一种惯性传感器在轨释放的地面模拟评估装置-9479威尼斯

专利名称：一种惯性传感器在轨释放的地面模拟评估装置

专利类型：发明专利

专利申请号：cn202210636584.6

专利申请（专利权）人：华中科技大学
权利人地址：湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号

专利发明（设计）人：周泽兵,马云,邹雨彤

专利摘要：本发明公开了一种惯性传感器在轨释放的地面模拟评估装置，包括检验质量、电容极板、激光干涉仪、电容位移传感与静电反馈控制电路、真空机构、扭摆机构和释放机构；在真空机构内，扭摆机构用于悬挂检验质量，初始状态时释放机构与检验质量接触，模拟在轨释放时释放检验质量；激光干涉仪用于检测检验质量的第一释放位移信号；电容位移传感与静电反馈控制电路用于检测初始状态时和释放后检验质量与电容极板所产生的差分电容信号，并根据第一释放位移信号和差分电容信号在电容极板上施加反馈控制电压，产生静电力，将检验质量再次拉回初始平衡位置。本发明提供的地面模拟评估装置能对真实在轨时检验质量释放机理和静电捕获控制进行研究。

主权利要求：
1.一种惯性传感器在轨释放的地面模拟评估装置，其特征在于，包括检验质量、电容极板、激光干涉仪、电容位移传感与静电反馈控制电路、真空机构、拍摄机构、扭摆机构和释放机构；
其中，在所述真空机构内，所述扭摆机构用于悬挂所述检验质量组成单摆来克服地球引力，所述释放机构用于在初始状态时与所述检验质量接触使其保持平衡状态，模拟在轨释放时释放所述检验质量；
所述检验质量与激光干涉仪相对设置，所述检验质量摆动方向的一侧面充当所述激光干涉仪的反射镜，所述激光干涉仪用于检测所述检验质量的第一释放位移信号；电容极板设置在所述检验质量摆动方向的两侧，所述电容位移传感与静电反馈控制电路用于检测初始状态时和释放后检验质量与电容极板所产生的差分电容信号，并根据所述第一释放位移信号和所述差分电容信号在电容极板上施加反馈控制电压，产生静电力，将所述检验质量再次拉回初始平衡位置，从而实现真实在轨时检验质量释放机理和静电捕获控制的研究；
所述拍摄机构用于拍摄所述释放机构释放所述检验质量的释放过程。
2.根据权利要求1所述的惯性传感器在轨释放的地面模拟评估装置，其特征在于，所述电容位移传感与静电反馈控制电路包括高频载波发生器、差分变压器桥路、低噪声电荷放大器、高q值带通滤波器、异步解调器、adc转换器和反馈控制器；
其中，所述高频载波发生器用于向所述检验质量施加高频载波电压信号；所述差分变压器桥路用于检测电容极板之间的低频差分电容信号；所述低噪声电荷放大器用于将所述低频差分电容信号转换为可检测的电压信号；所述高q值带通滤波器用于将所述电压信号进行带通滤波处理；所述异步解调器用于提取带通滤波后的电压信号中的低频差分电容信号；所述adc转换器用于将提取的低频差分电容信号进行模数转换，得到检验质量初始状态和释放后的第二释放位移信号；所述反馈控制器用于根据所述第一释放位移信号和所述第二释放位移信号，在电容极板上施加反馈控制电压，产生静电力，将所述检验质量再次拉回初始平衡位置。
3.根据权利要求1所述的惯性传感器在轨释放的地面模拟评估装置，其特征在于，所述检验质量采用金属或金属镀膜形成的平面导体。
4.根据权利要求1所述的惯性传感器在轨释放的地面模拟评估装置，其特征在于，所述检验质量采用立方体形状，且所述检验质量摆动方向的一侧面被打磨成光滑的平面镜，用于充当所述激光干涉仪的反射镜。
5.根据权利要求1所述的惯性传感器在轨释放的地面模拟评估装置，其特征在于，所述释放机构包括顶针和驱动器，初始状态时所述顶针与所述检验质量一侧面相接触使其保持平衡位置，模拟在轨释放时通过所述驱动器驱动所述顶针朝远离所述检验质量的一侧运动，释放所述检验质量。
6.根据权利要求5所述的惯性传感器在轨释放的地面模拟评估装置，其特征在于，所述驱动器采用压电驱动直线电机或压电驱动电机。
7.根据权利要求1所述的惯性传感器在轨释放的地面模拟评估装置，其特征在于，所述扭摆机构包括悬丝，所述悬丝的一端固定在所述真空机构的顶部，另一端悬挂所述检验质量。
8.根据权利要求1所述的惯性传感器在轨释放的地面模拟评估装置，其特征在于，所述真空机构包括真空腔体及设置在所述真空腔体表面的真空接口，所述真空接口用于连接外部真空设备。
9.根据权利要求1所述的惯性传感器在轨释放的地面模拟评估装置，其特征在于，所述拍摄机构采用高速相机。 说明书 : 一种惯性传感器在轨释放的地面模拟评估装置技术领域[0001] 本发明属于精密测量、空间惯性传感器领域，更具体地，涉及一种惯性传感器在轨释放的地面模拟评估装置。背景技术[0002] 惯性传感器在卫星导航与定位、重力卫星测量等航空航天领域中有广泛的应用。同时，惯性传感器也是空间引力波探测和卫星重力测量等的核心载荷和关键技术之一。其中锁紧释放机构作为惯性传感器的重要组成部分之一，其需要在卫星发射阶段保证检验质量安全可靠地固定在电机笼内，在卫星入轨后将检验质量以较高的定位精度、极低地残余速度释放到空间中去，并由静电控制系统对其进行捕获。在轨释放阶段，若检验质量释放失败或者释放速度过大，电容控制系统就无法将检验质量控制在理想悬浮状态。惯性传感器的锁紧释放机构是一项至关重要的任务，因此，要在地面上对其进行专门的实验研究。[0003] 2016年lpf计划搭载的惯性传感器就配备了锁紧释放机构,并在其发射前进行了大量的地面测试。trento大学在地面搭建了惯性传感器在轨释放的地面模拟评估装置(简称tmmf装置)，但仅能用于在轨时检验质量与释放机构接触产生的黏附力特性的研究，无法对真实在轨时检验质量释放的静电捕获控制策略进行研究。发明内容[0004] 针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种惯性传感器在轨释放的地面模拟评估装置，旨在研究真实在轨时检验质量释放机理和静电捕获控制。[0005] 为实现上述目的，本发明提供一种惯性传感器在轨释放的地面模拟评估装置，包括检验质量、电容极板、激光干涉仪、电容位移传感与静电反馈控制电路、真空机构、拍摄机构、扭摆机构和释放机构；[0006] 其中，在所述真空机构内，所述扭摆机构用于悬挂所述检验质量组成单摆来克服地球引力，所述释放机构用于在初始状态时与所述检验质量接触使其保持平衡状态，模拟在轨释放时释放所述检验质量；[0007] 所述检验质量与激光干涉仪相对设置，所述检验质量摆动方向的一侧面充当所述激光干涉仪的反射镜，所述激光干涉仪用于检测所述检验质量的第一释放位移信号；电容极板设置在所述检验质量摆动方向的两侧，所述电容位移传感与静电反馈控制电路用于检测初始状态时和释放后检验质量与电容极板所产生的差分电容信号，并根据所述第一释放位移信号和所述差分电容信号在电容极板上施加反馈控制电压，产生静电力，将所述检验质量再次拉回初始平衡位置，从而实现真实在轨时检验质量释放机理和静电捕获控制的研究；所述拍摄机构用于拍摄所述释放机构释放所述检验质量的释放过程。[0008] 相比于传统的tmmf装置，本发明提供的地面模拟评估装置加入了电容极板和静电控制，更接近真实在轨情况，并还可用于研究检验质量的释放机理和静电捕获控制，其优点主要体现在：(1)加入电容极板、电容位移传感与静电反馈控制电路最终使检验质量再次处于平衡位置；(2)可用于研究检验质量释放的控制策略，检验质量的静电捕获也存在很大挑战，如果静电捕获失败，释放捕获过程可能要反复多次进行；(3)将静电反馈控制技术与扭摆机构相结合，可以实现检验质量进入轨道前完整释放过程的研究：释放机理和静电捕获控制。[0009] 在其中一个实施例中，所述电容位移传感与静电反馈控制电路包括高频载波发生器、差分变压器桥路、低噪声电荷放大器、高q值带通滤波器、异步解调器、adc转换器和反馈控制器；[0010] 其中，所述高频载波发生器用于向所述检验质量施加高频载波电压信号；所述差分变压器桥路用于检测电容极板之间的低频差分电容信号；所述低噪声电荷放大器用于将所述低频差分电容信号转换为可检测的电压信号；所述高q值带通滤波器用于将所述电压信号进行带通滤波处理；所述异步解调器用于提取带通滤波后的电压信号中的低频差分电容信号；所述adc转换器用于将提取的低频差分电容信号进行模数转换，得到检验质量初始状态和释放后的第二释放位移信号；所述反馈控制器用于根据所述第一释放位移信号和所述第二释放位移信号，在电容极板上施加反馈控制电压，产生静电力，将所述检验质量再次拉回初始平衡位置。[0011] 在其中一个实施例中，所述检验质量采用金属或金属镀膜形成的平面导体。[0012] 在其中一个实施例中，所述检验质量采用立方体形状，且所述检验质量摆动方向的一侧面被打磨成光滑的平面镜，用于充当所述激光干涉仪的反射镜。[0013] 在其中一个实施例中，所述释放机构包括顶针和驱动器，初始状态时所述顶针与所述检验质量一侧面相接触使其保持平衡位置，模拟在轨释放时通过所述驱动器驱动所述顶针朝远离所述检验质量的一侧运动，释放所述检验质量。[0014] 在其中一个实施例中，所述驱动器采用压电驱动直线电机或压电驱动电机。[0015] 在其中一个实施例中，所述扭摆机构包括悬丝，所述悬丝的一端固定在所述真空腔体内的顶部，另一端悬挂所述检验质量。[0016] 在其中一个实施例中，所述真空机构包括真空腔体及设置在所述真空腔体表面的真空接口，所述真空接口用于连接外部真空设备。[0017] 在其中一个实施例中，所述拍摄机构采用高速相机。附图说明[0018] 图1是本发明一实施例提供的惯性传感器在轨释放的地面模拟评估装置的结构示意图；[0019] 图2是本发明一实施例提供的电容位移传感与静电反馈控制电路的部分电路原理示意图；[0020] 图3是本发明提供的检测差分电容信号的原理示意图；[0021] 图4是本发明一实施例提供的检验质量的结构示意图。具体实施方式[0022] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。[0023] 本发明提供了一种惯性传感器在轨释放的地面模拟评估装置，旨在研究真实在轨时检验质量释放机理和静电捕获控制。图1是本发明一实施例提供的惯性传感器在轨释放的地面模拟评估装置的结构示意图，如图1所示，该地面模拟评估装置包括检验质量10、电容极板20、激光干涉仪30、电容位移传感与静电反馈控制电路40、真空机构50、拍摄机构60、扭摆机构70和释放机构80。[0024] 其中，在该真空机构80内，扭摆机构70用于悬挂检验质量10组成单摆来克服地球引力，释放机构80用于在初始状态时与检验质量10接触，调节检验质量10，使其保持平衡状态，在模拟在轨释放时释放检验质量10，产生释放位移。[0025] 检验质量10与激光干涉仪30相对设置，检验质量10摆动方向的一侧面(如图1所示的左侧面)充当激光干涉仪30的反射镜，激光干涉仪30用于检测检验质量10的第一释放位移信号。[0026] 本实施例利用激光干涉仪30检测检验质量10的释放位移的工作原理为：激光干涉仪30发射一束激光至检验质量10摆动方向的一侧面，当释放机构80释放检验质量10后，检验质量10偏离平衡位置进行摆动，激光干涉仪30发射的激光经过检验质量10的左侧面后被反射回去，激光干涉仪30被设置为零差探测，激光干涉仪30用于根据发射出的激光和反射回的激光的相位差，计算得到检验质量10的第一释放位移信号。[0027] 电容极板20设置在检验质量10摆动方向的两侧，电容位移传感与静电反馈控制电路40用于检测初始状态时和释放后检验质量10与电容极板20所产生的差分电容信号，并根据释放位移和差分电容信号在电容极板20上施加反馈控制电压，产生静电力，将检验质量10再次拉回初始平衡位置。[0028] 在本实施例中，电容极板20可设置为1对或多对，本实施例不作限制，只需确保其设置在检验质量10摆动方向的两侧，用于与检验质量之间产生差分电容信号。电容位移传感与静电反馈控制电路40用于将释放后检验质量10与电容极板20所产生的差分电容信号转换为第二释放位移信号，然后将第一释放位移信号和第二释放位移信号进行对比，对比出来的偏差值来调整施加在电容极板上的反馈控制电压，产生静电力，将检验质量10再次拉回初始平衡位置，即使释放后检验质量10与电容极板20的差分电容信号与初始状态时的差分电容信号相同，从而实现对真实在轨时检验质量10释放机理和静电捕获控制的研究。[0029] 拍摄机构60用于拍摄释放机构80释放检验质量10的释放过程，便于对惯性传感器在轨释放的地面模拟研究。优选地，拍摄机构60可采用高速相机。[0030] 相比于传统的tmmf装置，本实施例提供的地面模拟评估装置加入了电容极板和静电控制，更接近真实在轨情况，并还可用于研究检验质量10的释放机理和静电捕获控制，其优点主要体现在：(1)加入电容极板20、电容位移传感与静电反馈控制电路40最终使检验质量10再次处于平衡位置；(2)可用于研究检验质量10释放的控制策略，检验质量10的静电捕获也存在很大挑战，如果静电捕获失败，释放捕获过程可能要反复多次进行；(3)将静电反馈控制技术与扭摆机构70相结合，可以实现检验质量10进入轨道前完整释放过程的研究：释放机理和静电捕获控制。[0031] 在一个实施例中，为优化静电捕获控制策略，本发明提供的电容位移传感与静电反馈控制电路40可包括高频载波发生器、前端电路(包括差分变压器桥路和低噪声电荷放大器)、高q值带通滤波器、异步解调器(包括相敏检波器和低通滤波器)、adc转换器和反馈控制器。[0032] 在本实施例中，高频载波发生器用于向检验质量10施加高频载波电压信号，由于检验质量10与两侧的电容极板20组成一对差分电容，如图3所示，检验质量10相对外部电容极板20框架的运动会产生差分电容，而施加在检验质量10上的高频载波电压信号会将低频差分电容信号调制到差分变压器桥路上；差分变压器桥路用于检测该低频差分电容信号；低噪声电荷放大器用于将该低频差分电容信号转换为可检测的电压信号；高q值带通滤波器用于对低噪声电荷放大器输出的电压信号进行带通滤波处理，得到带通滤波后的电压信号，从而提高前端电路输出的电压信号的信噪比；异步解调器用于提取带通滤波后的电压信号中的低频差分电容信号；adc转换器用于将提取的低频差分电容信号进行模数转换，得到检验质量初始状态和释放后的第二释放位移信号；控制电路用于根据第二释放位移信号和激光干涉仪30检测的第一位移释放位移信号，在电容极板上施加反馈控制电压将检验质量拉回到其平衡位置。[0033] 在一个实施例中，检验质量10可采用金属和金属镀膜形成的平面导体，用作电容极板，检验质量10的表面与电容极板20构成电容，便于差分变压器桥路准确测量检验质量10与电容极板之间的低频差分电容信号。[0034] 进一步地，如图4所示，本实施例提供的检验质量10的形状可采用立方体，且其摆动方向的一侧面被打磨成光滑的平面镜，用于充当激光干涉仪30的反射镜。采用立方体形状的检验质量10方便加工，且便于激光干涉仪30准确测量其释放位移。[0035] 在一个实施例中，为进一步真实地模拟在轨情况，本实施例提供的释放机构80可采用顶针82和驱动器84，如图1所示，初始状态时顶针82与检验质量10的右侧面相接触，使检验质量保持在平衡位置，模拟在轨释放时通过驱动器84驱动顶针82朝远离检验质量10的一侧运动，即驱动顶针向右回撤，释放检验质量10，此时检验质量10会偏离平衡位置，产生释放位移。具体地，驱动器84可采用压电驱动直线电机或压电驱动电机。[0036] 在一个实施例中，为更进一步真实地模拟在轨情况，本发明提供的扭摆机构70可采用悬丝，悬丝的一端固定在真空机构50内的顶部，另一端悬挂该检验质量10。[0037] 在一个实施例中，真空机构50包括真空腔体及设置在真空腔体表面的真空接口，真空接口用于连接外部真空设备。当需要进行惯性传感器在轨释放的地面模拟和评估之前，需先利用外部真空设备将真空腔体内的空气排出，保证真空腔体处于真空状态，更好地模拟真实在轨情况。[0038] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

专利地区：湖北

专利申请日期：2022-06-07

专利公开日期：2024-07-09

专利公告号：cn115014341b