一种轴向分量重力梯度仪敏感结构的制作方法

1.本技术涉及差分加速度计重力梯度仪技术领域，具体而言，涉及一种轴向分量重力梯度仪敏感结构。


背景技术：

2.重力梯度仪主要用于测量卫星在轨处引力位二阶导数张量，以此来确定地球重力场，其在导航、地球物理勘探、地球动力学、空间科学等领域有着广泛的应用。重力梯度仪的测量原理有差分加速度法和基于扭矩的测量方式，基于扭矩的主要受限于体积和稳定性的因素，发展缓慢，基于差分加速度法的梯度仪由于高稳定性和高精度，已经在卫星上成功搭载运用。典型的是欧空局goce项目搭载的全张量重力梯度仪，其精度可达到
3.基于差分加速度法的重力梯度仪由分布在同一直线上的多对静电悬浮加速度计传感器构成，一般两两为一对，其特点是体积大，质量重，成本高，只能作为主载荷存在于卫星上。
4.现有技术中，普遍采用基于电容差原理的静电悬浮加速度计，其核心是敏感结构，敏感结构由低膨胀系数的微晶玻璃加工，通过镀膜与刻蚀等工艺，在敏感结构表面划分不同的区域，依靠质量块与周围电极形成的电容差值变化来检测质量块的位置变化，进而推导卫星加速度的数据，但是由于目前的差分式梯度仪由多个加速度计组成，加速度计之间放置距离及敏感结构外部结构，造成了梯度仪整体体积大；各敏感结构需要单独加工及安装，造成梯度仪敏感结构研制周期长，装配过程繁琐，成本高，影响梯度仪精度指标的两对传感器之间的不一致性较难保证。


技术实现要素：

5.本技术的主要目的在于提供一种轴向分量重力梯度仪敏感结构，该敏感结构里面具有两个敏感质量块，能敏感两个位置的加速度，从而推算出该两个位置方向上的重力加速度及水平方向梯度张量。
6.为了实现上述目的，本技术提供了一种轴向分量重力梯度仪敏感结构，包括从上到下依次连接的上电极板组件、上电极框组件、中间电极板组件、下电极框组件以及下电极板组件，其中：上电极框组件的中间位置设置有第一敏感质量块；下电极框组件的中间位置设置有第二敏感质量块；上电极板组件、第一敏感质量块、上电极框组件以及中间电极板组件构成第一等效探头；下电极板组件、第二敏感质量块、下电极框组件以及中间电极板组件构成第二等效探头。
7.进一步的，上电极板组件和下电极板组件结构相同，包括电极板和限位螺钉，电极板的一侧设置有金丝固定结构，另一侧设置有垂直轴电极。
8.进一步的，垂直轴电极为通过镀膜、刻蚀工艺制成的独立导电面，通过限位螺钉进行限位。
9.进一步的，上电极框组件和下电极框组件结构相同，包括电极框和限位卡块，环绕
电极框框体的内侧面设置有水平轴电极。
10.进一步的，水平轴电极为通过镀膜、刻蚀工艺制成的独立导电面，通过限位卡块进行限位。
11.进一步的，中间电极板组件包括中间电极板和限位螺栓，中间电极板的正反面均设置有电极面，电极面通过限位螺栓进行限位。
12.进一步的，第一敏感质量块设置在上电极板组件垂直轴电极和中间电极板组件正面电极面之间。
13.进一步的，第二敏感质量块设置在中间电极板组件反面电极面和下电极板组件垂直轴电极之间。
14.进一步的，第一敏感质量块的信号通过金丝从上电极板组件的中心孔引出，并通过金丝固定结构固定，第二敏感质量块的信号通过金丝从下电极板组件的中心孔引出，并通过金丝固定结构固定。
15.进一步的，上电极板组件、上电极框组件、中间电极板组件、下电极框组件以及下电极板组件通过多组螺栓组件进行安装固定。
16.本发明提供的一种轴向分量重力梯度仪敏感结构，具有以下有益效果：
17.本技术将两个质量块集中到一个敏感结构中，使得一个敏感结构具有两个静电悬浮加速度计传感器等效探头的作用，两个敏感质量块在同一方向安装，能够满足轴向梯度仪的基本原理测量，通过测量两个敏感质量块之间的距离和各自所测的加速度结果，便可以推算出两个质量块质心位置之间的重力梯度及张量的水平分量，与其他静电悬浮原理的重力梯度仪相比，本技术将两个质量块集中到同一敏感结构内部，更容易实现两个位置加速度较好的一致性，此外，只需要设计一套外部结构即可，大大节省了重量，读数间隔时间短，降低了成本，提高了测量的精度。
附图说明
18.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，使得本技术的其它特征、目的和优点变得更明显。本技术的示意性实施例附图及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
19.图1是根据本技术实施例提供的轴向分量重力梯度仪敏感结构的示意图；
20.图2是根据本技术实施例提供的轴向分量重力梯度仪敏感结构的内部结构爆炸示意图；
21.图3是根据本技术实施例提供的轴向分量重力梯度仪敏感结构的上电极板组件(下电极板组件)一侧的示意图；
22.图4是根据本技术实施例提供的轴向分量重力梯度仪敏感结构的上电极板组件(下电极板组件)另一侧的示意图；
23.图5是根据本技术实施例提供的轴向分量重力梯度仪敏感结构的上电极框组件(下电极框组件)的示意图；
24.图6是根据本技术实施例提供的轴向分量重力梯度仪敏感结构的中间电极板组件的示意图；
25.图中：1-上电极板组件、11-电极板、12-限位螺钉、13-垂直轴电极、14-金丝固定结
构、15-金丝、2-上电极框组件、21-电极框、22-限位卡块、23-水平轴电极、3-中间电极板组件、31-中间电极板、32-限位螺栓、33-电极面、4-下电极框组件、5-下电极板组件、6-第一敏感质量块、7-第二敏感质量块、8-螺栓。
具体实施方式
26.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都应当属于本技术保护的范围。
27.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
28.在本技术中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本技术及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
29.并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本技术中的具体含义。
30.另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
31.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
32.如图1-2所示，本技术提供了一种轴向分量重力梯度仪敏感结构，包括从上到下依次连接的上电极板组件1、上电极框组件2、中间电极板组件3、下电极框组件4以及下电极板组件5，其中：上电极框组件2的中间位置设置有第一敏感质量块6；下电极框组件4的中间位置设置有第二敏感质量块7；上电极板组件1、第一敏感质量块6、上电极框组件2以及中间电极板组件3构成第一等效探头；下电极板组件5、第二敏感质量块7、下电极框组件4以及中间电极板组件3构成第二等效探头。
33.具体的，本技术实施例提供的轴向分量重力梯度仪敏感结构主要设置在轴向梯度仪中，在一个敏感结构内部设置两个敏感质量块，相当于将两个静电悬浮加速度计传感器集成到一个敏感结构的内部，具有两个探头的效果，通过测量两个敏感质量块之间的距离和各自所测的加速度结果，便可以推算出两个质量块质心位置之间的重力梯度及张量的水平分量，可以实现单轴的重力梯度测量及梯度张量的水平分量的测量。上电极板组件1、第一敏感质量块6、上电极框组件2以及中间电极板组件3构成第一等效探头，第一等效探头能够测量第一敏感质量块6的质心加速度；下电极板组件5、第二敏感质量块7、下电极框组件4
以及中间电极板组件3构成第二等效探头，第二等效探头能够测量第二敏感质量块7的质心加速度，两个等效探头共用一块中间电极板31，一致性良好，大大缩短了敏感结构的加工及装配周期，并且减小了梯度仪整体的体积。
34.进一步的，如图3-4所示，上电极板组件1和下电极板组件5结构相同，包括电极板11和限位螺钉12，电极板11的一侧设置有金丝固定结构14，另一侧设置有垂直轴电极13。上电极板组件1和下电极板组件5的结构完全相同，均包括电极板11和限位螺钉12，电极板11由低膨胀系数材料构成，电极板11的一侧设置金丝固定结构14，用来固定传输信号的金丝15，另一侧设置垂直轴电极13，与敏感质量块以及中间电极板组件3的电极面33配合，构成差分感应电容，分别实现第一敏感质量块6和第二敏感质量块7在轴向的控制。
35.进一步的，垂直轴电极13为通过镀膜、刻蚀工艺制成的独立导电面，通过限位螺钉12进行限位。在电极板11上先通过镀制金属膜使得表面金属化，然后通过刻蚀分割成不同的导电区域，从而在电极板11上形成垂直轴电极13，在本技术实施例中，上电极板的垂直轴电极13优选为4块，下电极板的垂直轴电极13同样优选为4块，4块垂直轴电极13构成整个导电区域，通过4个角的限位螺钉12固定在电极板11上，防止敏感质量块在垂直方向移动时造成的短路。
36.进一步的，如图5所示，上电极框组件2和下电极框组件4结构相同，包括电极框21和限位卡块22，环绕电极框21框体的内侧面设置有水平轴电极23。上电极框组件2和下电极框组件4的结构完全相同，均包括电极框21和限位卡块22，电极框21主要用于放置敏感质量块，同时环绕敏感质量块的一周设置有水平轴电极23，水平轴电极23与敏感质量块的侧面构成差分感应电容，分别控制第一敏感质量块6和第二敏感质量块7水平方向的姿态。
37.进一步的，水平轴电极23为通过镀膜、刻蚀工艺制成的独立导电面，通过限位卡块22进行限位。在电极框21的侧面同样通过镀制金属膜使得表面金属化，然后通过刻蚀分割成不同的导电区域，从而在电极框21的侧面上形成水平轴电极23，在本技术实施例中，电极框21的每个内侧面设置2块水平轴电极23，整体电极框21的内侧一共设置8个水平轴电极23，每个内侧面的水平轴电极23通过限位卡块22进行固定限位，防止敏感质量块在水平方向移动时造成的短路。
38.进一步的，如图6所示，中间电极板组件3包括中间电极板31和限位螺栓32，中间电极板31的正反面均设置有电极面33，电极面33通过限位螺栓32进行限位。中间电极板31设置在结构的正中间，第一等效探头和第二等效探头共用中间电极板31，中间电极板31的正反面均通过镀膜、刻蚀等工艺设计出电极面33，并通过限位螺杆和限位螺母共同进行固定限位，防止敏感质量块在垂直方向移动时与电极面33之间造成的短路。
39.进一步的，第一敏感质量块6设置在上电极板组件1垂直轴电极13和中间电极板组件3正面电极面33之间。上电极板组件1的垂直轴电极13与中间电极板组件3的正面电极面33一一对应，第一敏感质量块6设置在垂直轴电极13和正面电极面33之间，形成差分感应电容。
40.进一步的，第二敏感质量块7设置在中间电极板组件3反面电极面33和下电极板组件5垂直轴电极13之间。下电极板组件5的垂直轴电极13与中间电极板组件3的反面电极面33一一对应，第二敏感质量块7设置在垂直轴电极13和反面电极面33之间，形成差分感应电容。
41.进一步的，第一敏感质量块6的信号通过金丝15从上电极板组件1的中心孔引出，并通过金丝固定结构14固定，第二敏感质量块7的信号通过金丝15从下电极板组件5的中心孔引出，并通过金丝固定结构14固定。敏感质量块的信号通过金丝15引出，然后通过金丝固定结构14进行固定，后续与梯度仪的信号处理装置连接，进行信号的传输处理。
42.进一步的，上电极板组件1、上电极框组件2、中间电极板组件3、下电极框组件4以及下电极板组件5通过多组螺栓8组件进行安装固定。敏感结构整体由5块电极板(电极框)组件，2个敏感质量块，2个金丝固定装置以及2根金丝组成，5块电极板(电极框)组件通过12组螺栓8进行固定以及与梯度仪的安装结构配合连接，其中，中间电极板组件3处于结构中间的位置，从中间到两边分别为，上电极框组件2与下电极框组件4对称安装，上电极板组件1与下电极板组件5对称安装，上金丝固定装置与下金丝固定装置对称安装，第一敏感质量块6设置于上电极框组件2中间位置，第二敏感质量块7设置于下电极框组件4中间位置。
43.下面结合具体的实施例对本技术提供轴向分量重力梯度仪敏感结构的用途及适用环境进行具体的说明：
44.实施例一
45.本技术实施例可作为轴向重力梯度仪实行基本原理的测量：
46.地球是个椭球形状，具有重力场属性，正常重力值与维度有关，维度越大，重力值越大。卫星在任务过程中，将轴向梯度仪敏感结构中心与卫星质心重合，每个等效探头具有两个高敏感轴与一个低敏感轴，敏感质量大面表示低灵敏轴方向，小面表示高灵敏轴方向，在重力梯度的作用下，两个敏感质量受到不同的轴向及水平作用力，通过敏感质量块上不同轴向及水平加速度可以实现对轴向重力梯度及水平方向梯度张量分量测量，根据卫星运行情况及地球自转，最大角速度来源于垂直轨道平面方向(轨道角速度)，梯度仪运行需要扣除角速度的影响，此种梯度仪设计方案两个水平方向的高敏感轴可以准确测量梯度张量的水平分量。
47.实施例二
48.本技术实施例可作为加速度计互标定及矫正：
49.静电悬浮加速度计传感器属于高精度仪器，其所测的最高精度主要通过理论推导给出，考虑到其微米级别加工的结构，在生产中不可能完全一致，要精确测量加速度计精度通常可通过卫星在轨时的微推力器来精确计算，为了实现加速度传感器在轨的精度，在地面上会对传感器进行标定，传感器标定通常有三种方式，高压悬浮、扭摆悬挂和自由落体。这三种方式一定程度上都有不可避免的缺点。本技术实施例的两个质量块在竖直方向上距离为10mm左右，且对准装配精度非常高，依靠整体加工研磨工艺可使得电极参数一致性非常好，据此在传感器标定后可同步进行标定、噪声测试及高压悬浮测试比较等，在轨时可针对同一外部光压等非保守力进行测量比较，对于传感器能力测定具有重要意义。
50.实施例三
51.本技术实施例作为单个加速度使用时能够提高加速度计可靠性：
52.本技术实施例具有两个质量块，等效于两个探头，这种冗余设计在此敏感结构作为一个加速度计使用时能提高整个加速度计的寿命及其可靠性，champ卫星中的star加速度计在飞行过程中一路电容极板及其控制出现异常，后期数据处理才恢复正常，为此，gradio加速度计在后期设计中将六对电极的设计方式更改为八对电极设计，理论上通过不
同组合可使得传感器可靠性提高40多倍，但同时电路板各个搭配的冗余设计造成了电路上设计的复杂化，本技术实施例的方案实施起来较为简单，只需要将一个等效探头作为主探头，另一个等效探头作为备份即可。
53.实施例四
54.本技术实施例可用作卫星在轨时质心的估算：
55.卫星在轨时由于燃料的耗散，质心发生了偏移，对部分基于质心工作的卫星产生影响，通常的方法是利用加速度计传感器结合陀螺仪来估计质心位置，然后通过质心调节机构来保证质心位置，利用这种方式估算的质心位置在6mm之内，卫星姿态机动时，加速度计输入加速度来自于离心加速度及角加速度引入的线加速度，根据运动学原理，，已知物体内部两个固定位置的速度可推导出物体的质心位置。本技术实施例中内部两个敏感质量块位于两个位置，安装于卫星内部时可以测得卫星两个位置的加速度值，进而可推导出卫星质心的位置。
56.实施例五
57.本技术实施例可用作梯度仪地检设备用于验证测控单元功能：
58.本技术实施例具有两个质量块，只需要一套外部结构，前期测控单元调试时可很方便地作为地检设备进行验证，其次，由于真实的梯度仪外形庞大，目前国内还没有给梯度仪提供微重力环境的落塔条件，因此，微重力环境下梯度仪真实的捕获能力无法在地面得到验证，但是得益于本小型化的敏感结构，具有两个等效探头，对测控单元而言，不测量空间重力梯度情况下完全可替代梯度仪，故此敏感结构在代替真实梯度仪实现落塔实验方面具有重要的应用意义。
59.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。