静电悬浮式电容差分加速度计测量原理与动特性设计

　　随着科技的不断进步,各个科研和工程领域对传统的加速度计提出了很多极具挑战性的要求。其中一种趋势就是研制可以测量低频信号的具有较高精度和分辨率,同时具有较小量程和体积的加速度计。这类加速度计在测定重力场信息、惯性导航、大地勘探等领域中都具有广阔的前景。静电悬浮式电容差分加速度计是目前世界上精度最高,理论最完善的一种先进加速度计。由欧空局研制的ASTRE加速度计和法国ONEAR研制的GRADIO加速度计是最具代表性的成功研制的静电悬浮式电容差分加速度计,并分别展示了此类加速度计在重力探测中的卓越性能[1]。静电悬浮式电容差分加速度计也已引起了国内研究人员的关注,但对于这类加速度计的相关研究还处于起步阶段。

　　1　电容差分式加速度计原理设计

　　1.1　测量原理

　　电容差分式加速度计的概念设计图如图1中所示。机械部分的检测质量块在微重力环境下可以通过在极板上施加偏置电压,从而使得极板间产生静电力,这种静电力可以使得检测质量块处于静电悬浮状态[2]。然而,在实际的地面验证实验中,如果要克服重力场和其它扰动因素实现静电悬浮,必须在极板上施加相当大的偏置电压,这个偏置电压足以把电容极板击穿。所以在地面实验中,可以用细线悬挂的方法来模拟静电悬浮。当有加速度输入时,机械部分可以感应输入加速度,电路部分将感应到的加速度信号转换为电压信号,再放大电压信号后产生正负反馈电压,反馈电压作用在固定极板上又产生静电反馈力,该力的方向与输入加速度信号的方向相反,力的大小与输入加速度大小有相应的关系。通过测量反馈电压的大小就可以知道输入加速度的大小[3, 4]。

　　当只有高频激励电压Vm作用于检测质量块时,检测质量块与两块固定极板间的距离相等,均为d,电容极板间的有效面积为S,固定极板与检测质量块之间形成两个电容,分别记为

　　其中ε0和εr分别表示绝对介电常数和相对介电常数。

　　两个定值电容取为与C1,C2的原始值相等,记为C3,C4。此时C1,C2,C3,C4与高频激励电压Vm形成电容电桥。如外界有一个向下的输入加速度a时,检测质量块将沿着反方向即向上发生一个小位移Δd,C1,C2随之发生变化:

　　则BD间形成一个电位差VBD,大小为:

　　通过选取不同的R1,R2,R3,R4,可以调节放大电压的倍数A,再经比例积分电路后输出两个大小相同,符号相反的电压,其绝对值大小为:

　　该输出电压作为负反馈作用于两块固定极板上,与偏置电压Vp共同作用产生一组静电反馈力,该力的方向与检测质量块的移动方向相反;当放大倍数A足够大,而检测质量块的位移量足够小时,反馈力大小为: