CN117214552B - 基于扭秤周期变化的导体表面电势测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空间惯性传感器电荷管理技术领域，尤其涉及一种基于扭秤周期变化的导体表面电势测量方法，包括如下步骤：S1、向四个极板施加直流电压，使第一极板、第二极板、第三极板和第四极板均与测试质量保持平行；S2、通过直流电压电源向第一极板和第三极板施加大小相等、方向相同的直流正电压，使测试质量进行偏转；S3、将偏转角度作为测试质量的运动信号，对运动信号进行时域和频域的分析，得到运动信号的第一周期；S4、重复步骤S1‑S3，获得运动信号的第二周期。S5、结合第一周期和第二周期计算测试质量的表面电势。本发明基于扭秤装置的周期变化，通过差分方法测量测试质量的表面电势，提高了测量测试质量的表面电势的分辨率。

Description

基于扭秤周期变化的导体表面电势测量方法

技术领域

本发明涉及空间惯性传感器电荷管理技术领域，尤其涉及一种基于扭秤周期变化的导体表面电势测量方法。

背景技术

电荷管理是应用于空间引力波探测等精密空间任务中的关键技术，然而在地面验证实验中，由于难以直接测量出测试质量上积累的电荷，因此通过间接测量测试质量的表面电势的方法来反映测试质量的电荷积累情况。早期利用Kelvin探针技术对测试质量的表面电势进行测量，但受限于悬臂梁灵敏度，其测量精度不高。由于扭秤的特殊结构可以模拟空间中测试质量的自由落体状态，另外，扭秤具有对水平方向的微小力矩敏感，且测量精度高的特点，因此可满足测量测试质量的电势的需求。

华中科技大学基于扭秤装置，提出了通过测量测试质量的平衡位置的变化来测量测试质量的表面电势的方案，但由于该方案向极板加载电压的方式复杂，导致测量测试质量的表面电势测量的分辨率低。

发明内容

本发明为解决向极板加载电压的方式复杂，导致测量测试质量的表面电势测量的分辨率低的问题，提供一种基于扭秤周期变化的导体表面电势测量方法，通过简单的电压加载方式，实现了通过差分的方法来测量测试质量的表面电势，提高了测量测试质量的表面电势测量的分辨率。

本发明提供的基于扭秤周期变化的导体表面电势测量方法，用于测量扭秤装置中测量质量的表面电势，扭秤装置包括悬丝、测量质量、第一极板、第二极板、第三极板和第四极板，悬丝的一端固定在安装平台上，悬丝的另一端悬挂有测试质量，将第一极板、第二极板、第三极板和第四极板两两分为一组，均布在测试质量的两侧，第一极板与第三极板呈对角布置，且第一极板、第二极板、第三极板和第四极板与测试质量的距离处处相同，第一极板、第二极板、第三极板和第四极板均通过导线与直流电压电源相连，具体包括如下步骤：

S1、通过直流电压电源向第一极板、第二极板、第三极板和第四极板施加大小相等且方向相同的直流电压，使第一极板、第二极板、第三极板和第四极板均与测试质量保持平行。

S2、保持第二极板和第四极板的电压不变，通过直流电压电源向第一极板和第三极板施加大小相等、方向相同的直流正电压，使测试质量发生偏转。

S3、利用自准直仪测量测试质量的偏转角度，并将偏转角度作为测试质量的运动信号，对运动信号进行时域和频域的分析，得到运动信号的第一周期。

S4、重复步骤S1-S3，通过直流电压电源向第一极板和第三极板输入大小相等、方向相同的直流负电压，获得运动信号的第二周期，且直流正电压和直流负电压的幅值绝对值相等。

S5、结合第一周期和第二周期通过下式计算测试质量的表面电势V_TM：

其中，ε_r为相对介电常数，ε₀为真空介电常数，l_e为各极板的静电力臂，a_y为各极板的长度，a_z为各极板的高度，d_e为各极板与测试质量平行时的间距，I为测试质量的转动惯量，T₁为第一周期，T₂为第二周期，V_a为直流正电压和直流负电压的幅值绝对值。

与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

本发明基于扭秤装置的周期变化，设计了一种简单的电压加载方式，即通过差分方法测量测试质量的表面电势，提高了测量测试质量的表面电势的分辨率。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的扭秤装置的结构示意图；

图2(a)是根据本发明实施例提供的扭秤装置的俯视结构示意图；

图2(b)是根据本发明实施例提供的扭秤装置的侧视结构示意图；

图3是根据本发明实施例提供的基于扭秤周期变化的导体表面电势测量方法的流程示意图；

图4(a)是根据本发明实施例提供的向扭秤装置加载直流正电压的结构示意图；

图4(b)是根据本发明实施例提供的向扭秤装置加载直流负电压的结构示意图。

附图标记包括：悬丝1、测试质量2、第一极板3、第二极板4、第三极板5和第四极板6。

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扭秤装置的结构，图2(a)和图2(b)分别从两种角度示出了本发明实施例提供的扭秤装置的结构。

如图1-图2(b)所示，本发明实施例提供的扭秤装置包括悬丝1、测量质量2、第一极板3、第二极板4、第三极板5和第四极板6，悬丝1的一端固定在安装平台上，悬丝1的另一端悬挂有测试质量2，将第一极板3、第二极板4、第三极板5和第四极板6两两分为一组，均布在测试质量2的两侧，第一极板3与第三极板5呈对角布置，且第一极板3、第二极板4、第三极板5和第四极板6与测试质量2的距离处处相同，第一极板3、第二极板4、第三极板5和第四极板6均通过导线与直流电压电源相连。

图3示出了根据本发明实施例提供的基于扭秤周期变化的导体表面电势测量方法的流程。

如图3所示，本发明实施例提供的基于扭秤周期变化的导体表面电势测量方法，具体包括如下步骤：

S1、通过直流电压电源向第一极板3、第二极板4、第三极板5和第四极板6施加大小相等且方向相同的直流电压，使第一极板3、第二极板4、第三极板5和第四极板6均与测试质量2保持平行。

S2、保持第二极板4和第四极板6的电压不变，通过直流电压电源向第一极板3和第三极板5施加大小相等、方向相同的直流正电压，使测试质量2发生偏转。

S3、利用自准直仪测量测试质量2的偏转角度，并将偏转角度作为测试质量2的运动信号，对运动信号进行时域和频域的分析，得到运动信号的第一周期。

S4、重复步骤S1-S3，通过直流电压电源向第一极板3和第三极板5输入大小相等、方向相同的直流负电压，获得运动信号的第二周期，且直流正电压和直流负电压的幅值绝对值相等；

请参见图4(a)和图4(b)，图4(a)和图4(b)分别示出了向第一极板3和第三极板5加载直流正电压的结构以及向第一极板3和第三极板5加载直流负电压的结构。

S5、结合第一周期和第二周期通过下式计算测试质量2的表面电势V_TM：

其中，ε_r为相对介电常数，ε₀为真空介电常数，l_e为各极板的静电力臂，a_y为各极板的长度，a_z为各极板的高度，d_e为各极板与测试质量2平行时的间距，I为测试质量2的转动惯量，T₁为第一周期，T₂为第二周期，V_a为直流正电压和直流负电压的幅值绝对值。

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 (1)

1.一种基于扭秤周期变化的导体表面电势测量方法，用于测量扭秤装置中测量质量的表面电势，所述扭秤装置包括悬丝、所述测量质量、第一极板、第二极板、第三极板和第四极板，所述悬丝的一端固定在安装平台上，所述悬丝的另一端悬挂有所述测量质量，将所述第一极板、所述第二极板、所述第三极板和所述第四极板两两分为一组，均布在所述测量质量的两侧，所述第一极板与所述第三极板呈对角布置，且所述第一极板、所述第二极板、所述第三极板和所述第四极板与所述测量质量的距离处处相同，所述第一极板、所述第二极板、所述第三极板和所述第四极板均通过导线与直流电压电源相连，其特征在于，具体包括如下步骤：

S1、通过所述直流电压电源向所述第一极板、所述第二极板、所述第三极板和所述第四极板施加大小相等且方向相同的直流电压，使所述第一极板、所述第二极板、所述第三极板和所述第四极板均与所述测量质量保持平行；

S2、保持所述第二极板和所述第四极板的电压不变，通过所述直流电压电源向所述第一极板和所述第三极板施加大小相等、方向相同的直流正电压，使所述测量质量发生偏转；

S3、利用自准直仪测量所述测量质量的偏转角度，并将所述偏转角度作为所述测量质量的运动信号，对所述运动信号进行时域和频域的分析，得到所述运动信号的第一周期；

S4、重复所述步骤S1-S3，通过所述直流电压电源向所述第一极板和所述第三极板输入大小相等、方向相同的直流负电压，获得所述运动信号的第二周期，且所述直流正电压和所述直流负电压的幅值绝对值相等；

S5、结合所述第一周期和所述第二周期通过下式计算所述测量质量的表面电势V_TM：

其中，εr为相对介电常数，ε0为真空介电常数，le为各极板的静电力臂，a_y为各极板的长度，a_z为各极板的高度，d_e为各极板与所述测量质量平行时的间距，I为所述测量质量的转动惯量，T₁为所述第一周期，T₂为所述第二周期，V_a为所述直流正电压和所述直流负电压的幅值绝对值。