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静电悬浮加速度计检测线路设计及实验研究

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  1 引  言

  静电悬浮加速度计是依靠可控的静电力,将检测质量块无接触、无摩擦地悬浮在超高真空腔内,通过质量块的微小位移引起的电容变化来检测加速度。其突出优点是测量精度高,缺点是量程小、频带窄,容易发生高压击穿,适合测量缓变的微弱加速度,在空间微重力环境测量中具有较大的优势,因而在空间技术研究领域得到快速发展。国外已经研制成功的高精度静电悬浮加速度计系统有:美国研制的MACEK及MESA加速度计系统、欧空局(ESA)研制的ASTRE加速度计系统、法国ONERA公司研制的STAR系统及GRADIO加速度计系统等[1]。这些加速度计系统在研究大气阻力、太阳辐射压力、地球漫反射、电子推进器推力测量、高空地球重力场精密测量、卫星重力梯度测量等民用和军用领域发挥了重要作用[223]。国内对高灵敏度、高精度静电悬浮加速度计的研究尚处在起步阶段[425],空间技术研究院兰州物理所以及华中科技大学引力实验室都在研究静电悬浮加速度计。兰州物理所对高精度6自由度静电悬浮加速度计进行了敏感结构设计、热噪声分析、阻尼振动设计以及控制器设计,其理论设计量程为±12.5μg,灵敏度为1 ng,带宽为0.1 Hz。微小电容检测是静电悬浮加速度计的关键技术之一,本文针对静电三轴加速度计设计了检测线路,设计分辨率为1 fF。

  2 静电悬浮加速度计工作原理

  静电悬浮加速度计可以测量3个轴(x、y和z向)的线加速度,本文仅讨论1个x轴方向(见图1)Vd、Vp分别为高频激励和直流预载。当无加速度输入时,通过静电支承力使检测质量悬浮于机械零位,即质量块表面距相对两极板的距离相等(均为d0),此时电容C1和C2相等(均为C0)。当x正方向存在加速度输入时,检测质量沿与加速度相反的方向上发生微小位移Δd(Δdnd0),C1和  C2变化相反,差动电容可以表示为:

  

  微弱的加速度输入引起质量块的位移,通过电容检测电路转化成直流电压Vdc,通过控制电路改善加速度计在工作频带fs内的特性,控制电压通过功率放大电路反馈到定极板上形成闭环,质量块在反馈静电力作用下,重新回到机械零位,输出网络的输出电压Vout反映了加速度的大小和方向。

  3 微小电容检测电路

  图2为差动电容检测线路图[728],通过电流电桥,将缓变的差动电容转换成高频调幅信号,然后经过交流放大、同步相敏解调和低通滤波得到直流信号。

  

  3.1 变压器电流电桥等效模型

  在电流电桥中,CC0为桥路的隔直大电容,防止定极板上的直流预载和反馈电压窜入电流电桥,Cp和Cn为调平电容。设C′1和C′2分别为点A和B相对于点O的等效桥臂电容,即C′1=C1Cc0/(C1+Cc0)+Cp;C′2=C2Cc0/(C2+Cc0)+Cn,假设桥路本身对称,即Cp=Cn,桥路差动电容可表示为:

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