基于平动-倾斜补偿原理的加速度计地面测试摆台研究

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静电加速度计在卫星重力测量、空间等效原理检验以及空间引力波探测等空间科学项目中有着广泛的应用。静电加速度计是基于电容位移传感技术和静电反馈控制技术而研制出来的,具有高分辨率、小量程以及六自由度同时测量的特点。为了在地面验证加速度计的工作状态和性能指标,必须克服地面重力加速度的效应以及包括地面振动在内的各种环境噪声的影响。高压悬浮方案是除悬丝悬挂和自由落体之外的又一种地面测试方案,相比于其他两种方案,它可以实现加速度计六自由度同时测量,适用于工程样机的检验。但是,在该方案中静电加速度计的分辨率测试水平受限于地面振动噪声。本课题组已成功研制了高压悬浮静电加速度计,在地面上实现了静电加速度计的六自由度控制,由于受限于地面振动噪声,加速度计水平方向噪声在0.1Hz处测到了4×10-8m/s2/Hz1/2,远高于其设计噪声水平,因此隔振系统的研究将十分必要。对于传统的被动隔振平台,其隔振频带大都在0.1Hz以上频率范围,难以覆盖到静电加速度计低至毫赫兹量级的工作频段。为此,我们提出了一种静电加速度计高压悬浮地面测试摆台方案,该摆台能够有效地降低摆台本征频率以下的低频区域地面振动噪声的影响。本文首先介绍了静电加速度计的工作原理及高压悬浮地面测试方案,指出了在高压悬浮测试方案中,加速度计的分辨率测试除了受到带内地面振动噪声的影响外,还会受到平台带外高频振动噪声和带内扭转运动噪声的影响。为了提高静电加速度计的地面测试水平,我们基于平动-倾斜补偿原理设计了一套加速度计地面测试摆台,对其进行了详细的理论建模与分析,并结合撞击中心效应,给出了待测加速度计的位置因素对高频振动耦合噪声和扭转自由度耦合噪声的影响,同时设计实验对理论模型进行了初步验证。针对静电加速度计高压悬浮地面测试的需求,设计了相应负载能力和隔振能力的测试摆台,提出了一种摆台角度的调节方案,以满足静电加速度计正常工作时对安装平台的角度需求。为了避免静电加速度计的水平电路和高压电路对测试摆台的影响,将加速度计的电路部分和传感探头独立开来,并把电路部分放置到摆台外部,避免电路直接接触摆台。在加速度计摆台联合实验测试中,加速度计水平方向分辨率测试在0.2Hz附近测到了3×10-9m/s2/Hz1/2,噪声水平相较于地面测试最好结果降低了一个数量级,充分验证了摆台对地面振动的隔离效果。本文的工作对静电加速度计分辨率地面测试水平的提高具有重要意义,为下一代更高精度的静电加速度计的研制提供了可靠的测试环境。
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