适用于静电悬浮加速度计地面测试的高压静电悬浮电路

摘要

本发明提供一种适用于静电悬浮加速度计地面测试的高压静电悬浮电路，该电路包括反相电路、上极板高压驱动电路、下极板高压驱动电路及高压电源，其中PID控制器输出的控制电压信号作为反相电路的输入，反相电路的输出和控制偏置信号作为下极板高压驱动电路的输入信号，控制电压信号和控制偏置信号作为上极板高压驱动电路的输入信号；发明通过对控制电压信号进行偏置分别得到上、下电极的高压控制信号，由高压控制信号控制高压驱动三极管的基极电流，从而控制流过三极管集电极电流，并经分压电阻对高压电源进行分压，给高精度静电悬浮加速度计传感器对应的上、下电极分别施加适当的电压，提供足够大的电力实现加速度计检验质量块的悬浮实验。

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于静电悬浮加速度计地面测试的高压静电悬浮电路， 属于测量技术领域。

背景技术

高精度静电悬浮加速度计是一种电容式差分测量惯性加速度传感器，具有 测量频率低、量程小、分辨率高、动态范围大的特点，特别适合测量准稳态、 微小加速度信号，在空间微重力科学实验、卫星无拖曳控制、主动减振、卫星 重力测量等领域具有重要作用。

静电悬浮加速度计的系统组成与测量原理如图1所示，主要包括惯性传感 器探头(主要由检验质量块与环绕其周围的电极组成，检验质量块作为公共电 极)、电容位移检测电路、解调电路、滤波电路、PID控制器和静电驱动电路。 静电悬浮加速度计的基本测量原理是：电容位移检测电路检测由于输入加速度 引起的对应传感器轴向上检验质量块与周围电极形成的差分电容信号，PID控 制器输出一个与输入加速度信号成正比的电压信号，由静电驱动电路给对应电 极施加伺服反馈电压控制信号，通过电极板与检验质量块之间形成的电势差给 检验质量块施加适当的静电力使其保持在传感器结构中心附近，反馈控制电压 的大小可以量度输入加速度的大小。

在地面对静电悬浮加速度计进行全面的功能验证和性能标定是保证加速度 计在轨正常工作与可靠性的前提条件，而如何保证静电悬浮加速度计在一个地 球重力加速度存在的情况下实现自由悬浮则是地面实验的基础。国内外同行先 后提出了高压静电悬浮和扭丝悬吊两种实验方案来抵消地球重力加速度的影 响，并在基础上开展静电悬浮加速度计的地面实验测试。(DrLiorzou, Ratana Chhun,Dr Bernard Foulon,GROUND BASED TESTS OF ULTRA  SENSITIVE ACCELEROMETERS FOR SPACE MISSION,IAC-09.A2.4.3.Z B  Zhou,SWGao and J Luo,Torsion pendulum for the performance test of the inertial  sensor for ASTROD-I,CLASSICAL AND QUANTUM GRAVITY,22(2005) S537–S542)。扭丝悬吊方式虽然解决了检验质量块克服重力影响的自由测试问 题，但是测试仅限于沿悬吊轴的转动自由度测试，并且悬吊系统本身是一个稳 定系统，对周围振动不敏感，因此悬吊系统对于静电悬浮加速度计的功能与性 能验证能力不足。高压静电悬浮技术则不仅可以实现静电悬浮加速度计在地面 六个自由度(三个线性加速度和三个角加速度)的悬浮实验测试，而且可以完 全表征静电悬浮加速度计的在轨特征，对环境振动噪声敏感，是地面验证静电 悬浮加速度计性能的重要手段。虽然在研制静电悬浮加速度计方面技术最为成 熟的法国航空航天研究署(ONERA)一直在开展在地面利用高压静电悬浮技术 对静电悬浮加速度计进行实验测试与性能标定工作，但是关于详细的高压静电 悬浮技术则从未提及。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，为解决如何在地面 对静电悬浮加速度计进行全面的功能验证和性能标定的问题，提出一种适用静 电悬浮加速度计地面测试的高压静电悬浮电路。

实现本发明的技术方案如下：

一种适用于静电悬浮加速度计地面测试的高压静电悬浮电路，该电路的输 入端与静电悬浮加速度计检测电路的的PID控制器输出相连，输出端分别与静 电悬浮加速度计中的上、下电极板分别相连；该电路包括反相电路、上电极板 高压驱动电路、下电极板高压驱动电路及高压电源，其中PID控制器输出的控 制电压信号作为反相电路的输入，反相电路的输出和PID控制器控制偏置信号 作为下电极板高压驱动电路的输入信号，PID控制器输出的控制电压信号和控 制偏置信号作为上电极板高压驱动电路的输入信号；

所述上电极板高压驱动电路和下电极板高压驱动电路相同，均包括加法电 路、限流电阻、二极管、高压驱动三极管、分压电阻和共振隔离电路；其中加 法电路的两个输入端与输入信号相连，加法电路的输出端通过限流电阻后连接 二极管的阳极，二极管的阴极与高压驱动三极管的基极相连，高压驱动三极管 的发射极接地，高压电源通过分压电阻与高压驱动三极管的集电极连接，高压 驱动三极管的集电极进一步与共振隔离电路的输入端相连，共振隔离电路输出 端与上、下电极板相连。

有益效果

本发明通过对来自控制器的电压控制信号进行偏置分别得到上、下电极的 高压控制信号，由高压控制信号控制高压驱动三极管的基极电流，从而控制流 过三极管集电极电流，并经分压电阻对高压电源进行分压，给高精度静电悬浮 加速度计传感器对应的上、下电极分别施加适当的电压，提供足够大的静电力 实现加速度计检验质量块的悬浮实验。

本发明可以提供足够大的静电力克服重力加速度影响，实现高精度静电悬 浮加速度计检验质量块在地面环境下的三轴静电悬浮实验，真实模拟静电悬浮 加速度计的在轨状态，并实现对加速度计两个水平轴的功能和性能测试，可以 为静电悬浮加速度计的在轨正常工作及性能与可靠性提供重要保障。

附图说明

图1是静电悬浮加速度计的测量原理框图；

图2是静电悬浮加速度计针对地面垂直方向的检测控制框图；

图3是本发明针对静电悬浮加速度计地面实验测试的高压静电悬浮电路示 意图；

其中，1-控制电压信号，2-反相电路，3-控制偏置信号，4、5-加法电路，6、7 限流电阻，8、9二极管，10、11-高压驱动三极管、12、13-分压电阻、14-高压电 源、15、16-共振隔离电路、17、18-输出悬浮高压信号。反相电路(2)形成模块I， 加法电路(4)、限流电阻(7)、二极管(9)、高压驱动三极管(11)、分压电阻 (13)、共振隔离电路(15)、悬浮高压(17)形成上电极板高压驱动电路模块Ⅱ， 加法电路(5)、限流电阻(6)、二极管(8)、高压驱动三极管(10)、分压电阻 (12)、共振隔离电路(16)、悬浮高压(18)形成下电极板高压驱动电路模块Ⅲ， 高压电源作为模块Ⅳ。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种适用于静电悬浮加速度计地面测试的高压静电悬浮电路，如图2 所示，该电路的输入端与静电悬浮加速度计中的PID控制器输出端相连，输出 端分别与静电悬浮加速度计中的上电极板和下电极板分别相连；如图3所示， 该电路包括反相电路(Ⅰ)、上电极板高压驱动电路模块(Ⅱ)、下电极板高压 驱动电路模块(Ⅲ)及高压电源(Ⅳ)，其中PID控制器输出的控制电压信号作 为反相电路的输入，反相电路的输出和控制偏置信号作为下电极板高压驱动电 路的输入信号，PID控制器的输出控制电压信号和控制偏置信号作为上电极板 高压驱动电路的输入信号；

所述上电极板高压驱动电路和下电极板高压驱动电路相同，上电极板高压 驱动电路包括加法电路4、限流电阻7、二极管9、高压驱动三极管11、分压电 阻13和共振隔离电路15；其中加法电路4的两个输入端分别与PID控制器输出 控制电压信号和控制偏置信号相连，加法电路4的输出端通过限流电阻7后连 接二极管9的阳极，二极管9的阴极与高压驱动三极管11的基极相连，高压驱 动三极管11的发射极接地，高压电源14通过分压电阻13与高压驱动三极管11 的集电极连接，高压驱动三极管11的集电极进一步与共振隔离电路15的输入端 相连，共振隔离电路15输出端与上电极板相连。

所述下极板高压驱动电路包括加法电路5、限流电阻6、二极管8、高压驱 动三极管10、分压电阻12和共振隔离电路16；其中加法电路5的两个输入端分 别与反相电路2的输出和控制偏置信号相连，加法电路5的输出端通过限流电 阻7后连接二极管8的阳极，二极管8的阴极与高压驱动三极管10的基极相连， 高压驱动三极管10的发射极接地，高压电源14通过分压电阻12与高压驱动三 极管10的集电极连接，高压驱动三极管10的集电极进一步与共振隔离电路16 的输入端相连，共振隔离电路16输出端与下电极板相连。

本发明高压静电悬浮电路的特征在于通过对来自控制器的输出控制电压信 号进行适当偏置，得到两个不等的高压控制信号，这两个高压控制信号为幅度 只有几个伏特的低压信号，由这两个高压控制信号分别控制两个高压三极管的 基级电流，从而控制流过三极管集电极的电流，并经三极管集电极上的分压电 阻对高压电源进行分压，得到两个高压信号分别施加到高精度静电悬浮加速度 计传感器对应的上、下电极板上，用于产生足够的静电力克服地球重力影响， 实现在地面条件下静电悬浮加速度计检验质量块的悬浮实验。

以下电极高压驱动电路为例说明本发明的工作原理：

来自PID控制器的控制电压信号经由反相电路2改变相位后，与控制偏置 信号经由加法电路5相加得到针对下电极的控制信号，控制信号经限流电阻6 限流后，再经过二极管8得到高压驱动三极管的基极电流，进而得到高压驱动 三极管的集电极电流，并得到分压电阻12对高压电源14的分压降，从而得到施 加到下电极上的电压信号，该电压信号经由LCR共振隔离电路16后施加到下极 板上，LCR共振隔离电路16的作用是为了防止高压驱动信号与前端检测电路发 生串扰。上电极的高压控制驱动电路与下电极的高压控制驱动电路工作原理类 似。

以下通过公式推导来说明本发明的设计原理：

根据图2所示的静电悬浮加速度计的测量原理，加速度计的检验质量块要 通过静电力克服重力实现悬浮，需要满足一些基本公式：

$\mathrm{mg}=\frac{\mathrm{ϵS}}{2}[\frac{{(V_{f2}-V_P)}^2}{d_2^2}-\frac{{(V_{f1}-V_P)}^2}{d_1^2}]---\left(1\right)$

式中，m为检验质量块的质量，g为地球重力加速度，ε为介电常数，d₂、d₁分 别为检验质量块与上、下电极的距离，S为电极面积，V_p为检验质量块上施加的 直流偏置电压，V_f2、V_f1分别为来自图3所示的作用于分别上、下电极的悬浮高 压。

根据图3所示的高压驱动电路，可以得到上下电极施加的高压表达式：

V_f1＝U-i_c1R₁₁＝U-i_b1β₁R₁₁

                                  (2)

V_f2＝U-i_c2R₁₂＝U-i_b2β₂R₁₂

                                   (3)

上式中，U为高压电源电压，i_c2、i_c1分别为上、下电极对应的高压驱动三极管 的集电极电流，R₁₂、R₁₁分别为上、下极板高压驱动电路中分压电阻的阻值，i_b2、 i_b1分别为上、下电极对应的高压驱动三极管的基极电流，β₂、β₁分别为上、下 电极对应的高压驱动三极管的电流放大倍数。

另外根据图3所示电路，高压驱动三极管的基极电流为：

$i_{b1}=\frac{V_{c1}-V_{D1}-V_{\mathrm{be}1}}{R_9}=\frac{V_{c1}-1.4}{R_9}---\left(4\right)$

$i_{b2}=\frac{V_{c2}-V_{D2}-V_{\mathrm{be}2}}{R_{10}}=\frac{V_{c2}-1.4}{R_{10}}---\left(5\right)$

上式中，V_D1、V_D2分别为二极管D1和二极管D2对应的压降(0.7V)，V_be1、V_be2分别为三极管Q1和三极管Q2的基极与发射极之间的压降(0.7V)，V_c1和V _c2分别为高压控制信号，分别对应加法电路4和加法电路5的输出经由限流电阻7 和限流电阻6限流后的电压，并且如果在图3中：

R1＝R2

R3＝R4＝R5   (6)

R6＝R7＝R8

则有：

V_c1＝-V₀+V_c＝-(V₀-V_c)

                                       (7)

V_c2＝-V₀-V_c＝-(V₀+V_c)

                                       (8)

其中，V_o为控制偏置信号，为一个固定大小的直流偏置电压信号，幅值为负；

将式(4)、(5)、(7)、(8)分别代入式(2)和(3)中，则

$V_{f1}=U+\frac{R_{11}}{R_9}{\beta }_1(V_0+1.4)-\frac{R_{11}}{R_9}{\beta }_1{V}_c---\left(9\right)$

$V_{f2}=U+\frac{R_{12}}{R_{10}}{\beta }_2(V_0+1.4)-\frac{R_{12}}{R_{10}}{\beta }_2{V}_c---\left(10\right)$

从(9)式和(10)式中可以看出，当满足以下关系式时：

$\frac{R_{11}}{R_9}=\frac{R_{12}}{R_{10}}---\left(11\right)$

β₁＝β₂

式(9)和(10)可以简化为一个固定高压偏置，加一个固定的高压放大倍数：

V_f1＝V_b-k_hV_c   (12)

V_f2＝V_b+k_hV_c   (13)

其中：

$V_b=U+\frac{R_{11}}{R_9}{\beta }_1(V_0+1.4)=U+\frac{R_{12}}{R_{10}}{\beta }_2(V_0+1.4)$

$k_h=\frac{R_{11}}{R_9}{\beta }_1=\frac{R_{12}}{R_{10}}{\beta }_2$

这样，便可以实现利用静电悬浮加速度计检测电路PID控制器的控制电压 输出信号来控制高压驱动三极管的输出电压，给上、下电极分别施加合适的高 压实现质量块的悬浮，并且高压信号与控制器的输出控制信号成线性关系。