中英文文献翻译-静电悬浮式三轴加速度传感器设计及其空间应用前景论述

1 静电悬浮式三轴加速度传感器设计及其空间 应用前景论述 摘要 静电悬浮几三轴加速度计的针对太空的微重力水平设计的，理论分析表明加速度计最大的量程为 35 辨率为 1可以满足多方面的太空应用。同时分析了可能存在的误差源。研究了一些相关技术和加工工艺。基于设计一种高精度的加速度计，本文提出了一种用于低轨道卫星的测量重力加速度的加速度计的理论设计方案。 一般来讲，获得来自人造卫星的地球重力的方法如下所示：使用 重力性质的力使用卫星上的微型加速度计检测，二者之差就是我们 要求的重力，它与地球重力场有直接的联系。最后我们得出如下结论：用于重力加速度检测的最适频宽为 z z。理论结果将对将来卫星上重力场的检测具有一定的价值。 关键词 ：静电悬浮 加速度计 重力场检测 分辨率 频带 引言 微重力是太空环境的主要特性，为了精确的监控空间的微重力场，必须设计一种低偏差，高分辨率的特殊加速度传感器，静电悬浮加速度计在低于 1此，它在地球场检测和微重力科学中具有得天独厚的优势。已经有好多种静电悬浮加 速度计面世。 司的 速度计，由法国的 于检测卫星上的非重力加速度计其频带从足够的频带的交流电到 些力包括空气阻力，太阳射线压力。地面返照率以及姿态调整力。 产了一批量程为 10 在 10z 到 10轴和 加速度计。 测了剩余的微重力干扰其频带从交流电到不到 1 精度小于 1是一种高性 能的加速度计。用于精确检测空间站或太空实验室的环境因素。 加速度计，得到 大力支持，被用于 仪表盘上用于检测微重力作用。项目团的数据显示： 量程为 40 ， 精度达到了 150 研发目的。是为了在微观水平提供精确稳定的加速度， 划被用于空间的微重力检测诸如微重力科学支持的空间2 屏蔽和国际空间站。 静电悬浮加速度计设计的理论分析 如图所示静电悬浮加速度传感器 主要由一个中心检测质量和六个电容极板组成 ,外加固定极板 用的外壳 (图中未示出 ) 。检测质量采用立方体结构设计 ,由金属材料制成 ;电容极板由绝缘材料并在其内表面溅射金属薄膜加工而成 1. 2 静电悬浮原理 静电悬浮式三轴测量加速度传感器在进行地面检测时 ,由于在垂直于地面方向 (设为 x 方向 ) 中心质量块受到地球吸引力的作用 , 因此必须给质量块施加一反方向的静电力 ,以使其达到力平衡 ,并通过反馈电压的施力作用使中心质量块在 x 、y 、 z 三方向均处于零位 (平衡位置 ) 附近 , 实现悬浮。而当传感器工作于空间飞行器上时 , 惯 性力平衡了地球引力 ,因此仅需施力反馈回路的作用便可实现中心质量块的悬浮。 1. 3 电容位移检测原理 不失一般性 ,此处仅讨论一个方向 ( x 轴 ) 位移的电容检测原理 ,其它两轴的检测原理相同。当无加速度输入时 ,控制回路使检测质量处于初始平衡位置 (零位 ) ,检测质量表面距相对两极板的距离相等 ,如图 2 所示。此时电容 等。当存在加速度输入时 ,检测质量沿与加速度相反的方向发生微小位移 , 别改变 ,两者电容之差 C 可化简 212 2 （ 1） 式中 为真空介电常数 ; S 为电容极板面积 ; d 为电容极板与检测质量之间的距离 ; d 为检测质量微小位移。 1. 4 加速度测量原理 当检测质量因加速度的输入而发生位移时 , 引起电容变化 , 进而由控制电路3 产生反馈施力电压 两电极板电压由原来的定值偏置电压 别变为 从而对检测质量产生静电力为： 2221（ 2） 式中 偏置电压 ; 为 反馈施力电压 ; A 为检测电路增益。由力平衡条件 F( m 为检测质量块的质量 ; a 为外界输入的加速度 ) , 可得到加速度与检测到的反馈电压的关系 当检测质量 (立方体 ) 体积为 材料密度为 时 ,则上式变为 （ 3） 通过测量反馈电压便可以知道外界输入的加速度值。 重力场检测在太空中的应用 由德国航天局组建的 目组，致力于地球监测的多方位研究。它的目的之一就是精确重现地球的重力场。高灵敏度加速度计 用来检测非重力性质的作用力。 用于 合力是可测的。两者的差值便是地球重力，这种力与地球重力常有直接的联系。地球重力加速度，非重力加速度 和合力的加速度存在以下关系： v （ 4） g 是地球引力的加速度； 是合力的总体加速度由 ； 是非重力加速度由仪表上的加速度计得到；从上面的公式可以看出，如果测得合力的总体加速度和非重力加速度，则可以确定地球引力加速度。但是，这里必须声明，在矢量标定之前，必须让时间匹配同时完成坐标转换 00空可检测的主要的非重力性质力。它们可以由以下两个公式大致得到： 2 （ 5） （ 6） 如果卫星的结构是专门为检测地球引力场定做的，非重力加速度 4 应该小于 10 是空气的密度， V 是飞行器相对于空气的速率， 是太阳射线能量的密度，别是大气层阻力和太阳射线压力的系数。 （ 7） 为了满足地球重力场的的检测，合理的检测频带是非常重要的。飞行器在300 km/s. 设在地球重力场中太空分辨力为 高的检测频率可以定义为： （ 8） 从上面的公式可以得到频率为 z。在二级模型中， 大约是 10,000 因此频率应该减少到 z. 地球重力场的空间检测目的是为了把中等模型定义到更低的级别，因此加速度计的频带范围应该是 z (or 5 n is of is to 5 to of is on of a is to is on by PS a on is is to is to be z z. to he is of of To be a a in it an in of s 6 On 12, is to of in a C to a of a 0 g0 a of y- 0z 0z. 3, SA on to in C Hz a a of of a of in to on on or 4, by of on of to a 0 g0 an of 50 of 5, is to at is to in on F s , is by a a is ). be be of or he of 67 of on of is to at of of no is to at by a 1 is 2. If a by is to As a C1 2 C , is 212 2 （ 1） is S is of d is d is of a to an on to it be 2221（ 2） on to (m is of a is we a: (3) N by is to s 12. of is of A is to A is to of PS on is is to be as v （ 4） g is is PS is by 6), we if be it is to be of in 00km 8. be by 7) 8). If of is by be 0 9 2 （ 5） （ 6） to is of V is of to is of of To of of is v) of in 00km is km/s. of of is （ 7） 60 of is 5 9), a z is of is 0,000 so be z. of of is to of to so a z (or 1 . . e of 491998.