静电加速度计高压执行机到电容位移传感耦合噪声的研究

发布时间：2020-06-11 10:41

【摘要】：空间静电加速度计由于其具有分辨率高,可以六自由度同时测量等优点,常被用来检测航天器在太空中所受到的非保守力,以及应用在空间无拖曳控制中,是地球重力场测量中的关键载荷。为了在地面上验证静电加速度计的六自由度控制的可行性以及真实分辨率水平就需要对加速度计开展地面高压悬浮试验。课题组已经完成了70g Test Mass(TM)的地面静电加速度计实验验证,受限于地面振动与高压耦合噪声而只能达到4?10~(-8)m/s~2/Hz~(1/2)的水平,为了降低地面加速度计测试中由于高压耦合噪声带来的影响,就需要对地面加速度计的执行机部分以及其耦合部分进行研究。本文首先对高压执行机电路进行了理论建模,分析执行机电路内部各个元器件的噪声对输出的影响大小,计算了电阻阻值波动噪声并给出了测量方法,研究了高压放大电路的电源抑制效应。理论计算了高压反馈噪声对电容位移传感的影响,其中高压执行机电路的低频噪声会直接耦合到对应极板上,而其高频噪声则会通过变压器耦合到电容位移传感的输出。通过理论建模与实验测试降级了高压执行机的低频噪声5倍,也就降低了反馈高压对极板电压的耦合噪声。通过参数优化降低了高压执行机电路对传感的耦合噪声4倍。得出了次级调谐比初级调谐会对高频反馈噪声抑制更好的结论,最终达到1.2?10~(-6)V/Hz~(1/2)水平,接近电容位移传感的噪声本底。最后通过理论建模,搭建地面高压悬浮加速度计的Matlab/Simulink仿真模型,带入实测噪声的拟合曲线,探究高压执行机引入的噪声对加速度计的输出加速度噪声的影响,仿真结果与理论计算一致。得出高压悬浮加速度计竖直方向上受执行机到传感耦合噪声影响更大的结论并得出水平方向上高压耦合噪声限制是3?10~(-11)m/s~2/Hz~(1/2)的结论,降低了高压耦合噪声估计两个量级。
【图文】：

重力梯度仪,卫星搭载,加速度计,卫星

华中科技大学硕士学位论文1 绪论1 课题研究背景与现状进入 21 世纪，地球重力测量迎来了全新一代配备了高精度惯性加速度测量系速度计和梯度仪)的卫星任务。其中包括 CHAMP(Challenging Minisateyload)[1-3]卫星任务，GRACE(GravityRecoveryandClimateExperiment)[4-6]卫星任及 GOCE(Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer)[7-11]卫星任务首要任务是研究地球的重力场及其时空变化，还有 GRAIL(Gravity Recovery erior Laboratory)[12, 13]任务是用来探究月球重力场的。

课题组,静电加速,加速度计,卫星

由于静电加速度计[21]具有精度高、体积小、能实现六自由度的同时测量以及技术成熟等特点，广泛应用在卫星重力测量[22-25]、空间引力波探测[26-31]等项目中，而其惯性传感技术也被应用到空间等效性原理验证[32-34]等项目中。CHAMP、GRACE 和GOCE 卫星分别搭载了由 ONERA 公司研制的 STAR[35, 36]、SuperSTAR[37, 38]和GRADIO[39, 40]高精度静电加速度计，，静电加速度计是各卫星任务中搭载的关键载荷，其精度决定着重力卫星任务的精度。课题组从 2000 年开始对高精度静电悬浮加速度计以及惯性传感器进行研究[41-44]，并分别对 3×10-10m/s2/Hz1/2、10-12m/s2/Hz1/2精度的加速度计设计出了 2×10-6pF/Hz1/2、2×10-7pF/Hz1/2精度的电容位移传感电路，为课题组高分辨率加速度计的研制提供了技术支持[45, 46]。静电加速度计的分辨率很高，但是量程只有μg量级，受限于地面重力加速度 g，无法直接对加速度计的性能进行测(a)地面高压悬浮测试 (b)加速度计噪声功率谱图 1-2 课题组地面高压悬浮方案测试[20]
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V447

【相似文献】