静电悬浮加速度计敏感结构

本申请涉及测量，特别是涉及静电悬浮加速度计敏感结构。

背景技术：

1、陀螺仪和加速度计是构成惯性导航系统的核心敏感元件。尽管陀螺仪的精度近些年来在不断地稳步提高，然而与之相配套的加速度计在稳定性和精度上都难以达到需求。特别是在船用高精度惯性导航系统、航空重力仪及重力梯度仪、高精度找北仪等领域上，要求匹配的加速度计精度应达到1×10-6g；此外，为满足导弹发射车、大地测量系统对发射地点的重力异常进行高精度的测量需求，需要相应地在惯性平台中应安装精度优于1×10-6g的加速度计作为重力敏感器，以满足重力异常的测量精度达到1mgal（1×10-6g）的要求。

2、静电加速度计是一种利用静电场力支承检测质量的加速度计，通过静电力非接触悬浮敏感质量，具有精度高、可靠性高、适用性好、高集成度的特点，可以同时测量载体三个正交方向的线加速度，单个仪表可实现惯导系统所需的三轴加速度计组件功能，是实现加速度计高精度的重要技术发展方向，在航天、航海、航空等领域的惯性导航及精密测量方面具有广阔的应景前景。

3、相关技术中，静电加速度计的支撑悬浮电压较高，导致测量误差较大。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对现有的静电加速度计存在的测量误差较大的问题，提供一种静电悬浮加速度计敏感结构。

2、一种静电悬浮加速度计敏感结构，所述静电悬浮加速度计敏感结构包括：

3、质量块，为空心的圆筒状；所述质量块内部设置有法兰盘，所述法兰盘的轴线与所述质量块的轴线共线；

4、外表面电极，沿所述质量块的径向间隔设置于所述质量块的外侧；所述外表面电极包括沿所述质量块的周向间隔设置的第一外电极板和第二外电极板，所述第一外电极板用于检测所述质量块沿第一方向的位移；所述第二外电极板用于检测所述质量块沿第二方向的位移；

5、内表面电极，沿所述质量块的径向间隔设置于所述质量块的内侧；所述内表面电极包括沿所述质量块的周向间隔设置的第一内电极板和第二内电极板，所述第一内电极板用于检测所述质量块以所述第一方向为轴线旋转的角度；所述第二内电极板用于检测所述质量块以所述第二方向为轴线旋转的角度；

6、第三电极板，沿所述质量块的径向间隔设置于所述质量块的内侧，所述第三电极板用于检测所述质量块沿轴向的位移。

7、在其中一个实施例中，沿所述质量块的径向，所述第三电极板位于所述内表面电极的内侧。

8、在其中一个实施例中，所述第一外电极板包括偶数个，多个所述第一外电极板沿所述质量块的周向间隔设置。

9、在其中一个实施例中，所述第二外电极板包括偶数个，多个所述第二外电极板沿所述质量块的周向间隔设置，且所述第二外电极板与所述第一外电极板沿所述质量块的周向交替设置。

10、在其中一个实施例中，沿所述质量块的径向，相对的两个所述第一外电极板施加的电压的符号相反；相对的两个所述第二外电极板施加的电压符号相反。

11、在其中一个实施例中，所述第一内电极板包括两对，两对所述第一内电极板沿所述质量块的周向间隔设置；同一对中的多个所述第一内电极板沿所述质量块的轴向间隔设置。

12、在其中一个实施例中，所述第二内电极板包括两对，两对所述第二内电极板沿所述质量块的周向间隔设置；同一对中的多个所述第二内电极板沿所述质量块的轴向间隔设置。

13、在其中一个实施例中，沿所述质量块的径向，相对的两个所述第一内电极板施加的电压符号相反；

14、沿所述质量块的径向，相对的两个所述第二内电极板施加的电压符号相反。

15、在其中一个实施例中，所述第三电极板包括两个，两个所述第三电极板位于所述法兰盘沿自身轴向的两侧。

16、在其中一个实施例中，两个所述第三电极板施加的电压符号相反。

17、上述静电悬浮加速度计敏感结构，包括质量块、外表面电极、内表面电极和第三电极板。由于质量块为空心的圆筒状，使得外表面电极可以布置在质量块的外侧，内表面电极以及第三电极板可以布置在质量块的内侧，因而使得质量块的表面积质量比更高，相同的量程下所需要的支承电压更低，降低了电路噪声，使得静电加速度计的测量误差减小，测量精度提升；同时，各个电极能提供较大的支承力，从而扩大了静电悬浮加速度计敏感结构的量程，一定程度上解决了静电加速度计的大过载能力与高精度的矛盾。另外，通过将各电极分别布置在质量块的内侧和外侧，使得静电悬浮加速度计敏感结构的整体结构紧凑，能够实现多轴加速度的同步测量，测量的集成度较高，各轴的测量和控制的同步性较好实现，简化了测量及控制电路；质量块和电极为圆筒状的设计，使其更容易实现高加工精度，兼具大量程的同时能保证高的测量精度与分辨率。

技术特征：

1.一种静电悬浮加速度计敏感结构，其特征在于，所述静电悬浮加速度计敏感结构包括：

2.根据权利要求1所述的静电悬浮加速度计敏感结构，其特征在于，沿所述质量块（100）的径向，所述第三电极板（410）位于所述内表面电极的内侧。

3.根据权利要求1所述的静电悬浮加速度计敏感结构，其特征在于，所述第一外电极板（210）包括偶数个，多个所述第一外电极板（210）沿所述质量块（100）的周向间隔设置。

4.根据权利要求3所述的静电悬浮加速度计敏感结构，其特征在于，所述第二外电极板（220）包括偶数个，多个所述第二外电极板（220）沿所述质量块（100）的周向间隔设置，且所述第二外电极板（220）与所述第一外电极板（210）沿所述质量块（100）的周向交替设置。

5.根据权利要求4所述的静电悬浮加速度计敏感结构，其特征在于，沿所述质量块（100）的径向，相对的两个所述第一外电极板（210）施加的电压的符号相反；相对的两个所述第二外电极板（220）施加的电压符号相反。

6.根据权利要求1所述的静电悬浮加速度计敏感结构，其特征在于，所述第一内电极板（310）包括两对，两对所述第一内电极板（310）沿所述质量块（100）的周向间隔设置；同一对中的多个所述第一内电极板（310）沿所述质量块（100）的轴向间隔设置。

7.根据权利要求6所述的静电悬浮加速度计敏感结构，其特征在于，所述第二内电极板（320）包括两对，两对所述第二内电极板（320）沿所述质量块（100）的周向间隔设置；同一对中的多个所述第二内电极板（320）沿所述质量块（100）的轴向间隔设置。

8.根据权利要求7所述的静电悬浮加速度计敏感结构，其特征在于，沿所述质量块（100）的径向，相对的两个所述第一内电极板（310）施加的电压符号相反；

9.根据权利要求1所述的静电悬浮加速度计敏感结构，其特征在于，所述第三电极板（410）包括两个，两个所述第三电极板（410）位于所述法兰盘（110）沿自身轴向的两侧。

10.根据权利要求9所述的静电悬浮加速度计敏感结构，其特征在于，两个所述第三电极板（410）施加的电压符号相反。

技术总结
本申请涉及一种静电悬浮加速度计敏感结构，包括质量块、外表面电极、内表面电极和第三电极板。由于质量块为空心的圆筒状，使得外表面电极可以布置在质量块的外侧，内表面电极以及第三电极板可以布置在质量块的内侧，使得质量块的表面积质量比更高，相同的量程下所需要的支承电压更低，降低了电路噪声，使其测量误差减小，测量精度提升；同时，各个电极能提供较大的支承力，从而扩大了静电悬浮加速度计敏感结构的量程，一定程度上解决了静电加速度计的大过载能力与高精度的矛盾。另外，静电悬浮加速度计敏感结构的整体结构紧凑，能够实现多轴加速度的同步测量，测量的集成度较高，各轴的测量和控制的同步性较好实现，简化了测量及控制电路。

技术研发人员：贺晓霞,刘涵潇
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：20240328
技术公布日：2024/10/31