同时得到所述测试质量(2)相对于所述电极笼组件(1)在X、Y、Z向的位置和角度；每组所述传感电极相对所述测试质量(2)呈镜像对称布置；

三组所述传感电极通过焊接导线连接电连接器(7)。

2.根据权利要求1所述的一种六自由度正交惯性传感器，其特征在于，所述电极笼框架(6)的每个侧面内分别固定有俩个传感电极，俩个所述传感电极之间关于所述测试质量(2)镜像对称布置；

所述电极笼框架(6)分别在X、Y、Z方向上相对的俩个侧面上的所述传感电极为一组所述传感电极。

3.根据权利要求2所述的一种六自由度正交惯性传感器，其特征在于，所述X向电极组件(3)包括长度沿Z轴向平行布置的俩个X向传感电极(31)；所述Y向电极组件(4)包括长度沿X轴向平行布置的俩个Y向传感电极(42)；所述Z向电极组件(5)包括长度沿Y轴向平行布置的俩个Z向传感电极(51)。

4.根据权利要求3所述的一种六自由度正交惯性传感器，其特征在于，所述Y向电极组件(4)还包括Y向激励电极(42)，所述Z向电极组件4还包括Z向激励电极(52)；所述Y向激励电极(42)和所述Z向激励电极(52)用以对所述测试质量(2)进行激励带电。

5.根据权利要求4所述的一种六自由度正交惯性传感器，其特征在于，所述X向电极组件(3)还包括与所述电极笼框架(6)固定连接的圆柱形的X向电极板(32)，所述X向传感电极(31)固定在所述X向电极板(32)上；

所述Y向电极组件4还包括与所述电极笼框架(6)固定连接的圆柱形的Y向电极板(43)，所述Y向传感电极(41)、及所述Y向激励电极42固定在所述Y向电极板(43)上；

所述Z向电极组件(5)还包括与所述电极笼框架(6)固定连接的圆柱形的Z向电极板(53)，所述Z向传感电极(51)、及所述Z向激励电极(52)固定在所述Z向电极板(53)上；

所述电极笼框架(6)的侧面开有内方外圆的通孔；

所述通孔的方形孔用以容纳与所述电极笼框架(6)的侧面相对应的所述激励电极和所述传感电极；所述通孔的圆柱面用以配合与所述侧面相对应的所述X向电极板(32)或所述Y向电极板(43)或所述Z向电极板53的外侧面。

6.根据权利要求4所述的一种六自由度正交惯性传感器，其特征在于，所述X轴为测量敏感轴，所述X向传感电极(31)的投影面积占所述测试质量(2)对应面面积的50％以上，所述X向传感电极(32)和所述测试质量(2)对应面之间的间距应至少为2mm。

7.根据权利要求4所述的一种六自由度正交惯性传感器，其特征在于，所述Y轴和所述Z轴为非敏感轴，所述Y向传感电极(42)的投影面积占所述测试质量(2)对应面面积的30％以上，所述Z向传感电极(52)的投影面积占所述测试质量(2)对应面面积的30％以上；所述Y向传感电极(52)和所述测试质量(2)对应面之间的间距应至少为2mm，所述Z向传感电极(52)和所述测试质量(2)对应面之间的间距应至少为2mm。

8.根据权利要求1所述的一种六自由度正交惯性传感器，其特征在于，所述电极笼框架(6)的Z向侧面设有大于所述测试质量(2)包络尺寸的通孔，用于放置所述测试质量(2)到所述电极笼框架(6)内部。

9.根据权利要求1所述的一种六自由度正交惯性传感器，其特征在于，所述电极笼框架(6)在同一方向的俩侧面上开有驱动通孔(61)；所述测试质量(2)对应面上开有与所述驱动通孔(61)位置和尺寸相对应的锁紧盲孔(21)；所述锁紧盲孔(21)的底面为半凹球面；

所述传感器还包括用以在卫星发射过程中锁定所述传感器的锁定机构，所述锁定机构包括驱动器本体(8)和与所述驱动器本体(8)固定的压杆(81)；所述压杆(81)的自由端开有与锁紧盲孔(21)的半凹球面配合的凸球面；

一对所述锁定机构分别从电极笼框架(6)的俩侧面外部相对运动，直到每个所述锁定机构的所述压杆(81)穿过所述通孔(61)伸入所述锁紧盲孔(21)中，保持所述测试质量(2)相对所述电极笼框架(6)位置不变。

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