用于多自由度电容位移传感器的标定装置和校准方法

本发明实施例涉及空间引力波探测、地球重力场测量中的高精度微弱位移测量，具体涉及用于多自由度电容位移传感器的标定装置和校准方法。

背景技术：

1、对于空间引力波探测项目来说，首要任务就是维持惯性基准器件-检验质量在轨高精度的free-falling运动状态，因而其综合加速度噪声水平通常需要低于10-15m/s2/hz1/2。为了满足该需求，一套极其复杂的无拖曳控制系统被设计并用于屏蔽和补偿外界噪声的影响，而其中最核心的器件就是惯性传感器。惯性传感器通过构建多自由度电容传感器来精确测量检验质量与卫星之间的相对位置变化，并将该变化作为输入条件提供给无拖曳控制系统，最终通过微推进器实现无拖曳飞行，因而电容传感器位移测量以及输出精度是整个系统的关键环节。

2、为了在抑制杂散噪声的同时还能够具有足够大的驱动力，空间惯性传感系统中的电容传感器通常设计为大间距，而大间距又会带来较为严重的非线性误差，因此电容传感器的线性标定就显得尤为重要。现阶段针对空间引力波探测惯性传感器电容传感器标定的装置较少，而且均是在单自由度方面构建一对差分电容来利用单轴驱动器来进行标定。这种方式无论是在多自由度标定还是在模拟在轨工作环境方面，都与实际工况相差较远，因此需要针对多自由度电容传感器标定开发一种高精度、操作简便的标定装置。

技术实现思路

1、为此，本发明实施例提供一种用于多自由度电容位移传感器的标定装置和校准方法，通过对悬挂部分和底部的放置部分的设置，实现刚性检验质量与笼式检测部分的精确对准，进而通过简单的操作即可解决电容传感器多自由度标定测量的实际需求，并有效保证了测量精确度。

2、为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：

3、在本发明实施例的一个方面，提供了一种用于多自由度电容位移传感器的标定装置，包括：

4、悬挂调节结构，至少包括悬挂机构和调节机构，所述悬挂机构用于悬挂检验质量，所述调节机构用于带动所述悬挂机构转动和/或沿至少一个轴方向平动；

5、电极笼，通过多组相对设置的电极板组件围合形成为具有容纳腔的笼状结构，且一组相对设置的所述电极板组件呈中心对称，所述电极板组件用于输出电信号，所述电极板组件上电连有用于接收所述电极板组件上的电信号的信号接收组件，所述检验质量能够位于所述容纳腔中；

6、多自由度驱动结构，用于放置所述电极笼，且能够带动所述电极笼以至少一根转动轴为轴转动和/或沿至少一个方向移动；

7、电极笼倾斜调整结构，用于调节所述电极笼与所述检验质量之间的倾斜角度；且，

8、所述悬挂调节结构与所述电极笼倾斜调整结构配合调节所述检验质量与所述电极笼的相对位置，所述多自由度驱动结构用于为电容位移传感器的标定提供精确的位移和/或角度输出。

9、作为本发明的一种优选方案，还包括底座，所述悬挂调节结构和所述电极笼倾斜调整结构各自安装于所述底座上。

10、作为本发明的一种优选方案，所述调节机构包括竖直设置的安装架，能够沿水平方向移动地设置于所述安装架上的平面移动架，能够沿竖直方向移动地设置于所述平面移动架的竖直面移动架，以及可旋转地设置于所述竖直面移动架上的旋转组件；

11、所述悬挂机构至少包括安装于所述旋转组件上的悬挂杆。

12、作为本发明的一种优选方案，所述电极板组件为三组，以使得所述电极笼形成为六面体；且，

13、三组所述电极板组件分别沿x轴方向、y轴方向和z轴方向对称设置。

14、作为本发明的一种优选方案，所述电极笼还包括框架，所述框架上形成有多个镂空安装槽，每个所述电极板组件各自安装于其中一个所述镂空安装槽中，至少一个所述电极板组件可拆卸地设置于所述镂空安装槽中。

15、作为本发明的一种优选方案，靠近所述悬挂机构的一端的所述电极板组件上形成有用于所述悬挂机构贯穿的贯穿孔；

16、所述悬挂机构包括安装于所述调节机构上的安装部，以及可拆卸地设置于所述安装部的下端的悬挂部，所述检验质量安装于所述悬挂部上。

17、作为本发明的一种优选方案，每组所述电极板组件上各自设置有两个信号检测组件，其中一个所述信号检测组件用于检测位移上的变化，另一个所述信号检测组件用于检测转动的变化。

18、作为本发明的一种优选方案，所述多自由度驱动结构在移动上的精度为nm级；

19、所述多自由度驱动结构在转动上的精度为μrad级。

20、作为本发明的一种优选方案，所述电极笼倾斜调整结构包括沿移动方向相对设置的底板和顶板，至少部分位于所述底板和所述顶板之间的间隙调节组件，以及连接于所述底板和所述顶板之间的弹性复位元件；其中，

21、所述间隙调节组件包括连接于所述底板上的自由度导向约束件，以及一端连接于所述自由度导向约束件上，另一端延伸贯穿所述顶板的精密螺纹副；

22、所述自由度导向约束件能够约束所述顶板相对于所述底板的倾斜角度，所述精密螺纹副能够调节所述顶板与所述底板之间的距离。

23、在本发明实施例的另一个方面，还提供了一种如上述所述的标定装置的校准方法，所述校准方法包括：

24、s100、将悬挂调节结构与电极笼倾斜调整结构的位置相对确定地安装，并将调节机构调至第一零基准位；

25、s200、将多自由度驱动结构安装于电极笼倾斜调整结构上，并将多自由度驱动结构调至第二零基准位；

26、s300、将电极笼安装于多自由度驱动结构上，开放电极笼中朝向悬挂机构的一端，待检验质量置于容纳腔中后，闭合电极笼；

27、s400、向检验质量上提供激励信号，通过电极笼检测信号，并使得每组电极板组件上获得的一组信号各自相等，完成标定装置的校准。

28、作为本发明的一种优选方案，步骤s400中，检测到的信号为电压信号。

29、本发明的实施方式具有如下优点：

30、1、本发明以笼式检测结构为基础，构建了基于笼状结构的电极板组件的电极笼，从而构建出多自由度电容位移传感器完成对检验质量的检测，并进一步基于多自由度驱动结构实现检验质量与电极笼之间的精准对齐。

31、2、将检验质量以刚性结构形式置于电极笼内，提高测量基准稳定性。

32、3、通过电极笼倾斜调整结构的配合，进一步避免电极笼的倾斜引起的轴间耦合误差，更好地保证测量精度。

33、4、运用nm级和μrad的多自由度驱动结构来驱动电极笼生成相应的标定轨迹运动，以此来实现对于多自由度电容传感的标定，同时获得超高的测量精度。

技术特征：

1.一种用于多自由度电容位移传感器的标定装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种标定装置，其特征在于，还包括底座(6)，所述悬挂调节结构(2)和所述电极笼倾斜调整结构(5)各自安装于所述底座(6)上。

3.根据权利要求1或2所述的一种标定装置，其特征在于，所述调节机构包括竖直设置的安装架(21)，能够沿水平方向移动地设置于所述安装架(21)上的平面移动架(22)，能够沿竖直方向移动地设置于所述平面移动架(22)的竖直面移动架(23)，以及可旋转地设置于所述竖直面移动架(23)上的旋转组件；

4.根据权利要求1或2所述的一种标定装置，其特征在于，所述电极板组件为三组，以使得所述电极笼(3)形成为六面体；且，

5.根据权利要求4所述的一种标定装置，其特征在于，靠近所述悬挂机构的一端的所述电极板组件上形成有用于所述悬挂机构贯穿的贯穿孔；

6.根据权利要求4所述的一种标定装置，其特征在于，每组所述电极板组件上各自设置有两个信号检测组件，其中一个所述信号检测组件用于检测位移上的变化，另一个所述信号检测组件用于检测转动的变化。

7.根据权利要求1或2所述的一种标定装置，其特征在于，所述多自由度驱动结构(4)在移动上的精度为nm级；

8.根据权利要求1或2所述的一种标定装置，其特征在于，所述电极笼倾斜调整结构(5)包括沿移动方向相对设置的底板(51)和顶板(52)，至少部分位于所述底板(51)和所述顶板(52)之间的间隙调节组件，以及连接于所述底板(51)和所述顶板(52)之间的弹性复位元件(54)；其中，

9.一种如权利要求1-8中任意一项所述的标定装置的校准方法，其特征在于，所述校准方法包括：

10.根据权利要求9所述的一种校准方法，其特征在于，步骤s400中，检测到的信号为电压信号。

技术总结
本发明实施例公开了一种用于多自由度电容位移传感器的标定装置和校准方法，包括：悬挂调节结构，包括悬挂机构和调节机构；电极笼，通过多组相对设置的电极板组件围合形成具有容纳腔的笼状结构，电极板组件上电连有用于接收电极板组件上电信号的信号接收组件；多自由度驱动结构，用于放置电极笼，且能够以μrad和nm级精度驱动电极笼以至少一根转动轴为轴转动和/或沿至少一个方向移动；电极笼倾斜调整结构，用于调节电极笼与检验质量之间的倾斜角度。本发明通过对悬挂部分和底部的放置部分的设置，实现刚性检验质量与笼式检测部分的精确对准，进而通过简单的操作即可满足电容传感器多自由度标定的需求，同时还能够拥有超高的测量精确度。

技术研发人员：王少鑫,齐克奇,郭纬川,刘东旭,詹璇,罗子人
受保护的技术使用者：中国科学院力学研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27