基于扭秤周期变化的导体表面电势测量方法

本发明涉及空间惯性传感器电荷管理，尤其涉及一种基于扭秤周期变化的导体表面电势测量方法。

背景技术：

1、电荷管理是应用于空间引力波探测等精密空间任务中的关键技术，然而在地面验证实验中，由于难以直接测量出测试质量上积累的电荷，因此通过间接测量测试质量的表面电势的方法来反映测试质量的电荷积累情况。早期利用kelvin探针技术对测试质量的表面电势进行测量，但受限于悬臂梁灵敏度，其测量精度不高。由于扭秤的特殊结构可以模拟空间中测试质量的自由落体状态，另外，扭秤具有对水平方向的微小力矩敏感，且测量精度高的特点，因此可满足测量测试质量的电势的需求。

2、华中科技大学基于扭秤装置，提出了通过测量测试质量的平衡位置的变化来测量测试质量的表面电势的方案，但由于该方案向极板加载电压的方式复杂，导致测量测试质量的表面电势测量的分辨率低。

技术实现思路

1、本发明为解决向极板加载电压的方式复杂，导致测量测试质量的表面电势测量的分辨率低的问题，提供一种基于扭秤周期变化的导体表面电势测量方法，通过简单的电压加载方式，实现了通过差分的方法来测量测试质量的表面电势，提高了测量测试质量的表面电势测量的分辨率。

2、本发明提供的基于扭秤周期变化的导体表面电势测量方法，用于测量扭秤装置中测量质量的表面电势，扭秤装置包括悬丝、测量质量、第一极板、第二极板、第三极板和第四极板，悬丝的一端固定在安装平台上，悬丝的另一端悬挂有测试质量，将第一极板、第二极板、第三极板和第四极板两两分为一组，均布在测试质量的两侧，第一极板与第三极板呈对角布置，且第一极板、第二极板、第三极板和第四极板与测试质量的距离处处相同，第一极板、第二极板、第三极板和第四极板均通过导线与直流电压电源相连，具体包括如下步骤：

3、s1、通过直流电压电源向第一极板、第二极板、第三极板和第四极板施加大小相等且方向相同的直流电压，使第一极板、第二极板、第三极板和第四极板均与测试质量保持平行。

4、s2、保持第二极板和第四极板的电压不变，通过直流电压电源向第一极板和第三极板施加大小相等、方向相同的直流正电压，使测试质量发生偏转。

5、s3、利用自准直仪测量测试质量的偏转角度，并将偏转角度作为测试质量的运动信号，对运动信号进行时域和频域的分析，得到运动信号的第一周期。

6、s4、重复步骤s1-s3，通过直流电压电源向第一极板和第三极板输入大小相等、方向相同的直流负电压，获得运动信号的第二周期，且直流正电压和直流负电压的幅值绝对值相等。

7、s5、结合第一周期和第二周期通过下式计算测试质量的表面电势vtm：

8、

9、其中，εr为相对介电常数，ε0为真空介电常数，le为各极板的静电力臂，ay为各极板的长度，az为各极板的高度，de为各极板与测试质量平行时的间距，i为测试质量的转动惯量，t1为第一周期，t2为第二周期，va为直流正电压和直流负电压的幅值绝对值。

10、与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

11、本发明基于扭秤装置的周期变化，设计了一种简单的电压加载方式，即通过差分方法测量测试质量的表面电势，提高了测量测试质量的表面电势的分辨率。

技术特征：

1.一种基于扭秤周期变化的导体表面电势测量方法，用于测量扭秤装置中测量质量的表面电势，所述扭秤装置包括悬丝、所述测量质量、第一极板、第二极板、第三极板和第四极板，所述悬丝的一端固定在安装平台上，所述悬丝的另一端悬挂有所述测试质量，将所述第一极板、所述第二极板、所述第三极板和所述第四极板两两分为一组，均布在所述测试质量的两侧，所述第一极板与所述第三极板呈对角布置，且所述第一极板、所述第二极板、所述第三极板和所述第四极板与所述测试质量的距离处处相同，所述第一极板、所述第二极板、所述第三极板和所述第四极板均通过导线与直流电压电源相连，其特征在于，具体包括如下步骤：

技术总结
本发明涉及空间惯性传感器电荷管理技术领域，尤其涉及一种基于扭秤周期变化的导体表面电势测量方法，包括如下步骤：S1、向四个极板施加直流电压，使第一极板、第二极板、第三极板和第四极板均与测试质量保持平行；S2、通过直流电压电源向第一极板和第三极板施加大小相等、方向相同的直流正电压，使测试质量进行偏转；S3、将偏转角度作为测试质量的运动信号，对运动信号进行时域和频域的分析，得到运动信号的第一周期；S4、重复步骤S1‑S3，获得运动信号的第二周期。S5、结合第一周期和第二周期计算测试质量的表面电势。本发明基于扭秤装置的周期变化，通过差分方法测量测试质量的表面电势，提高了测量测试质量的表面电势的分辨率。

技术研发人员：于涛,刘洋,王智,汪龙祺
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15