本发明专利技术属于测量技术领域，公开了一种静电加速度计的地面硬件在环仿真装置及方法；装置包括：探头模拟电路，乘法器、电容传感电路和反馈控制电路；探头模拟电路用于通过将电压信号解析后与虚拟加速度输入计算获得包含探头位置的各极板电容差信号，通过幅度调制的方式实现虚拟探头模拟真实探头输出信号；电容传感电路用于接收调制过后的电容差信号并利用交流放大器对信号进行选择性放大；反馈控制电路用于将各极板电容差信号组合成各自由度信号后，利用控制算法反组合成各极板静电力信号接入后续的探头模拟电路。本发明专利技术中，虚拟探头可以通过虚拟加速度输入模拟真实探头在轨时可能的运动状态，完成对探头六自由度的指标验证。完成对探头六自由度的指标验证。完成对探头六自由度的指标验证。
【技术实现步骤摘要】
一种静电加速度计的地面硬件在环仿真装置及方法
[0001]本专利技术属于测量
，更具体地，涉及一种静电加速度计的地面硬件在环仿真装置及方法。
技术介绍
[0002]静电加速度计是一种惯性传感器，以其精度高而应用于各种现代空间实验。由于静电加速度计的量程很小，对其进行地面测试时受重力加速度影响较为严重。为了克服重力影响，针对静电加速度计常用的地面测试方案有高压悬浮法、悬丝悬挂法和自由落体法。
[0003]高压悬浮法是通过向静电加速度计探头中竖直方向的极板施加高电压产生静电力来克服重力，这种方法的优点在于可以实现六自由度测量，但由于高压方向的非线性因素，使得竖直方向控制较为困难，且高压引入的耦合噪声难以评估敏感轴在轨运行时真实的噪声本底。
[0004]悬丝悬挂法是通过一根悬丝将检验质量挂起以克服重力，悬丝悬挂法的优点在于避免了高压耦合噪声的干扰，但其机械结构决定了该方法一次性最多只能对两个自由度进行测试。
[0005]自由落体法是对加速度计测试方案中最接近在轨状态的方法，但是自由落体的时间受限于实验装置的高度，无法观测加速度计在低频处的特性。
技术实现思路
[0006]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种静电加速度计的地面硬件在环仿真装置，旨在解决现有技术中由于操作复杂，无法同时测试六个自由度导致延长产品研究周期，增加测试成本的问题。
[0007]本专利技术提供了一种静电加速度计的地面硬件在环仿真装置，包括：探头模拟电路，乘法器、电容传感电路和反馈控制电路；探头模拟电路用于通过将包含反馈静电力信息的电压信号解析后与虚拟加速度输入计算获得包含探头位置的各极板电容差信号，通过幅度调制的方式实现虚拟探头模拟真实探头输出信号；乘法器的输入连接至所述探头模拟电路的输出端，用于完成探头模拟电路输出信号的幅度调制；电容传感电路的输入端连接至乘法器的输出端，用于接收调制过后的电容差信号，并利用交流放大器对信号进行选择性放大；通过锁相放大环节对调制后的信号进行解调，最后将解调后的信号经低通滤波后输送给后续的反馈控制电路；反馈控制电路的输入端连接至电容传感电路的输出端，用于将测量得到的各极板电容差信号组合成各自由度信号后，利用控制算法将包含各自由度的控制力信号反组合成各极板静电力信号接入后续的探头模拟电路。
[0008]更进一步地，探头模拟电路包括：虚拟加速度模块、加法器、动力学响应单元、电容差计算单元、调幅信号计算单元、DAC、ADC和静电执行机；虚拟加速度模块用于产生虚拟的加速度扰动信号；加法器的第一输入端连接至虚拟加速度模块的输出端用于接收虚拟加速度信号，第二输入端连接至所述静电执行机的输出端，用于将两路加速度信号相加得到施
加到虚拟探头的合加速度；动力学响应单元的输入端连接至加法器的输出端，动力学响应单元用于将虚拟探头的加速度信号解析为位移信号；电容差计算单元的输入端连接至动力学响应单元的输出端，电容差计算单元用于将虚拟探头的位移信号解析为虚拟探头各极板电容差信号；调幅信号计算单元的输入端连接至所述电容差计算单元的输出端，调幅信号计算单元用于将虚拟探头各极板电容差信号归一化为真实探头对应输出各极板电容差信号；DAC的输入端连接至所述调幅信号计算单元的输出端，DAC用于将归一化后的虚拟探头电容差信号由数字信号转为模拟信号输出；ADC的输入端连接至反馈控制电路的输出端，用于将反馈模拟信号采集为数字信号；静电执行机的输入端连接至ADC的输出端，用于将采集后的反馈静电力信号解析为反馈加速度信号。
[0009]更进一步地，虚拟加速度模块、加法器、动力学响应单元、电容差计算单元、调幅信号计算单元、DAC、ADC和静电执行机采用FPGA实现。
[0010]更进一步地，控制电路包括：组合模块、控制模块和反组合模块；组合模块用于将各个极板对的电容差变化信号进行组合并解析出六个自由度的位移变化；控制模块用于实现对加速度计探头的控制；反组合模块用于将信号反组合为施加到加速度计的电容极板的电压信号。
[0011]更进一步地，电容传感电路具有固定电容差。
[0012]更进一步地，利用调幅的方式对真实探头输出信号的电容差行为进行模拟。
[0013]本专利技术还提供了一种基于上述的地面硬件在环仿真装置实现的在环仿真方法，包括下述步骤：
[0014]S1：将反馈控制电路板连接至所述地面硬件在环仿真装置的输入端，并将模拟乘法器连接至所述地面硬件在环仿真装置的输出端；
[0015]S2：通过上位机实时改变虚拟加速度模块产生的虚拟加速度扰动；
[0016]S3：采集虚拟探头模块的动力学相应单元的输出，并判断探头位置是否符合理论预期，若是，则电容传感电路和反馈控制电路的设计满足要求；否则重新设计并返回至步骤S1。
[0017]其中，利用数字硬件实现对真实模块的电信号行为模拟。
[0018]本专利技术通过一部分采用真实物理器件、一部分采用数值仿真的方式构成半物理仿真装置，能够对加速度计各种闭环指标在地面进行测试，具体地，能够对加速度计的控制算法模块包括参数设计进行快速验证，能够对加速度计的噪声本底完成评估。另外本专利技术提供的虚拟探头采用不同的算法还可以进一步模拟各种不同的在轨工作状态；虚拟探头可以通过虚拟加速度输入模拟真实探头在轨时可能的运动状态，完成对探头六自由度的指标验证。通过对硬件在环测试系统的ADC、DAC的量程和精度的调整也可以对加速度计的高精度和宽范围模式进行验证。
附图说明
[0019]图1是本专利技术实施例提供的静电加速度计的地面硬件在环仿真装置的原理框图；
[0020]图2是本专利技术实施例提供的静电加速度计的地面硬件在环仿真装置中控制电路的模块结构示意图；
[0021]图3是本专利技术实施例提供的静电加速度计的地面硬件在环仿真方法的实现流程
图。
具体实施方式
[0022]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0023]本专利技术提出了一种针对加速度计地面测试采用的硬件在环仿真装置及方法，旨在解决现有技术中由于操作复杂，无法同时测试六个自由度导致延长产品研究周期，增加测试成本的技术问题。
[0024]如图1所示，本专利技术提供的静电加速度计的地面硬件在环仿真装置包括：探头模拟电路，电容传感电路7、控制电路8和反馈滤波电路9；探头模拟电路用于通过将包含反馈静电力信息的电压信号解析后与虚拟加速度输入计算获得包含探头位置的各极板电容差信号，通过幅度调制的方式实现虚拟探头模拟真实探头输出信号；乘法器7的输入连接至探头模拟电路的输出端，用于完成探头模拟电路输出信号的幅度调制；电容传感电路8的输入端连接至所述乘法器7的输出端，用于接收调制过后的电容差信号，并利用交流放大器对信号进行选择性放大；通过锁相放大环节对调制后的信号进行解调，最后将解调后的信号经低通滤波后输送给后续的反本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种静电加速度计的地面硬件在环仿真装置，其特征在于，包括：探头模拟电路，乘法器(7)、电容传感电路(8)和反馈控制电路(9)；所述探头模拟电路用于通过将包含反馈静电力信息的电压信号解析后与虚拟加速度计算获得包含探头位置的各极板电容差信号，通过幅度调制的方式实现虚拟探头模拟真实探头输出信号；所述乘法器(7)的输入连接至所述探头模拟电路的输出端，用于完成探头模拟电路输出信号的幅度调制；所述电容传感电路(8)的输入端连接至所述乘法器(7)的输出端，用于接收调制过后的电容差信号，并利用交流放大器对信号进行选择性放大；通过锁相放大环节对调制后的信号进行解调，并将解调后的信号经低通滤波后输送给反馈控制电路；所述反馈控制电路(9)的输入端连接至所述电容传感电路(8)的输出端，用于将测量的各极板电容差信号组合成各自由度信号，并将包含各自由度的控制力信号反组合成各极板静电力信号后接入所述探头模拟电路。2.如权利要求1所述的地面硬件在环仿真装置，其特征在于，所述探头模拟电路包括：虚拟加速度模块(1)、加法器(2)、动力学响应单元(3)、电容差计算单元(4)、调幅信号计算单元(5)、DAC(6)、ADC(10)和静电执行机(11)；所述虚拟加速度模块(1)用于产生虚拟的加速度扰动信号；所述加法器(2)的第一输入端连接至所述虚拟加速度模块(1)的输出端用于接收虚拟加速度信号，第二输入端连接至所述静电执行机(11)的输出端，用于将两路加速度信号相加得到施加到虚拟探头的合加速度；所述动力学响应单元(3)的输入端连接至所述加法器(2)的输出端，所述动力学响应单元(3)用于将虚拟探头的加速度信号解析为位移信号；所述电容差计算单元(4)的输入端连接至所述动力学响应单元(3)的输出端，所述电容差计算单元(4)用于将虚拟探头的位移信号解析为虚拟探头各极板电容差信号；所述调幅信号计算单元(5)的输入端连接至所述电容差计算单元(4)的输出端，所述调幅信号计算单元(5)用于将虚拟探头各极板电容差信号归一化为真实探头对应输出各极板电容差信号；所述DAC(6)的输入端连接至所述调幅信号计算单元(...
【专利技术属性】
技术研发人员：白彦峥，肖春雨，谢孟喆，李洪银，周泽兵，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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