[发明专利]一种加速度测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种加速度测量装置及方法。该装置包括：电极笼、位移测量系统、悬浮控制系统、检验质量块和计算装置；电极笼为长方体；检验质量块初始时位于电极笼内部的平衡位置；位移测量系统用于测量检验质量块的位移数据，悬浮控制系统的输入端连接位移测量系统的输出端，悬浮控制系统的输出端连接电极笼，用于根据位移测量系统测量的位移数据产生反馈控制电压，控制所述检验质量块的平动和转动，使所述检验质量块悬浮于所述电极笼的平衡位置；计算装置的输入端连接悬浮控制系统的另一输出端，根据反馈控制电压计算检验质量块的线加速度和角加速度。采用本发明，实现了测控分离，降低了测量系统与控制系统之间的相互干扰，提高检测精度。

技术领域

本发明涉及加速度测量领域，特别是涉及一种加速度测量装置及方法。

背景技术

根据牛顿第二定律，加速度是物体位移随时间的二次导数，等于物体受到的合外力除以其质量。高精度加速度测量装置用于精密测量大气阻力、太阳光压等非保守力的大小，其需求主要体现在以下方面：(1)它是重力测量卫星进行全球重力场测绘任务的关键载荷，有利于提高全球重力场测量精度，建立统一高程基准；(2)空间引力波探测，欧空局就设计了采用静电悬浮加速度测量装置测量引力波的eLISA计划；(3)改善大气模型，有利于准确测量并预报飞行器受到的大气阻力；(4)对航天器的微重力环境进行监测，为微重力科学实验服务。

目前国外已经实现了高精度静电悬浮加速度测量装置在航天任务中的应用，以静电悬浮加速度计为例，静电悬浮加速度计属于差分电容检测方式惯性加速度传感器，它主要由传感器探头和信号检测与控制电路两部分组成。传感器中的检验质量块作为公共电极与周围电极构成了电容桥，实现差分检测，通过金丝给检验质量块提供偏置电压和调制电压信号。当没有输入加速度信号时，检验质量块处在结构平衡位置即中心位置；当有外界非保守力作用于加速度计时，作为惯性结构的检验质量块与周围电极发生相对位置变化，偏离结构中心，通过差分电容检测电路检测出这一变化并输出一微弱的电信号，经过放大后再经过反馈控制回路加在检验质量块四周的电容极板上，施加一个与外力相反方向的静电力，将偏离结构中心的检验质量块拉回到原来的平衡位置。反馈控制电压与输入加速度大小成正比，从而可以实现对输入加速度的定量标定。

此种静电悬浮加速度计的测量和控制是合二为一的，传感器的电极既是测量电极又是控制电极，由于测控是实时交替进行的，电容的测量是通过测量电极上的电压来实现的，而控制是需要将电压加在电极上的，故测控会产生相互影响，形成干扰，影响测量精度；另外对电容的测量，不及基础电量的测量那么准确和方便。以上这些因素极大的影响了测量精度，使得测量精度难以进一步提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种加速度测量装置及方法，以解决现有静电悬浮加速度测量装置由于测控一体的技术瓶颈，使得测量精度难以进一步提高的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种加速度测量装置，所述装置包括：电极笼、位移测量系统、悬浮控制系统、检验质量块和计算装置；

所述电极笼为长方体；所述检验质量块初始时位于所述电极笼内部的平衡位置；所述位移测量系统和所述悬浮控制系统位于所述电极笼上；

所述位移测量系统用于测量所述检验质量块的位移数据，所述位移数据包括所述检验质量块沿三个坐标轴方向的平动位移数据和所述检验质量块沿所述三个坐标轴方向的转动角位移数据；所述三个坐标轴包括x轴、y轴和z轴，所述x轴与所述电极笼的上表面和下表面垂直；所述y轴与所述电极笼的前表面和后表面垂直；所述z轴与所述电极笼的左表面和右表面垂直；

所述悬浮控制系统的输入端连接所述位移测量系统的输出端，所述悬浮控制系统的输出端连接所述电极笼，用于根据所述位移测量系统测量的所述位移数据产生反馈控制电压，控制所述检验质量块的平动和转动，使所述检验质量块悬浮于所述电极笼的平衡位置；