[發明專利]一種空間慣性傳感器的地面測試裝置及方法

有效

• 申請號: 202110939052.5
• 申請日: 2021-08-16
• 公開（公告）號: CN113740929B
• 公開（公告）日: 2022-06-21
• 發明（設計）人: 劉力;李佳;周澤兵;譚定銀;白彥崢
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01V13/00
• 分類號: G01V13/00
• 代理公司: 武漢華之喻知識產權代理有限公司 42267
• 代理人: 鄧彥彥;廖盈春

本發明公開了一種空間慣性傳感器的地面測試裝置及方法，包括：真空容器、二級扭擺和懸絲張緊機構；二級扭擺包括：一級懸絲、秤桿、二級懸絲、檢驗質量塊和配平質量塊；懸絲張緊機構包括張緊懸絲；真空容器與地面剛性連接；二級扭擺中，秤桿通過一級懸絲與容器頂部連接，檢驗質量通過二級懸絲與秤桿一端連接，配平質量塊與秤桿另一段端連接；懸絲張緊機構中，張緊懸絲與秤桿底部及張力調節機構連接，張力調節機構與真空容器底部連接；電容極板放置在位移調節裝置上方并包圍檢驗質量；本發明利用二級扭擺對水平方向地面振動不敏感的特性，抑制了地面振動耦合進入待測慣性傳感器，同時通過引入扭擺張緊機構，進而獲得更好的地面振動效應抑制效果。

技術領域

本發明屬于空間慣性傳感器領域，更具體地，涉及一種空間慣性傳感器的地面測試裝置及方法。

背景技術

高精度的空間慣性傳感器在衛星重力測量、空間引力波探測等領域具有重要應用前景。基于電容位移傳感與靜電反饋控制的靜電慣性傳感器是其中的典型代表，這類慣性傳感器的精度達到或優于10^-10m/s²，但是其量程也被限制在10^-5m/s²量級以下水平，遠低于地表重力加速度，因此無法在地面正常工作。為了在地面對高精度空間慣性傳感器開展研究與測試，目前常用的方案有高壓懸浮與懸絲懸掛法，其中懸絲懸掛法是利用一根極細懸絲的張力來平衡重力，用懸掛檢驗質量繞懸絲的扭轉運動模擬其在軌工作狀態，進而對慣性傳感器進行測試與評估。為了對慣性傳感器的平動自由度進行模擬，通常將慣性傳感器的檢驗質量與另一配平體構成秤桿結構，再將秤桿用懸絲懸掛起來，此時秤桿繞懸絲的扭轉可以在小范圍內模擬檢驗質量的平動。由于秤桿的擺動受到了重力回復剛度的限制，而其扭轉運動僅受到懸絲回復扭矩的限制，前者的角頻率比后者大了約4個數量級，因此低頻地面振動噪聲也會相應地被抑制4個數量級。更進一步地，檢驗質量也可以利用懸絲懸掛在秤桿上而構成二級扭擺，因此可以實現兩個自由度的同步測試。

由于固體潮和地脈動的影響，地面存在固有的振動噪聲，其水平約為10^-7m/s²，雖然扭秤結構能夠在一定程度上抑制地面振動對慣性傳感器的影響，但是抑制后的慣性傳感器測試水平也僅為10^-11m/s²量級，仍然難以滿足某些任務的需求，譬如空間引力波探測對慣性傳感器噪聲需求達到了10^-15m/s²量級。

發明內容

針對現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種空間慣性傳感器的地面測試裝置及方法，旨在解決現有慣性傳感器地面性能測試裝置對地面振動的抑制效果差，無法滿足需求的問題。

為實現上述目的，第一方面，本發明提供了一種空間慣性傳感器的地面測試裝置，包括：置于真空容器內的二級扭擺、電容極板以及張緊機構，所述真空容器與地面剛性連接；

所述二級扭擺包括：一級懸絲、秤桿、配平質量塊、二級懸絲、檢驗質量；

所述張緊機構包括：張緊懸絲；

所述一級懸絲的上端與真空容器的頂部連接，下端與秤桿連接；所述秤桿的一端連接二級懸絲的上端，另一端連接配平質量塊；所述二級懸絲的下端連接檢驗質量；所述張緊懸絲的上端連接秤桿的底部，下端連接真空容器底部；所述一級懸絲和秤桿對應為扭秤；所述一級懸絲和二級懸絲的直徑小于預設值，且所述張緊懸絲與秤桿的連接限制了扭秤在單擺方向的運動，導致扭秤的扭轉剛度小于單擺剛度；

所述電容極板與真空容器底部連接，電容極板的上端面與檢驗質量的下端面正對；所述電容極板和檢驗質量為空間慣性傳感器的核心敏感部件；

當所述二級扭擺處于靜電力控制狀態時，所述檢驗質量與電容極板間的靜電負剛度大于一級懸絲和二級懸絲的扭轉剛度，所述二級扭擺可以模擬慣性傳感器的在軌狀態；