一种惯性传感器地面模拟仿真测试系统的制作方法

1.本技术涉及惯性传感器模拟仿真技术领域，具体而言，涉及一种惯性传感器地面模拟仿真测试系统。


背景技术：

2.惯性传感器采用差分电容检测及静电反馈控制的方法，是一种空间探测用的高精度位移测量设备，测量精度可达pm量级，可以为高精度宇宙探测平台提供无拖曳飞行的惯性参考基准，也可以在引力波探测过程中，为激光干涉仪提供稳定的测量基础，变换测控方式后，还可以对低频微弱加速度进行测量，因此，其在引力波探测、卫星无拖曳飞行、科学卫星微重力水平测试、高精度空间科学实验等领域有重要的应用前景。
3.为了确保惯性传感器在轨能够稳定运行，同时性能指标达到设计预期，需要在地面状态下对惯性传感器的各项性能做尽可能详尽的测试。然而，为了达到较高的测量精度，惯性传感器的检验质量块质量需要达到kg级，电极间距达到mm级。如果直接采用传统的高压悬浮测量方法，其地面悬浮电压将达到5万伏以上，这显然是不现实的，而如果采用落塔测试的方法，高速下落的kg级的检验质量和毫米级的活动间隙，将对电极笼产生很大的冲击，导致设备损坏，因此，传统的地面测试手段均无法实现对惯性传感器性能的直接测试。如果能够采用仿真模拟装置，实现地面状态下惯性传感器的高压悬浮，将能够较为全面地对惯性传感器测量及控制方式、激光干涉测量方法、残余电荷影响等提供全物理仿真模拟的可能。


技术实现要素：

4.本技术的主要目的在于提供一种惯性传感器地面模拟仿真测试系统，对惯性传感器进行全物理仿真，大幅减小在轨功能和性能测试不全面造成的风险，实现惯性传感器地面性能的测试。
5.为了实现上述目的，本技术提供了一种惯性传感器地面模拟仿真测试系统，包括模拟质量块、模拟电极笼以及高精度调节台，其中：模拟质量块设置在模拟电极笼内部的中心；模拟电极笼设置在高精度调节台上；模拟电极笼的前端设置有测量电路、顶端设置有真空装置，后端设置有测角装置。
6.进一步的，模拟质量块的材质为工程塑料，表面镀有金属材料。
7.进一步的，模拟电极笼为立方体结构，包括六个面，每两个面之间设置有限位结构，每个面上均设置有电极。
8.进一步的，测量电路与模拟电极笼每个面上的电极连接，用于探测其差值的变化。
9.进一步的，测量电路还与反馈控制电路连接。
10.进一步的，高精度调节台的中间设置有高精度驱动转轴。
11.进一步的，测角装置包括激光干涉测角仪和台体测角反射镜，其中：台体测角反射镜固定在高精度调节台上，位于模拟电极笼的后端；激光干涉测角仪通过转轴反馈控制器
与高精度驱动转轴连接。
12.进一步的，反馈控制电路具有两种控制模式，包括高压控制模式和惯性测量模式。
13.本发明提供的一种惯性传感器地面模拟仿真测试系统，具有以下有益效果：
14.本技术可实现惯性传感器检验质量的地面稳定悬浮，用于地面性能仿真测试及科学实验地面模拟，为惯性传感器在轨可靠运行提供地面测试依据，也可用于各类惯性传感器相关的测试实验。
附图说明
15.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，使得本技术的其它特征、目的和优点变得更明显。本技术的示意性实施例附图及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
16.图1是根据本技术实施例惯性传感器地面模拟仿真测试系统的结构示意图；
17.图2是根据本技术实施例惯性传感器地面模拟仿真测试系统的模拟电极笼的x轴电极板布局图；
18.图3是根据本技术实施例惯性传感器地面模拟仿真测试系统的模拟电极笼的y轴电极板布局图；
19.图4是根据本技术实施例惯性传感器地面模拟仿真测试系统的模拟电极笼的z轴电极板布局图；
20.图5是根据本技术实施例惯性传感器地面模拟仿真测试系统的模拟电极笼的反馈控制电路在z轴方向的控制图；
21.图中：1-模拟质量块、2-模拟电极笼、3-限位结构、4-电极、5-真空装置、6-测量电路、7-反馈控制电路、8-激光干涉测角仪、9-台体测角反射镜、10-转轴反馈控制器、11-高精度调节台、12-高精度驱动转轴。
具体实施方式
22.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。
23.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
24.在本技术中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本技术及其实施例，并非用于限定所指示的装
置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
25.并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本技术中的具体含义。
26.另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
27.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
28.如图1所示，本技术提供了一种惯性传感器地面模拟仿真测试系统，包括模拟质量块1、模拟电极笼2以及高精度调节台11，其中：模拟质量块1设置在模拟电极笼2内部的中心；模拟电极笼2设置在高精度调节台11上；模拟电极笼2的前端设置有测量电路6、顶端设置有真空装置5，后端设置有测角装置。
29.具体的，本技术实施例提供的惯性传感器地面模拟仿真测试系统主要用于对惯性传感器水平轴向的功能及性能做出测试，同时可以为惯性传感器各类研究性实验提供地面悬浮测量平台。模拟质量块1采用特殊工艺加工制作，与惯性传感器的实际结构具有类似的表面金属材料和相同的机械加工精度；模拟电极笼2主要用于模拟惯性传感器的表面材料特性，在水平轴向集成了检测电压注入电极和质量块控制电极，同时还设计了用于激光干涉测量验证的专用通道。高精度调节台11主要用于调节加速度，能够实现微小倾角的闭环调节和测量。测量电路6主要用于测量模拟质量块1位移的变化，真空装置5主要用于在地面条件下维持电极4笼内部真空，避免高压放电和过大的气体阻尼引起的噪声，测角装置主要用于测量高精度调节台11的倾斜角度，为了在地面测试的过程中，利用沿着台面方向的重力分量，对惯性传感器进行测量、标定等。
30.进一步的，模拟质量块1的材质为工程塑料，表面镀有金属材料。模拟质量块1优选工程塑料材质的立方型检验质量块，随后采用气相沉积或电镀等方法，在其表面镀上金属材料，形成表面金属化的检验质量块模拟器，也可以根据实际需求制作成中空的形式，模拟质量块1的边长为40-60mm，质量为20-200g，表面粗糙度在1um以下，由于其质量轻，体积大，在电极4间距适当时，可以在小于1500v的极板高压作用下悬浮在电极笼中心，大大减少了地面悬浮电压。此外，模拟质量块1工程塑料的线膨胀系数在10-5/℃量级，试验中如果将环境温度控制在
±
0.1℃以内，温度引起质量块尺寸的变化仅在100nm量级，相比100μm以上的电极间距，其在地面测试实验中引起的误差可以忽略，提高了测量的精度。
31.进一步的，模拟电极笼2为立方体结构，包括六个面，每两个面之间设置有限位结构3，每个面上均设置有电极4。模拟电极笼2是包围在模拟质量块1周边的立方结构体，其主要作用是承载模拟质量块1，并在相应轴向提供测量和控制电极4，以及激光通孔。本技术实施例中模拟电极笼2整体采用微晶玻璃材料，电极笼为立方体结构，六个面分别进行加工，加工完成后，采用精密螺钉作为限位结构3，粘贴于电极板边缘，再对电极板进行金属镀膜，之后采用刻蚀技术，将需要绝缘部分的金属材料刻蚀掉，一般采用金作为电极4金属材料，其中，如图2-4所示，沿x轴和y轴的每个面上设置有两个电极4，沿z轴的每个面设置有四个电极4，最后，将模拟质量块1配合六块电极4板进行组装，完成整体装配，在图2中，左右两个圆圈代表注入电极，在这个地方施加的电压为100khz、幅值1～4v的正交流电压，用于模拟质量的位移检测，中间的圆圈区域为激光通孔，可以在地面系统联试过程中，和激光干涉测
角仪8进行联试，同理在图3中，上下两个圆圈代表注入电极，中间圆圈区域为激光通孔。
32.进一步的，测量电路6与模拟电极笼2每个面上的电极4连接，用于探测其差值的变化。测量电路6与模拟电极笼2z轴方向上的两个面构成高压悬浮系统，高压悬浮系统能够使模拟质量块1在模拟电极笼2的重力方向(z轴方向)进行高压悬浮，并且，模拟质量块1与对应轴向两侧的电极4板之间形成电容，当模拟质量块1在该轴向的位移发生变化时，电容也会随之改变，z轴方向的测量电路6探测到两个电容之间的差值变化，根据差值变化能够计算出模拟质量块1在该方向的位移。同理，沿x轴和沿y轴每个面上的电极4均和测量电路6连接，根据实际测量情况，每个轴向的不同通道分别用不同的测量电路6进行该通道的位移检测，位移检测的原理均是利用测量电路6的电容差计算得到的。
33.进一步的，如图5所示，测量电路6还与反馈控制电路7连接。测量电路6还与高压反馈电路以及pid控制器连接，根据电容之间的差值变化，测量电路6经过pid控制器及高压反馈电路的控制，会对z轴方向上的电极4板施加反馈控制电压，使z轴方向的位移检测电压达到0v附近，此时模拟质量块1在重力方向(z轴方向)达到稳定悬浮。同理，在x轴方向和y轴方向上的反馈控制与z轴方向上的相同，反馈控制电路7主要用于根据测量电路6检测的位移数据，将模拟质量块1控制在电极笼中心位置。
34.进一步的，高精度调节台11的中间设置有高精度驱动转轴12。高精度驱动转轴12能够实现高精度调节台11的微小倾角调节，得到1
×
10-8
rad的倾角调节步长，将水平轴向的反馈控制电压调节到最小值，此时倾角造成的输入加速度最小，可以进入惯性测量模式。高精度驱动转轴12旋转以后，模拟质量块1移动很小的距离，但反馈控制系统会让其在极短时间内恢复到原来的位置，但此时为了维持质量块的位置，反馈电压将变大，这相当于一种反馈控制方式，通过反馈作用力来推算加速度的。
35.进一步的，测角装置包括激光干涉测角仪8和台体测角反射镜9，其中：台体测角反射镜9固定在高精度调节台11上，位于模拟电极笼2的后端；激光干涉测角仪8通过转轴反馈控制器10与高精度驱动转轴12连接。测角装置主要用于测量高精度调节台11的倾斜角度，微小倾角如果是θ，则对应的重力分量为g*θ，倾角的调节采用反馈控制的方法，调节量由激光干涉测角仪8确定，驱动则由调节台高精度驱动转轴12完成，调节量由上位机设定，台体测角反射镜9用于激光干涉测量中的光路控制，激光干涉测角仪8用于测量台面的微小角度变化，转轴反馈控制器10用于读取激光干涉测角仪8数据，并转换成驱动信号传递高精度驱动转轴12，从而对台面进行转角控制。
36.进一步的，反馈控制电路7具有两种控制模式，包括高压控制模式和惯性测量模式。反馈控制电路7主要用于将模拟质量块1在水平方向进行稳定控制，同时测量其水平方向的位移变化，测量过程中包括两种工作模式，在高压控制模式下，通过调节高精度调节台11的倾角，将水平轴向的输入加速度调到0.1ug以内，此后可以将x轴或y轴的控制模式改为惯性测量模式，即不对水平方向进行反馈控制，只进行位移检测读出，此时该方向可以进行惯性测量的相关测试，在惯性测量模式下，近似认为模拟质量块1只受大地脉动影响，残余加速度在10-7
m/s2量级，此时水平轴向可以有30秒左右的自由漂移时间，用于对惯性测量模式下的测量及控制过程进行测试及评估。从总体来看，高压控制模式下，模拟质量块1在三个轴向均被稳定控制，惯性测量模式下，水平一个轴向只是测量其位移变化，不再进行控制，即如果该方向重力分量大，模拟质量块1沿着该方向的位移将较快达到最大值。
37.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。