静电加速度计地面测试中的低频主动隔振研究

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静电加速度计具有极高的分辨率,并且可实现六自由度加速度同步测量,在重力卫星,空间引力波探测等高精度空间实验中发挥重要作用。在地面对静电加速度计的性能进行直接测试与验证,对于提升其可靠性具有重要的意义。基于高压悬浮的地面测试方案能实现加速度计检验质量的六自由度同时控制,对待测样机改动相对较小,适合对工程样机整机进行检验。然而在该方案中,水平方向的地面振动噪声会直接耦合进入加速度计,影响测试结果。基于该研究方案,本课题组此前对自研静电加速度计进行了验证,最佳测试水平为4×10-8m/s~2/Hz1/2,与加速度计设计水平有两个数量级的差距,主要受限于地面振动噪声。基于以上原因,本文设计并搭建了一套三维水平低频主动隔振系统,用于减小地面振动噪声对加速度计高压悬浮测试结果的影响。本文首先分析了基于四线摆与主动反馈控制的原理。文中提出了基于四线摆的被动隔振系统结构的方案,分析了四线摆的运动对加速度计测量的影响。同时还分析了单自由度控制的实施方案,建立了本隔振系统的噪声模型,并对系统中的各单元开展了理论分析。本文接下来设计了三自由度同时控制的整体方案,分析了每个自由度的控制策略,并提出了利用两台三轴微震仪数据组合的方式来完成水平三自由度同时测量。为了评估系统的性能,本文还添加了一台不参与反馈控制的微震仪。此外还描述了三自由度同时控制的软件工作流程,并基于系统中各单元的噪声水平仿真了主动隔振系统的隔振性能。本文最后完成了各单元和主动隔振系统的实验性能评估。基于四线摆的被动隔振系统在4 Hz的实测传递率接近-40 d B;放大电路的放大因子为200;音圈马达的推力系数为0.7 N/A;压控电流源电路的转化系数0.1 A/V。主动隔振系统水平两个平动自由度的实测传递率在0.10 Hz~6.00 Hz的绝大部分频段内均优于-30 d B,在0.30 Hz~0.40 Hz的频段内均能优于-40 d B;当地面振动噪声处于10-7m/s~2/Hz1/2水平时,水平两个平动自由度的振动谱值在0.40 Hz~0.70 Hz频段内均可达到2×10-9m/s~2/Hz1/2。两台微震仪模拟两台加速度计的实验结果表明如果将该主动隔振系统应用在加速度计的地面性能测试中,用于评估性能的微震仪的数据能真实地反映加速度计所在位置处的振动谱值。最终,该主动隔振系统也被成功地应用到了加速度计基于高压悬浮方案的性能测试中。实验结果表明,主动隔振系统将加速度计的地面测试性能整体改善了一个数量级,在0.4 Hz处加速度计的测试结果达到了4×10-9m/s~2/Hz1/2。
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