静电悬浮加速度计地面高压悬浮原理与应用.pdf

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1、中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology2015年10月第5期静电悬浮加速度计地面高压悬浮原理与应用陈光锋霍红庆王佐磊银东东雷军刚张小青席东学(兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州730000)摘要静电悬浮加速度计是进行空间飞行器准稳态非重力精密测量的设备。静电悬浮加速度计研制中，需要借助高压悬浮来完成其功能和部分性能评价的相关工作。文章就地面静电悬浮加速度计检验质量高压悬浮中涉及的相关问题进行了理论分析，给出了地面悬浮原理、高压电路实现形式、工作点选取、稳定性控制、高压静电力作用

2、分析等，给出了实际试验结果，表明地面上系统在0．1Hz附近具有10～g。／Hz“2左右的分辨率，并可在悬浮状态下，完成功能及相关性能测试，获得静电悬浮加速度计地面直接性能评价受限的主要因素，同时就存在的问题进行了讨论。关键词静电悬浮加速度计；地面试验；高压悬浮；控制；空间测量设备DOI：10．3780／1．issn．1000—758X．2015．05．0081引言静电悬浮加速度计是空间飞行器准稳态非重力精密测量的设备，在空间飞行器非重力精密测量、空间大气密度及微尘埃测量、地球重力场测量、空间飞行器无阻力飞行测控系统、物理学基础理论验证等

3、方面获得应用，其更广泛的应用也在进一步拓展中。在地面研制中，功能和性能的可测试评价问题是静电悬浮加速度计研制的关键问题之一，也是难点所在。美国研制的MESA静电加速度计进行了检验质量从圆筒型到立方体的改进，在航天飞机及相关卫星上进行了多种应用[1。2]。ONERA于1973年研制了检验质量为球型的CACTUS静电加速度计[3]，用于大气阻力试验和无阻力飞行试验，由于其检验质量是圆形球体，在检验质量转动时存在耦合问题，20世纪90年代ONERA研制了ASTRE静电加速度计[4]，搭载在航天飞机上，进行空间准稳态非重力的测量[s]。1995

4、年，ONERA研制了残余加速度为1×10～g。的高稳平台[6。]，用于更高精度系列加速度计STAR、SuperSTAR及GOCE任务的加速度计研制[8。1⋯。在这些静电加速度计的研制中，地面验证都面临着一系列困难，难度随精度的提高及结构尺寸的变化而增大。在地面验证试验中，除了落塔试验，地面的高压悬浮是静电悬浮加速度计进行功能和部分性能验证的基本方法之一。本文就地面静电悬浮加速度计功能及部分性能评价中涉及的检验质量高压悬浮及相关问题进行了理论分析，并据此设计了实际控制系统，给出了实际试验结果。2地面悬浮原理2．1基本原理在静电加速度计的地

5、面试验中，必须克服19。重力加速度，以便将检验质量悬浮起来进行标度因收稿日期：2015-05—08。收修改稿日期：2015-06—12!!!!生!!旦±垦窒囹型兰垫查i!数的测量和噪声性能的测量，完成静电悬浮加速度计部分功能和性能的测试。这一功能必须通过高压伺服控制电路来完成，其原理框图如图1所示。实际电路在垂直方向有相同的3路电路共同作用。图1地面试验悬浮控制电路框图Fig．1Blockdigramofthegroundtestsuspendingcircuit图1中，U。是直流偏置电压；U。是检测电压；U。是上极板电压，己，：是下极

6、板电压，均由控制电路给出。根据检验质量受力分析，可得检验质量的动力学方程F—mg。一撇+如(1)F一可1凳[(u。一U，)2一(u。一U，)2](2)式中F是静电力；A是垂直方向的面积；·m是检验质量的质量；g。是重力加速度；z是检验质量的位移；忌是残余气体阻尼系数；d。是检验质量位于中心位置时，与极板之间的距离；￡是真空介电常数。式(2)代入式(1)，公式(1)将变为：专凳[(u1一U。)2一(u2一U。)2]一mg。一赫+砬(3)在控制系统的作用下，当检验质量位于中心位置且趋于静止时，式(3)将变为准静态平衡方程：告凳【(u。一U，

7、)2一(u2一U，)2】一mg。一o(4)满足公式(4)的U。和U：的解，将是控制电路最终给出的结果。2．2悬浮电压范围确定悬浮电压就是使检验质量稳定悬浮在相对极板中间时，需要施加在极板上的电压。根据公式(4)，有u·一√毪竽+(uz州p)2+u。(5)根据加速度计敏感结构实际尺寸，取d。一60“m，m一0．072kg，g。一9．8m／s2，A一(4×10-3m)×(256×103m)，U。一10V，e一8．86×10_12F／m。根据公式(3)的函数关系，可以得图2所示的上下极板电压关系。图2表示了检验质量在伺服系统控制作用下，位于平

8、衡位置时，上下极板电压的变化情况。理论上在曲线上的任意点，检验质量都可在该点的上下极板电压作用下，处于极板中间位置的平衡状态。3电路实现>一墨星L卜．饭板￡iV图2悬浮时上下极板高压曲线Fig．2Thehi