CN117783588B - 一种三轴量程可独立调整的静电加速度计 - Google Patents

一种三轴量程可独立调整的静电加速度计 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种三轴量程可独立调整的静电加速度计，包括：敏感探头；所述敏感探头包括：检验质量、第一组极板对、第二组极板对以及第三组极板对；每组极板对包括至少一对极板；所述第一组极板对设置在检验质量前表面和后表面的周围，第二组极板对设置在检验质量上表面和下表面的周围，第三组极板对设置在检验质量左表面和右表面的周围；所述检验质量被施加第一偏置电压；所述第一组极板对、第二组极板对以及第三组极板对分别被施加第二偏置电压、第三偏置电压以及第四偏置电压，所述第二偏置电压至第四偏置电压用于对静电加速度计三轴的量程独立调整。本申请通过调节各轴方向上极板的偏置电压，能够使得静电加速度计的三轴量程独立解耦。

Description

一种三轴量程可独立调整的静电加速度计
技术领域
本申请属于加速度传感测试领域，更具体地，涉及一种三轴量程可独立调整的静电加速度计。
背景技术
高精度静电加速度计在国内外作为卫星重力测量等相关计划中的重要载荷，已经多次在太空中成功应用。深入研究更高精度的惯性传感器已经成为空间科学领域的重要任务之一。静电加速度计的工作原理是以敏感探头中的检验质量作为惯性基准，当飞船受到外界非保守力的作用，检验质量偏离平衡位置，使得检验质量表面与其正对的极板对之间的电容差发生变化，电容位移传感电路通过这个发生变化的电容差信号便能够测出检验质量偏离平衡点的位置，也就是本领域技术人员称为的残差信号，这个残差信号会通过合适的控制器计算出大小合适的反馈电压，并输入到静电执行机当中获得大小合适的静电力，作用到检验质量上，从而将偏离了平衡位置的检验质量拉回零位，此时静电执行机产生的加速度与飞船的加速度保持一致，通过读取执行机的相关数据便能获得飞船的加速度信息。
静电加速度计作为惯性系统中的核心设备，对其的灵敏度和分辨率都有很高的要求，在基于现有的设计下，要求各自由度对反馈电压的分辨率尽可能高。通常固定检验质量上施加的偏置电压进行测量；或者在某个自由度输入很大，当前偏置电压的大小无法满足量程需求时，切换偏置电压的档位进行量程切换。但是我们发现另外几个受到小输入加速度的自由度在原偏置电压档位下可以正常工作，切换偏执电压档位之后，虽然也能正常工作，但是分辨率明显降低。
综上，现有技术需要设计新的方案，可以独立调节静电加速度计的三轴量程。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本申请的目的在于提供一种三轴量程可独立调整的静电加速度计，旨在解决现有技术无法独立调节静电加速度计三轴量程的问题。
为实现上述目的，第一方面，本申请提供了一种三轴量程可独立调整的静电加速度计，包括：敏感探头；
所述敏感探头包括：检验质量、第一组极板对、第二组极板对以及第三组极板对；每组极板对包括至少一对极板；
所述第一组极板对设置在检验质量前表面和后表面的周围，第二组极板对设置在检验质量上表面和下表面的周围，第三组极板对设置在检验质量左表面和右表面的周围；
所述检验质量被施加第一偏置电压；
所述第一组极板对、第二组极板对以及第三组极板对分别被施加第二偏置电压、第三偏置电压以及第四偏置电压，所述第二偏置电压至第四偏置电压用于对静电加速度计三轴的量程独立调整。
在一个可能的示例中，所述静电加速度计的三轴量程分别由：第一偏置电压与第二偏置电压的差值、第一偏置电压与第三偏置电压的差值以及第一偏置电压与第四偏置电压的差值决定。
在一个可能的示例中，所述第一组极板对被施加的反馈电压为第一反馈电压；
所述第二偏置电压根据所述第一偏置电压和第一反馈电压确定。
在一个可能的示例中，所述第二组极板对被施加的反馈电压为第二反馈电压；
所述第三偏置电压根据所述第一偏置电压和第二反馈电压确定。
在一个可能的示例中，所述第三组极板对被施加的反馈电压为第三反馈电压；
所述第四偏置电压根据所述第一偏置电压和第三反馈电压确定。
在一个可能的示例中，所述第一反馈电压至第三反馈电压用于将所述检验质量拉回零位。
第二方面，本申请提供了一种静电加速度计的三轴量程独立调整方法，包括：
向静电加速度计各轴的极板对分别施加偏置电压；
通过调节各轴极板对上的偏置电压独立调整静电加速度计各轴的量程。
在一个可能的示例中，所述静电加速度计的三轴量程分别由检验质量上偏置电压与各轴极板上偏置电压的差值决定。
在一个可能的示例中，施加在各轴极板上偏置电压分别由所述检验质量上偏置电压和各轴极板上的反馈电压确定。
在一个可能的示例中，所述各轴极板上的反馈电压用于将所述检验质量拉回零位。
总体而言，通过本申请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：
本申请提供一种三轴量程可独立调整的静电加速度计，提供了一种新的量程调节方法，核心在于首先通过使用大量程工作范围测量三轴加速度，在满足量程测量需求的基础上，调节极板上的偏置电压，能够使得三轴量程独立解耦，并尽量使三轴均满足刚度最小控制策略，使得静定负刚度对系统的影响降到最低，同时也能提高三轴测量加速度的分辨率。与传统的静电悬浮加速度相比，本申请的核心在于提出了一种新的量程控制策略，基于现有控制策略的基础之上，降低了六自由度之间的相互耦合，在某些输入的情况下提高了输入加速度的测量精度。与之前的设计相比，在该设计下，量程的调整方式更加灵活，不再只依赖于检验质量上施加偏置电压的几个特定档位，通过在更加灵活调整的情况下，按照刚度最小控制策略对极板上的偏置电压进行调整，同时能够降低静电负刚度对系统的负面影响。同样，该方案能够适用于所有同类型的加速度计。
附图说明
图1是本申请实施例提供的一种静电加速度计的结构图；
图2是本申请实施三轴量程独立调整的静电加速度计控制示意图；
图3是在极板上施加偏置电压的控制原理示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：①为检验质量；②为极板；③为电容位移传感电路；④为控制器。
具体实施方式
为方便理解，下面先对本申请实施例所涉及的英文简写和有关技术术语进行解释和描述。
下面结合本申请实施例中的附图对本申请实施例进行描述。
本申请的目的主要在于提供一种新的量程调整控制策略。针对现有缺陷，该方法能够满足在某些外界输入加速度的情况下，静电加速度计三轴的量程可以独立调整。
本申请通过改变偏置电压的施加方式，在检验质量与极板上均施加偏置电压，在极板和检验质量偏置电压大小选择合适的情况下，能够使三轴量程互相解耦，调节某一轴对应极板上的偏置电压便能调节该轴量程，从而使得静电加速度计量程能够具有更好的性能。
图1是本申请实施例提供的一种静电加速度计的结构图；如图1所示，静电加速度计的敏感探头包括：检验质量、第一组极板对、第二组极板对以及第三组极板对；每组极板对包括至少一对极板；
所述第一组极板对设置在检验质量前表面和后表面的周围，对应图1中的Z轴方向；第二组极板对设置在检验质量上表面和下表面的周围，对应图1中的X轴方向；第三组极板对设置在检验质量左表面和右表面的周围，对应图1中的Y轴方向；
所述检验质量被施加第一偏置电压；
所述第一组极板对、第二组极板对以及第三组极板对分别被施加第二偏置电压、第三偏置电压以及第四偏置电压，所述第二偏置电压至第四偏置电压用于对静电加速度计三轴的量程独立调整。
图2是本申请实施三轴量程独立调整的静电加速度计控制示意图；如图2所示，静电加速度计主要由以下几个部分构成：敏感探头、电容位移传感电路、控制器以及静电执行机。
其中，敏感探头：包括检验质量①与施加反馈电压与偏置电压的极板对②；电容位移传感电路③，用于测量检验质量偏离零位的位置；控制器④，用于根据输入的残差电压大小计算出大小合适的施加在极板上的反馈电压，用于将检验质量拉回零位；静电执行机，用于将控制器的输出电压施加到极板对上产生大小合适的控制检验质量的静电力。
如图3所示，此处仅用二自由度模型说明，图3中TM指检验质量。由图3中展示可知，计算出控制检验质量位移的反馈静电力F z为：
(1)
则三轴的反馈静电力F x/y/z为：
(2)
其中：
(3)
其中，ε是介电常数，S x/y/z分别是X,Y,Z轴正对的极板面积，C 0x/0y/0z是为X,Y,Z轴方向检验质量在敏感探头零位时，单块极板和检验质量之间的平衡电容，d 0x/0y/0z分别为检验质量和其正对极板之间的平衡间距，V b是施加在检验质量上的偏置电压，V bx/by/bz是分别施加在X,Y,Z轴方向的极板上的偏置电压，V x/y/z分别为自由度反馈电压，用于将检验质量拉回零位。
式(2)为三轴的静电力公式。通过调节V b，可以同时调节三轴的反馈电压V x/y/z，使质量块处于平衡位置。调节V b会使得三轴的量程和刚度均发生较大的变化。在量程可调节基础之上调节V bx/by/bz可以单独调节三轴量程，由此，提出一种刚度最小控制策略用于极板偏置电压的调整。
z轴静电负刚度为：
(4)
由静电负刚度表达式可知：
(5)
当且仅当反馈电压与偏置电压满足公式(6)时，静电负刚度有最小值：
(6)
该发明使用的场景为X,Y,Z三轴输入加速度差异巨大的情况，并且在某些特定的输入能够使得系统静电负刚度最小。
因此，可以通过三轴的反馈电压V x/y/z以及施加在检验质量上的偏置电压V b分别确定施加在X,Y,Z轴方向的极板上的偏置电压V bx/by/bz，以便各轴的静电负刚度最小。需要说明的是，各轴的静电负刚度越小，检验质量的位移对加速度测量值的影响越小，即静电加速度计的性能越好。
表1本发明使用场景与原方案对比（检验质量上偏置电压Vb=5V）
注：其中V x/y/z分别表示X/Y/Z三轴的测量反馈电压。
参见表1，假设X/Y/Z轴的输入电压分别为1.8V，3.2V和5V，检验质量上偏置电压档位为5V，在原方案的情况下，测得的测量反馈电压只有Z轴能满足公式(6)，另外两轴刚度不可调；在现方案的情况下，我们通过调整Vbx/by可以使得三轴测量反馈电压均满足公式(6)，此时我们便通过极板偏置电压的调整使得三轴均满足刚度最小控制策略。
参见图2所示，检验质量正对的极板一共有六对，其中，X轴方向3对，Y轴方向1对，Z轴方向2对，用来控制六个自由度（三个平动自由度和三个转动自由度）的位移，通过多个DAC向极板上施加多个控制自由度位移的反馈电压，另外还可通过多个DAC向各轴方向的极板上施加使三轴量程解耦的偏置电压。
应当理解的是，可以在本申请中使用的诸如“包括”以及“可以包括”之类的表述表示所公开的功能、操作或构成要素的存在性，并且并不限制一个或多个附加功能、操作和构成要素。在本申请中，诸如“包括”和/或“具有”之类的术语可解释为表示特定特性、数目、操作、构成要素、组件或它们的组合，但是不可解释为将一个或多个其它特性、数目、操作、构成要素、组件或它们的组合的存在性或添加可能性排除在外。
此外，在本申请中，表述“和/或”包括关联列出的词语中的任意和所有组合。例如，表述“A和/或B”可以包括A，可以包括B，或者可以包括A和B这二者。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是可拆卸地连接，也可以是不可拆卸地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。其中，“固定连接”是指彼此连接且连接后的相对位置关系不变。“转动连接”是指彼此连接且连接后能够相对转动。“滑动连接”是指彼此连接且连接后能够相对滑动。本申请实施例中所提到的方位用语，例如，“顶”、“底”、“内”、“外”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，因此，使用的方位用语是为了更好、更清楚地说明及理解本申请实施例，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。
另外，在本申请实施例中，提到的数学概念，对称、相等、平行、垂直等。这些限定，均是针对当前工艺水平而言的，而不是数学意义上绝对严格的定义，允许存在少量偏差，近似于对称、近似于相等、近似于平行、近似于垂直等均可以。例如，A与B平行，是指A与B之间平行或者近似于平行，A与B之间的夹角在0度至10度之间均可。A与B垂直，是指A与B之间垂直或者近似于垂直，A与B之间的夹角在80度至100度之间均可。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种三轴量程可独立调整的静电加速度计，其特征在于，包括：敏感探头；
所述敏感探头包括：检验质量、第一组极板对、第二组极板对以及第三组极板对；每组极板对包括至少一对极板；
所述第一组极板对设置在检验质量前表面和后表面的周围，第二组极板对设置在检验质量上表面和下表面的周围，第三组极板对设置在检验质量左表面和右表面的周围；
所述检验质量被施加第一偏置电压；
所述第一组极板对、第二组极板对以及第三组极板对分别被施加第二偏置电压、第三偏置电压以及第四偏置电压，所述第二偏置电压至第四偏置电压用于对静电加速度计三轴的量程独立调整；所述静电加速度计的三轴量程分别由：第一偏置电压与第二偏置电压的差值、第一偏置电压与第三偏置电压的差值以及第一偏置电压与第四偏置电压的差值决定。
2.根据权利要求1所述的静电加速度计，其特征在于，所述第一组极板对被施加的反馈电压为第一反馈电压；
所述第二偏置电压根据所述第一偏置电压和第一反馈电压确定。
3.根据权利要求1所述的静电加速度计，其特征在于，所述第二组极板对被施加的反馈电压为第二反馈电压；
所述第三偏置电压根据所述第一偏置电压和第二反馈电压确定。
4.根据权利要求1所述的静电加速度计，其特征在于，所述第三组极板对被施加的反馈电压为第三反馈电压；
所述第四偏置电压根据所述第一偏置电压和第三反馈电压确定。
5.根据权利要求2至4任一项所述的静电加速度计，其特征在于，所述第一组极板对至第三组极板对上被施加的反馈电压用于将所述检验质量拉回零位。
6.一种应用于权利要求1至5任一项所述的静电加速度计的三轴量程独立调整方法，其特征在于，包括：
向静电加速度计各轴的极板对分别施加偏置电压；
通过调节各轴极板对上的偏置电压独立调整静电加速度计各轴的量程。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，施加在各轴极板上偏置电压分别由所述检验质量上偏置电压和各轴极板上的反馈电压确定。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述各轴极板上的反馈电压用于将所述检验质量拉回零位。
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