CN113740929B - 一种空间惯性传感器的地面测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间惯性传感器的地面测试装置及方法，包括：真空容器、二级扭摆和悬丝张紧机构；二级扭摆包括：一级悬丝、秤杆、二级悬丝、检验质量块和配平质量块；悬丝张紧机构包括张紧悬丝；真空容器与地面刚性连接；二级扭摆中，秤杆通过一级悬丝与容器顶部连接，检验质量通过二级悬丝与秤杆一端连接，配平质量块与秤杆另一段端连接；悬丝张紧机构中，张紧悬丝与秤杆底部及张力调节机构连接，张力调节机构与真空容器底部连接；电容极板放置在位移调节装置上方并包围检验质量；本发明利用二级扭摆对水平方向地面振动不敏感的特性，抑制了地面振动耦合进入待测惯性传感器，同时通过引入扭摆张紧机构，进而获得更好的地面振动效应抑制效果。

Description

一种空间惯性传感器的地面测试装置及方法

技术领域

本发明属于空间惯性传感器领域，更具体地，涉及一种空间惯性传感器的地面测试装置及方法。

背景技术

高精度的空间惯性传感器在卫星重力测量、空间引力波探测等领域具有重要应用前景。基于电容位移传感与静电反馈控制的静电惯性传感器是其中的典型代表，这类惯性传感器的精度达到或优于10^-10m/s²，但是其量程也被限制在10^-5m/s²量级以下水平，远低于地表重力加速度，因此无法在地面正常工作。为了在地面对高精度空间惯性传感器开展研究与测试，目前常用的方案有高压悬浮与悬丝悬挂法，其中悬丝悬挂法是利用一根极细悬丝的张力来平衡重力，用悬挂检验质量绕悬丝的扭转运动模拟其在轨工作状态，进而对惯性传感器进行测试与评估。为了对惯性传感器的平动自由度进行模拟，通常将惯性传感器的检验质量与另一配平体构成秤杆结构，再将秤杆用悬丝悬挂起来，此时秤杆绕悬丝的扭转可以在小范围内模拟检验质量的平动。由于秤杆的摆动受到了重力回复刚度的限制，而其扭转运动仅受到悬丝回复扭矩的限制，前者的角频率比后者大了约4个数量级，因此低频地面振动噪声也会相应地被抑制4个数量级。更进一步地，检验质量也可以利用悬丝悬挂在秤杆上而构成二级扭摆，因此可以实现两个自由度的同步测试。

由于固体潮和地脉动的影响，地面存在固有的振动噪声，其水平约为10^-7m/s²，虽然扭秤结构能够在一定程度上抑制地面振动对惯性传感器的影响，但是抑制后的惯性传感器测试水平也仅为10^-11m/s²量级，仍然难以满足某些任务的需求，譬如空间引力波探测对惯性传感器噪声需求达到了10^-15m/s²量级。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种空间惯性传感器的地面测试装置及方法，旨在解决现有惯性传感器地面性能测试装置对地面振动的抑制效果差，无法满足需求的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种空间惯性传感器的地面测试装置，包括：置于真空容器内的二级扭摆、电容极板以及张紧机构，所述真空容器与地面刚性连接；

所述二级扭摆包括：一级悬丝、秤杆、配平质量块、二级悬丝、检验质量；

所述张紧机构包括：张紧悬丝；

所述一级悬丝的上端与真空容器的顶部连接，下端与秤杆连接；所述秤杆的一端连接二级悬丝的上端，另一端连接配平质量块；所述二级悬丝的下端连接检验质量；所述张紧悬丝的上端连接秤杆的底部，下端连接真空容器底部；所述一级悬丝和秤杆对应为扭秤；所述一级悬丝和二级悬丝的直径小于预设值，且所述张紧悬丝与秤杆的连接限制了扭秤在单摆方向的运动，导致扭秤的扭转刚度小于单摆刚度；

所述电容极板与真空容器底部连接，电容极板的上端面与检验质量的下端面正对；所述电容极板和检验质量为空间惯性传感器的核心敏感部件；

当所述二级扭摆处于静电力控制状态时，所述检验质量与电容极板间的静电负刚度大于一级悬丝和二级悬丝的扭转刚度，所述二级扭摆可以模拟惯性传感器的在轨状态；

当地面存在振动时，电容极板随地面振动，通过在电容极板上施加反馈电压，所述反馈电压对应产生的反馈静电力作用于检验质量，控制所述扭秤扭转使得检验质量随电容极板运动，抑制地面振动对惯性传感器性能测试的影响；通过记录的预设时间段内反馈电压的功率谱噪声评估惯性传感器的分辨率水平，以完成对空间惯性传感器的地面测试。

具体地，一级悬丝和二级悬丝的直径小于预设值指的是悬丝极细。

在一个可选的实施例中，所述一级悬丝与秤杆的连接点在秤杆的中间位置；

所述张紧悬丝与秤杆的连接点也在秤杆的中间位置。

在一个可选的实施例中，设所述一级悬丝的上端与真空容器顶部的连接点为第一连接点，张紧悬丝的下端与真空容器底部的连接点为第二连接点；

所述第二连接点位于第一连接点的正下方。

在一个可选的实施例中，所述张紧机构还包括：张力调节机构；

所述张紧悬丝的下端通过张力调节机构连接真空容器的底部；

所述张力调节机构用于调节张紧悬丝的张力大小。

在一个可选的实施例中，该装置还包括：位移调节装置；

所述电容极板通过位移调节装置与真空容器底部连接；

当所述二级扭摆处于自由扭转状态时，通过位移调节装置将电容极板移动到合适位置，使得电容极板的上端面与检验质量的下端面正对。

第二方面，本发明提供了一种空间惯性传感器的地面测试方法，包括如下步骤：

将二级扭摆、电容极板以及张紧机构置于真空容器内，所述真空容器与地面刚性连接；所述二级扭摆包括：一级悬丝、秤杆、配平质量块、二级悬丝、检验质量；所述张紧机构包括：张紧悬丝；所述一级悬丝的上端与真空容器的顶部连接，下端与秤杆连接；所述秤杆的一端连接二级悬丝的上端，另一端连接配平质量块；所述二级悬丝的下端连接检验质量；所述张紧悬丝的上端连接秤杆的底部，下端连接真空容器底部；所述一级悬丝和秤杆对应为扭秤；所述电容极板与真空容器底部连接，电容极板的上端面与检验质量的下端面正对；所述电容极板和检验质量为空间惯性传感器的核心敏感部件；

控制所述一级悬丝和二级悬丝的直径小于预设值，且所述张紧悬丝与秤杆的连接限制了扭秤在单摆方向的运动，导致扭秤的扭转刚度小于单摆刚度；当所述二级扭摆处于静电力控制状态时，所述检验质量与电容极板间的静电负刚度大于一级悬丝和二级悬丝的扭转刚度，所述二级扭摆可以模拟惯性传感器的在轨状态；

当地面存在振动时，电容极板随地面振动，在电容极板上施加反馈电压，所述反馈电压对应产生的反馈静电力作用于检验质量，控制所述扭秤扭转使得检验质量随电容极板运动，抑制地面振动对惯性传感器性能测试的影响；

通过记录的预设时间段内反馈电压的功率谱噪声评估惯性传感器的分辨率水平，以完成对空间惯性传感器的地面测试。

在一个可选的实施例中，所述一级悬丝与秤杆的连接点在秤杆的中间位置；

所述张紧悬丝与秤杆的连接点也在秤杆的中间位置。

在一个可选的实施例中，当所述二级扭摆处于自由扭转状态时，将电容极板移动到合适位置，使得电容极板的上端面与检验质量的下端面正对。

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，具有以下有益效果：

本发明提供一种空间惯性传感器的地面测试装置及方法，结构简单，容易实现；检验质量及配平质量块通过两级悬丝悬挂构成二级扭摆系统，能够很好地模拟惯性传感器在轨运行状态。

本发明提供一种空间惯性传感器的地面测试装置及方法，利用二级扭摆悬丝极低的扭转刚度和对称结构，实现了对地面振动噪声的有效抑制，同时引入悬丝张紧机构，进一步抑制秤杆的摆动，有效提升了二级扭摆的隔振能力，提高了空间惯性传感器地面测试水平，满足对惯性传感器分辨率进行测试的需求。

附图说明

图1是本发明实施例提供的空间惯性传感器地面测试装置的原理框图；

图2是本发明实施例提供的空间惯性传感器地面测试方法流程图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为真空容器、2为二级扭摆，21为一级悬丝，22为秤杆，23为二级悬丝，24为检验质量，25为配平质量块，3为张紧机构，31为张紧悬丝，32为张力调节机构，4为电容极板，5为位移调节装置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对空间惯性传感器的地面测试需求，本发明提供了一种空间惯性传感器地面测试装置及方法。装置采用二级悬丝悬挂方式，利用悬丝张力平衡检验质量受到的重力，在平动和扭转两个自由度上同时模拟惯性传感器的在轨工作状态；同时利用张紧一级悬丝的方法来提高秤杆摆动频率与扭转频率的比值，进一步抑制地面振动噪声对惯性传感器平动自由度的影响。

本发明提供了一种空间惯性传感器地面测试装置，包括：真空容器、二级扭摆和悬丝张紧机构三个部分；真空容器用于提供惯性传感器的高真空工作环境，并用于悬挂二级扭摆；二级扭摆包括一级悬丝、秤杆、二级悬丝、检验质量块和配平质量块，其中秤杆通过其中心上方的一级悬丝悬挂在真空容器顶部，检验质量块通过其中心上方的二级悬丝悬挂在秤杆一端，配平质量则连接或者悬挂在秤杆的另一端用于保持秤杆的水平；悬丝张紧机构包括张紧悬丝与张力调节机构，张紧悬丝连接于秤杆底部中心位置与张力调节机构，且与二级扭摆的一级悬丝共轴，张力调节机构与真空容器底部连接，用于调节张紧悬丝的张力大小。

该发明装置中检验质量在平动方向的相对电容极板的运动主要依赖于一级悬丝的扭转角度及电容极板对其施加的静电力，由于一级悬丝和二级悬丝的扭转刚度远小于电容极板与检验质量间的静电负刚度，因此该装置可以有效地模拟惯性传感器在一个平动方向和一个转动向的在轨运动状态。

更进一步地，在固定于地面的电容极板参考系中，电容极板受到地面振动的影响，可认为扭秤在惯性力作用下产生运动，使检验质量偏离极板框架，此时电容极板施加静电力使扭秤适当扭转，从而使检验质量与电容极板保持相对静止，由于扭丝扭转刚度远小于单摆刚度，反馈控制静电力只需要与悬丝扭转回复力平衡，从而有效抑制了地面振动对惯性传感器测试的影响。

更进一步地，张紧悬丝用于限制扭秤在单摆方向的运动，电容极板产生的反馈控制静电力施加在检验质量上后，仅仅通过扭秤的扭转实现检验质量对极板的跟随运动，从而进一步抑制了地面振动对惯性传感器测试的影响。

更进一步地，所述真空容器具有电磁屏蔽效果，内部可维持高真空状态，从而减少了温度、磁场、气体分子阻尼等环境扰动的影响。

图1示出了本发明实施例提供的一种惯性传感器地面测试装置的原理框图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，具体包括：真空容器1，二级扭摆2，一级悬丝21，秤杆22，二级悬丝23，惯性传感器检验质量24，配平质量块25，张紧机构3，张紧悬丝31，张力调节机构32，电容极板4，位移调节装置5；真空容器1与地面刚性连接，因此真空容器与地面同步振动；一级悬丝21上端与与真空容器1的内部顶端连接，下端与秤杆22上方中心位置连接，平衡扭秤整体受到的重力，二级悬丝23上端与秤杆22左端连接，下端与惯性传感器检验质量24上方中心位置连接；配平质量块25与秤杆22右端连接，使扭秤对称保持水平；张紧悬丝31上端与秤杆22底部中心位置连接，下端与真空容器1内的底部连接，从而能够抑制二级扭摆在两个方向的摆动；电容极板4放置在位移调节装置5上方，位移调节装置5放置在真空容器1内的底部，当二级扭摆22处于自由扭转状态时，通过调节位移调节装置5将电容极板4移动到合适位置，使得惯性传感器检验质量24尽量位于电容极板4的中心位置，利于实现检验质量的静电控制状态。

当二级扭摆2处于静电控制状态时，由于一级悬丝和二级悬丝很细，且电容极板与检验质量之间的静电力很大，使得电容极板4与惯性传感器检验质量24间的静电负刚度远大于悬丝的扭转刚度，使得二级扭摆2很好地模拟了惯性传感器的在轨状态。

当地面存在振动时，电容极板4随地面振动，使得检验质量与电容极板发生相对位移，此时通过测量电容信号变化施加适当的反馈控制电压使得二级扭摆2发生运动，由于扭丝扭转刚度远小于单摆刚度，反馈控制静电力只需要与悬丝扭转回复力平衡，即可使惯性传感器检验质量24跟随电容极板4运动，从而降低了了地面振动对惯性传感器测试的影响。

由于一级悬丝和二级悬丝很细，同时通过张紧悬丝31与秤杆22的连接限制了扭秤在单摆方向的运动，即扭秤的单摆运动刚度大幅度增加，导致扭秤的扭转刚度小于单摆刚度。根据前述分析，该悬丝的引入使得地面振动导致电容极板运动时，产生的反馈静电力施加在秤杆上后，仅仅通过扭秤的扭转实现检验质量对极板的跟随运动，从而进一步抑制了地面振动对惯性传感器测试的影响。

进一步地，本发明通过在电容极板上施加反馈电压，所述反馈电压对应产生的反馈静电力作用于检验质量，控制所述扭秤扭转使得检验质量随电容极板运动，抑制地面振动对惯性传感器性能测试的影响；通过记录的预设时间段内反馈电压的功率谱噪声评估惯性传感器的分辨率水平，以完成对空间惯性传感器的地面测试。

在地面对惯性传感器性能进行测试时，通过悬挂惯性传感器检验质量24和提供真空环境，模拟了惯性传感器在太空中的工作状态，由于装置中扭摆自身的热噪声通常低于或接近惯性传感器的设计分辨率，而地面振动噪声通常远高于惯性传感器的设计分辨率，因此通过该装置对地面振动噪声的抑制能力，可以进一步提升惯性传感器地面性能测试的分辨率测试水平。

图2是本发明实施例提供的空间惯性传感器地面测试方法流程图，如图2所示，包括如下步骤：

S101，将二级扭摆、电容极板以及张紧机构置于真空容器内，所述真空容器与地面刚性连接；所述二级扭摆包括：一级悬丝、秤杆、配平质量块、二级悬丝、检验质量；所述张紧机构包括：张紧悬丝；所述一级悬丝的上端与真空容器的顶部连接，下端与秤杆连接；所述秤杆的一端连接二级悬丝的上端，另一端连接配平质量块；所述二级悬丝的下端连接检验质量；所述张紧悬丝的上端连接秤杆的底部，下端连接真空容器底部；所述一级悬丝和秤杆对应为扭秤；所述电容极板与真空容器底部连接，电容极板的上端面与检验质量的下端面正对；所述电容极板和检验质量为空间惯性传感器的核心敏感部件；

S102，控制所述一级悬丝和二级悬丝的直径小于预设值，且所述张紧悬丝与秤杆的连接限制了扭秤在单摆方向的运动，导致扭秤的扭转刚度小于单摆刚度；当所述二级扭摆处于静电力控制状态时，所述检验质量与电容极板间的静电负刚度大于一级悬丝和二级悬丝的扭转刚度，所述二级扭摆可以模拟惯性传感器的在轨状态；

S103，当地面存在振动时，电容极板随地面振动，在电容极板上施加反馈电压，所述反馈电压对应产生的反馈静电力作用于检验质量，控制所述扭秤扭转使得检验质量随电容极板运动，抑制地面振动对惯性传感器性能测试的影响；

S104，通过记录的预设时间段内反馈电压的功率谱噪声评估惯性传感器的分辨率水平，以完成对空间惯性传感器的地面测试。

具体地，上述各个步骤的详细实施可参见前述装置实施例中的介绍，在此不做赘述。

本发明通过引入扭摆张紧机构，在不显著增加扭转刚度的条件下，大幅度增加摆动刚度，进而获得更好的地面振动效应抑制效果。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种空间惯性传感器的地面测试装置，其特征在于，包括：置于真空容器内的二级扭摆、电容极板以及张紧机构，所述真空容器与地面刚性连接；

所述二级扭摆包括：一级悬丝、秤杆、配平质量块、二级悬丝、检验质量；

所述张紧机构包括：张紧悬丝；

所述一级悬丝的上端与真空容器的顶部连接，下端与秤杆连接；所述秤杆的一端连接二级悬丝的上端，另一端连接配平质量块；所述二级悬丝的下端连接检验质量；所述张紧悬丝的上端连接秤杆的底部，下端连接真空容器底部；所述一级悬丝和秤杆对应为扭秤；所述一级悬丝和二级悬丝的直径小于预设值，且所述张紧悬丝与秤杆的连接限制了扭秤在单摆方向的运动，导致扭秤的扭转刚度小于单摆刚度；所述一级悬丝与秤杆的连接点在秤杆的中间位置；所述张紧悬丝与秤杆的连接点也在秤杆的中间位置；设所述一级悬丝的上端与真空容器顶部的连接点为第一连接点，张紧悬丝的下端与真空容器底部的连接点为第二连接点；所述第二连接点位于第一连接点的正下方；

所述电容极板与真空容器底部连接，电容极板的上端面与检验质量的下端面正对；所述电容极板和检验质量为空间惯性传感器的核心敏感部件；

当所述二级扭摆处于静电力控制状态时，所述检验质量与电容极板间的静电负刚度大于一级悬丝和二级悬丝的扭转刚度，所述二级扭摆可以模拟惯性传感器的在轨状态；

当地面存在振动时，电容极板随地面振动，通过在电容极板上施加反馈电压，所述反馈电压对应产生的反馈静电力作用于检验质量，控制所述扭秤扭转使得检验质量随电容极板运动，抑制地面振动对惯性传感器性能测试的影响；通过记录的预设时间段内反馈电压的功率谱噪声评估惯性传感器的分辨率水平，以完成对空间惯性传感器的地面测试。

2.根据权利要求1所述的地面测试装置，其特征在于，所述张紧机构还包括：张力调节机构；

所述张紧悬丝的下端通过张力调节机构连接真空容器的底部；

所述张力调节机构用于调节张紧悬丝的张力大小。

3.根据权利要求1所述的地面测试装置，其特征在于，还包括：位移调节装置；

所述电容极板通过位移调节装置与真空容器底部连接；

当所述二级扭摆处于自由扭转状态时，通过位移调节装置将电容极板移动到合适位置，使得电容极板的上端面与检验质量的下端面正对。

4.一种空间惯性传感器的地面测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

将二级扭摆、电容极板以及张紧机构置于真空容器内，所述真空容器与地面刚性连接；所述二级扭摆包括：一级悬丝、秤杆、配平质量块、二级悬丝、检验质量；所述张紧机构包括：张紧悬丝；所述一级悬丝的上端与真空容器的顶部连接，下端与秤杆连接；所述秤杆的一端连接二级悬丝的上端，另一端连接配平质量块；所述二级悬丝的下端连接检验质量；所述张紧悬丝的上端连接秤杆的底部，下端连接真空容器底部；所述一级悬丝和秤杆对应为扭秤；所述电容极板与真空容器底部连接，电容极板的上端面与检验质量的下端面正对；所述电容极板和检验质量为空间惯性传感器的核心敏感部件；所述一级悬丝与秤杆的连接点在秤杆的中间位置；所述张紧悬丝与秤杆的连接点也在秤杆的中间位置；设所述一级悬丝的上端与真空容器顶部的连接点为第一连接点，张紧悬丝的下端与真空容器底部的连接点为第二连接点；所述第二连接点位于第一连接点的正下方；

控制所述一级悬丝和二级悬丝的直径小于预设值，且所述张紧悬丝与秤杆的连接限制了扭秤在单摆方向的运动，导致扭秤的扭转刚度小于单摆刚度；当所述二级扭摆处于静电力控制状态时，所述检验质量与电容极板间的静电负刚度大于一级悬丝和二级悬丝的扭转刚度，所述二级扭摆可以模拟惯性传感器的在轨状态；

当地面存在振动时，电容极板随地面振动，在电容极板上施加反馈电压，所述反馈电压对应产生的反馈静电力作用于检验质量，控制所述扭秤扭转使得检验质量随电容极板运动，抑制地面振动对惯性传感器性能测试的影响；

通过记录的预设时间段内反馈电压的功率谱噪声评估惯性传感器的分辨率水平，以完成对空间惯性传感器的地面测试。

5.根据权利要求4所述的地面测试方法，其特征在于，当所述二级扭摆处于自由扭转状态时，将电容极板移动到合适位置，使得电容极板的上端面与检验质量的下端面正对。

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