一种提高静电悬浮加速度计标度因数一致性的设计方法
阅读说明：本技术 一种提高静电悬浮加速度计标度因数一致性的设计方法 (Design method for improving scale factor consistency of electrostatic suspension accelerometer ) 是由 周颖 雷军刚 王佐磊 徐恒通 李云鹏 席东学 王鹢 王大年 王健 于 2021-10-18 设计创作，主要内容包括：本申请涉及空间环境探测技术领域,具体而言,涉及一种提高静电悬浮加速度计标度因数一致性的设计方法,包括如下步骤：步骤1：设计制作出传感器A和传感器B；步骤2：将传感器A和传感器B放置于统一的精密温控装置内；步骤3：向传感器A和传感器B的检验质量块施加同一个偏置电压Vp；步骤4：采用低温度系数、低漂移的精密金属箔电阻构成的精密分压电路A和精密分压电路B以及低漂移精密运算放大器和低漂移高精度模数变换器构成的读出电路A和读出电路B；步骤5：根据公式可以计算得出静电悬浮加速度计的标度因数K1。本申请实现并保持同一探测系统内多台静电悬浮加速度计标度因数的高一致性,提高了探测系统的分辨率。(The application relates to the technical field of space environment detection, in particular to a design method for improving scale factor consistency of an electrostatic suspension accelerometer, which comprises the following steps: step 1: designing and manufacturing a sensor A and a sensor B; step 2: placing a sensor A and a sensor B in a uniform precise temperature control device; and step 3: applying the same bias voltage Vp to the proof masses of sensor A and sensor B; and 4, step 4: a precise voltage division circuit A and a precise voltage division circuit B which are formed by low-temperature coefficient and low-drift precise metal foil resistors, and a reading circuit A and a reading circuit B which are formed by a low-drift precise operational amplifier and a low-drift high-precision analog-to-digital converter are adopted; and 5: the scaling factor K1 of the electrostatic suspension accelerometer can be calculated according to a formula. The method and the device realize and keep high consistency of the scale factors of the multiple electrostatic suspension accelerometers in the same detection system, and improve the resolution of the detection system.)
技术领域
本申请涉及空间环境探测技术领域，具体而言，涉及一种提高静电悬浮加速度计标度因数一致性的设计方法。
背景技术
静电悬浮加速度计是一种适用于空间微加速度测量的高精度探测仪器，其测量原理为采用悬浮在电极笼中心的检验质量块敏感外界微加速度，通过精确测量检验质量块与周围电极笼构成的差分电容变化，获取到检验质量块相对电极笼中心的微小位移，并根据测量到的微小位移信号，通过电极笼上的极板向检验质量块施加静电反馈控制，使检验质量块始终稳定在电极笼中心。在这种情况下，通过测量反馈电压即可反映外界微加速度的大小。外界加速度与反馈电压在线性测量范围内的比值，即为静电悬浮加速度计的标度因数。
静电悬浮加速度计技术在卫星重力场测量、航天器精密定轨、航天器无拖曳控制、空间引力波探测等领域具有重要用途，而在采用卫星重力梯度测量方法等需要多台静电悬浮加速度计进行差分测量的应用中，实现并保持同一探测系统内多台静电悬浮加速度计标度因数的一致性，可以降低差分测量数据的系统误差，提高系统的探测性能稳定性，对提高探测分辨率具有重要意义。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种提高静电悬浮加速度计标度因数一致性的设计方法，实现并保持同一探测系统内多台静电悬浮加速度计标度因数的高一致性，提高探测系统的分辨率。
为了实现上述目的，本申请提供了一种提高静电悬浮加速度计标度因数一致性的设计方法，包括如下步骤：步骤1：设计传感器，对不同传感器的检验质量块、电极笼和电极选用同样的材料，并采用相同的外形尺寸设计，设计制作出传感器A和传感器B；步骤2：将传感器A和传感器B放置于统一的精密温控装置内，保证传感器A和传感器B的环境温度及其变化历程相同；步骤3：向传感器A和传感器B的检验质量块施加同一个偏置电压Vp；步骤4：从传感器A和传感器B的电极取出静电反馈电压，采用低温度系数、低漂移的精密金属箔电阻构成的精密分压电路A和精密分压电路B，并采用低漂移精密运算放大器和低漂移高精度模数变换器构成的读出电路A和读出电路B；步骤5：通过步骤1-4能够精确控制影响静电悬浮加速度计标度因数的主要参数，根据公式可以计算得出静电悬浮加速度计的标度因数K1。
进一步的，步骤1中，对不同传感器的检验质量块的质量m、电极的面积 S和电容间距d进行精确测量，保证不同传感器的电极间距d的一致性。
进一步的，步骤3中，在传感器调试过程中，向传感器A和传感器B的检验质量块施加同一个偏置电压Vp，并对偏置电压Vp进行精确测量。
进一步的，在步骤4中，根据公式计算得出传感器A和传感器B的物理增益Gp。
进一步的，在步骤4中，根据物理增益Gp的误差对精密分压电路A和精密分压电路B的分压比例Kr进行微调。
进一步的，物理增益Gp按如下公式进行计算：
ε0为真空介电常数。
进一步的，静电悬浮加速度计的标度因数K1按如下公式进行计算：
本发明提供的一种提高静电悬浮加速度计标度因数一致性的设计方法，具有以下有益效果：
本申请实现了对影响静电悬浮加速度计标度因数的主要参数一致性的精确控制，提高了不同静电悬浮加速度计的标度因数的一致性，在不同传感器之间共用偏置电压Vp，对传感器进行统一环境的精密温度控制，约束传感器参数随时间和温度的变化，从而保证不同静电悬浮加速度计之间物理增益的长期一致性，同时采用精密电阻分压电路，以及由低漂移精密运算放大器和高精度模数变换器构成的读出电路，提高加速度信号读出电压的稳定性，通过对精密分压电路的分压比例Kr进行及精确标定微调，精确补偿因传感器制造误差引起的标度因数偏差。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例提供的静电悬浮加速度计传感器组成示意图；
图2是根据本申请实施例提供的一种提高静电悬浮加速度计标度因数一致性的设计方法的原理图；
图中：1-检验质量块、2-电极笼、3-电极、4-电极间距、5-传感器A、6- 传感器B、7-精密温控装置、8-偏置电压、9-精密分压电路A、10-精密分压电路B、11-低漂移运算放大器A、12-低漂移运算放大器B、13-加速度信号读出电压A、14-加速度信号读出电压B。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
如图1-2所示，本申请提供了一种提高静电悬浮加速度计标度因数一致性的设计方法，包括如下步骤：步骤1：设计传感器，对不同传感器的检验质量块1、电极笼2和电极3选用同样的材料，并采用相同的外形尺寸设计，设计制作出传感器A5和传感器B6；步骤2：将传感器A5和传感器B6放置于统一的精密温控装置7内，保证传感器A5和传感器B6的环境温度及其变化历程相同；步骤3：向传感器A5和传感器B6的检验质量块1施加同一个偏置电压8Vp；步骤4：从传感器A5和传感器B6的电极3取出静电反馈电压，采用低温度系数、低漂移的精密金属箔电阻构成的精密分压电路A9和精密分压电路B10，并采用低漂移精密运算放大器(低漂移运算放大器A11和低漂移运算放大器B12)和低漂移高精度模数变换器构成的读出电路A和读出电路B；步骤5：通过步骤1-4能够精确控制影响静电悬浮加速度计标度因数的主要参数，根据公式可以计算得出静电悬浮加速度计的标度因数K1。
具体的，本申请主要对影响静电悬浮加速度计标度因数的主要参数的一致性进行精确控制，从而实现不同静电悬浮加速度计的标度因数的初始和长期一致性。其中，步骤1对不同传感器的检验质量块1、电极笼2和电极3选用同样的材料，并采用相同的外形尺寸设计，通过精密机械加工和光学加工工艺精确控制外形加工误差，实现不同传感器的检验质量块1的质量m和电极3的面积S的一致性，并且在洁净环境下进行传感器的精密组装，精确控制检验质量块1与电极3之间的电极间距4d，设计制作出传感器A5和传感器B6，实现不同传感器的电极间距4的一致性，通过上述步骤保证了不同静电悬浮加速度计的传感器与标度因数相关参数的一致性；步骤2中，将传感器A5和传感器B6放置于统一的精密温控装置7内，保证传感器A5和传感器B6的环境温度及其变化历程相同，从而实现不同传感器的电极3面积S和电极间距4d具有长期一致性；步骤3中，向传感器A5和传感器B6的检验质量块1施加同一个偏置电压8Vp，从而实现不同传感器的偏置电压8Vp具有长期一致性；步骤4中，从传感器A5和传感器B6的电极3取出静电反馈电压，采用低温度系数、低漂移的精密金属箔电阻构成精密分压电路A9和精密分压电路B10，并采用低漂移精密运算放大器(低漂移运算放大器A11和低漂移运算放大器 B12)和低漂移高精度模数变换器构成的读出电路A和读出电路B，提高了加速度信号读出电压A13和加速度信号读出电压B14的稳定性；步骤5中，通过步骤1-4中的设计，能够精确控制影响静电悬浮加速度计标度因数的主要参数，从而实现不同静电悬浮加速度计的标度因数的初始和长期一致性。
进一步的，步骤1中，对不同传感器的检验质量块1的质量m、电极3 的面积S和电容间距d进行精确测量，保证不同传感器的电极间距4d的一致性。
进一步的，步骤3中，在传感器调试过程中，向传感器A5和传感器B6 的检验质量块1施加同一个偏置电压8Vp，并对偏置电压8Vp进行精确测量。在现有的一般实验设计中，对不同传感器的检验质量块采用各自独立的偏置电压，一致性比较难调节，而在本申请实施例中，对不同的传感器施加同一个偏置电压，能够实现不同传感器的偏置电压8Vp具有长期一致性。此外，在传感器调试过程中对偏置电压8Vp进行精确测量，主要为了准确计算不同传感器的物理增益Gp，从而有利于对Kr进行精确的标定和微调，最终获得一致性好的标度因数。
进一步的，在步骤4中，根据公式计算得出传感器A5和传感器B6的物理增益Gp。物理增益Gp主要反映了静电悬浮加速度计传感器的静电反馈电压分压对外界加速度的灵敏程度。
进一步的，在步骤4中，根据物理增益Gp的误差对精密分压电路A9和精密分压电路B10的分压比例Kr进行微调。通过对分压比例Kr的微调，可以对因传感器制造误差及组装误差引起的标度因数偏差进行精确补偿。
进一步的，物理增益Gp按如下公式进行计算：
ε0为真空介电常数。
进一步的，静电悬浮加速度计的标度因数K1按如下公式进行计算：
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
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