CN116908519B - 惯性传感器表面电势测量装置及其测量方法 - Google Patents

惯性传感器表面电势测量装置及其测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及精密测量技术领域，尤其涉及一种惯性传感器表面电势测量装置及其测量方法，包括：S1、组装惯性传感器表面电势测量装置；S2、将第一电压源表的正极接左镀金铜板，负极接右镀金铜板；S3、建立误差函数模型，获得误差分析；S4、使左镀金铜板和第一、第二左反馈电极的平行角度误差小于1"；S5、使镀金硅片与左镀金铜板的平行角度误差小于20"；S6、控制器向第一和第二左反馈电极输送反馈电压，得到镀金硅片左侧的表面电势及表面电势波动；S7、重复步骤S3‑S6，得到镀金硅片右侧的表面电势及表面电势波动，完成测量。本发明能够使空间引力波探测中惯性传感器镀金硅片表面电势测量平台满足指标需求。

Description

惯性传感器表面电势测量装置及其测量方法
技术领域
本发明涉及精密测量技术领域，尤其涉及一种惯性传感器表面电势测量装置及其测量方法。
背景技术
在2016年美国地基引力波探测器LIGO首次探测到引力波的存在，但是由于地球引力的作用以及尺度的限制，它只能探测到高频引力波信号（10Hz～）。而根据宇宙学的记载，在中低频段（0.1mHz～1Hz）蕴含着更多引力波波源以及宇宙起源的信息，针对这个频段的引力波信号，一般采用空间引力波探测器进行探测，惯性传感器在空间引力波探测中起到测量基准的作用。为了能够达到探测引力波的需求，惯性传感器的残余加速度噪声在（0.1mHz～1Hz）需低于。惯性传感器受到多种噪声作用，其中一项就是patch效应，它对惯性传感器精度影响非常严重。按照空间引力波探测理论分析给出的误差分配，patch效应在测量带宽内引起的电势波动指标要求要小于/>。
目前，美国华盛顿大学J.H.Gundlach教授团队开发的惯性传感器patch效应测试平台，在0.1mHz频点附近，测得的表面电势波动为，并且他们未对高精度扭秤测试平台进行误差分析；国内华中科技大学尹航和史继芬虽然都对高精度扭秤测试平台进行了误差分析，但是对误差项取舍情况并未说明，并且尹航的方案中由于系统处于开环形式，易受到外界干扰的影响，电势测量的稳定性和精度都受限。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中对电势测量的稳定性和精度处于开环形式易受影响，导致电势测量的稳定性和精度受限，且对误差项的取舍情况缺少说明的缺陷，提出一种惯性传感器表面电势测量装置及测量方法，能够在闭环的情况下对镀金硅片的表面电势进行测量，且明确指出误差项及其取舍情况。
本发明提供的惯性传感器表面电势测量装置，包括真空罐、五自由度平台、四自由度平台和单自由度平台，五自由度平台、四自由度平台和单自由度平台环境置于真空罐内，真空罐用于模拟太空环境。还包括扭秤系统，其中，扭秤系统包括钨丝、惯性构件、第一反馈电极、第二反馈电极、镀金铜板。
第一反馈电极和第二反馈电极均通过结构胶粘接在高分子材料上，高分子材料固定在单自由度平台上，用于使第一反馈电极和第二反馈电极与单自由度平台产生电气隔离，镀金铜板通过结构胶粘接有蓝宝石，蓝宝石通过第一L型板固定在五自由度平台上，用于使镀金铜板与五自由度平台产生电气隔离。
四自由度平台通过钨丝悬挂有惯性构件，惯性构件置于镀金铜板、第一反馈电极和第二反馈电极的中间位置。
优选地，惯性构件包括第一夹具、引力补偿棒、镀金硅片，其中，钨丝的一端固定在第一夹具上，用于使第一夹具悬空，引力补偿棒穿过第一夹具的中心，用于进行引力补偿，第一夹具的下方置有镀金硅片，第一夹具用于夹紧镀金硅片。
优选地，还包括测量机构，其中，测量机构包括自准直仪、调整支架、第一固定支架。
自准直仪通过螺栓固定安装在调整支架上，调整支架通过螺栓固定安装在第一固定支架上，第一固定支架置于地面上，调整调整支架，使自准直仪完成升降，采集镀金硅片的偏转角度。
优选地，其中，
单自由度平台包括第二固定支架和沿y轴方向移动的第一移动位移台，高分子材料固定在第一移动位移台上，第一移动位移台通过螺栓固定安装在第二固定支架上。
五自由度平台包括绕z轴方向转动的第一偏转位移台、绕x轴方向转动的第二偏转位移台、沿z轴方向移动的第二移动位移台、沿y轴方向移动的第三移动位移台、沿x轴方向移动的第四移动位移台。
蓝宝石通过第一L型板与第一偏转位移台固定连接，第一偏转位移台还通过螺栓固定安装在第二偏转位移台上，第二偏转位移台通过第二L型板与第二移动位移台固定连接，第二移动位移台通过第三L型板与第三移动位移台固定连接，第三移动位移台与置于支撑底板上的第四移动位移台通过螺栓固定相连，支撑底板放置于地面上。
四自由度平台包括沿z轴方向移动的第五移动位移台、沿y轴方向移动的第六移动位移台、沿x轴方向移动的第七移动位移台、绕z轴方向转动的第三偏转位移台。
第三偏转位移台的上面固定有第二夹具，第二夹具用于夹紧钨丝的一端，第三偏转位移台通过第四L型板与第五移动位移台固定连接，第五移动位移台通过第五L型板与第七移动位移台固定连接，第七移动位移台通过螺栓固定于第六移动位移台上，第六移动位移台固定于底板上，底板固定于真空罐上。
优选地，镀金铜板包括左镀金铜板和右镀金铜板，第一反馈电极包括第一左反馈电极和第一右反馈电极，第二反馈电极包括第二左反馈电极和第二右反馈电极。
优选地，扭秤系统还外接有电源机构，电源机构包括第一电压源表、第二电压源表、万用表和控制器，其中，
第一电压源表用于为镀金铜板提供电压，根据测量要求将正极与左镀金铜板或右镀金铜板相连，以及将负极与左镀金铜板或右镀金铜板相连。
控制器包括PID模块和接口，PID模块用于结合自准直仪采集的镀金硅片的偏转角度计算施加于第一反馈电极和第二反馈电极的反馈电压，接口包括SMA接口和接线端子。
SMA接口包括A端子和B端子，A端子通过导线与万用表的正极和第二反馈电极连接，万用表的负极接地，万用表用于实时测量第二反馈电极的电势波动，B端子通过导线连接第一反馈电极，SMA接口用于向第一反馈电极和第二反馈电极输送反馈电压。
接线端子对应连接于第二电压源表的接线口上，第二电压源表用于给控制器供电。
本发明提供的惯性传感器表面电势测量装置的测量方法，利用惯性传感器表面电势测量装置实现，包括如下步骤：
S1、组装惯性传感器表面电势测量装置。
S2、将第一电压源表的正极与左镀金铜板相连，负极与右镀金铜板相连。
S3、设镀金硅片的偏转角度为θ，建立惯性传感器表面电势测量装置的误差函数模型，获得误差分析结果，包括施加到左镀金铜板上的电势值、施加到第一左反馈电极上的电势值、施加到第二左反馈电极上的电势值、左镀金铜板与镀金硅片之间的距离值、第一左反馈电极与镀金硅片之间的距离值、第二左反馈电极与镀金硅片之间的距离值。
S4、调整单自由度平台和五自由度平台，使左镀金铜板、第一左反馈电极和第二左反馈电极的相关参数值与误差分析结果对应相同，利用测试机构调整左镀金铜板和第一左反馈电极、第二左反馈电极，使左镀金铜板和第一左反馈电极、第二左反馈电极的平行角度误差小于1"。
S5、调整四自由度平台，使镀金硅片相对于左镀金铜板的偏转角度为θ，利用测试机构调整镀金硅片与左镀金铜板，使镀金硅片与左镀金铜板的平行角度误差小于20"。
S6、控制器向第一左反馈电极和第二左反馈电极输送反馈电压，驱动镀金硅片偏转，利用测试机构调整镀金硅片与左镀金铜板，使镀金硅片与左镀金铜板的平行角度误差小于1"，得到镀金硅片左侧的表面电势及表面电势波动。
S7、将第一电压源表的正极与右镀金铜板相连，并将负极连接于左镀金铜板上，重复步骤S3-S6，得到镀金硅片右侧的表面电势及表面电势波动，完成表面电势的测量。
优选地，步骤S3具体包括如下步骤：
S31、设镀金硅片的偏转角度为θ，扭秤系统绕偏转轴的瞬时惯性矩为I，扭秤系统的动力学方程式为：
（1），
其中，I为惯性构件的转动惯量，为阻尼系数，/>为钨丝的扭转刚度，/>为所有可能的扭转力矩。
对式（1）进行拉普拉斯变换得到：
（2），
令s=j得到：
（3），
其中，为扭秤系统的耗散角，/>为角频率，高品质因子/>。
扭秤系统的传递函数为：
（4），
其中，扭秤系统的品质因数，系统的固有角频率为：/>；
S32、建立扭秤系统（15）模型：
（5），
其中，表示镀金硅片与镀金铜板间的电容，/>表示介电常数，lxe表示左镀金铜板的中心距离镀金硅片中心的水平距离，axe表示左镀金铜板的长度，aze表示镀金硅片的宽度，de表示左镀金铜板与镀金硅片之间的距离。
S33、对式（5）中的θ进行求导可得：
（6），
S34、结合公式（1）和公式（6），施加到左镀金铜板上的静电力矩表示为：
（7），
其中，表示左镀金铜板的静电力矩，Ve表示施加到左镀金铜板上的电势，Vtm表示镀金硅片的表面电势。
S35、在y=0，θ=0处进行二元函数泰勒展开，略去非线性项，可得：
（8），
S36、根据式（8）计算得到第一左反馈电极与镀金硅片之间的静电力矩和第二左反馈电极与镀金硅片之间的静电力矩：
（9），
其中，表示第一左反馈电极的力矩，lf表示第一左反馈电极的中心到镀金硅片中心的水平距离，azf表示第一左反馈电极的宽度，axf表示第一左反馈电极的长度，df表示第一左反馈电极与镀金硅片之间的距离，Vf表示施加到第一左反馈电极上的电势。
第二左反馈电极与镀金硅片之间的静电力矩可以表示为：
（10），
其中，表示第二左反馈电极的力矩，lf表示第二左反馈电极的中心到镀金硅片中心的水平距离，azf表示第二左反馈电极的宽度，axf表示表示第二左反馈电极的长度，df表示第二左反馈电极与镀金硅片之间的距离，Vf表示施加到第二左反馈电极上的电势。
S37、当扭秤系统装调完毕，且放置于真空罐中之后，基于式（4）的低频特性可知，建立力矩与扭转角度的动力学方程将式（8）、（9）、（10）带入式（11）可得：
（11），
S38、镀金硅片（19）的位置可表述为：
（12），
其中，表示镀金硅片的位置参数。V表示扭秤系统的输入运动参数。
S39、基于式（11）构建函数g(t)：
（13），
其中，的单位/>。
S310、由式（12）、（13）推导可得：
（14），
S311、设误差项全部为随机误差，那么对函数全微分可得：
（15），
其中，、/>…/>为误差传递系数，在频域内/>的单位为/>。
S312、通过引入随机误差理论建立扭秤系统的误差函数模型：
（16），
对灵敏度进行分析，获得误差分析结果：、/>、、/>、/>和/>。
本发明提供的计算机设备，包括：至少一个处理器。以及与至少一个处理器通信连接的存储器。其中，
存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行惯性传感器表面电势测量方法。
本发明提供的存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，计算机指令用于使计算机执行惯性传感器表面电势测量方法。
与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：
1.本发明提供的惯性传感器表面电势测量装置，对该测量装置的扭秤系统建立了误差函数模型，通过遗传算法与蒙特卡洛算法相结合的方法进行误差分配，获得误差项和取舍结果，该测量装置的数据处理和测量方法简单，实验操作简单易行，测量精度高。
2.通过控制器中的PID模块实现了对反馈电极的精确控制，使惯性传感器表面电势测量装置的电势分辨率的精度更高。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的惯性传感器表面电势测量装置的结构示意图。
图2是根据本发明实施例提供的扭秤系统的结构示意图。
图3是根据本发明实施例提供的扭秤系统电路连接的结构示意图。
图4是根据本发明实施例提供的扭秤系统的参数设置示意图。
图5是根据本发明实施例提供的惯性传感器表面电势测量装置的测量方法的流程图。
图6是根据本发明实施例提供的镀金硅片的偏转角度示意图。
图7是根据本发明实施例提供的SIMULINK控制系统的仿真示意图。
附图标记：自准直仪1、调整支架2、第一固定支架3、第二固定支架4、第一位移台5、第一偏转位移台6、第二偏转位移台7、第二移动位移台8、第三移动位移台9、第四移动位移台10、第五移动位移台11、第六移动位移台12、第七移动位移台13、第三偏转位移台14、扭秤系统15、钨丝16、第一夹具17、引力补偿棒18、镀金硅片19、第一反馈电极20、第一左反馈电极201、第一右反馈电极202、第二反馈电极21、第二左反馈电极211、第二右反馈电极212、镀金铜板22、左镀金铜板221、右镀金铜板222。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，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用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
图1示出了根据本发明实施例提供的惯性传感器表面电势测量装置的结构，图2示出了根据本发明实施例提供的扭秤系统的结构。
如图1-图2所示，本发明实施例提供的惯性传感器表面电势测量装置包括自准直仪1、调整支架2、第一固定支架3、第二固定支架4、第一位移台5、第一偏转位移台6、第二偏转位移台7、第二移动位移台8、第三移动位移台9、第四移动位移台10、第五移动位移台11、第六移动位移台12、第七移动位移台13、第三偏转位移台14、扭秤系统15、钨丝16、第一夹具17、引力补偿棒18、镀金硅片19、第一反馈电极20、第一左反馈电极201、第一右反馈电极202、第二反馈电极21、第二左反馈电极211、第二右反馈电极212、镀金铜板22、左镀金铜板221、右镀金铜板222。
自准直仪1、调整支架2、第一固定支架3构成测量机构。第一偏转位移台6、第二偏转位移台7、第二移动位移台8、第三移动位移台9和第四移动位移台10构成五自由度平台。第二固定支架4和第一位移台5构成单自由度平台。第五移动位移台11、第六移动位移台12、第七移动位移台13和第三偏转位移台14构成四自由度平台。钨丝16、惯性构件、第一反馈电极20、第一左反馈电极201、第一右反馈电极202、第二反馈电极21、第二左反馈电极211、第二右反馈电极212、镀金铜板22、左镀金铜板221、右镀金铜板222构成扭秤系统。第一夹具17、引力补偿棒18、镀金硅片19构成惯性构件。
自准直仪1通过螺栓固定安装在调整支架2上，调整支架2通过螺栓固定安装在第一固定支架3上，第一固定支架3置于地面上，调整调整支架2，使自准直仪1完成升降，采集镀金硅片19的偏转角度。
单自由度平台包括第二固定支架4和沿y轴方向移动的第一移动位移台5，高分子材料固定在第一移动位移台5上，第一移动位移台5通过螺栓固定安装在第二固定支架4上。
五自由度平台包括绕z轴方向转动的第一偏转位移台6、绕x轴方向转动的第二偏转位移台7、沿z轴方向移动的第二移动位移台8、沿y轴方向移动的第三移动位移台9、沿x轴方向移动的第四移动位移台10。
蓝宝石通过第一L型板与第一偏转位移台6固定连接，第一偏转位移台6还通过螺栓固定安装在第二偏转位移台7上，第二偏转位移台7通过第二L型板与第二移动位移台8固定连接，第二移动位移台8通过第三L型板与第三移动位移台9固定连接，第三移动位移台9与置于支撑底板上的第四移动位移台10通过螺栓固定相连，支撑底板放置于地面上。
四自由度平台包括沿z轴方向移动的第五移动位移台11、沿y轴方向移动的第六移动位移台12、沿x轴方向移动的第七移动位移台13、绕z轴方向转动的第三偏转位移台14。
第三偏转位移台14的上面固定有第二夹具，第二夹具用于夹紧钨丝16的一端，第三偏转位移台14通过第四L型板与第五移动位移台11固定连接，第五移动位移台11通过第五L型板与第七移动位移台13固定连接，第七移动位移台13通过螺栓固定于第六移动位移台12上，第六移动位移台12固定于底板上，底板固定于真空罐上。
钨丝16的一端固定在第一夹具17上，用于使第一夹具17悬空，引力补偿棒18穿过第一夹具17的中心，用于进行引力补偿，第一夹具17的下方置有镀金硅片19，第一夹具17用于夹紧镀金硅片19。
第一反馈电极20和第二反馈电极21均通过结构胶粘接在高分子材料上，高分子材料固定在单自由度平台上，用于使第一反馈电极20和第二反馈电极21与单自由度平台产生电气隔离，镀金铜板22通过结构胶粘接有蓝宝石，蓝宝石通过第一L型板固定在五自由度平台上，用于使镀金铜板22与五自由度平台产生电气隔离。
四自由度平台通过钨丝悬挂有惯性构件，惯性构件置于镀金铜板、第一反馈电极20和第二反馈电极21的中间位置。
第一反馈电极20和第二反馈电极21均通过结构胶粘接在高分子材料上，高分子材料固定在单自由度平台上，用于使第一反馈电极20和第二反馈电极21与单自由度平台产生电气隔离，镀金铜板22通过结构胶粘接有蓝宝石，蓝宝石通过第一L型板固定在五自由度平台上，用于使镀金铜板22与五自由度平台产生电气隔离。
四自由度平台通过钨丝悬挂有惯性构件，惯性构件置于镀金铜板、第一反馈电极20和第二反馈电极21的中间位置。
图3示出了根据本发明实施例提供的扭秤系统电路连接的结构。
如图3所示，电源机构包括第一电压源表、第二电压源表、万用表和控制器，其中，
第一电压源表用于为镀金铜板22提供电压，根据测量要求将正极与左镀金铜板221或右镀金铜板222相连，以及将负极与左镀金铜板221或右镀金铜板222相连。
控制器包括PID模块和接口，PID模块用于结合自准直仪采集的镀金硅片19的偏转角度计算施加于第一反馈电极20和第二反馈电极21的反馈电压，接口包括SMA接口和接线端子。
SMA接口包括A端子和B端子，A端子通过导线与万用表的正极和第二反馈电极21连接，万用表的负极接地，万用表用于实时测量第二反馈电极21的电势波动，B端子通过导线连接第一反馈电极20，SMA接口用于向第一反馈电极20和第二反馈电极21输送反馈电压。
接线端子对应连接于第二电压源表的接线口上，第二电压源表用于给控制器供电。
图4示出了根据本发明实施例提供的扭秤系统的参数设置，图5示出了根据本发明实施例提供的惯性传感器表面电势测量装置的测量方法的流程。图6示出了根据本发明实施例提供的镀金硅片的偏转角度。
如图4-图6所示，本发明提供的惯性传感器表面电势测量装置的测量方法，包括如下步骤：
S1、组装惯性传感器表面电势测量装置。
S2、将第一电压源表的正极与左镀金铜板221相连，负极与右镀金铜板222相连。
S3、设镀金硅片19的偏转角度为θ，建立惯性传感器表面电势测量装置的误差函数模型，获得误差分析结果，包括施加到左镀金铜板221上的电势值、施加到第一左反馈电极201上的电势值、施加到第二左反馈电极211上的电势值、左镀金铜板221与镀金硅片19之间的距离值、第一左反馈电极201与镀金硅片19之间的距离值、第二左反馈电极211与镀金硅片19之间的距离值。
步骤S3具体包括如下步骤：
S31、设镀金硅片（19）的偏转角度为θ，扭秤系统（15）绕偏转轴的瞬时惯性矩为I，扭秤系统的动力学方程式为：
（1），
其中，I为惯性构件的转动惯量，为阻尼系数，/>为钨丝的扭转刚度，/>为所有可能的扭转力矩。
对式（1）进行拉普拉斯变换得到：
（2），
令s=j得到：
（3），
其中，为扭秤系统的耗散角，/>为角频率，高品质因子/>。
扭秤系统的传递函数为：
（4），
其中，扭秤系统的品质因数，系统的固有角频率为：/>；
S32、建立扭秤系统（15）模型：
（5），
其中，表示镀金硅片19与镀金铜板21间的电容，/>表示介电常数，lxe表示左镀金铜板221的中心距离镀金硅片19中心的水平距离，axe表示左镀金铜板221的长度，aze表示镀金硅片19的宽度，de表示左镀金铜板221与镀金硅片19之间的距离。
S33、对式（5）中的θ进行求导可得：
（6），
S34、结合公式（1）和公式（6），施加到左镀金铜板221上的静电力矩表示为：
（7），
其中，表示左镀金铜板221的静电力矩，Ve表示施加到左镀金铜板221上的电势，Vtm表示镀金硅片19的表面电势。
S35、在y=0，θ=0处进行二元函数泰勒展开，略去非线性项，可得：
（8），
S36、根据式8计算得到第一左反馈电极201与镀金硅片19之间的静电力矩和第二左反馈电极211与镀金硅片19之间的静电力矩：
（9），
其中，表示第一左反馈电极201的力矩，lf1表示第一左反馈电极201的中心到镀金硅片19中心的水平距离，azf1表示第一左反馈电极201的宽度，axf1表示第一左反馈电极201的长度，df1表示第一左反馈电极201与镀金硅片19之间的距离，Vf1表示施加到第一左反馈电极201上的电势。
第二左反馈电极211与镀金硅片19之间的静电力矩可以表示为：
（10），
其中，表示第二左反馈电极211的力矩，lf2表示第二左反馈电极211的中心到镀金硅片19中心的水平距离，azf2表示第二左反馈电极211的宽度，axf2表示表示第二左反馈电极211的长度，df2表示第二左反馈电极211与镀金硅片19之间的距离，Vf2表示施加到第二左反馈电极211上的电势。
S37、当扭秤系统15装调完毕，且放置于真空罐中之后，基于式（4）的低频特性可知，建立力矩与扭转角度的动力学方程将式（8）、（9）、（10）带入式（11）可得：
（11）
S38、镀金硅片（19）的位置可表述为：
（12），
其中，表示镀金硅片的位置参数。V表示扭秤系统的输入运动参数。
S39、基于式（11）构建函数g(t)：
（13），
其中，的单位/>。
S310、由式（12）、（13）推导可得：
（14），
S311、设误差项全部为随机误差，那么对函数全微分可得：
（15），
其中，、/>…/>为误差传递系数，在频域内/>的单位为/>。
S312、通过引入随机误差理论建立扭秤系统的误差函数模型：
（16），
对灵敏度进行分析，获得误差分析结果：、/>、、/>、/>和/>。
S4、调整单自由度平台和五自由度平台，使左镀金铜板221、第一左反馈电极201和第二左反馈电极211的相关参数值与误差分析结果对应相同，利用测试机构调整左镀金铜板221和第一左反馈电极201、第二左反馈电极211，使左镀金铜板221和第一左反馈电极201、第二左反馈电极211的平行角度误差小于1″；
S5、调整四自由度平台，使镀金硅片19相对于左镀金铜板221的偏转角度为θ，利用测试机构调整镀金硅片19与左镀金铜板221，使镀金硅片19与左镀金铜板221的平行角度误差小于20"；
S6、控制器向第一左反馈电极201和第二左反馈电极211输送反馈电压，驱动镀金硅片19偏转，利用测试机构调整镀金硅片19与左镀金铜板221，使镀金硅片19与左镀金铜板221的平行角度误差小于1"，得到镀金硅片19左侧的表面电势及表面电势波动；
S7、将第一电压源表的正极与右镀金铜板222相连，并将负极连接于左镀金铜板221上，重复步骤S3-S6，得到镀金硅片19右侧的表面电势及表面电势波动，完成表面电势的测量。
各个位移台的型号如表1所示：
表 1 位移台的参数说明
图7示出了根据本发明实施例提供的SIMULINK控制系统的仿真。
如图7所示，其中，惯性构件的组成开环状态下的传递函数H(s),自准直仪1作为反馈环节采集镀金硅片19的偏转角度，然后通过自准直仪1自带的AD转换模块，将模拟量的角度信息转化为数字量的角度信息，之后将得到的角度信息与参考量做差得到系统偏差，进而通过两路PID模块，由控制器与自准直仪组成闭环反馈回路，通过DA转换与第一反馈电极20和第一反馈电极21相连，产生反馈电压。最终测得镀金硅片19的表面电势。
仿真分析得到系统电势分辨率结果：（17）。
相应地，根据本发明的实施例，本发明还提供了一种计算机设备、一种可读存储介质和一种计算机程序产品。
计算机设备以通用计算设备的形式表现。计算机设备旨在表示各种形式的数字计算机，诸如，膝上型计算机、台式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型计算机、和其它适合的计算机。电子设备还可以表示各种形式的移动装置，诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话、可穿戴设备和其它类似的计算装置。本文所示的部件、它们的连接和关系、以及它们的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本文中描述的和/或者要求的本发明的实现。
计算机设备的组件可以包括但不限于：一个或者多个处理器或者处理单元，系统存储器，连接不同系统组件(包括系统存储器和处理单元)的总线。
总线表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储器总线或者存储器控制器，外围总线，图形加速端口，处理器或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。举例来说，这些体系结构包括但不限于工业标准体系结构(ISA)总线，微通道体系结构(MAC)总线，增强型ISA总线、视频电子标准协会(VESA)局域总线以及外围组件互连(PCI)总线。
计算机设备典型地包括多种计算机系统可读介质。这些介质可以是任何能够被计算机设备访问的可用介质，包括易失性和非易失性介质，可移动的和不可移动的介质。
系统存储器可以包括易失性存储器形式的计算机系统可读介质，例如随机存取存储器(RAM)和/或高速缓存存储器。计算机设备可以进一步包括其它可移动/不可移动的、易失性/非易失性计算机系统存储介质。仅作为举例，存储系统可以用于读写不可移动的、非易失性磁介质(通常称为“硬盘驱动器”)。可以提供用于对可移动非易失性磁盘(例如“软盘”)读写的磁盘驱动器，以及对可移动非易失性光盘(例如CD-ROM、DVD-ROM或者其它光介质)读写的光盘驱动器。在这些情况下，每个驱动器可以通过一个或者多个数据介质接口与总线相连。存储器可以包括至少一个程序产品，该程序产品具有一组(例如至少一个)程序模块，这些程序模块被配置以执行本发明各实施例的功能。
具有一组(至少一个)程序模块的程序/实用工具，可以存储在例如存储器中，这样的程序模块包括但不限于操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。程序模块通常执行本发明所描述的实施例中惯性传感器表面电势测量方法。
计算机设备也可以与一个或多个外部设备(例如键盘、指向设备、显示器等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该计算机设备交互的设备通信，和/或与使得该计算机设备能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如网卡，调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口进行。并且，计算机设备还可以通过网络适配器与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。网络适配器通过总线与计算机设备的其它模块通信。应当明白，可以结合计算机设备使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、RAID系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。
处理单元通过运行存储在系统存储器中的程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如实现本发明实施例所提供的惯性传感器表面电势测量方法。
本发明实施例中还提供一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时本申请所有发明实施例提供的惯性传感器表面电势测量方法。
本发明实施例的计算机存储介质，可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，程序设计语言包括面向对象的程序设计语言诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络包括局域网(LAN)或广域网(WAN)连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
本发明实施例还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，计算机程序在被处理器执行时实现根据上述的基于数字孪生技术的光电跟踪控制系统的设计方法。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种惯性传感器表面电势测量装置，包括真空罐、五自由度平台、四自由度平台和单自由度平台，所述五自由度平台、所述四自由度平台和所述单自由度平台环境置于所述真空罐内，所述真空罐用于模拟太空环境；其特征在于，还包括扭秤系统（15），其中，所述扭秤系统（15）包括钨丝（16）、惯性构件、第一反馈电极（20）、第二反馈电极（21）、镀金铜板（22）；
所述第一反馈电极（20）和所述第二反馈电极（21）均通过结构胶粘接在高分子材料上，所述高分子材料固定在所述单自由度平台上，用于使所述第一反馈电极（20）和所述第二反馈电极（21）与所述单自由度平台产生电气隔离，所述镀金铜板（22）通过结构胶粘接有蓝宝石，所述蓝宝石通过第一L型板固定在所述五自由度平台上，用于使所述镀金铜板（22）与所述五自由度平台产生电气隔离；
所述四自由度平台通过钨丝悬挂有所述惯性构件，所述惯性构件置于所述镀金铜板、所述第一反馈电极（20）和所述第二反馈电极（21）的中间位置；
所述惯性构件包括第一夹具（17）、引力补偿棒（18）、镀金硅片（19），其中，所述钨丝（16）的一端固定在所述第一夹具（17）上，用于使所述第一夹具（17）悬空，所述引力补偿棒（18）穿过所述第一夹具（17）的中心，用于进行引力补偿，所述第一夹具（17）的下方置有所述镀金硅片（19），所述第一夹具（17）用于夹紧所述镀金硅片（19）；
所述测量装置还包括测量机构，其中，所述测量机构包括自准直仪（1）、调整支架（2）、第一固定支架（3）；
所述自准直仪（1）通过螺栓固定安装在所述调整支架（2）上，所述调整支架（2）通过螺栓固定安装在所述第一固定支架（3）上，所述第一固定支架（3）置于地面上，调整所述调整支架（2），使所述自准直仪（1）完成升降，采集所述镀金硅片（19）的偏转角度；
所述单自由度平台包括第二固定支架（4）和沿y轴方向移动的第一移动位移台（5），所述高分子材料固定在所述第一移动位移台（5）上，所述第一移动位移台（5）通过螺栓固定安装在所述第二固定支架（4）上；
所述五自由度平台包括绕z轴方向转动的第一偏转位移台（6）、绕x轴方向转动的第二偏转位移台（7）、沿z轴方向移动的第二移动位移台（8）、沿y轴方向移动的第三移动位移台（9）、沿x轴方向移动的第四移动位移台（10）；
所述蓝宝石通过第一L型板与所述第一偏转位移台（6）固定连接，所述第一偏转位移台（6）还通过螺栓固定安装在所述第二偏转位移台（7）上，所述第二偏转位移台（7）通过第二L型板与第二移动位移台（8）固定连接，所述第二移动位移台（8）通过第三L型板与所述第三移动位移台（9）固定连接，所述第三移动位移台（9）与置于支撑底板上的所述第四移动位移台（10）通过螺栓固定相连，所述支撑底板放置于地面上；
所述四自由度平台包括沿z轴方向移动的第五移动位移台（11）、沿y轴方向移动的第六移动位移台（12）、沿x轴方向移动的第七移动位移台（13）、绕z轴方向转动的第三偏转位移台（14）；
所述第三偏转位移台（14）的上面固定有第二夹具，所述第二夹具用于夹紧钨丝（16）的一端，所述第三偏转位移台（14）通过第四L型板与所述第五移动位移台（11）固定连接，所述第五移动位移台（11）通过第五L型板与所述第七移动位移台（13）固定连接，所述第七移动位移台（13）通过螺栓固定于所述第六移动位移台（12）上，所述第六移动位移台（12）固定于底板上，所述底板固定于所述真空罐上；
所述镀金铜板（22）包括左镀金铜板（221）和右镀金铜板（222），所述第一反馈电极（20）包括第一左反馈电极（201）和第一右反馈电极（202），第二反馈电极（21）包括第二左反馈电极（211）和第二右反馈电极（212）。
2.根据权利要求1所述的惯性传感器表面电势测量装置，其特征在于，所述扭秤系统还外接有电源机构，所述电源机构包括第一电压源表、第二电压源表、万用表和控制器，其中，
所述第一电压源表用于为所述镀金铜板（22）提供电压，根据测量要求将正极与所述左镀金铜板（221）或所述右镀金铜板（222）相连，以及将负极与所述左镀金铜板（221）或所述右镀金铜板（222）相连；
所述控制器包括PID模块和接口，所述PID模块用于结合所述自准直仪采集的所述镀金硅片（19）的偏转角度计算施加于所述第一反馈电极（20）和所述第二反馈电极（21）的反馈电压，所述接口包括SMA接口和接线端子；
所述SMA接口包括A端子和B端子，所述A端子通过导线与所述万用表的正极和所述第二反馈电极（21）连接，所述万用表的负极接地，所述万用表用于实时测量所述第二反馈电极（21）的电势波动，所述B端子通过导线连接所述第一反馈电极（20），所述SMA接口用于向所述第一反馈电极（20）和所述第二反馈电极（21）输送反馈电压；
所述接线端子对应连接于所述第二电压源表的接线口上，所述第二电压源表用于给所述控制器供电。
3.一种惯性传感器表面电势测量装置的测量方法，利用如权利要求2所述的惯性传感器表面电势测量装置实现，其特征在于，包括如下步骤：
S1、组装如权利要求2所述的惯性传感器表面电势测量装置；
S2、将所述第一电压源表的正极与所述左镀金铜板（221）相连，负极与所述右镀金铜板（222）相连；
S3、设所述镀金硅片（19）的偏转角度为θ，建立所述惯性传感器表面电势测量装置的误差函数模型，获得误差分析结果，包括施加到所述左镀金铜板（221）上的电势值、施加到所述第一左反馈电极（201）上的电势值、施加到所述第二左反馈电极（211）上的电势值、所述左镀金铜板（221）与所述镀金硅片（19）之间的距离值、所述第一左反馈电极（201）与所述镀金硅片（19）之间的距离值、所述第二左反馈电极（211）与所述镀金硅片（19）之间的距离值；
S4、调整所述单自由度平台和所述五自由度平台，使所述左镀金铜板（221）、所述第一左反馈电极（201）和所述第二左反馈电极（211）的相关参数值与误差分析结果对应相同，利用测试机构调整所述左镀金铜板（221）和所述第一左反馈电极（201）、所述第二左反馈电极（211），使所述左镀金铜板（221）和所述第一左反馈电极（201）、所述第二左反馈电极（211）的平行角度误差小于1"；
S5、调整所述四自由度平台，使所述镀金硅片（19）相对于所述左镀金铜板（221）的偏转角度为θ，利用所述测试机构调整所述镀金硅片（19）与所述左镀金铜板（221），使所述镀金硅片（19）与所述左镀金铜板（221）的平行角度误差小于20"；
S6、所述控制器向所述第一左反馈电极（201）和所述第二左反馈电极（211）输送反馈电压，驱动所述镀金硅片（19）偏转，利用所述测试机构调整所述镀金硅片（19）与所述左镀金铜板（221），使所述镀金硅片（19）与所述左镀金铜板（221）的平行角度误差小于1"，得到所述镀金硅片（19）左侧的表面电势及表面电势波动；
S7、将所述第一电压源表的正极与所述右镀金铜板（222）相连，并将负极连接于所述左镀金铜板（221）上，重复步骤S3-S6，得到所述镀金硅片（19）右侧的表面电势及表面电势波动，完成表面电势的测量。
4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括如下步骤：
S31、设所述镀金硅片（19）的偏转角度为θ，所述扭秤系统（15）绕偏转轴的瞬时惯性矩为I，扭秤系统的动力学方程式为：
（1）；
其中，I为惯性构件的转动惯量，为阻尼系数，/>为钨丝的扭转刚度，/>为所有可能的扭转力矩；
对式（1）进行拉普拉斯变换得到：
（2）；
令s=j得到：
（3）；
其中，为扭秤系统的耗散角，/>为角频率，高品质因子/>；
扭秤系统的传递函数为：
（4）；
其中，扭秤系统的品质因数，系统的固有角频率为：/>；
S32、建立扭秤系统（15）模型：
（5）；
其中，表示所述镀金硅片（19）与所述镀金铜板（21）间的电容，/>表示介电常数，lxe表示所述左镀金铜板（221）的中心距离所述镀金硅片（19）中心的水平距离，axe表示所述左镀金铜板（221）的长度，aze表示所述镀金硅片（19）的宽度，de表示所述左镀金铜板（221）与所述镀金硅片（19）之间的距离；
S33、对式（5）中的θ进行求导可得：
（6）；
S34、结合公式（1）和公式（6），施加到所述左镀金铜板（221）上的静电力矩表示为：
（7）；
其中，表示所述左镀金铜板（221）的静电力矩，Ve表示施加到所述左镀金铜板（221）上的电势，Vtm表示所述镀金硅片（19）的表面电势；
S35、在y=0，θ=0处进行二元函数泰勒展开，略去非线性项，可得：
（8）；
S36、根据式（8）计算得到所述第一左反馈电极（201）与所述镀金硅片（19）之间的静电力矩和所述第二左反馈电极（211）与所述镀金硅片（19）之间的静电力矩：
（9）；
其中，表示所述第一左反馈电极（201）的力矩，lf1表示所述第一左反馈电极（201）的中心到镀金硅片（19）中心的水平距离，azf1表示所述第一左反馈电极（201）的宽度，axf1表示所述第一左反馈电极（201）的长度，df1表示所述第一左反馈电极（201）与所述镀金硅片（19）之间的距离，Vf1表示施加到所述第一左反馈电极（201）上的电势；
所述第二左反馈电极（211）与所述镀金硅片（19）之间的静电力矩可以表示为：
（10）；
其中，表示所述第二左反馈电极（211）的力矩，lf2表示所述第二左反馈电极（211）的中心到镀金硅片（19）中心的水平距离，azf2表示所述第二左反馈电极（211）的宽度，axf2表示表示所述第二左反馈电极（211）的长度，df2表示所述第二左反馈电极（211）与镀金硅片（19）之间的距离，Vf2表示施加到所述第二左反馈电极（211）上的电势；
S37、当扭秤系统（15）装调完毕，且放置于真空罐中之后，基于式（4）的低频特性可知，建立力矩与扭转角度的动力学方程将式（8）、（9）、（10）带入式（11）可得：
（11）；
S38、镀金硅片（19）的位置可表述为：
（12）；
其中，表示镀金硅片的位置参数；V表示扭秤系统的输入运动参数；
S39、基于式（11）构建函数g(t)：
（13）；
其中，的单位/>；
S310、由式（12）、（13）推导可得：
（14）；
S311、设误差项全部为随机误差，那么对函数全微分可得：
（15）；
其中，、/>…/>为误差传递系数，在频域内/>的单位为/>；
S312、通过引入随机误差理论建立扭秤系统的误差函数模型：
（16）；
对灵敏度进行分析，获得所述误差分析结果：、/>、、/>、/>和/>。
5.一种计算机设备，其特征在于，包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求3至4中任一项所述的测量方法。
6.一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机指令用于使所述计算机执行权利要求3-4中任一项所述的测量方法。
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