惯性传感器扭摆测试中地面振动和放电金丝的影响研究

【摘要】：高精度的惯性传感器在空间科学与技术中有着广泛的应用。如在可高效率地获得全球重力场信息的卫星重力测量计划中,其静电重力梯度仪就是惯性传感器中的重要代表,组成该梯度仪的加速度计的分辨率需达到2×10-12m/s2/Hz1/2。另外,由于在太空中物体可以长时间的保持自由落体状态,因此在空间利用高精度的惯性传感器进行引力实验能够有效地延长实验时间从而达到更高的精度,在对引力波进行探测的LISA计划中,对其惯性传感器的噪声水平更是高到了3×10-15m/s2/Hz1/2。本课题组在静电加速度计的研制及地面测试领域开展过大量的工作,我们已经成功研制了分辨率达10-10m/s2/Hz1/2量级的静电加速度计,并采用基于二级扭摆的悬丝悬挂方案对其进行了二自由度性能联合测试。本文在这个基础上,进行了一系列的改进使得静电加速度计的分辨率能够满足卫星重力梯度测量的需求,相应地改进了地面测试方案并对其中地面振动和放电细丝的影响进行了理论分析与实验验1证。文中首先叙述了静电加速度计的上作原理,分析了静电加速度计研究的关键技术,并以重力梯度测量计划中所用加速度计为例给出了各因素的影响。总结了加速度计的三类地面测试方法,着重介绍本课题组提出的基于悬丝悬挂的测试方案,然后针对卫星重力梯度测量中的加速度计测试设计了一套基于二级扭摆的悬丝悬挂测试方案并对方案中影响加速度计测试水平的一些因素进行了讨论。在地面对诸如静电加速度计之类的惯性传感器进行研究时不可避免地受到地面振动的影响。对于基于二级扭摆的悬丝悬挂加速度计测试方案,地面振动并不是直接耦合到加速度计的输入端,而是会受到一个传递函数的影响,本文第二部分对该传递函数进行了详细的理论分析,给出的结论认为在该方案中地面加速度会经过四个多数量级的衰减后再耦合到输入端,随后采用实验方法对该结论进行了检验。这一部分工作表明采用二级扭摆研究惯性传感器能够有效地抑制地面振动的影响。在很多静电惯性传感器中,如静电加速度计中,其检验质量上的电荷一般是通过连接一根极细的导电丝进行控制的,这根放电金属细丝不可避免地会引入机械热噪声,因此确定其刚度及损耗角有助于选择合适的导电丝及连接方案以提高加速度计的分辨率,本文第三部分主要是设计了一个能够方便地测量这类细丝刚度及损耗的高品质因数扭摆,然后利用该装置对我们常用的10μm直径的导电金丝的刚度及损耗角进行了测量,并对这类导电丝的刚度及损耗角与材料及形状的关系进行了一些初步的研究。这为我们估计导电细丝效应及选择导电细丝提供了依据。