一种自由度解耦的静电加速度计

本发明属于加速度传感测试领域，更具体地，涉及一种自由度解耦的静电加速度计。

背景技术：

1、加速度计是测量物体加速度的惯性仪表。加速度计的测量原理基于牛顿第二定律，即作用于质量为m的物体上的力f将使该物体产生大小为a＝f/m的加速度。

2、为保证有足够的测量带宽，加速度计通常设计成具有伺服控制功能。其中，静电反馈加速度计的工作原理是：通过和飞船固联的电容极板测试检验质量块的位置，经由静电执行机产生合适的静电力(力矩)使检验质量块稳定在极板中间的平衡位置上。质量块和外界载体相对静止，即静电执行机产生的加速度和飞船加速度保持一致，最终可通过该静电执行机的相关数据(电压或电流等)获得加速度信息。而静电反馈力是由施加在质量块上的偏置电压以及极板上的反馈电压产生。

3、作为惯性系统的核心设备，不同的服务目的使得对加速度计性能具有不同的要求。(1)降低加速度计的功耗；(2)加速度具有自动优化分辨率的功能。基于以上目标，一方面对器件的选型与数量提出更高的要求；另一方面，考虑改变加速度计中的敏感单元，从而优化电子学系统的设计。静电执行机作为惯性传感器中保持质量块处于平衡位置的核心一环，通常情况下，加速度计的偏置电压往往是固定或者设置为特定档位进行量程切换，而偏置电压是通过导电金丝施加到检验质量块上，从而使得加速度计六轴的量程同时改变。在该方法下，加速度计的六轴的量程无法相互独立。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种自由度解耦的静电加速度计，旨在解决加速度计六轴的量程无法相互独立的问题，基于此，本发明提供的自由度解耦的静电加速度计还具有自动优化分辨率与降低加速度功耗的优点。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种自由度解耦的静电加速度计，包括：敏感探头、电容位移传感电路、反馈静电执行机、pid控制器、dac电路、偏置电压驱动器、数据采集单元和偏置电压计算控制单元；

3、其中，敏感探头包括电容极板和检验质量块；检验质量块的每一面均平行设置两块电容极板；电容位移传感电路的输入端连接电容极板，其输出端连接pid控制器；pid控制器的输出端连接反馈静电执行机；反馈静电执行机的输出与电容极板相连；偏置电压驱动器的输出端连接检验质量块；数据采集单元连接电容极板和反馈静电执行机；数据采集单元的输出端连接偏置电压计算控制单元；偏置电压计算控制单元的输出端连接偏置电压驱动器；检验质量块的六个面相互绝缘；

4、偏置电压驱动器用于输出三组偏置电压，分别为x、y、z方向的偏置电压；dac电路用于将偏置电压转换为模拟信号，将模拟偏置电压的正负幅值电压施加至检验质量块，以产生静电刚度调节检验质量块的位置；其中，检验质量块中两两对立的面上施加的偏置电压大小相等，正负相反，以使正对的电容极板上施加的反馈电压相同，实现独立调节x、y、z方向的偏置电压；电容位移传感电路用于测试检验质量块在敏感探头中的位置；pid控制器用于根据检验质量块的位置计算反馈电压对电容极板进行控制；反馈静电执行机用于将反馈电压施加到电容极板上以产生六个自由度的反馈力，使检验质量块处于平衡位置；偏置电压计算控制单元用于根据当前检验质量块的工作状态和外界输入加速度，分别计算x、y、z方向的偏置电压。

5、进一步优选地，检验质量块的材质为微晶玻璃底衬，表面镀金。

6、进一步优选地，在平衡点预设范围内，六个自由度的反馈力：

7、

8、

9、

10、

11、

12、

13、其中，d是电容极板和质量块之间的平衡间距，c0为检验质量块处于平衡位置时电容极板与质量块之间的电容，vb是偏置电压；vf1是施加在z1两块极板上的反馈电压，vf2是施加在z2两块极板上的反馈电压，vf3是施加在x1两块极板上的反馈电压，vf4是施加在x2两块极板上的反馈电压，vf5是施加在y1两块极板上的反馈电压，vf6是施加在y2两块极板上的反馈电压；fz-translation为检验质量块在z方向上所受的平动合力，fx-translation为检验质量块在x方向上所受的平动合力，fy-translation为检验质量块在y方向上所受的平动合力，trx-rotation为检验质量块在rx方向上所受的转动合力，try-rotation为检验质量块在ry方向上所受的转动合力，trz-rotation为检验质量块在rz方向上所受的转动合力；fz1+为z1+极板上施加的平动反馈力，fz1-为z1-极板上施加的平动反馈力，fz2+为z2+极板上施加的平动反馈力，fz2-为z2-极板上施加的平动反馈力；fx1+为x1+极板上施加的平动反馈力，fx1-为x1-极板上施加的平动反馈力，fx2+为x2+极板上施加的平动反馈力，fx2-为x2-极板上施加的平动反馈力；fy1+为y1+极板上施加的平动反馈力，fy1-为y1-极板上施加的平动反馈力，fy2+为y2+极板上施加的平动反馈力，fy2-为y2-极板上施加的平动反馈力；tz1+为z1+极板上施加的转动反馈力，tz1-为z1-极板上施加的转动反馈力，tz2+为z2+极板上施加的转动反馈力，tz2-为z2-极板上施加的转动反馈力；tx1+为x1+极板上施加的转动反馈力，tx1-为x1-极板上施加的转动反馈力，tx2+为x2+极板上施加的转动反馈力，tx2-为x2-极板上施加的转动反馈力；ty1+为y1+极板上施加的转动反馈力，ty1-为y1-极板上施加的转动反馈力，ty2+为y2+极板上施加的转动反馈力，ty2-为y2-极板上施加的转动反馈力。

14、另一方面，本发明提供了一种自由度解耦的静电加速度计，包括：敏感探头、电容位移传感电路、反馈静电执行机、pid控制器、dac电路和偏置电压驱动器；

15、其中，敏感探头包括电容极板和检验质量块；检验质量块的每一面均平行设置两块电容极板；电容位移传感电路的输入端连接电容极板，其输出端连接pid控制器；pid控制器的输出端连接反馈静电执行机；反馈静电执行机的输出与电容极板相连；偏置电压驱动器的输出端连接检验质量块；

16、检验质量块的六个面中共用一个顶点的三个面作为第一组面导通，另外三个面作为第二组面导通，第一组面和第二组面相互绝缘；

17、偏置电压驱动器用于输出一组偏置电压；dac电路用于将偏置电压转换为模拟信号，将模拟偏置电压的正负幅值电压施加至检验质量块，以产生静电刚度调节检验质量块的位置；其中，检验质量块中两两对立的面上施加的偏置电压大小相等且正负相反，以使正对的电容极板上施加的反馈电压相同；电容位移传感电路用于测试检验质量块在敏感探头中的位置；pid控制器用于根据检验质量块的位置计算反馈电压对电容极板进行控制；反馈静电执行机用于将反馈电压施加到电容极板上以产生平动反馈力和转动反馈力，使检验质量块处于平衡位置。

18、进一步优选地，静电加速度计还包括数据采集单元，连接电容极板和反馈静电执行机；用于采集静电执行机施加在电容极板上的电压信号，以获得平动反馈力和传动反馈力信息。

19、进一步优选地，检验质量块的材质为微晶玻璃底衬，表面镀金。

20、进一步优选地，在平衡点预设范围内，平动反馈力和转动反馈力为：

21、

22、

23、其中，d是电容极板和质量块之间的平衡间距，c0为检验质量块处于平衡位置时电容极板与质量块之间的电容，vb是偏置电压，vf1是施加在z1两块极板上的反馈电压，vf2是施加在z2两块极板上的反馈电压，ftranslation为检验质量块上所受的平动合力，fz1+为z1+极板上施加的平动反馈力，fz1-为z1-极板上施加的平动反馈力，fz2+为z2+极板上施加的平动反馈力，fz2-为z2-极板上施加的平动反馈力，trotation为检验质量块上所受的转动合力，tz1+为z1+极板上施加的转动反馈力，tz1-为z1-极板上施加的转动反馈力，tz2+为z2+极板上施加的转动反馈力，tz2-为z2-极板上施加的转动反馈力。

24、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下

25、有益效果：

26、本发明提供了一种自由度解耦的静电加速度计，自由度解耦的方法中，检验质量的六个面被分为绝缘的六个部分，每个面上分别施加不同的偏置电压，同一个方向上的检验质量块的两个面上加载的偏置电压大小相等、正负相反。在这种方式下，同一方向上的正负两块电容极板上施加相同的反馈电压，相邻两块极板上施加的反馈电压的共模部分代表着检验质量块的平动信息，差模部分代表着检验质量块的转动信息。基于此，达到自由度解耦的目的。在这种设计下，加速度计将具有解耦的能力。同时，因为检验质量块上六个面均施加不同的偏置电压，且可通过偏置电压控制器计算最优的偏置电压大小，从而达到改变加速度量程，自动优化分辨率的目的。在本发明中，存在以特例。当检验质量上施加的偏置电压的大小均相等时，同样具有解耦的能力，相较之六个面绝缘的方案，该特例具有降低加速度计整体功耗的优点，该优点对于星际航行中控制加速度计功耗具有非同寻常的作用。