一种加速度计捕获范围的地面静态标定方法与流程

1.本技术涉及测量技术领域，具体而言，涉及一种加速度计捕获范围的地面静态标定方法。


背景技术：

2.高精度静电悬浮加速度计是一种电容式差分测量惯性加速度传感器，通过电容位移检测电路检测和识别检验质量偏离电极中心造成的差分电容与位移信息，并由控制器输出与位移成正比的反馈控制信号，通过静电力使检验质量保持在电极中心，静电悬浮加速度计通过测量维持检验质量保持在电极中心所需的静电力实现对外界输入加速度信号的测量，如图1所示，通过三个轴向上电极的适当配置，可以实现对加速度信号的三轴六自由度的检测与控制，如图2所示。静电悬浮加速度计适用于测量准稳态、微小加速度信号的测量，在空间微重力科学实验、卫星无拖曳控制与精密定轨、卫星重力测量、基础物理实验等领域具有重要作用。
3.静电悬浮加速度计有测量频带、捕获范围、控制测量范围、标度因数、分辨率等重要指标参数，其中捕获范围是指在极端情况下检验质量偏离电极中心靠在限位位置时加速度计能够实现捕获控制将检验质量控制到电极中心所能够克服的最大输入加速度，关系到加速度计能够实现在轨稳定工作，需要在地面对这一参数开展测试评价，静电悬浮加速度计的捕获范围由(1)式给出：
[0004][0005]
上式中，ε0为真空介电常数，s为标定方向的电极面积，d为电极的平均距离，x为检验质量偏离电极中心的距离，v
p
为检验质量上施加的偏置电压，v
drms
为检验质量上施加的交流调制检测电压的有效值，vf为电极上施加的反馈控制电压，m为检验质量的质量。
[0006]
由于静电悬浮加速度计的平均电极间距和检验质量平均活动距离通常设置在微米量级，受限于对这两个参数测量精度，按照静电悬浮悬浮加速度计相关制造参数和理论公式分析计算捕获范围会与实际存在较大偏差，因此需要进行标定。


技术实现要素：

[0007]
本技术的主要目的在于提供一种加速度计捕获范围的地面静态标定方法，以解决静电悬浮加速度计关键性能参数发射前在地面的标定问题，确认静电悬浮加速度计能够适应在轨输入加速度条件实现稳定控制。
[0008]
为了实现上述目的，本技术提供了一种加速度计捕获范围的地面静态标定方法，主要用于评价静电悬浮加速度计的捕获范围指标，包括如下步骤：步骤1：利用重力分量方法标定可控量程和标度因数；步骤2：利用重力分量方法使加速度计沿其中一个轴向输出饱和，检验质量失控；步骤3：逐步回调减小重力分量输入加速度，直至检验质量实现捕获控制；步骤4：沿同一方向继续调整重力分量输入加速度，使加速度计在另一个轴向上输出饱
和，检验质量失控；步骤5：再次逐步回调减小重力分量输入加速度，直至检验质量实现捕获控制；步骤6：分析数据是否满足正常捕获控制过程的姿态要求；步骤7：分析计算加速度计的捕获范围。
[0009]
进一步的，在步骤1中，还包括如下步骤：步骤1.1：将加速度计对准安装在正交两轴精密水平调整实验台上；步骤1.2：利用高压静电驱动方法克服重力影响实现检验质量在垂直轴向上的稳定悬浮；步骤1.3：通过调整实验台的倾斜角度进而调整水平轴向上的重力分量输入加速度实现两个水平轴的稳定悬浮；步骤1.4：在加速度计的最大可控输出范围
±vcmax
内按照设定的步长
△
θ调整实验台的倾斜角度，得到一组由重力分量gθ提供的相对输入加速度和加速度计控制输出数据；步骤1.5：利用最小二乘法拟合得到相对输入加速度与加速度计控制输出的比率关系获得标度因数k1，同时得到加速度计的可控量程
±am
。
[0010]
进一步的，在步骤2中，包括以下步骤：步骤2.1：通过调整实验台的倾斜角度，利用重力分量方法给静电悬浮加速度计提供超出可控量程的输入加速度信号，使加速度计其中一水平敏感轴某一方向控制输出饱和；步骤2.2：将检验质量块靠在限位位置处，对应的加速度计电容位移检测输出也从“零”点附近跳变到饱和。
[0011]
进一步的，在步骤3中，包括以下步骤：步骤3.1：回调实验台，逐步减小由重力分量给加速度计的输入加速度信号直至检验质量块重新捕获控制到电极中心；步骤3.2：加速度计电容位移检测输出从饱和点恢复到“零”附近，控制输出脱离饱和状态，得到此时的控制v
ca1
和重力分量对应的输入加速度a
ina1
。
[0012]
进一步的，在步骤5中，得到检验质量块在另一方向再次捕获控制时加速度计的控制输出对应v
ca2
，重力分量对应的输入加速度a
ina2
。
[0013]
进一步的，在步骤6中，分析数据包括静电悬浮加速度计饱和失控后状态以及捕获过程的电容位移检测数据和控制数据。
[0014]
进一步的，在步骤7中，通过加速度计在同一轴向两端分别实现捕获控制时的相对重量分量输入加速度，计算捕获范围：|a
ina2-a
ina1
|/2。
[0015]
进一步的，在步骤7中，还可以由两端的捕获时的控制电压与标度因数，计算捕获范围：k1*|v
ca2-v
ca1
|/2。
[0016]
本发明提供的一种加速度计捕获范围的地面静态标定方法，具有以下有益效果：
[0017]
本技术能够直接判断电极限位结构的加工精度，评价敏感结构装配对多余物的控制情况，检验质量块能否自由活动，还能够评价加速度计的捕获控制能力是否能够适应在轨输入加速度的条件，解决了静电悬浮加速度计关键性能参数发射前在地面的标定问题，可用于确认静电悬浮加速度计是否满足设计指标，适应空间输入加速度条件，实现在轨捕获稳定控制正常工作。
附图说明
[0018]
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：
[0019]
图1是静电悬浮加速度计测量原理示意图；
[0020]
图2是静电悬浮加速度计电极配置与三轴六自由度控制示意图；
[0021]
图3是根据本技术实施例提供的加速度计地面重力分量方法的静态标定原理图；
[0022]
图4是根据本技术实施例提供的加速度计控制输出与相对输入加速度关系图；
[0023]
图5是根据本技术实施例提供的加速度计标定方向饱和失控示意图；
[0024]
图6是根据本技术实施例提供的加速度计标定方向捕获控制过程示意图；
[0025]
图7是根据本技术实施例提供的加速度计y轴饱和失控及捕获过程中正常姿态情况下y、z轴的测控数据示意图；
[0026]
图8是根据本技术实施例提供的加速度计y轴饱和失控及捕获过程中非正常姿态情况下y、z轴的测控数据示意图。
具体实施方式
[0027]
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。
[0028]
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。
[0029]
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。
[0030]
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。
[0031]
另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
[0032]
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。
[0033]
如图3-6所示，本技术提供了一种加速度计捕获范围的地面静态标定方法，主要用于评价静电悬浮加速度计的捕获范围指标，包括如下步骤：步骤1：利用重力分量方法标定可控量程和标度因数；步骤2：利用重力分量方法使加速度计沿其中一个轴向输出饱和，检验质量失控；步骤3：逐步回调减小重力分量输入加速度，直至检验质量实现捕获控制；步骤4：沿同一方向继续调整重力分量输入加速度，使加速度计在另一个轴向上输出饱和，检验质量失控；步骤5：再次逐步回调减小重力分量输入加速度，直至检验质量实现捕获控制；步骤6：分析数据是否满足正常捕获控制过程的姿态要求；步骤7：分析计算加速度计的捕获范围。
[0034]
具体的，本技术实施例提供的加速度计捕获范围的地面静态标定方法，利用地面稳定的重力加速度，通过精密水平倾角调整位移台在一定角度范围内调整静电悬浮加速度计水平敏感轴相对重力加速度的夹角，获得一个稳定的重力分量作为加速度计水平敏感轴的输入加速度信号，同时获得加速度计电容位移检测输出信号及控制输出信号与输入加速度信号的关系，从而分析评价静电悬浮加速度计的捕获范围。
[0035]
进一步的，在步骤1中，还包括如下步骤：步骤1.1：将加速度计对准安装在正交两轴精密水平调整实验台上；步骤1.2：利用高压静电驱动方法克服重力影响实现检验质量在垂直轴向上的稳定悬浮；步骤1.3：通过调整实验台的倾斜角度进而调整水平轴向上的重力分量输入加速度实现两个水平轴的稳定悬浮；步骤1.4：在加速度计的最大可控输出范围
±vcmax
内按照设定的步长
△
θ调整实验台的倾斜角度，得到一组由重力分量gθ提供的相对输入加速度和加速度计控制输出数据；步骤1.5：利用最小二乘法拟合得到相对输入加速度与加速度计控制输出的比率关系获得标度因数k1，同时得到加速度计的可控量程
±am
。
[0036]
进一步的，在步骤2中，包括以下步骤：步骤2.1：通过调整实验台的倾斜角度，利用重力分量方法给静电悬浮加速度计提供超出可控量程的输入加速度信号，使加速度计其中一水平敏感轴某一方向控制输出饱和；步骤2.2：将检验质量块靠在限位位置处，对应的加速度计电容位移检测输出也从“零”点附近跳变到饱和。
[0037]
进一步的，在步骤3中，包括以下步骤：步骤3.1：回调实验台，逐步减小由重力分量给加速度计的输入加速度信号直至检验质量块重新捕获控制到电极中心；步骤3.2：加速度计电容位移检测输出从饱和点恢复到“零”附近，控制输出脱离饱和状态，得到此时的控制v
ca1
和重力分量对应的输入加速度ai
na1
。
[0038]
进一步的，在步骤5中，得到检验质量块在另一方向再次捕获控制时加速度计的控制输出对应v
ca2
，重力分量对应的输入加速度a
ina2
。
[0039]
进一步的，在步骤6中，分析数据包括静电悬浮加速度计饱和失控后状态以及捕获过程的电容位移检测数据和控制数据。
[0040]
进一步的，在步骤7中，通过加速度计在同一轴向两端分别实现捕获控制时的相对重量分量输入加速度，计算捕获范围：|a
ina2-a
ina1
|/2。
[0041]
进一步的，在步骤7中，还可以由两端的捕获时的控制电压与标度因数，计算捕获范围：k1*|v
ca2-v
ca1
|/2。
[0042]
下面结合具体的实施例对本技术提供的加速度计捕获范围的地面静态标定方法进行更加完整的说明：
[0043]
步骤1，利用重力分量方法标定可控量程和标度因数。
[0044]
步骤1.1，将静电悬浮加速度计对准安装在正交两轴精密水平调整实验台上，保证加速度计的两个水平敏感轴与实验台的两个正交调整轴向一致，实验台两个调整轴向的正交性误差及加速度计敏感轴安装与之对准精度要求，由加速度计的测量动态范围及实验标定精度需求决定；步骤1.2，利用高压静电驱动方法克服重力影响实现检验质量在垂直轴向上的稳定悬浮；步骤1.3，通过调整实验台的倾斜角度进而调整水平轴向上的重力分量输入加速度进入加速度计的控制范围内实现两个水平轴的稳定悬浮，如图3所示；步骤1.4，在加速度的最大可控输出范围内
±vcmax
内按照设定的步长
△
θ调整实验台的倾斜角度，在整个标定过程中检验质量在各个轴向上均控制在电极中心附近，即各轴向的电容位移输出均处
于“零”点附近，在图4中，加速度计的最大可控输出为
±
2.5v，每个标定台阶提供的相对输入加速度为1.2
×
10-4
m/s2，即调整的倾斜角度步长
△
θ约12μ rad，标定步长、全程标定的点数选择由标定精度需求及实验台的调整分辨率两方面确定，得到一组由重力分量gθ提供的相对输入加速度
△ain
和加速度计控制输出数据
△vc
；步骤1.5，利用最小二乘法拟合得到相对输入加速度与加速度计控制输出的比率关系
△ain
/
△vc
，获得标度因数k1，同时得到加速度计的可控量程
±am
，在图4中，加速度计的标度因数为6
×
10-4
m/s2/v，可控量程为
±
1.5
×
10-3
m/s2。
[0045]
步骤2，如图5所示，利用重力分量方法使静电悬浮加速度计沿其中一个轴向输出饱和，检验质量失控。
[0046]
步骤2.1，通过调整实验台的倾斜角度，利用重力分量方法给加速度计提供超出可控量程的输入加速度信号，按照图4所示，需要重力分量超过1.5
×
10-3
m/s2，使加速度计其中一水平敏感轴某一方向控制输出饱和，控制输出幅值达到饱和-2.5v；步骤2.2，检验质量块靠在限位位置处，如图6所示的ab段，对应的加速度计电容位移检测输出也从“零”点输出跳变到饱和-2.5v。
[0047]
步骤3，逐步回调减小重力分量输入加速度，直至检验质量实现捕获控制。
[0048]
步骤3.1，回调实验台，逐步减小由重力分量给静电悬浮加速度计的输入加速度信号直至检验质量块重新捕获控制到电极中心，实验台回调的调整步长由对捕获范围标定的不确定度需求决定；步骤3.2，加速度电容位移检测输出从饱和点恢复到“零”附近，控制输出脱离饱和状态，如图6所示的bc段，在重力分量输入加速度幅度减小到-6.6
×
10-4
m/s2时检验质量实现捕获控制，此时对应的控制电压幅值为-1.1v。
[0049]
步骤4，沿同一方向继续调整重力分量输入加速度使静电悬浮加速度计在另一个轴向上输出饱和检验质量失控靠在另一端的限位上，如图6所示的cd段。
[0050]
步骤5，再次逐步回调减小重力分量输入加速度直至检验质量再次实现捕获控制，如图6所示的de段，重力分量对应的输入加速度减小到6.6
×
10-4
m/s2时检验质量在另一方向再次捕获控制到电极中心，此时对应的控制输出对应1.1v。
[0051]
步骤6，分析试验过程数据是否满足正常捕获控制过程的姿态要求。
[0052]
分析静电悬浮加速度计饱和失控后状态以及捕获过程的电容位移检测数据和控制数据，正常的捕获过程要求标定轴向的所有通道电容位移检测和控制输出均处于满足饱和状态，并且非标定的另一水平轴向的电容位移检测和控制输出变化足够小，如图7所示，在z轴包括z1、z2两个通道饱和后捕获过程中y轴始终保持伺服稳定控制状态，电容位移检测输出始终保持在“零”附近，控制输出也始终保持在0.5v，这种状态保证在失控及捕获过程中检验质量块同时靠在两端限位块位置，并以平动方式同时脱离限位实现检验质量捕获控制，这种正常工况下z轴捕获后的控制输出电压达到正常幅值-1.1v。在图8中，在z轴饱和后，y轴的控制输出发生了0.4v的跳变从0.5v变到0.9v，直至z轴的两个通道z1、z2实现捕获控制后才恢复，这种非正常工况下暗示z轴饱和后及捕获过程中检验质量只是落在了z轴方向一端两个限位中的一个限位上，在饱和失控过程中检验质量的姿态发生了一定的扭转，z轴的静电力除了平衡需要重力分量产生的力矩外，还要平衡y轴的静电力矩，这种工况将导致捕获范围偏小，例如在图8中受此影响捕获时的控制电压仅为0.7v。
[0053]
步骤7，分析计算静电悬浮加速度计的捕获范围。
[0054]
可以通过两种方式计算得到加速度计捕获范围，第一种通过加速度计在同一轴向两端分别实现捕获控制时的相对重量分量输入加速度，计算捕获范围，表达为|a
ina2-a
ina1
|/2；第二种由两端的捕获时的控制电压与标度因数计算得到捕获范围，表达为为k1*|v
ca2-v
ca1
|/2；以图6为例分析，y轴的捕获范围直接按照重力分量输入加速度分析为：
[0055]
|6.6
×
10-4
m/s
2-(-6.6
×
10-4
m/s2)|/2＝6.6
×
10-4
m/s2[0056]
或者按照捕获后的控制输出电压结合标度因数计算：
[0057]6×
10-4
m/s2/v*|1.1v-(-1.1v)|/2＝6.6
×
10-4
m/s2[0058]
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。