CN117150715B - 用于惯性传感器交流电荷管理的紫外灯正弦驱动设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及空间惯性传感器电荷管理技术领域，尤其涉及用于惯性传感器交流电荷管理的紫外灯正弦驱动设计方法，包括：S1、确定紫外灯的驱动设置：确定紫外灯的驱动电流瞬时幅值上限和输出光功率；S2、确定紫外灯的正弦驱动波形的相位偏移：使正弦驱动波形与正弦激励信号同步，根据设置极性取相位偏移为0或S3、确定紫外灯的正弦驱动波形的电流幅值和直流偏置：通过计算输出光功率和驱动电动率的线性关系，获得驱动电功率，根据第一等式关系和约束关系，获得电流幅值和直流偏置值；S4、确定1Hz指令周期内的光脉冲数：由第二等式关系获得光脉冲数的取值。本发明能够解决现有技术中普遍存在的瞬时变动、物理实现困难等缺陷。

Description

用于惯性传感器交流电荷管理的紫外灯正弦驱动设计方法
技术领域
本发明涉及空间惯性传感器电荷管理技术领域，尤其涉及一种用于惯性传感器交流电荷管理的紫外灯正弦驱动设计方法。
背景技术
由测试质量(Test Mass，TM)、电极笼(Electrode Housing,EH)以及相关外围设备构成的空间惯性传感器是能为卫星重力测量、空间引力波探测等精密空间任务提供惯性基准的重要载荷，当空间环境中广泛存在的宇宙射线和高能粒子或二次粒子作用在TM上时，会使TM表面积累电荷，这些累积的电荷会与TM所处环境中的电磁场相互作用，从而引起相关的静电力和洛伦兹力加速度噪声，所以在高精度空间惯性传感器中，必须要采取措施对TM上积累的电荷进行有效管理。
对于交流电荷管理中的紫外灯驱动方法，目前大多数的相关研究和应用中采用的仍是基于方波的传统驱动技术，Ziegler T，et al.发表了文章“Modeling andperformance of contact-free discharge systems for space inertial sensors”，如图1所示，一种用于交流放电的紫外灯方波驱动设计方法被提出，该设计包含P、O、W、N四个控制参数，除参数O仅用于调节放电的极性外，其他三个参数均用于调节放电速率，由105*28*28≈6.6*109知，其放电速率的理论动态范围比一般电荷管理系统所需动态范围(1.2x104)大5个数量级以上，因而为紫外灯的调控留有相当大的裕量，能满足未来更高精度电荷管理系统中紫外灯调控无级控制和驱动的实际需求。
但是基于方波的传统紫外灯驱动技术目前实际存在以下缺陷：
(1)紫外灯属电压敏感器件，一般需电流驱动，且对电流驱动信号的瞬时快速变动极为敏感，而实际高频电流方波驱动时不可避免地存在的过冲、反流等现象将严重影响紫外灯的使用寿命；
(2)方波属突变型信号，缺少必要的暂态过程，这对电流源的响应速度(如上升时间和下降时间)和稳流性能提出了极为严苛的要求，使得基于该方法的交流放电物理实现极为困难，目前国内外相关技术研究均只能在100Hz的正弦激励信号下进行，距离空间惯性传感器实际使用的100kHz正弦激励信号仍存在较大的差距；
(3)当紫外灯的驱动信号是方波时，由于同步激励信号是正弦波，因此理想情况下，灯的输出功率将在局部偏压连续变化的情况下保持恒定，此时TM上的放电速率(本质上放电也是就是一种充电，只是极性相反)波动较大，因此会带来额外的放电噪声；
(4)从电子学实现来看，方波比正弦波包含更多的高频分量，因此在使用方波驱动进行100kHz交流放电时，受技术和器件的限制，其波形必定存在严重的失真，为进行信号同步和放电过程的精确计算带来了较大困难。
发明内容
本发明为解决基于方波的紫外灯驱动方案存在瞬时变动、对驱动电流源性能要求苛刻、实际放电过程中波动较大、且因失真不便于精确分析，不能满足空间惯性传感器在轨交流放电的高性能应用需求的现状，提供一种用于惯性传感器交流电荷管理的紫外灯正弦驱动设计方法，具体包括如下步骤：
S1、确定紫外灯的驱动设置：根据设定条件，确定紫外灯的驱动电流瞬时幅值上限，根据惯性传感器上正常运行的测试质量的电荷数量上限，确定紫外灯进行交流放电的极性和光电子数量，从而确定紫外灯的输出光功率。
S2、确定紫外灯的正弦驱动波形的相位偏移：使紫外灯的正弦驱动波形与正弦激励信号同步，根据设置的紫外灯进行交流放电的极性，将相位偏移取为0或
S3、确定紫外灯的正弦驱动波形的电流幅值和直流偏置：通过计算输出光功率和驱动电动率的线性关系，获得驱动电功率，根据驱动电功率、电流幅值和直流偏置构成的第一等式关系，以及电流幅值、直流偏置、驱动电流瞬时幅值上限构成的约束关系，获得电流幅值和直流偏置的确定值。
S4、确定1Hz指令周期内的光脉冲数：通过计算由驱动电功率、输出光功率、光脉冲数构成的第二等式关系，获得光脉冲数的取值。
优选地，在步骤S1中，设定条件为紫外灯的工作特性、照射方式以及惯性传感器的内表面涂层的光电特性和在交流放电过程中的噪声限制。
优选地，在步骤S2中，确定相位偏移的取值方法：
测试质量积累负电荷达到阈值时，将相位偏移取0，使紫外灯的正弦驱动波形与正弦激励信号同向。
测试质量积累正电荷达到阈值时，将相位偏移取使紫外灯的正弦驱动波形与正弦激励信号反向。
优选地，在步骤S3中，输出光功率和驱动电动率的线性关系：
Pv＝EvP (1)；
其中，Pv为输出光功率，P为驱动电功率，Ev为紫外灯的发光效率。
优选地，在步骤S3中，第一等式关系：
其中，A为电流幅值，B为直流偏置，S为驱动电功率，f为正弦激励信号的频率。
优选地，在步骤S3中，约束关系：
A+B≤Q (3)；
其中，Q为驱动电流瞬时幅值上限。
优选地，在步骤S3中，根据紫外灯的驱动电流和输出光功率的取值确定电流幅值的值，通过计算第一等式关系和约束关系，确定直流偏置的值，直流偏置的值小于电流幅值的值。
优选地，在步骤S4中，第二等式关系：
P＝NS (4)；
其中，P为输出光功率，S为驱动电动率，N为光脉冲数。
与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：
(1)解决了现有基于方波的驱动方案中普遍存在的瞬时变动、物理实现困难、实际放电过程中波动较大、且因失真不便于精确分析等缺陷。
(2)在满足空间惯性传感器交流放电所需动态范围的前提下，能实现更为平稳和准确的交流放电过程，为放电系统复杂控制策略的设计提供了更为稳健的底层实现。
(3)本发明使得100kHz交流放电更易于实现，有效降低了其对技术和器件的严苛要求，使得未来更高精度的空间惯性传感器交流放电更具可行性。
附图说明
图1是用于交流放电的紫外灯方波驱动设计。
图2是根据本发明实施例提供的用于惯性传感器交流电荷管理的紫外灯正弦驱动设计方法的流程示意图。
图3是根据本发明实施例提供的基于正弦的紫外灯正弦驱动波形在一周期内的四种情况的曲线示意图。
图4是根据本发明实施例提供的正弦驱动波形和方波驱动波形在同电流幅值限制下进行反相和同相交流放电的仿真结果示意图。
图5是根据本发明实施例提供的正弦驱动波形和方波驱动波形在输出光功率相同的条件下进行反相和同相交流放电的仿真结果示意图。
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。
本发明实施例提供的用于惯性传感器交流电荷管理的紫外灯正弦驱动设计方法，主要是通过确定相位偏移、电流幅值、直流偏置和光脉冲数这四个参数的值，从而实现紫外灯的正弦驱动：根据正常运行的测试质量的电荷数量上限，确定紫外灯的输出光功率；根据设置的紫外灯进行交流放电的极性，确定相位偏移的取值；从输出光功率和驱动电功率的线性关系入手，确定紫外灯的正弦驱动波形的电流幅值和直流偏置；通过计算驱动电功率、输出光功率、光脉冲数的等式关系，获得光脉冲数的取值。
图2示出了根据本发明实施例提供的用于惯性传感器交流电荷管理的紫外灯正弦驱动设计方法的流程。
如图2所示，本发明实施例提出的用于惯性传感器交流电荷管理的紫外灯正弦驱动设计方法，具体包括如下步骤：
S1、确定紫外灯的驱动设置：根据设定条件，确定紫外灯的驱动电流瞬时幅值上限，根据惯性传感器上正常运行的测试质量的电荷数量上限，确定紫外灯进行交流放电的极性和光电子数量，从而确定紫外灯的输出光功率。
在步骤S1中，设定条件为紫外灯的工作特性、照射方式以及惯性传感器的内表面涂层的光电特性和在交流放电过程中的噪声限制。
交流放电能够在半导体器件的制造加工、精密器件的静电保护等需要无接触释放电子(或维持表面电势)的领域得到应用，本发明主要应用于惯性传感器的电荷管理。紫外灯的工作特性、紫外灯照射的位置和角度以及惯性传感器内表面涂层的光电特性等，这些都是交流放电的关键因素，会给实际紫外灯的驱动提供一些限制条件，对于紫外灯的驱动，物理设置主要需考虑的是紫外灯自身特性(最大瞬时驱动电流、可承受的电压)对驱动设置提出的限制，即瞬时幅值上限、电压上限等，本发明提出的用于惯性传感器交流电荷管理的紫外灯正弦驱动仅考虑瞬时幅值上限Q，即参数电流幅值A和直流偏置B的设置应满足约束关系0≤A+B＜Q。(实际上物理设置中紫外灯的选择还限定了交流放电的上限频率，但由于当前电荷管理应用中紫外灯选用UV LED，其调制频率可达MHz，在目前最高仅100kHz的交流放电应用中一般不会产生实质的限制)。
S2、确定紫外灯的正弦驱动波形的相位偏移：使紫外灯的正弦驱动波形与正弦激励信号同步，根据设置的紫外灯进行交流放电的极性，将相位偏移取为0或
在步骤S2中，确定相位偏移的取值方法：
测试质量积累负电荷达到阈值时，将相位偏移取0，使紫外灯的正弦驱动波形与正弦激励信号同向。
测试质量积累正电荷达到阈值时，将相位偏移取使紫外灯的正弦驱动波形与正弦激励信号反向。
如果电荷测量发现测试质量积累了大量的正电荷则需要负极性的放电，且放电的数量需与积累电荷的数量一致(即让等量光电子流向测试质量来中和这些正电荷)；相反地如果电荷测量发现测试质量积累了大量的负电荷则需要正极性的放电，放电的数量也需与积累电荷的数量一致(即让等量光电子流出测试质量来中和这些负电荷)。
紫外灯进行交流放电的目标是指惯性传感器正常工作对测试质量上积累的电荷的极性和数量提出的要求，例如在面向空间引力波探测的惯性传感器中，需要保证测试质量上的积累电荷的电荷量在10-12C以下，根据测试质量积累电荷产生的噪声影响，即惯性传感器想要达到的精度以及在实际放电应用中电荷测量的结果，确定交流放电过程需要转移光电子的数量和方向。
正弦激励信号是惯性传感器内固有的用于电容传感的信号，正弦驱动波形和正弦激励信号的同步是在驱动电路中通过硬件实现的，与相位偏移没有关系，相位偏移是在正弦驱动波形和正弦激励信号已通过硬件同步的基础上为了调整交流放电的极性而引入的参数，当其取0时，两个信号同相，此时紫外灯只在激励信号的正周期工作(即紫外灯在正偏压的情况下工作)，光电子整体由测试质量移向电极笼；当其取时，两个信号反相，此时紫外灯只在激励信号的负周期工作(即紫外灯在负偏压的情况下工作)，光电子将整体由电极笼移向测试质量。相位偏移需根据电荷测量的结果来确定(即视测试质量电荷积累的状况而定)，当测试质量积累的大量正电荷时，交流放电需要向其注入负电荷，因此相位偏移取(由电极笼流向测试质量的光电子提供负电荷)；当测试质量积累的大量负电荷时，交流放电需要向其注入正电荷，因此相位偏移取0(由测试质量流向电极笼的光电子带走了负电荷，相当于提供了正电荷)。
S3、确定紫外灯的正弦驱动波形的电流幅值和直流偏置：通过计算输出光功率和驱动电动率的线性关系，获得驱动电功率，根据驱动电功率、电流幅值和直流偏置构成的第一等式关系，以及电流幅值、直流偏置、驱动电流瞬时幅值上限构成的约束关系，获得电流幅值和直流偏置的确定值。
在步骤S3中，输出光功率和驱动电动率的线性关系：
Pv＝EvP (1)；
其中，Pv为输出光功率，P为驱动电功率，Ev为紫外灯的发光效率。
图3示出了根据本发明实施例提供的基于正弦的紫外灯正弦驱动波形在一周期内的四种情况的曲线。
如图3所示，在交流放电应用中使用正弦波i(t)＝Asin(2πft+O)+B驱动紫外灯所产生的实际正弦驱动波形根据直流偏置B与电流幅值A的关系不同会产生四种不同的驱动情况(当B＜-A＜0时，由于i(t)恒小于0，对驱动紫外灯无实际意义，因此此处不进行讨论)，i(t)与时间轴t在Y轴正方向上所围成的面积即为紫外灯在单周期内获得的驱动电功率S(阴影部分)，但实际上，图(c)可视为图(b)的特例，因此在求S与A、B之间的关系时仅需考虑以下三种情况(由于相位偏移O对S求解无影响可令其为0)：
a)0＜A≤B：i(t)与时间轴无交点。
b/c)0≤B＜A：i(t)与时间轴有两个交点
d)-A＜B＜0：i(t)与时间轴有两个交点
将上述各情况通过积分运算求得的电功率(即阴影面积)为：
a)0＜A≤B：
b/c)0≤B＜A：
d)
即为在步骤S3中的第一等式关系：
其中，f为正弦激励信号的频率。
其中，a)因为在预期放电方向的相反方向也会驱动紫外灯进行放电从而使TM周期性“充电”，影响交流放电的速度，因而在交流放电中较少采用，而b/c)和d)更适用于紫外放电应用的驱动方式，其中，b)虽会造成预期放电方向的相反方向的周期性充电，但由于输出功率较小且正弦偏压的促进作用太弱，因此负面效果几乎可以忽略。
在步骤S3中，约束关系：
A+B≤Q (3)；
其中，Q为驱动电流瞬时幅值上限。
在步骤S3中，根据紫外灯的驱动电流和输出光功率的取值确定电流幅值的值，通过计算第一等式关系和约束关系，确定直流偏置的值，直流偏置的值小于电流幅值的值。
电流幅值A和直流偏置B的选取需综合紫外灯的驱动电流的性能(输出范围和分辨率)和需达到的输出光功率来考虑，当紫外灯的交流放电需1μW的紫外光，而紫外灯的驱动电流需满足0-10mA的驱动范围和1μA的分辨率时，先将电流幅值A设为1mA(该值为紫外灯直流驱动时输出1μW紫外光时的设定值)，然后根据式(2)和式(3)，在驱动电流可达到的分辨率中选择比电流幅值A略小的直流偏置B来细调单个光脉冲能输出的光功率。
S4、确定1Hz指令周期内的光脉冲数：通过计算由驱动电功率、输出光功率、光脉冲数构成的第二等式关系，获得光脉冲数的取值。
在步骤S4中，第二等式关系：
P＝NS (4)；
其中，P为输出光功率，S为驱动电动率，N为光脉冲数。
本发明实施例提供的用于惯性传感器交流电荷管理的紫外灯正弦驱动设计方法，具有电流幅值A、直流偏置B、相位偏移O和1Hz指令周期内的光脉冲数N共四个可调参数，本发明能够实现的指标需根据具体情景和硬件性能而定。若以100kHz交流放电来考虑(即N的可调范围在0-105之间)，假设电流幅值A和直流偏置B在实现交流放电时均实现8位可调，则可实现电荷管理应用交流模式约256*256*100000≈6.6*109步可调的动态范围，和传统的方波驱动一样能够满足惯性传感器交流放电所需动态范围(1.2x104)的需求。但相比于方波驱动，正弦驱动物理更好实现、实际失真的影响更小(方波比正弦波包含更多的高频分量因此更难实现，且必定有较大的失真)，因此能更具物理可实现性，故而取得更好的结果。
为模拟惯性传感器实际在轨进行交流放电的应用情景，在理想的防电情况下(不考虑正弦驱动波形在实际物理实现过程中产生的失真)，以频率100kHz、幅值4.8V的正弦激励信号作为仿真模拟中的紫外灯驱动的同步信号，设置合适的正弦驱动波形参数进行了两组测试，并与方波驱动波形进行对比(为方便仿真分析不考虑光脉冲数N)。
图4示出了根据本发明实施例提供的正弦驱动波形和方波驱动波形在同电流幅值限制下进行反相和同相交流放电的仿真结果。
如图4所示，第一组测试：设方波驱动波形参数为幅值100μA，占空比50％；设正弦驱动波形参数A和B分别为120μA和-20μA。方波驱动波形和正弦驱动波形的放电效果如图4所示，在放电过程中方波驱动产生的放电曲线较为尖锐，特别是在异相放电时，如图4(a)、(b)和(c)中的尖角可知，方波驱动波形出现了过冲现象，这些不平滑的转折和过冲现象在紫外灯的实际交流放电中带来信号的毛刺，产生噪声，而正弦驱动产生的放电过程则一直较为平滑，表明本发明实施例提出的用于惯性传感器交流电荷管理的紫外灯正弦驱动具有较好的效果。
图5示出了根据本发明实施例提供的正弦驱动波形和方波驱动波形在输出光功率相同的条件下进行反相和同相交流放电的仿真结果。
如图5所示，第二组测试：设方波驱动波形参数为幅值100μA，占空比30％，此时紫外灯在单周期内产生的输出光功率S为0.3pW，由第一等式关系计算可得正弦驱动波形的参数A和B分别为124nW和-20nW；其放电效果如图5所示，方波驱动产生的放电曲线较为尖锐，而正弦驱动产生的放电曲线则一直较为平滑，图5中的实线跟虚线非常逼近，另外，图5(b)、(c)、(e)和(f)四幅图除转折处外完全重合，表明本发明实施例提出的用于惯性传感器交流电荷管理的紫外灯正弦驱动设计方法可使正弦驱动达到与方波驱动相似的放电速率。
在实际的放电过程中，产生精确的方波需要使用许多高频分量的叠加，因此需要使用更复杂的电路设计和更高性能的元器件来实现。而正弦波相对于方波则包含更少的高频分量，所以在电路实现上相对简单。因此，实际放电应用中，方波驱动的驱动效果更差一些，本发明实施例提出的用于惯性传感器交流电荷管理的紫外灯正弦驱动具有较好的效果。
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 (8)

1.一种用于惯性传感器交流电荷管理的紫外灯正弦驱动设计方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
S1、确定紫外灯的驱动设置：根据设定条件，确定所述紫外灯的驱动电流瞬时幅值上限，根据所述惯性传感器上正常运行的测试质量的电荷数量上限，确定所述紫外灯进行交流放电的极性和光电子数量，从而确定所述紫外灯的输出光功率；
S2、确定所述紫外灯的正弦驱动波形的相位偏移：使所述紫外灯的所述正弦驱动波形与正弦激励信号同步，根据设置的所述紫外灯进行交流放电的极性，将所述相位偏移取为0或
S3、确定所述紫外灯的正弦驱动波形的电流幅值和直流偏置：通过计算所述输出光功率和驱动电动率的线性关系，获得驱动电功率，根据所述驱动电功率、所述电流幅值和所述直流偏置构成的第一等式关系，以及所述电流幅值、所述直流偏置、所述驱动电流瞬时幅值上限构成的约束关系，获得所述电流幅值和所述直流偏置的确定值；
S4、确定1Hz指令周期内的光脉冲数：通过计算由所述驱动电功率、所述输出光功率、所述光脉冲数构成的第二等式关系，获得所述光脉冲数的取值。
2.根据权利要求1所述的用于惯性传感器交流电荷管理的紫外灯正弦驱动设计方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述设定条件为所述紫外灯的工作特性、照射方式以及所述惯性传感器的内表面涂层的光电特性和在交流放电过程中的噪声限制。
3.根据权利要求1所述的用于惯性传感器交流电荷管理的紫外灯正弦驱动设计方法，其特征在于，在所述步骤S2中，确定所述相位偏移的取值方法：
所述测试质量积累负电荷达到阈值时，将所述相位偏移取0，使所述紫外灯的正弦驱动波形与正弦激励信号同向；
所述测试质量积累正电荷达到阈值时，将所述相位偏移取使所述紫外灯的正弦驱动波形与正弦激励信号反向。
4.根据权利要求1所述的用于惯性传感器交流电荷管理的紫外灯正弦驱动设计方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述输出光功率和所述驱动电动率的线性关系：
Pv＝EvP (1)；
其中，Pv为输出光功率，P为驱动电功率，Ev为所述紫外灯的发光效率。
5.根据权利要求1所述的用于惯性传感器交流电荷管理的紫外灯正弦驱动设计方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述第一等式关系：
其中，A为电流幅值，B为直流偏置，S为驱动电功率，f为所述正弦激励信号的频率。
6.根据权利要求1所述的用于惯性传感器交流电荷管理的紫外灯正弦驱动设计方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述约束关系：
A+B≤Q (3)；
其中，Q为所述驱动电流瞬时幅值上限。
7.根据权利要求1所述的用于惯性传感器交流电荷管理的紫外灯正弦驱动设计方法，其特征在于，在所述步骤S3中，根据所述紫外灯的驱动电流和所述输出光功率的取值确定所述电流幅值的值，通过计算所述第一等式关系和所述约束关系，确定所述直流偏置的值，所述直流偏置的值小于所述电流幅值的值。
8.根据权利要求1所述的用于惯性传感器交流电荷管理的紫外灯正弦驱动设计方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述第二等式关系：
P＝NS (4)；
其中，P为所述输出光功率，S为所述驱动电动率，N为所述光脉冲数。
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Beat-Notes Acquisition of Laser Heterodyne Interference Signal for Space Gravitational Wave Detection;于涛;《MDPI》;20230315;全文 *

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