一种高精度加速度计在控制环内的性能评估方法及装置与流程

1.本发明属于精密测量领域，更具体地，涉及一种高精度加速度计在控制环内的性能评估方法及装置，主要用于高精度静电加速度计的性能测试。


背景技术：

2.高精度加速度计在空间引力实验和卫星重力测量等领域有重要应用意义。卫星重力测量中静电加速度计的分辨率需达到10-10
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量级。在地面对该类仪器进行性能验证的精度要求越来越高，由于地脉动噪声一般在10-7
～10-8
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量级，远超目前及将来的测试分辨率需求，因此必须发展新的隔振评估方法以满足高精度加速度计未来的评估需求。
3.目前高精度加速度计的评估方法主要有两种，一种是将高精度加速度计置于六自由度测试台上进行测试和标定，六自由度测试台处于安静实验室的大理石台面上，由于大理石台对低频地脉动的隔振能力有限，这种测试方法无法满足高精度加速度计的低频测试需求；另一种方法是将高精度加速度计及六自由度测试台置于隔振系统上进行测试和标定。
4.隔振系统的基本原理有被动式和主被动结合两种，根据用途和隔振频段主要分为以下三类，第一类是采用被动结构的高频隔振系统，如利用弹簧或气囊作为被动隔振结构的阻尼隔振系统，特点是结构简单易于实现，成本低，隔振频段一般在几赫兹以上，广泛应用于光学实验平台；第二类是采用主被动结构相结合的中高频隔振系统，在第一类基础上结合主动隔振技术，采用传感器感知振动并通过执行器控制减小振动，特点是结构相对复杂，隔振频带可调节，但最低隔振频段仍在0.5赫兹以上，主要应用于精密机械加工和精密测量；第三类是采用多级主被动隔振结构相结合的低频隔振系统，应用了弹簧、复合摆、倒摆等多种被动结构及主动反馈控制隔振，特点是结构非常复杂，造价高昂，隔振频带较宽，最低隔振频率可达0.01赫兹，主要应用于引力波探测。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种高精度加速度计在控制环内的性能评估方法及装置，旨在解决传统评估方法的评估精度低且结构复杂的问题。
6.本发明提供了一种高精度加速度计在控制环内的性能评估装置，包括：被动隔振结构a和反馈控制结构b，反馈控制结构b包括高精度加速度计，被动隔振结构a用于实现物理隔离高频振动；反馈控制结构b用于将高精度加速度计作为反馈控制传感器，并隔离低频地脉动，实现与其相适应的评估精度，最大限度地提高地面测试水平。
7.更进一步地，被动隔振结构a包括：底座、柔性支承结构和平台；底座固定于平整地面，且为柔性支承结构提供水平的安装平面；柔性支承结构分别与底座和平台固连，一方面起到支承平台的作用，另一方面能衰减高于其固有频率的震动；平台用于放置待评估的所述高精度加速度计并固定所述反馈控制结构b。
8.其中，柔性支承结构可以是上部悬挂式或底部支承式，其在0.05hz～1hz频段以0～10倍的隔振率隔离地面传递到平台的高于其固有频率的振动。
9.更进一步地，被动隔振结构a为支架加单摆的悬挂式结构，具体包括：支架、摆线和平台；摆线的一端悬挂于支架的顶部悬挂点，摆线的另一端与所述平台连接；支架用于悬挂摆线构成单摆结构，单摆结构用于实现被动隔震。
10.更进一步地，被动隔振结构a为基座加倒摆的支承式结构，具体包括：基座、挠曲结构和平台；挠曲结构的一端固定于所述基座上，所述挠曲结构的另一端与所述平台连接；所述基座用于支承所述挠曲结构并构成倒摆结构，所述倒摆结构用于实现被动隔震。
11.更进一步地，被动隔振结构a为框架加复合摆结构，具体包括：框架、平台、设置在所述平台上方的摆线或摆杆，以及设置在所述平台下方的挠曲结构；通过所述摆线或所述摆杆与所述框架的顶部连接，通过所述挠曲结构与所述框架的底部连接；所述框架用于实现悬挂和支承并构成复合摆结构，所述复合摆结构用于实现被动隔震。
12.更进一步地，反馈控制结构b还包括控制器和反馈力执行单元；高精度加速度计实时测量平台上的运动信号并通过信道传递给控制器，反馈控制数据经控制器根据运动信号计算后传递给反馈力执行单元并推动平台抵消低频地脉动造成的平台低频运动。
13.更进一步地，控制器包括：运动信号调理电路、模数转换电路、控制单元、数模转换电路和压流转换电路；运动信号调理电路的输入端连接至所述高精度加速度计的输出端，运动信号调理电路用于将运动信号放大到适于进行模数转换的电压值；模数转换电路的输入端与运动信号调理电路的输出端连接，用于将运动信号转换成数字信号；控制单元的输入端连接至模数转换电路的输出端，控制单元的输出端与数模转换电路的输入端连接，控制单元对所述数字信号进行计算并输出数字控制值；数模转换电路用于将数字控制值转换为模拟控制信号；压流转换电路的输入端连接至数模转换电路的输出端，压流转换电路的输出端用于连接至反馈力执行单元的输入端，用于将模拟控制信号转换为适于驱动反馈力执行单元的电流，并驱动所述反馈力执行单元作与振动方向相反的运动。
14.更进一步地，反馈力执行单元为音圈电机，所述音圈电机包括：固定安装于平台侧面的受力部分和固定安装于地面的施力部分；音圈电机产生的电磁力是与平台运动方向相反且经控制器精确计算后的推动力。
15.本发明还提供了一种基于上述的性能评估装置的评估方法，包括下述步骤：
16.通过高精度加速度计获取平台上的残余运动量；
17.采用控制器对所述残余运动量进行相位补偿计算后获得能进一步抑制平台低频运动的控制电信号；
18.反馈力执行单元根据所述控制电信号产生反馈力，并实现对平台的推动；
19.当所述反馈控制结构被稳定控制后，能在被动隔振的基础上极大地抑制地面振动，此时高精度加速度计再作为被评估对象，其输出的数据可用于分辨率评估分析或标定分析。
20.更进一步地，相位补偿计算具体为：利用超前或滞后补偿器，根据需要构建不同频段的超前或滞后补偿传递函数来补偿高精度加速度计因其频率特性在某频段的相位滞后或超前。
21.本发明的技术效果体现在：
22.(1)利用被测加速度计自身作为传感器，可实现与之适应的隔振评估精度水平，通过差分信号传输方法和采用24位以上高精度模数转换器件降低控制电路噪声的情况下，若采用分辨率为10-10
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量级的加速度计，则可实现10-10
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量级的测试评估水平。
23.(2)采用本发明进行加速度计地面测试时，采用差分信号传输方法和更高精度模数转换器保证控制电路噪声不是主要噪声来源，则加速度计测试评估水平仅受限于其本身的噪声本底，能最大限度地提高地面测试水平，加速度计分辨率越高越能体现本发明的优势。
24.(3)利用被测加速度计自身作为传感器，无需隔振评估系统配备传感器，使本发明的结构更简单；同时由于高精度的运动传感器价格高昂，本发明还使系统建设成本更低，通常只有传统主动隔振系统成本的三分之一。
附图说明
25.图1是本发明实施例提供的高精度加速度计环内隔振评估装置的原理结构示意图；
26.图2是本发明实施例提供的高精度加速度计环内隔振评估装置中控制器的原理框图；
27.图3是本发明实施例提供的高精度加速度计环内隔振评估方法的实现流程图。
28.其中，1为底座，2为柔性支承结构，3为平台，4为高精度加速度计，5为控制器，6为反馈力执行单元。
具体实施方式
29.为了进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术方案及优点，以下结合附图及实施例，对本发明提出的高精度加速度计环内隔振评估方法及装置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用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
30.本发明提供了一种适用于高精度加速度计等对环境振动有很高要求的加速度测量类传感器在地面进行性能测试的评估方法及装置。本发明装置能够在0.001hz～1hz频带内提供较好振动噪声抑制能力，克服了传统评估方法和装置评估精度不高及结构复杂的缺点，可有效提升高精度加速度计等精密仪器的地面测试水平，降低测试装置的建设费用。
31.本发明提供一种高精度加速度计环内隔振评估方法及装置，采用加速度计既作为被评估对象又作为主动反馈控制传感器的方案，先利用物理被动隔振结构隔离高频振动，再利用以加速度计作为反馈控制传感器的主动控制机构实现低频地脉动的隔离。
32.本发明提供的性能评估装置包括由底座1、柔性支承结构2和平台3组成的被动隔振结构a，以及由高精度加速度计4、控制器5、反馈力执行单元6组成的主动反馈控制结构b。
33.被动隔振结构a可以是支架加单摆的悬挂式、基座加倒摆的支承式或框架加复合摆等组成的复合式物理隔振结构，其中的柔性支承结构2可以是上部悬挂式或底部支承式，其能在0.05hz～1hz频段以0～10倍的隔振率隔离地面传递到平台3的高于其固有频率的振
动。置于平台3上的高精度加速度计4实时测量平台上的运动信号并通过信道传递给控制器5，反馈控制数据经控制器5根据运动信号计算后传递给反馈力执行单元6并推动平台3抵消低频地脉动造成的平台低频运动。
34.作为本发明的一个实施例，被动隔振结构a包括：支架加单摆的悬挂式结构，由支架和悬挂于支架顶部的单摆结构组成，单摆结构又由摆线和平台组成；支架安装于地面，单摆结构的摆线悬挂于支架的顶部悬挂点，摆线的另一端与单摆结构的平台连接；支架实现悬挂单摆结构的作用，单摆结构实现被动隔震的作用。
35.作为本发明的一个实施例，被动隔振结构a包括：基座加倒摆的支承式结构，由基座和其上支承的倒摆结构组成，倒摆结构又由挠曲结构和平台组成；基座安装于地面，倒摆结构的挠曲结构一端固定于基座上，另一端与倒摆结构的平台连接；基座实现支承倒摆结构的作用，倒摆结构实现被动隔震的作用。
36.作为本发明的另一个实施例，被动隔振结构a包括：框架加复合摆结构，由框架和其上连接的复合摆结构组成，复合摆又由上部的摆线或摆杆，中部的平台和下部的挠曲结构组成；复合摆上部通过摆线或摆杆与框架顶部连接，下部通过挠曲结构与框架底部连接；框架实现悬挂和支承复合摆的作用，复合摆结构实现被动隔震的作用。
37.本发明可以通过pid、相位补偿或内部模型控制等控制算法，在稳定控制的情况下，平台3的残余运动非常小，此时读取的高精度加速度计的数据既可作为反馈控制系统的控制信号来源，也可作为对高精度加速度计自身的评估数据。该装置可以用来直接检验高精度静电加速度计等有低频隔振需求加速度测量类传感器的性能。
38.如图2所示，控制器5包括：运动信号调理电路、模数转换电路、控制单元、数模转换电路和压流转换电路；其中，运动信号调理电路的输入端连接至高精度加速度计的输出端，运动信号调理电路用于将运动信号放大到适于进行模数转换的电压值；模数转换电路的输入端与运动信号调理电路的输出端连接，用于将运动信号转换成数字信号；控制单元的输入端连接至模数转换电路的输出端，控制单元的输出端与数模转换电路的输入端连接，控制单元对数字信号进行计算并输出数字控制值；数模转换电路用于将数字控制值转换为模拟控制信号；压流转换电路的输入端连接至所述数模转换电路的输出端，压流转换电路的输出端用于连接至反馈力执行单元的输入端，用于将模拟控制信号转换为适于驱动反馈力执行单元的电流，并驱动反馈力执行单元作与振动方向相反的运动。
39.本发明提出的高精度加速度计环内隔振评估装置在被动隔振结构的基础上，以一定的隔振率隔离地面传递到平台的高于其固有频率的振动，再通过高精度加速度计、控制器和反馈力执行单元组成的主动反馈控制结构实现低频较宽频段的隔振，在百mhz频段的测试分辨率能达到10-10
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量级。本发明所述装置能够极大地提高静电悬浮加速度计等高精度加速度计的地面验证水平，在精密仪器评估领域具有重要意义。
40.图1示出了本发明实施例提供的一种高精度加速度计环内隔振评估装置的原理图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。
41.其中，被动隔振结构a包括但不限于：底座1、柔性支承结构2、平台3组成的基本隔振结构，底座1固定于平整地面为柔性支承结构2提供水平的安装平面；柔性支承结构2分别与底座1和平台3固连，一方面起到支承平台3的作用，另一方面能衰减高于其固有频率的震动；平台3固连于柔性支承结构2上方，用于放置被评估加速度计并固定反馈力执行单元6的
受力部分；主动反馈控制结构b包括：高精度加速度计4、控制器5、反馈力执行单元6，高精度加速度计4置于平台3水平面中心，作为控制器5的传感器，同时也是被评估对象；控制器5置于隔振平台外的地面，电气上与高精度加速度计4和反馈力执行单元6连接，通过高精度加速度计的传感并结合控制算法计算反馈控制电流；反馈力执行单元6的施力部分固定于地面，受力部分固定于平台3，电气上与控制器5连接，通过控制反馈电流实现地面和平台3力的相互作用，从而实现检测震动并抵消震动，反馈力执行单元6的一个较佳实例是音圈电机。
42.在主动反馈控制结构b没有介入控制的情况下，地面通过柔性支承结构2在底座1接触点上引入的振动传递到平台3后，高于柔性支承结构固有频率的高频振动可被具有低通特性的被动隔振结构a衰减。而频率低于此固有频率的振动仍会无衰减地传递给平台3。
43.主动反馈控制结构b介入隔振的工作过程为：高精度加速度计4首先作为传感器获取平台3上的残余运动量；控制器5从高精度加速度计4获得运动信息后，经相位补偿控制算法计算得到具体的能进一步抑制平台3低频运动的控制电信号，此处的控制算法是通过一种控制策略程序化后的代码，控制策略可以是相位补偿、pid等经典控制策略或内部模型控制等现代控制策略中的一种或几种的组合，相位补偿控制算法利用超前或滞后补偿器，根据需要构建不同频段的超前或滞后补偿传递函数来补偿高精度加速度计因其频率特性在某频段的相位滞后或超前。
44.本实施例中，可以采用的高精度加速度计在0.1hz～1hz频段有15度相位滞后，1hz～10hz频段有158度相位滞后，设计的相位补偿器在该频段内进行相应相位超前补偿。反馈力执行单元6从控制器获取控制电信号，产生反馈力实现对平台3的推动，反馈力执行单元的一个较佳实例是音圈电机，音圈电机包含两个部分：固定安装于平台3侧面的受力部分和固定安装于地面的施力部分；音圈电机产生的电磁力是与平台3运动方向相反且经控制器5精确计算后的推动力。主动反馈控制结构在稳定控制后，能在被动隔振的基础上极大地抑制地面振动，此时高精度加速度计4再作为被评估对象，其输出的数据可用于分辨率评估分析或标定分析。本装置利用被测加速度计作为传感器，可达到与其自身相适应的隔振评估精度水平。
45.图3示出了本发明实施例提供的高精度加速度计环内隔振评估方法的实现流程，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。
46.评估方法包括下述步骤：
47.通过高精度加速度计获取平台上的残余运动量；
48.采用控制器对所述残余运动量进行相位补偿计算后获得能进一步抑制平台低频运动的控制电信号；
49.反馈力执行单元根据所述控制电信号产生反馈力，并实现对平台的推动；
50.当所述反馈控制结构被稳定控制后，能在被动隔振的基础上极大地抑制地面振动，此时高精度加速度计再作为被评估对象，其输出的数据可用于分辨率评估分析或标定分析。
51.其中，相位补偿计算具体为：利用超前或滞后补偿器，根据需要构建不同频段的超前或滞后补偿传递函数来补偿高精度加速度计因其频率特性在某频段的相位滞后或超前。
52.作为本发明的一个实施例，可以采用的高精度加速度计在0.1hz～1hz频段有15度
相位滞后，1hz～10hz频段有158度相位滞后，设计的相位补偿器在该频段内进行相应相位超前补偿。
53.本发明利用被测加速度计自身作为传感器，可达到与其自身相适应的隔振评估精度水平；具体地，通过差分信号传输和采用24位以上高精度模数转换器件降低控制电路噪声的情况下，若采用分辨率为10-10
m/s2/hz
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量级的加速度计，则可实现10-10
m/s2/hz
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量级的测试评估水平。
54.本发明进行加速度计地面测试时，采用差分信号传输方法和更高精度模数转换器保证控制电路噪声不是主要噪声来源，则加速度计测试评估水平仅受限于其本身的噪声本底，能最大限度地提高地面测试水平。
55.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。