CN115015653A - 一种检验质量电荷的测量系统及方法 - Google Patents

一种检验质量电荷的测量系统及方法 Download PDF

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CN115015653A CN202210720080.2A CN202210720080A CN115015653A CN 115015653 A CN115015653 A CN 115015653A CN 202210720080 A CN202210720080 A CN 202210720080A CN 115015653 A CN115015653 A CN 115015653A
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parallel polar
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白彦峥
洪葳
褚良宇
李泓钢
周泽兵
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Abstract

本发明提供了一种检验质量电荷的测量系统及方法，属于精密测量领域，方法包括：在检验质量两侧放置平行极板，平行极板均与检验质量表面平行且与检验质量的距离相等；在平行极板上施加激励电压，使得检验质量产生一定的角位移；采用位移传感器将角位移信号转化为电压信号；将位移传感器输出的电压信号输入至控制器，输出需要的控制力矩；通过幅值算法计算控制力矩对应的反馈电压，再由静电执行机将反馈电压施加在平行极板，通过平行极板与检验质量之间产生的静电力使检验质量最终返回初始位置处；根据控制力矩计算检验质量上的电荷。本发明在测量检验质量电荷的同时具有检验质量的精密测量仪器可以继续检测目标信号，具有广泛的应用前景。

Description

一种检验质量电荷的测量系统及方法
技术领域
本发明属于精密测量领域，更具体地，涉及一种检验质量电荷的测量系统及方法。
背景技术
在精密测量领域，通常需要将敏感单元进行绝缘处理，从而实现电气、热噪声等外部干扰的隔离。例如，欧空局主导的LISA空间引力波探测计划中，惯性传感器的敏感探头由检验质量和周围的极板组成，其中，检验质量是一个孤立导体，与周围物体无任何电气连接，空间中自由电荷会附着于检验质量上从而导致电荷的积累。虽然积累电荷的量级很小，但是积累电荷所产生的静电力作用会干扰仪器的测量结果，因此需要对检验质量上的电荷进行控制。
以LISA Pathfinder中所采用的电荷管理方案为例，其过程中的电荷测量环节是对检验质量施加主动激励，通过电容位移传感检测敏感探头的运动从而估计导体上的电荷数目；然而检验质量受激励运动的过程产生的噪声过大，无法测量微弱信号，所以这种开环测量的方案必然会终端精密测量，降低测量的效率。
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检验质量电荷的测量系统及方法，旨在解决现有的测量检验质量的累积电荷时需中断目标信号检测所造成的干扰问题。
为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种检验质量电荷的测量系统，包括：平行极板、位移传感器、控制模块、静电执行机和电荷测量模块；
平行极板平行且等数量地放置在检验质量的两侧，且平行极板与检验质量表面平行且到检验质量的距离相等；每对平行放置在检验质量两侧的平行极板的输出端对应连接一个位移传感器；位移传感器的输出端连接控制模块；控制器的输出端连接静电执行机和电荷测量模块；每个静电执行机的输出端对应连接一个平行极板；
平行极板用于接收激励电压，使得检验质量产生转动；其中，检验质量处于初始位置时为平衡状态；检验质量每侧的相邻平行极板上施加的激励电压大小相等，符号相反；
位移传感器用于测量检验质量的运动自由度，并将位移信号转化为电压信号；
控制模块用于接收电压信号，并计算使检验质量返回初始位置所需要的控制力矩以及控制力矩对应的反馈电压；
静电执行机用于将反馈电压施加在对应平行极板上，检验质量与平行极板之间产生静电力，使检验质量返回初始位置处；
电荷测量模块用于根据控制力矩计算检验质量上的电荷。
进一步优选地，平行极板的数量为4，第一平行极板和第三平行极板位于检验质量的一侧；第二平行极板和第四平行极板位于检验质量的另一侧；第一平行极板、第二平行极板、第三平行极板和第四平行极板距离检验质量的距离相等；第一平行极板与第二平行极板正对平行；第三平行极板与第四平行极板正对平行；第一平行极板与第四平行极板上施加正弦电压，第二平行极板和第三平行极板上施加反向同频率正弦电压；
位移传感器包括第一位移传感器和第二位移传感；第一位移传感器的输入端连接第一平行极板和第二平行极板；第二位移传感器的输入端连接第三平行极板和第四平行极板；
静电执行机包括第一静电执行机、第二静电执行机、第三静电执行机和第四静电执行机；第一静电执行机、第二静电执行机、第三静电执行机和第四静电执行机的输入端连接控制模块，其输出端分别连接第一平行极板、第二平行极板、第三平行极板和第四平行极板。
进一步优选地，控制模块包括：PID(Proportion Integration Differentiation)控制器和幅值计算器；
PID控制器的输出端连接幅值计算器和电荷测量模块；幅值计算器的输出端分别连接至第一静电执行机、第二静电执行机、第三静电执行机和第四静电执行机；
PID控制器用于接收电压信号，输出使检验质量返回初始位置所需要的控制力矩；幅值计算器用于通过幅值算法计算控制力矩对应的反馈电压。
进一步优选地，反馈电压为：
Figure BDA0003710936430000031
其中，V1,3表示第一平行极板和第三平行极板上的反馈电压；V2,4表示第二平行极板和第四平行极板上的反馈电压；Ci为第i个极板与检验质量之间的电容；
Figure BDA0003710936430000032
为角位移；kφ,req为静电负刚度需求值；
Figure BDA0003710936430000033
为控制力矩。
进一步优选地，检验质量上的电荷为：
Figure BDA0003710936430000034
其中，Ctot为所有平行极板和检验质量之间形成的总电容；d0为检验质量处于初始位置时，极板与检验质量之间的距离；
Figure BDA0003710936430000035
为控制力矩；ε为静电常数；S为平行极板面积；Vmod为平行极板上施加的激励电压的幅值。
另一方面，本发明提供了一种检验质量电荷的测量方法，包括以下步骤：
在检验质量两侧放置平行极板，其中，所有平行极板均与检验质量表面平行且距离检验质量相等；检验质量两侧的平行极板数量相同；
在平行极板上施加激励电压，使得检验质量产生转动；其中，检验质量处于初始位置时为平衡状态；检验质量每侧的相邻平行极板上施加的激励电压大小相等，符号相反；
测量检验质量的运动自由度，并将位移信号转化为电压信号；
根据电压信号，计算使检验质量返回初始位置所需要的控制力矩以及控制力矩对应的反馈电压；
将反馈电压施加在对应平行极板上，检验质量与平行极板之间产生静电力，使检验质量返回初始位置处；
根据控制力矩计算检验质量上的电荷。
进一步优选地，平行极板的数量为4，第一平行极板和第三平行极板位于检验质量的一侧；第二平行极板和第四平行极板位于检验质量的另一侧；第一平行极板、第二平行极板、第三平行极板和第四平行极板距离检验质量的距离相等；第一平行极板与第二平行极板正对平行；第三平行极板与第四平行极板正对平行；第一平行极板与第四平行极板上施加正弦电压，第二平行极板和第三平行极板上施加反向同频率正弦电压。
进一步优选地，获取控制力矩和反馈电压的方法为：
将电压信号输入至PID控制器，输出使检验质量返回初始位置所需要的控制力矩；
通过幅值算法计算控制力矩对应的反馈电压，将反馈电压施加于平行极板上。
进一步优选地，反馈电压为：
Figure BDA0003710936430000041
其中，V1,3表示第一平行极板或第三平行极板上的反馈电压；V2,4表示第二平行极板或第四平行极板上的反馈电压；Ci为第i个极板与检验质量之间的电容；
Figure BDA0003710936430000042
为角位移；kφ,req为静电负刚度需求值；
Figure BDA0003710936430000043
为控制力矩。
进一步优选地，检验质量上的电荷为：
Figure BDA0003710936430000051
其中，Ctot为所有平行极板和检验质量之间形成的总电容；d0为检验质量处于初始位置时，极板与检验质量之间的距离；
Figure BDA0003710936430000052
为控制力矩；ε为静电常数；S为平行极板面积；Vmod为平行极板上施加的激励电压的幅值。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明采用在平行极板上施加激励电压，使得检验质量产生转动，利用位移传感器和控制模块，计算使检验质量返回初始位置所需的控制力矩，同时根据控制力矩计算反馈电压，采用静电执行机将反馈电压施加到对应平行极板上，使检验质量返回初始位置处，实现了利用闭环控制的方式抑制检验质量的大幅度运动，降低测量电荷带来的噪声，避免了在测量检验质量的累积电荷时需中断目标信号检测所造成的干扰问题，在测量检验质量电荷的同时具有检验质量的精密测量仪器可以继续检测目标信号，具有广泛的应用前景。
本发明提供的检验质量电荷的测量系统，与具有检验质量的精密测量仪器无任何机械连接，在对检验质量电荷进行测量的过程中不会对精密测量仪器引入机械热噪声等外部干扰。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于闭环控制的检验质量电荷测量方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的基于闭环控制的检验质量电荷测量方法的基本原理示意图；
标记说明：
1：检验质量；2-1：第一平行极板；2-2：第二平行极板；2-3：第三平行极板；2-4：第四平行极板；3-1：第一位移传感器；3-2：第二位移传感器；4：控制模块；其中，4-1：控制器；4-2：幅值计算器；5-1：第一静电执行机；5-2：第二静电执行机；5-3：第三静电执行机；5-4：第四静电执行机；6：电荷测量单元；其中，6-1：施加激励电压的单元；6-2：电荷解算处理器。
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。
本发明提供的检验质量电荷的测量方法整体概括为：本发明提供的检验质量电荷的测量方法是一种以交流反馈控制为基本原理的基于闭环控制的检验质量电荷测量方法，当检验质量由于施加的激励电压信号相对平衡位置产生一定位移时，利用位移传感器将位移信号转化为电压信号，采用PID控制器进行闭环控制，将电压信号输入PID控制器，通过控制器的PID算法可以达到用以控制检验质量的控制力矩，再由幅值算法计算得到与控制力矩相关的反馈电压，将反馈电压施加在极板上产生静电力，最终将检验质量拉回平衡位置，利用这一控制原理，可以测量得到检验质量上带有的电荷数量。
如图1所示，本发明提供的检验质量电荷的测量方法，包括以下步骤：
(1)在检验质量两侧放置两对平行极板，四块平行极板均与检验质量表面平行且与检验质量的距离相等；定义检验质量处于初始位置时为平衡状态；具体为：
在检验质量两侧放置两对平行极板，四块平行极板均与检验质量的导体面平行，且到检验质量的距离相等；检验质量的一侧两极板分别为第一平行极板2-1和第三平行极板2-3，另一侧两极板分别为第二平行极板2-2和第四平行极板2-4；两侧极板的中心距记为b，中心距为两同侧极板中心的距离；以检验质量质心为原点建立空间直角坐标系，定义极板法向方向为x方向，x方向的力使检验质量转动的角度方向为φ；
(2)在四块极板上施加激励电压，使得检验质量产生转动趋势并产生微小角位移形成一定的角位移；
(3)采用位移传感器将角位移信号转化为电压信号；
(4)将位移传感器输出的电压信号输入至PID控制器，输出需要的控制力矩
Figure BDA0003710936430000071
(5)通过幅值算法计算控制力矩对应的反馈电压，再由静电执行机将反馈电压施加在平行极板，通过平行极板与检验质量之间产生的静电力使检验质量最终返回初始位置处；
(6)根据控制力矩计算检验质量上的电荷；
其中，控制力矩为施加反馈电压后平行极板对检验质量产生的力矩；检验质量最终返回初始位置且稳定在初始位置时，控制力矩与在极板施加的激励电压对检验质量产生的力矩大小相等，控制力矩信号中包含检验质量电荷的信息，获取检验质量上带有的电荷数量；
将正弦激励电压施加在四块极板上，其中第一平行极板2-1和第四平行极板2-4上施加正弦电压Vmodsin(ωmt)，第二平行极板2-2和第三平行极板2-3上施加反向同频率正弦电压-Vmodsin(ωmt)，所以可以将x方向上第i块平行极板上的电压Vi表示为：
Vi＝αiVMODsin(ωmt) (1)
其中，αi＝±1，第一平行极板2-1和第四平行极板2-4的αi取1，第二平行极板2-2和第三平行极板2-3的αi取-1；
四块平行极板上交流激励电压幅值之和为零，有利于减小检验质量由于电磁感应积累电荷而对加速度测量产生影响；
此时，极板上施加激励电压后，检验质量的电势为：
Figure BDA0003710936430000072
其中，VTM为极板上施加激励电压后，检验质量的电势；q为检验质量上的电荷；Ctot为检验质量与周围极板之间的总电容；Ci为第i块平行极板与检验质量之间的电容；激励电压作用在检验质量上，产生φ方向的力矩为：
Figure BDA0003710936430000081
将(1)和(2)代入(3)，通过公式(3)调制后在一倍频1ωm处的力矩为：
Figure BDA0003710936430000082
其中，
Figure BDA0003710936430000083
ε为静电常数，S为平行极板面积；d0为检验质量处于初始位置时，极板与其距离最近的检验质量平行面之间的距离；
Mφ经滤波、解调后可得四块极板上的激励电压对检验质量的转动力矩为：
Figure BDA0003710936430000084
由PID控制器计算出控制力矩
Figure BDA0003710936430000085
再通过幅值算法计算出控制力矩对应的反馈电压，第一到第四平行极板用于控制转动的反馈电压依次记为V1，V2，V3，V4，
假设检验质量沿φ正向发生角位移，为了避免检验质量产生感应电荷，反馈电压幅值之和应保持为零，有：
V1+V2+V3+V4＝0
取交流控制力矩的有效值，控制力矩与反馈电压应满足：
Figure BDA0003710936430000086
式中，
Figure BDA0003710936430000091
同时，转动控制时不应对平动产生影响：
Figure BDA0003710936430000092
式中
Figure BDA0003710936430000093
以上三个方程不足以求解出四个未知量，于是补充交流控制时静电负刚度的需求，静电负刚度可以通过反馈力对位移求偏导得出：
Figure BDA0003710936430000094
其中，kφ,req为静电负刚度需求值，对指定系统为固定值，在方程中为常数项；
联立以上方程组，解得：
Figure BDA0003710936430000095
由此可以由控制力矩计算出极板上需要的反馈电压，再由静电执行机将反馈电压施加在极板，通过极板与检验质量之间产生的静电力使检验质量向平衡位置运动，若检验质量没有稳定在平衡位置处，则此时位移量再次输入位移传感器，再进行一次闭环运算，多次运算后，该闭环控制会使检验质量稳定在平衡位置；此时，PID控制器计算出的控制力矩与激励产生的转动力矩M相平衡，控制力矩与激励电压对检验质量的作用力矩(转动力矩)大小相等，且方向相反，因此有：
Figure BDA0003710936430000096
通过公式(5)和(6)可以得到检验质量上的电荷q为：
Figure BDA0003710936430000097
因此可以根据(7)得到检验质量带电荷数量的表达式；
为了更进一步地说明本发明实施例提供的基于闭环控制的检验质量电荷的测量方法，现参照附图并结合具体实例详述如下：
如图2所示，在检验质量两侧放置两对平行极板，将正弦激励电压施加在四块极板上，其中第一平行极板2-1和第四平行极板2-4上施加正向正弦电压Vmodsin(ωt)，第二平行极板2-2和第三平行极板2-3上施加反向同频率正弦电压-Vmodsin(ωt)；这样布置激励电压会使检验质量受到力矩的作用转动产生微小角位移，再通过位移传感器实现位移差信号到电压信号的转化，其中力矩M由(5)式确定；电容位移传感输出经组合后的电压，将其作为输入信号输入控制器进行闭环控制，控制器的特定算法会计算出用于平衡外界激励产生的力矩控制力矩
Figure BDA0003710936430000101
控制力矩与激励电压对检验质量的作用力矩大小相等，于是控制力矩信号中包含激励信号与检验质量电荷的信息，由此可以根据(7)式确定检验质量上的电荷数量q。
对图2更为具体的说明如下：
施加激励电压的单元6-1对第一平行极板2-1到第四平行极板2-4施加激励电压，检验质量1与第一平行极板2-1到第四平行极板2-4产生静电力作用，检验质量1产生位移，位移量输入第一位移传感器3-1和第二位移传感器3-2转化为电压量，再输入控制器4-1，由PID算法计算出控制力矩，幅值计算器4-2再由控制力矩计算出每块极板对应的反馈电压，再由第一静电执行机5-1到第四静电执行机5-4将反馈电压施加到对应的第一平行极板2-1到第四平行极板2-4上，由静电力的作用使检验质量向平衡位置运动，最终稳定在平衡位置时，位移传感器输入为0，此时控制器4-1将控制力矩信号输入电荷计算处理器6-2进行电荷解算，最终得到电荷数量。
综上所述，本发明与现有技术相比，存在以下优势：
本发明采用在平行极板上施加激励电压，使得检验质量产生转动，利用位移传感器和控制模块，计算使检验质量返回初始位置所需的控制力矩，同时根据控制力矩计算反馈电压，采用静电执行机将反馈电压施加到对应平行极板上，使检验质量返回初始位置处，实现了利用闭环控制的方式抑制检验质量的大幅度运动，降低测量电荷带来的噪声，避免了在测量检验质量的累积电荷时需中断目标信号检测所造成的干扰问题，在测量检验质量电荷的同时具有检验质量的精密测量仪器可以继续检测目标信号，具有广泛的应用前景。
本发明提供的检验质量电荷的测量系统，与具有检验质量的精密测量仪器无任何机械连接，在对检验质量电荷进行测量的过程中不会对精密测量仪器引入机械热噪声等外部干扰。
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 (10)

1.一种检验质量电荷的测量系统，其特征在于，包括：平行极板、位移传感器、控制模块、静电执行机和电荷测量模块；
平行极板平行且等数量地放置在检验质量的两侧，且平行极板与检验质量表面平行且到检验质量的距离相等；每对平行放置在检验质量两侧的平行极板的输出端对应连接一个位移传感器；位移传感器的输出端连接控制模块；控制器的输出端连接静电执行机和电荷测量模块；每个静电执行机的输出端对应连接一个平行极板；
平行极板用于接收激励电压，使得检验质量产生转动；其中，检验质量处于初始位置时为平衡状态；检验质量每侧的相邻平行极板上施加的激励电压大小相等，符号相反；
位移传感器用于测量检验质量的运动自由度，并将位移信号转化为电压信号；
控制模块用于接收电压信号，并计算使检验质量返回初始位置所需要的控制力矩以及控制力矩对应的反馈电压；
静电执行机用于将反馈电压施加在对应平行极板上，检验质量与平行极板之间产生静电力，使检验质量返回初始位置处；
电荷测量模块用于根据控制力矩计算检验质量上的电荷。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述平行极板的数量为4，第一平行极板和第三平行极板位于检验质量的一侧；第二平行极板和第四平行极板位于检验质量的另一侧；第一平行极板、第二平行极板、第三平行极板和第四平行极板距离检验质量的距离相等；第一平行极板与第二平行极板正对平行；第三平行极板与第四平行极板正对平行；第一平行极板与第四平行极板上施加正弦电压，第二平行极板和第三平行极板上施加反向同频率正弦电压；
位移传感器包括第一位移传感器和第二位移传感；第一位移传感器的输入端连接第一平行极板和第二平行极板；第二位移传感器的输入端连接第三平行极板和第四平行极板；
静电执行机包括第一静电执行机、第二静电执行机、第三静电执行机和第四静电执行机；第一静电执行机、第二静电执行机、第三静电执行机和第四静电执行机的输入端连接控制模块，其输出端分别连接第一平行极板、第二平行极板、第三平行极板和第四平行极板。
3.根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述控制模块包括：PID控制器和幅值计算器；
PID控制器的输出端连接幅值计算器和电荷测量模块；幅值计算器的输出端分别连接至第一静电执行机、第二静电执行机、第三静电执行机和第四静电执行机；
PID控制器用于接收电压信号，输出使检验质量返回初始位置所需要的控制力矩；幅值计算器用于通过幅值算法计算控制力矩对应的反馈电压。
4.根据权利要求3所述的测量系统，其特征在于，所述反馈电压为：
Figure FDA0003710936420000021
其中，V1,3表示第一平行极板或第三平行极板上的反馈电压；V2,4表示第二平行极板或第四平行极板上的反馈电压；Ci为第i个极板与检验质量之间的电容；
Figure FDA0003710936420000022
为角位移；kφ,req为静电负刚度需求值；
Figure FDA0003710936420000023
为控制力矩。
5.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，所述检验质量上的电荷为：
Figure FDA0003710936420000031
其中，Ctot为所有平行极板和检验质量之间形成的总电容；d0为检验质量处于初始位置时，极板与检验质量之间的距离；
Figure FDA0003710936420000032
为控制力矩；ε为静电常数；S为平行极板面积；Vmod为平行极板上施加的激励电压的幅值。
6.一种基于权利要求1所述的检验质量电荷的测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
在检验质量两侧放置平行极板，其中，所有平行极板均与检验质量表面平行且距离检验质量相等；检验质量两侧的平行极板数量相同；
在平行极板上施加激励电压，使得检验质量产生转动；其中，检验质量处于初始位置时为平衡状态；检验质量每侧的相邻平行极板上施加的激励电压大小相等，符号相反；
测量检验质量的运动自由度，并将位移信号转化为电压信号；
根据电压信号，计算使检验质量返回初始位置所需要的控制力矩以及控制力矩对应的反馈电压；
将反馈电压施加在对应平行极板上，检验质量与平行极板之间产生静电力，使检验质量返回初始位置处；
根据控制力矩计算检验质量上的电荷。
7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述平行极板的数量为4，第一平行极板和第三平行极板位于检验质量的一侧；第二平行极板和第四平行极板位于检验质量的另一侧；第一平行极板、第二平行极板、第三平行极板和第四平行极板距离检验质量的距离相等；第一平行极板与第二平行极板正对平行；第三平行极板与第四平行极板正对平行；第一平行极板与第四平行极板上施加正弦电压，第二平行极板和第三平行极板上施加反向同频率正弦电压。
8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，获取控制力矩和反馈电压的方法为：
将电压信号输入至PID控制器，输出使检验质量返回初始位置所需要的控制力矩；
通过幅值算法计算控制力矩对应的反馈电压，将反馈电压施加于平行极板上。
9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述反馈电压为：
Figure FDA0003710936420000041
其中，V1,3表示第一平行极板或第三平行极板上的反馈电压；V2,4表示第二平行极板或第四平行极板上的反馈电压；Ci为第i个极板与检验质量之间的电容；
Figure FDA0003710936420000042
为角位移；kφ,req为静电负刚度需求值；
Figure FDA0003710936420000043
为控制力矩。
10.根据权利9所述的测量方法，其特征在于，所述检验质量上的电荷为：
Figure FDA0003710936420000044
其中，Ctot为所有平行极板和检验质量之间形成的总电容；d0为检验质量处于初始位置时，极板与检验质量之间的距离；
Figure FDA0003710936420000045
为控制力矩；ε为静电常数；S为平行极板面积；Vmod为平行极板上施加的激励电压的幅值。
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