一种基于差分电容的扭摆测试装置、扭摆解耦读取方法

1.本发明涉及扭摆测试技术领域，更具体地，涉及一种基于差分电容的扭摆测试装置、扭摆解耦读取方法。


背景技术：

2.随着人类空间科学活动的不断增多，宇宙空间中的飞行器越来越多，结构越来越复杂，对飞行器性能的要求越来越高。作为为空间飞行器提供动力的推进器，高精密的空间科学实验对其提出了“提供分辨率达到微牛顿量级推力”的要求。高精度的推力测量装置用于对微推进器的性能进行地面测试和评估，包括对推进器产生微推力的分辨率、推力范围和微推力动态性能等进行精确测量，以更大程度地保证空间实验的成功率和准确性。因此，精密微推力测量装置在微推进器的研发过程中扮演了至关重要的作用。
3.基于精密扭秤研制的扭丝悬挂扭摆测试装置，能够对微小弱力(力矩)进行精确测量，在静态引力实验、地球物理勘探等高精密领域得到了广泛的应用。如公开号为cn107091705a(公开日2017
‑
08
‑
25)提出的一种微推力测量方法及装置。然而，悬挂式扭摆结构在测试中伴随有平动位移信号，且同时成为待测量被扭摆测试装置检测到，这将会加大扭摆测试装置的测试噪声，降低测试信噪比，最终将影响到测试精度。


技术实现要素：

4.本发明为克服上述现有技术所述的悬挂式扭摆结构在测试中产生的平动位移信号和扭转位移信号的耦合影响测试精度的缺陷，提供一种基于差分电容的扭摆测试装置，以及一种基于差分电容的扭摆解耦读取方法。
5.为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
6.一种基于差分电容的扭摆测试装置，包括：
7.扭摆结构，用于接收外置推进器产生的微推力；
8.第一位移检测单元，用于检测所述扭摆结构的第一位移信号s1；所述第一位移检测单元设置在所述扭摆结构的一端，包括第一电容极板和第二电容极板，所述第一电容极板、第二电容极板分别设置在所述扭摆结构一端的上下两侧且与所述扭摆结构有一定间距；
9.第二位移检测单元，用于检测所述扭摆结构1的第二位移信号s2；所述第二位移检测单元设置在所述扭摆结构的另一端，包括第三电容极板、第四电容极板，所述第三电容极板、第四电容极板分别设置在所述扭摆结构另一端的上下两侧且与所述扭摆结构有一定间距；
10.处理单元，与所述扭摆结构、第一位移检测单元和第二位移检测单元连接，用于通过对所述第一位移信号s1和所述第二位移信号s2，的处理，将所述扭摆结构产生的转动位移信号和平动位移信号解耦得到转动位移信号和/或平动位移信号。
11.作为优选方案，所述扭摆结构包括摆、固定架、连接于摆和固定架之间的悬丝；所
述第一位移检测单元设置在摆的一端，所述第二位移检测单元设置在摆的另一端。
12.作为优选方案，所述第一电容极板设置在所述摆一端上侧面的上方，所述第二电容极板设置在所述摆一端下侧面的下方；所述第三电容极板设置在所述摆另一端上侧面的上方，所述第四电容极板设置在所述摆另一端下侧面的下方；所述摆的两端且于所述第一电容极板、第二电容极板、第三电容极板、第四电容极板投影位置镀有金属层；所述金属层与所述处理单元电连接。
13.作为优选方案，所述处理单元包括电荷放大电路。
14.作为优选方案，所述第一电容极板、第二电容极板、第三电容极板、第四电容极板的表面镀有金属层。
15.作为优选方案，所述固定架包括真空容器内部的固定连接件。
16.本发明还提出了一种基于差分电容的扭摆解耦读取方法，应用于上述任一技术方案提出的基于差分电容的扭摆测试装置，包括以下步骤：当外界力信号作用到扭摆结构时，所述扭摆结构上搭载的第一位移检测单元、第二位移检测单元分别产生第一位移信号s1和第二位移信号s2；将所述第一位移信号s1和第二位移信号s2进行处理，将所述扭摆结构产生的转动位移信号和平动位移信号解耦得到经过噪声抑制的转动位移信号和/或平动位移信号。
17.作为优选方案，当需要抑制平动位移信号x时，将第一电容极板、第三电容极板的导电端输入载波信号+vp，第二电容极板、第四电容极板的导电端输入载波信号
‑
vp；当需要抑制转动位移信号y时，将第一电容极板、第四电容极板的导电端输入载波信号+vp，第二电容极板、第三电容极板的导电端输入载波信号
‑
vp。
18.作为优选方案，所述经过噪声抑制的转动位移信号的处理步骤包括：
19.计算所述第一位移信号s1，其表达公式如下：
20.s1＝c2‑
c1＝2
·
ε
·
s
·
(y
‑
x)/d
02
21.计算所述第二位移信号s2，其表达公式如下：
22.s2＝c4‑
c3＝2
·
ε
·
s
·
(y+x)/d
02
23.式中，ε为极板间的介电常数，s为极板间正对面积，d0为第一电容极板、第二电容极板、第三电容极板、第四电容极板与摆的间距；y为转动位移信号，x为平动位移信号；
24.将所述第一位移检测单元和第二位移检测单元输出的信号共同输入至处理单元后，根据电路检测原理，可得：
25.‑
vo
·
c
f
·
s＝vp
·
(c1‑
c2)
·
s+vp
·
(c3‑
c4)
·
s
26.联立上述公式即可得到抑制平动位移信号后的输出信号vo，其表达公式如下：
27.vo＝(4
·
ε
·
s
·
vp/(c
f
·
d
02
))
·
y
28.式中，输出信号vo即为抑制平动位移信号后的转动位移信号。
29.作为优选方案，所述经过噪声抑制的平动位移信号的处理步骤包括：
30.将所述第一位移检测单元和第二位移检测单元输出的信号共同输入至处理单元后，根据电路检测原理，可得：
31.‑
vo
·
c
f
·
s＝vp
·
(c1‑
c2)
·
s+vp
·
(c4‑
c3)
·
s
32.由上述公式即可得到抑制转动位移信号后的输出信号vo，其表达公式如下：
33.vo＝(4
·
ε
·
s
·
vp/(c
f
·
d
02
))
·
x
34.式中，输出信号vo即为抑制转动位移信号后的平动位移信号。
35.与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明通过采用由第一电容极板、第二电容极板、第三电容极板、第四电容极板组成的电容位移传感器作为位移检测单元，并分别对其加入差分载波，进一步调节载波正负，第一位移检测单元、第二位移检测单元分别产生第一位移信号s1和第二位移信号s2，通过处理单元将第一位移信号s1和第二位移信号s2解耦处理得到经过噪声抑制的转动位移信号和/或平动位移信号，能够有效提高扭摆测试精度。
附图说明
36.图1为实施例1的基于差分电容的扭摆测试装置的结构示意图。
37.图2为实施例1的扭摆结构的结构示意图。
38.图3为实施例1中抑制平动位移信号x产生的噪声的扭摆测试装置的结构示意图。
39.图4为实施例1的扭摆结构的转动示意图。
40.图5为实施例1中抑制扭转信号y产生的噪声的扭摆测试装置的结构示意图。
41.图6为实施例2的基于差分电容的扭摆解耦读取方法的流程图。
42.其中，1
‑
扭摆结构，101
‑
摆，102
‑
固定架，103
‑
悬丝，2
‑
第一位移检测单元，201
‑
第一电容极板，202
‑
第二电容极板，3
‑
第二位移检测单元，301
‑
第三电容极板，302
‑
第四电容极板，4
‑
处理单元，401
‑
电荷放大电路，5金属层。
具体实施方式
43.附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
44.为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
45.对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
46.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
47.实施例1
48.本实施例提出一种基于差分电容的扭摆测试装置，如图1～4所示，为本实施例的基于差分电容的扭摆测试装置及扭摆结构的结构示意图。
49.本实施例提出的基于差分电容的扭摆测试装置中，包括扭摆结构1、第一位移检测单元2、第二位移检测单元3、处理单元4，其中：
50.所述扭摆结构1用于接收外置推进器产生的微推力；
51.所述第一位移检测单元2用于检测所述扭摆结构1的第一位移信号s1；所述第一位移检测单元2设置在所述扭摆结构1的一端，包括第一电容极板201和第二电容极板202，所述第一电容极板201、第二电容极板202分别设置在所述扭摆结构1一端的上下两侧且与所述扭摆结构1有一定间距；
52.所述第二位移检测单元3用于检测所述扭摆结构1的第二位移信号s2；所述第二位移检测单元3设置在所述扭摆结构1的另一端，包括第三电容极板301、第四电容极板302，所述第三电容极板301、第四电容极板302分别设置在所述扭摆结构1另一端的上下两侧且与
66.即s1＝c2‑
c1＝2
·
ε
·
s
·
(y
‑
x)/d
02
67.同理，第二位移检测单元3输出第二差分电容信号s2为：
68.c4‑
c3＝2
·
ε
·
s
·
(y+x)/d
02
69.第一位移检测单元2和第二位移检测单元3输出的信号共同输入至处理单元4后，根据电路检测原理，可得：
70.‑
vo
·
c
f
·
s＝vp
·
(c1‑
c2)
·
s+vp
·
(c3‑
c4)
·
s
71.联立上述公式即可得到电荷放大电路的输出信号：
72.vo＝(4
·
ε
·
s
·
vp/(c
f
·
d
02
))
·
y
73.上述电荷放大电路的输出信号即为通过本实施例得到的抑制平动位移信号x后得到的输出信号。
74.需要说明的是，第一电容极板201、第三电容极板301的导电端输入了载波信号+vp，第二电容极板202、第四电容极板302的导电端输入了载波信号
‑
vp。
75.为扩充本发明的实施方案，在另一实施例中，如果想要抑制扭转信号y产生的噪声，也可以通过本发明实施方案进行抑制。如图5所示，为抑制扭转信号y产生的噪声的扭摆测试装置的结构示意图。将第一电容极板201、第四电容极板302的导电端输入载波信号+vp，第二电容极板202、第三电容极板301的导电端输入载波信号
‑
vp。此时电荷放大电路401的处理方程为：
76.‑
vo
·
c
f
·
s＝vp
·
(c1‑
c2)
·
s+vp
·
(c4‑
c3)
·
s
77.最终，得到电荷放大电路401的输出信号为：
78.vo＝(4
·
ε
·
s
·
vp/(c
f
·
d
02
))
·
x
79.上述电荷放大电路的输出信号即为通过本实施例得到的抑制转动位移信号y后得到的输出信号。
80.此外，在本实施例中，摆101采用陶瓷、铝等材料；悬丝103采用石英、钨等材料，此外，摆101、悬丝103的材料选取根据实际实施需求进行选择，悬丝103的直径、长度的设计，以及摆101的长度和质量的设计同样根据实际实施需求进行设计。
81.本实施例中的固定架102为与光学平台固连的支架，或采用铝、铁材质制成的支架，此外，还可以采用真空容器内部的固定连接件作为固定架102。
82.本实施例中的第一位移检测单元2、第二位移检测单元3分别采用由第一电容极板201、第二电容极板202、第三电容极板301、第四电容极板302组成的电容位移传感器，通过将位移信号转化为电容信号，进而转换为电压信号，再根据位移信号与电压信号之间的换算关系，将所述扭摆结构1产生的转动位移信号和平动位移信号解耦得到转动位移信号和/或平动位移信号。
83.实施例2
84.本实施例提出一种基于差分电容的扭摆解耦读取方法，应用实施例1提出的基于差分电容的扭摆测试装置，如图6所示，为本实施例的基于差分电容的扭摆解耦读取方法的流程图。
85.本实施例提出的基于差分电容的扭摆解耦读取方法中，包括以下步骤：
86.s1：当外界力信号作用到扭摆结构1时，所述扭摆结构1上搭载的第一位移检测单元2、第二位移检测单元3分别产生第一位移信号s1和第二位移信号s2；
87.s2：将所述第一位移信号s1和第二位移信号s2进行处理，将所述扭摆结构1产生的转动位移信号和平动位移信号解耦得到经过噪声抑制的转动位移信号和/或平动位移信号。
88.本实施例中，当需要抑制平动位移信号x时，将第一电容极板201、第三电容极板301的导电端输入载波信号+vp，第二电容极板202、第四电容极板302的导电端输入载波信号
‑
vp。
89.此时，对信号的处理步骤包括：
90.计算所述第一位移信号s1，其表达公式如下：
91.s1＝c2‑
c1＝2
·
ε
·
s
·
(y
‑
x)/d
02
92.计算所述第二位移信号s2，其表达公式如下：
93.s2＝c4‑
c3＝2
·
ε
·
s
·
(y+x)/d
02
94.式中，ε为极板间的介电常数，s为极板间正对面积，d0为第一电容极板201、第二电容极板202、第三电容极板301、第四电容极板302与摆101的间距；y为转动位移信号，x为平动位移信号；
95.将所述第一位移检测单元2和第二位移检测单元3输出的信号共同输入至处理单元4后，根据电路检测原理，可得：
96.‑
vo
·
c
f
·
s＝vp
·
(c1‑
c2)
·
s+vp
·
(c3‑
c4)
·
s
97.联立上述公式即可得到抑制平动位移信号后的输出信号vo，其表达公式如下：
98.vo＝(4
·
ε
·
s
·
vp/(c
f
·
d
02
))
·
y
99.式中，输出信号vo即为抑制平动位移信号后的转动位移信号。
100.当需要抑制转动位移信号y时，将第一电容极板201、第四电容极板302的导电端输入载波信号+vp，第二电容极板202、第三电容极板301的导电端输入载波信号
‑
vp。
101.此时，对信号的处理步骤包括：
102.计算所述第一位移信号s1、第二位移信号s2，将其共同输入至处理单元4后，根据电路检测原理，可得：
103.‑
vo
·
c
f
·
s＝vp
·
(c1‑
c2)
·
s+vp
·
(c4‑
c3)
·
s
104.最终，得到电荷放大电路401的输出信号为：
105.vo＝(4
·
ε
·
s
·
vp/(c
f
·
d
02
))
·
x
106.上述电荷放大电路的输出信号即为通过本实施例得到的抑制转动位移信号y后得到的输出信号。
107.相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
108.附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
109.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。