空间引力波探测属于前沿科学研究,其基本原理是利用激光干涉仪测量空间中两个自由悬浮的测试质量的间距变化,从而推断引力波的存在。测试质量作为空间惯性传感器的核心部件,为激光干涉仪提供惯性基准。“太极计划”要求在0.1m Hz到1Hz频段,惯性传感器测试质量的敏感轴向的残余加速度噪声低于3×10-15ms-2/Hz1/2。空间惯性传感器由测试质量、电极笼、前端电子学系统以及辅助系统构成。测试质量为一边长46mm的金铂合金立方体,电极笼是电极载体,其内表面上包含多组对称布置的电容极板。为保证测试质量处于电极笼中心位置,前端电子学通过电容传感方式读取测试质量与电极笼的相对位置关系,并对测试质量进行静电反馈控制。由于电容传感检测的是测试质量的形心相对电极笼的中心的位置,而静电反馈力作用于测试质量的质心,测试质量质心与形心不重合会使测试质量产生额外加速度噪声。本文根据静电驱动原理,建立了因测试质量质心形心不重合所引起噪声的数学模型,该项噪声指标要求为3×10-16ms-2/Hz1/2,则测试质量质心相对其形心的偏移量需控制在3.75μm以内。目前,国内外的质心测量方法主要分为静态测量与动态测量,静态测量法能够测量被测物体和辅助支撑结构共同的质心位置,但是需要消去辅助结构的质心位置参数,才能得到被测物体的质心,计算比较复杂。本文所使用的基于五线摆的质心测量方法属于动态测量方法,将被测物体置于能产生单自由度旋转的摆平台上,摆的振动固有频率能够间接地反映被测物体围绕摆的旋转轴的转动惯量,根据平行轴定理,该转动惯量又可表示为被测物体质心相对其形心位置参数的函数。本文通过对五线摆的动力学分析,给出了物体质心偏移量与五线摆固有频率之间的函数关系。并据此分析了固有频率测量精度需求,若质心偏移量测量误差不超过2.4μm,五线摆固有频率的测量精度至少需要达到2.9×10-5Hz。接着,本文设计了五线摆固有频率测量装置。首先通过建模和电磁仿真设计了基于电磁螺线圈和永磁体的电磁驱动器,为五线摆提供可重复性振动激励。然后介绍了采用衍射光栅和四象限探测器测量五线摆扭振角位移的原理。最后,搭建实验平台,给五线摆施加振幅可控的激励脉冲,对五线摆振动角位移进行测量,根据记录的角位移数据拟合出五线摆的扭转振动固有频率。实验结果表明,在初始振幅为3×10-4rad的扭转振动情况下,五线摆的固有频率测量精度为2.66×10-5Hz。满足利用五线摆法测量测试质量质心偏移的需求。