CN116953374A - 一种惯性传感器检验质量块表面电荷量测试系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及惯性传感器地面测试技术领域，具体而言，涉及一种惯性传感器检验质量块表面电荷量测试系统，内舱室设置在真空舱体的内部；检验质量块、悬浮系统、静电悬浮加速度计、惯性传感器电极笼以及水平调节测试台均设置在内舱室；惯性传感器电极笼和静电悬浮加速度计均固定在水平调节测试台上；检验质量块通过悬浮系统悬挂在惯性传感器电极笼的内部；宇宙射线模拟器和激光自准仪、紫外线发生器均设置在真空舱体与内舱室之间。本申请基于地面悬浮系统，推导出了检验质量块带电量与水平轴加速度输出值的定量关系，根据水平轴反馈读出电压、实际输入加速度变化量等，能够精确计算出检验质量块的带电量。
Description
技术领域
本申请涉及惯性传感器地面测试技术领域，具体而言，涉及一种惯性传感器检验质量块表面电荷量测试系统。
背景技术
惯性传感器主要应用于引力波探测、卫星无拖曳控制等方面。在位移测量模式下，能够以极高灵敏度敏感检验质量块和卫星之间的相对位置变化，并将该位置变化信息反馈给卫星微推力器，通过微推力器为卫星施加推力，最终保持检验质量和卫星之间的相对位移基本不变，从而实现卫星对检验质量的跟随，达到无拖曳控制的目的；另一方面，检验质量块也可以为激光干涉测量提供惯性参考，作为激光的反射面。
在测量位移的同时，惯性传感器的非无拖曳轴也可以采用加速度控制模式，该模式下，惯性传感器通过控制电极，实现对检验质量块的伺服反馈控制，将检验质量块保持在电极笼中心，输出卫星在该轴向的加速度值；该模式下，惯性传感器可以测量卫星在轨运行期间加速度计安装位置处由大气阻力、太阳辐射光压、潮汐力、轨道和姿态控制等作用引起的非保守力加速度。
由于惯性传感器的检验质量块与外界无机械连接，在轨条件下，可能因空间高能粒子对检验质量的轰击，导致检验质量表面逐渐累积电荷，与周围电极板产生静电力扰动，进而影响测量结果。为消除这一影响，如何准确测量惯性传感器检验质量块表面电荷量的变化，成为首先需要解决的问题，现有的电荷测量方法主要有开尔文探针法和扭称试验法，这两种方法难以从系统层面模拟惯性传感器，因此无法直接测试检验质量块表面电荷对惯性传感器测试结果的影响。
发明内容
本申请提供了一种惯性传感器检验质量块表面电荷量测试系统，基于地面悬浮系统的惯性传感器，能够实现对检验质量块表面的电荷量的高精度测试。
为了实现上述目的，本申请提供了一种惯性传感器检验质量块表面电荷量测试系统，包括真空舱体、宇宙射线模拟器、激光自准仪、紫外光发生器、内舱室、检验质量块、悬浮系统、静电悬浮加速度计、惯性传感器电极笼以及水平调节测试台，其中：内舱室设置在真空舱体的内部；检验质量块、悬浮系统、静电悬浮加速度计、惯性传感器电极笼以及水平调节测试台均设置在内舱室；惯性传感器电极笼和静电悬浮加速度计均固定在水平调节测试台上；检验质量块通过悬浮系统悬挂在惯性传感器电极笼的内部；宇宙射线模拟器设置在真空舱体与内舱室之间，用于产生模拟的宇宙射线，并照射检验质量块；紫外光发生器设置在真空舱体与内舱室之间，用于产生激光，并照射检验质量块；激光自准仪设在真空舱体与内舱室之间，用于产生准直激光，确保检验质量块的悬挂位置。
进一步的，悬浮系统包括悬丝、调节装置以及激光反射镜，其中：调节装置固定在内舱室的顶壁上；悬丝的材料为钨丝或者石英丝，一端与调节装置连接，另一端与检验质量块连接；激光反射镜垂直镶嵌在检验质量块的顶部。
进一步的，惯性传感器电极笼的材料为微晶玻璃或者工程塑料，包括底板、左侧板、右侧板、前侧板以及后侧板，其中：底板固定在水平调节测试台上，中间位置刻蚀有注入电极；左侧板和右侧板对应设置，左右两边均刻蚀有测控电极，并且左侧板的中间位置设置有激光通孔；前侧板和后侧板对应设置，上下两边均刻蚀有测控电极。
进一步的，检验质量块为立方型的金属块或者工程塑料，表面粗糙度＜1μm，通过悬丝悬空垂挂在惯性传感器电极笼的内部。
进一步的，紫外光发生器产生的紫外激光依次通过内舱室侧壁的紫外光入射镜和左侧板的激光通孔照射在检验质量块上。
进一步的，激光自准直仪产生的准直激光通过内舱室侧壁的准直光入射镜照射在激光反射镜上。
进一步的，静电悬浮加速度计的低频加速度测量分辨率≥1×10-8m/s2，其内部的质量块采用高压悬浮的方式进行悬浮。
进一步的，水平调节测试台采用差分激光干涉倾角直驱电机驱动，调节分辨率＜1×10-7rad。
进一步的，真空舱体内部的真空度＜10-3Pa。
进一步的，内舱室内部的真空度＜10-5Pa。
本发明提供的一种惯性传感器检验质量块表面电荷量测试系统，具有以下有益效果：
本申请基于地面悬浮系统，推导出了检验质量块带电量与水平轴加速度输出值的定量关系，根据水平轴反馈读出电压、实际输入加速度变化量等，能够精确计算出检验质量块的带电量，实现了对惯性传感器检验质量块表面电荷量的高精度测量，为研究检验质量块表面特性提供了实验依据，同时能够为惯性传感器在轨性能评价提供地面测试条件。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例提供的惯性传感器检验质量块表面电荷量测试系统的示意图；
图2是根据本申请实施例提供的惯性传感器电极笼底板的示意图；
图3是根据本申请实施例提供的惯性传感器电极笼左侧板的示意图；
图4是根据本申请实施例提供的惯性传感器电极笼前侧板的示意图；
图中：1-真空舱体、2-宇宙射线模拟器、3-内舱室、4-检验质量块、5-静电悬浮加速度计、6-惯性传感器电极笼、7-水平调节测试台、8-调节装置、9-悬丝、10-激光反射镜、11-底板、12.左侧板、13.右侧板、14.前侧板、15.激光自准直仪、16-紫外光发生器、17-准直光入射镜、18-紫外光入射镜。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
如图1所示，本申请提供了一种惯性传感器检验质量块表面电荷量测试系统，包括真空舱体1、宇宙射线模拟器2、激光自准仪15、紫外光发生器16、内舱室3、检验质量块4、悬浮系统、静电悬浮加速度计5、惯性传感器电极笼6以及水平调节测试台7，其中：内舱室3设置在真空舱体1的内部；检验质量块4、悬浮系统、静电悬浮加速度计5、惯性传感器电极笼6以及水平调节测试台7均设置在内舱室3；惯性传感器电极笼6和静电悬浮加速度计5均固定在水平调节测试台7上；检验质量块4通过悬浮系统悬挂在惯性传感器电极笼6的内部；宇宙射线模拟器2设置在真空舱体1与内舱室3之间，用于产生模拟的宇宙射线，并照射检验质量块4；紫外光发生器16在真空舱体1与内舱室3之间，用于产生激光，并照射检验质量块4；激光自准仪15设在真空舱体1与内舱室3之间，用于产生准直激光，确保检验质量块4的悬挂位置。
具体的，本申请实施例提供的惯性传感器检验质量块表面电荷量测试系统可以在地面条件下对惯性传感器检验质量块4带电量及其影响进行研究，实现了惯性传感器检验质量块4表面电荷量的高精度测量。其中，真空舱体1内部为真空环境，主要为了模拟太空环境：宇宙射线模拟器2主要用于产生宇宙射线，使检验质量块4带电，从而验证空间粒子辐射对检验质量带电量的影响；紫外光发生器16主要通过光电效应，在检验质量块4表面产生电荷，从而实现控制电荷的目的；激光自准仪15主要用于测量惯性传感器扭转角度，测量检验质量块4在电极笼中的位置，测量微弱受力；内舱室3能够提供更优的真空度，从而提高测量的精确度；检验质量块4主要用于模拟惯性传感器的检验质量；悬浮系统主要用于悬挂检验质量块4，使检验质量块4能够悬浮；惯性传感器电极笼6主要用于水平方向测量和控制检验质量块4；静电悬浮加速度计5主要用于测量水平方向的重力加速度分量以及环境振动的加速度，从而提供水平方向的加速度信号；水平调节测试台7主要用于支撑惯性传感器电极笼6和静电悬浮加速度计5并进行水平轴的反馈调节。
进一步的，悬浮系统包括悬丝9、调节装置8以及激光反射镜10，其中：调节装置8固定在内舱室3的顶壁上；悬丝9的材料为钨丝或者石英丝，一端与调节装置8连接，另一端与检验质量块4连接；激光反射镜10垂直镶嵌在检验质量块4的顶部。调节装置8通过悬丝9对检验质量块4进行悬挂，调节装置8通过对悬丝9位置的调节，从而实现对下方悬挂检验质量块4位置的调节，检验质量块4的位置可以通过调节装置8实现三自由度的精细调节，调节精度优于1μm。激光反射镜10垂直镶嵌在检验质量块4的顶部，与检验质量块4上表面的垂直度在1×10-4以上，主要用于反射激光自准直仪15发出的激光，从而对检验质量块4的位置进行测量。
进一步的，惯性传感器电极笼6的材料为微晶玻璃或者工程塑料，包括底板11、左侧板12、右侧板13、前侧板14以及后侧板，其中：底板11固定在水平调节测试台7上，中间位置刻蚀有注入电极；左侧板12和右侧板13对应设置，左右两边均刻蚀有测控电极，并且左侧板12的中间位置设置有激光通孔；前侧板14和后侧板对应设置，上下两边均刻蚀有测控电极。惯性传感器电极笼6主要对检验质量块4进行测量以及控制电极，由5块电极板组成，分别包括1块底板11和4块侧板，5块电极板表面镀金后，采用刻蚀的技术制作出相应的电极图案。其中，如图2所示，底板11的中间位置刻蚀处用于高频检测电压注入的注入电极，如图3所示，左侧板12的中间位置设置有激光通孔，用于紫外激光的照射，激光通孔的两侧刻蚀出测控电极，右侧板13与左侧板12相对应设置，电极结构相同，只不过中间没有激光通孔，如图4所示，前侧板14和后侧板对应设置，电极结构相同，在上下两侧刻蚀相应的测控电极。检验质量块4通过悬丝9悬浮在惯性传感器电极笼6的内部，实现对惯性传感器敏感结构的模拟。
进一步的，检验质量块4为立方型的金属块或者工程塑料，表面粗糙度＜1μm，通过悬丝9悬空垂挂在惯性传感器电极笼6的内部。检验质量是无拖曳控制及引力波探测中激光干涉测量的反射镜面，作为惯性基准，是实验的基础，在本申请实施例中，检验质量块4优选为立方型的空心金属块，在确保垂直度、平面度以及平行度的情况下，采用气相沉积或者电镀的方法，在表面镀金属材料，检验质量块4的体积和质量等参数可以根据实验需求进行确定，但是其表面的粗糙度优选＜1μm。
进一步的，紫外光发生器16产生的紫外激光依次通过内舱室3侧壁的紫外光入射镜18和左侧板12的激光通孔照射在检验质量块4上。紫外光发生器16主要用于产生紫外激光，优选采用244nm的紫外激光作为光源，紫外激光经过紫外光入射镜18进入内舱室3，通过左侧板12的激光通孔照射到检验质量块4的表面，通过光电效应，在检验质量块4的表面产生电荷，从而实现控制电荷的目的。
进一步的，激光自准直仪15产生的准直激光通过内舱室3侧壁的准直光入射镜17照射在激光反射镜10上。激光自准直仪15主要用于产生准直激光，准直激光经过准直光入射镜17进入内舱室3，并照射在悬浮系统的激光反射镜10上，根据激光反射镜10反射的位置能够确定检验质量块4悬吊的位置。
进一步的，静电悬浮加速度计5的低频加速度测量分辨率≥1×10-8m/s2，其内部的质量块采用高压悬浮的方式进行悬浮。静电悬浮加速度计5主要作为对比测试使用，在重力方向采用高压悬浮的方法将其内部的质量块进行悬浮，该质量块与外部通过5-20μm直径的金丝连接，可以确保质量块表面电荷不发生累积效应。静电悬浮加速度计5的低频加速度测量分辨率能够达到1×10-8m/s2以上，主要用于测量水平方向的重力加速度分量及环境振动加速度，用于提供试验中水平方向的高精度加速度信号，反演出检验质量块4表面电荷量的变化。
进一步的，水平调节测试台7采用差分激光干涉倾角直驱电机驱动，调节分辨率＜1×10-7rad。水平调节测试台7采用差分激光干涉倾角测量、高精度直驱电机驱动，实现微小倾角的闭环测量和控制，用于得到1×10-7rad的倾角最小调节步长，并将水平轴向的反馈控制电压调节到最小值，此时质量块的残余加速度在10-6m/s2量级，可以进行检验质量块4电荷量的测量。
进一步的，真空舱体1内部的真空度＜10-3Pa。
进一步的，内舱室3内部的真空度＜10-5Pa。
具体的，真空舱体1主要用于宇宙射线模拟及激光入射，为电荷测量实验提供所需的外部真空环境，对真空度要求较低；而内舱室3采用扭摆实验装置，为了提高测量的精度，需要设置更高的真空度。
更具体的，本申请实施例通过分析检验质量块4表面的电荷量与偏置电压、反馈电压之间的关系，推导通过水平轴加速度输出的电压数据，从而能够计算的到检验质量块4表面的电荷量。其中，检验质量块4通过悬丝9悬挂在惯性传感器电极笼6中心，检验质量块4自身电压由高频检测电压提供：
ΔQ＝CΔVq (1)
ΔQ为检验质量块4带电量的变化值，C为检验质量块4位于惯性传感器电极笼6中心时与单侧电极板之间的电容，ΔVq为ΔQ引入的检验质量块4与电极板之间的电势变化量，该电势变化量可以等效为偏置电压Vp的变化量，即检验质量块4带电量与偏置电压Vp之间的关系为：
当外界输入加速度a不随时间变化时，水平方向闭环伺服反馈控制情况下，检验质量块4带电量变化ΔQ前后有：
Vf0与Vf1为电荷量变化前后，反馈电压的值，将上式化简后，可以得到：
理论上，根据电荷量变化前后的反馈电压值Vf0与Vf1，就可以求得的检验质量块4电荷量的变化值。
但是在实验室测试环境中，大地脉动、环境振动、测试设备蠕变以及环境温度漂移等，都会造成外界加速度的噪声，即公式(4)中Vf1的变化不仅仅来自检验质量块4电荷量的变化，很大一部分为外界加速度的实际变化量。因此，采用公式(4)计算电荷量的误差比较大，可能会远超过实际电荷量的变化，为进一步提高测量精度，本申请实施例提出了通过高精度静电悬浮加速度计5，实时监测水平方向的加速度变化，并根据实测的加速度数据，反演检验质量块4表面电荷量的变化，即将公式(3)变形为：
此时检验质量块4带电量Q(t)为：
根据公式(6)，再通过对比使用的静电悬浮加速度计5测得水平方向加速度实时信号a(t)后，再根据固定电容C、初始偏置电压Vp0，传感器结构参数m、d、S，以及实时测得的反馈电压Vf(t)，就可以得到检验质量块4电荷量的实时变化量Q(t)；
在t＝0时刻，可以通过接触放电或紫外光放电的方法，将检验质量块4表面电荷泄放完，此时：
以该时刻为起点，按照公式(6)的计算方法，即可获得检验质量块4表面电荷量随时间的变化，实现对检验质量块4电荷量及其变化的高精度测量。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种惯性传感器检验质量块表面电荷量测试系统，其特征在于，包括真空舱体、宇宙射线模拟器、激光自准仪、紫外光发生器、内舱室、检验质量块、悬浮系统、静电悬浮加速度计、惯性传感器电极笼以及水平调节测试台，其中：
所述内舱室设置在所述真空舱体的内部；
所述检验质量块、所述悬浮系统、所述静电悬浮加速度计、所述惯性传感器电极笼以及所述水平调节测试台均设置在所述内舱室；
所述惯性传感器电极笼和所述静电悬浮加速度计均固定在所述水平调节测试台上；
所述检验质量块通过所述悬浮系统悬挂在所述惯性传感器电极笼的内部；
所述宇宙射线模拟器设置在所述真空舱体与所述内舱室之间，用于产生模拟的宇宙射线，并照射所述检验质量块；
所述紫外光发生器设置在所述真空舱体与所述内舱室之间，用于产生激光，并照射所述检验质量块；
所述激光自准仪设在所述真空舱体与所述内舱室之间，用于产生准直激光，确保所述检验质量块的悬挂位置。
2.根据权利要求1所述的惯性传感器检验质量块表面电荷量测试系统，其特征在于，所述悬浮系统包括悬丝、调节装置以及激光反射镜，其中：
所述调节装置固定在所述内舱室的顶壁上；
所述悬丝的材料为钨丝或者石英丝，一端与所述调节装置连接，另一端与所述检验质量块连接；
所述激光反射镜垂直镶嵌在所述检验质量块的顶部。
3.根据权利要求2所述的惯性传感器检验质量块表面电荷量测试系统，其特征在于，所述惯性传感器电极笼的材料为微晶玻璃或者工程塑料，包括底板、左侧板、右侧板、前侧板以及后侧板，其中：
所述底板固定在所述水平调节测试台上，中间位置刻蚀有注入电极；
所述左侧板和所述右侧板对应设置，左右两边均刻蚀有测控电极，并且所述左侧板的中间位置设置有激光通孔；
所述前侧板和后侧板对应设置，上下两边均刻蚀有测控电极。
4.根据权利要求3所述的惯性传感器检验质量块表面电荷量测试系统，其特征在于，所述检验质量块为立方型的金属块或者工程塑料，表面粗糙度＜1μm，通过所述悬丝悬空垂挂在所述惯性传感器电极笼的内部。
5.根据权利要求4所述的惯性传感器检验质量块表面电荷量测试系统，其特征在于，所述紫外光发生器产生的紫外激光依次通过所述内舱室侧壁的紫外光入射镜和所述左侧板的激光通孔照射在所述检验质量块上。
6.根据权利要求5所述的惯性传感器检验质量块表面电荷量测试系统，其特征在于，所述激光自准直仪产生的准直激光通过所述内舱室侧壁的准直光入射镜照射在所述激光反射镜上。
7.根据权利要求1所述的惯性传感器检验质量块表面电荷量测试系统，其特征在于，所述静电悬浮加速度计的低频加速度测量分辨率≥1×10-8m/s2，其内部的质量块采用高压悬浮的方式进行悬浮。
8.根据权利要求1所述的惯性传感器检验质量块表面电荷量测试系统，其特征在于，所述水平调节测试台采用差分激光干涉倾角直驱电机驱动，调节分辨率＜1×10-7rad。
9.根据权利要求1所述的惯性传感器检验质量块表面电荷量测试系统，其特征在于，所述真空舱体内部的真空度＜10-3Pa。
10.根据权利要求1所述的惯性传感器检验质量块表面电荷量测试系统，其特征在于，所述内舱室内部的真空度＜10-5Pa。
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| CN202310796571.XA CN116953374A (zh) | 2023-06-29 | 2023-06-29 | 一种惯性传感器检验质量块表面电荷量测试系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116953374A true CN116953374A (zh) | 2023-10-27 |
Family
ID=88443629
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310796571.XA Pending CN116953374A (zh) | 2023-06-29 | 2023-06-29 | 一种惯性传感器检验质量块表面电荷量测试系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116953374A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117471195A (zh) * | 2023-10-30 | 2024-01-30 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 解算测试质量的表面电荷波动的方法 |
-
2023
- 2023-06-29 CN CN202310796571.XA patent/CN116953374A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117471195A (zh) * | 2023-10-30 | 2024-01-30 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 解算测试质量的表面电荷波动的方法 |
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