惯性传感器中检验质量及电容极板尺寸的分析方法及模型技术

一种惯性传感器中检验质量及电容极板尺寸的分析方法及模型，包括如下步骤：步骤1，给定惯性传感器初始参数，构建惯性传感器初始模型；步骤2，根据初始参数计算检验质量周围的电容；步骤3，获得初始模型检验质量的灵敏度及刚度；步骤4，计算不同电容极板尺寸下的检验质量的灵敏度及刚度；步骤5，得到满足灵敏度及刚度要求的电容极板尺寸数据。本发明专利技术通过建立惯性传感器中检验质量和电容极板模型，对不同尺寸下检验质量上灵敏度和刚度进行详细的分析计算，找到在符合要求下的最优尺寸数据组，对今后的分析提供一个初步的计算思路，为后续理论研究提供支撑。研究提供支撑。研究提供支撑。

【技术实现步骤摘要】
惯性传感器中检验质量及电容极板尺寸的分析方法及模型


[0001]本专利技术涉及惯性传感器
，尤其是涉及一种惯性传感器中检验质量及电容极板尺寸的分析方法及模型。

技术介绍

[0002]在空天探索领域，空间引力波探测是当前国际研究的热点，是近年来开辟探索宇宙奥秘的新窗口。引力波的探测对物理学的发展具有重要科学意义。在爱因斯坦提出广义相对论一百年之后，位于美国的地面激光干涉引力波天文台LIGO首次探测到引力波，证实了广义相对论的最后一个预言。
[0003]高精度静电惯性传感器是工作在微重力环境下进行高精度加速度测量的科学仪器，具有分辨率极高等优点，可应用于多种类型的空间科学任务，也可以用于引力波的探测中。在对引力波的测量任务中静电惯性传感器主要用于测量卫星受到的非保守力，通过对惯性传感器的设计以满足整个任务中的测量需求。在空间引力波探测中，高精度惯性传感器中的检验质量作为惯性参考基准，需要不受任何干扰的做测地线运动。
[0004]惯性传感器是空间引力波探测航天器核心载荷之一，其在宇宙环境中执行引力波探测任务时，噪声要求需达到水平。惯性传感器的关键组成部分敏感探头引入的噪声同样需要满足这一要求。在敏感探头中，由于检验质量不同的尺寸大小会引入不同的加速噪声，不同的极板间距会引入不同的布朗噪声，为满足整体的噪声需求，结合现有的制作工艺，对敏感探头中相关部件的尺寸进行分析与设计显得尤为重要。
[0005]因此，实有必要设计一种惯性传感器中检验质量及电容极板尺寸的分析方法及模型，以克服上述问题。
>
技术实现思路

[0006]为了避免上述问题，提供了一种惯性传感器中检验质量及电容极板尺寸的分析方法及模型，通过建立惯性传感器中检验质量和电容极板模型，对不同尺寸下检验质量上灵敏度和刚度进行详细的分析计算，找到在符合要求下的最优尺寸数据组，对今后的分析提供一个初步的计算思路，为后续理论研究提供支撑。
[0007]本专利技术提供的一种惯性传感器中检验质量及电容极板尺寸的分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0008]步骤1，给定惯性传感器初始参数，构建惯性传感器初始模型；
[0009]步骤2，根据初始参数计算检验质量周围的电容；
[0010]步骤3，获得初始模型检验质量的灵敏度及刚度；
[0011]步骤4，计算不同电容极板尺寸下的检验质量的灵敏度及刚度；
[0012]步骤5，得到满足灵敏度及刚度要求的电容极板尺寸数据。
[0013]优选地，惯性传感器包括检验质量、电容极板和绝缘环，检验质量为立方体，检验质量周围均对应设有电容极板且分别与检验质量的六个面相对设置，每个面的电容极板外
均包覆有绝缘环，绝缘环外周大小与检验质量每个面外周大小相等，以检验质量中心为三维坐标原点，X轴、Y轴和Z轴分别垂直于检验质量的六个面，每个轴向上的电容极板关于检验质量对称设置，X轴轴向上位于同一面的电容极板包括对称的两块感应电极，Y轴轴向上位于同一面的电容极板包括对称的两个感应电极及位于两块感应电极之间的注入电极，Z轴轴向上位于同一面的电容极板包括对称的两个感应电极及位于两块感应电极之间的相对设置的两块注入电极；
[0014]步骤1中的初始参数包括检验质量边长Ltm，X轴的电容极板与检验质量的间距d
x
，X轴上位于同一面的两块感应电极之间的间距D
x
，Y轴及Z轴轴向上的感应电极长宽比k，Y轴的注入电极与检验质量的间距为d
yinj
，Z轴的注入电极与检验质量的间距为d
zinj
，Y轴及Z轴轴向上感应电极与注入电极之间的绝缘环宽度为ls，Z轴上位于同一面的两块注入电极之间的间隔为D
z
，电容极板与绝缘环的间隙ld，检验质量注入电压频率ω0，电感大小L，品质因素Q，检验质量交流电压V
m
，X自由度加速度a
x
，Y自由度加速度a
y
，Z自由度加速度a
z
，绕Z轴旋转的φ自由度角加速度绕X轴旋转的θ自由度角加速度绕Y轴旋转的η自由度角加速度温度T，检验质量的质量m。
[0015]优选地，步骤2中包括如下子步骤：
[0016]2.1计算X轴、Y轴和Z轴三个轴向上感应电极、注入电极及绝缘环的面积，其中，Y轴的感应电极与检验质量的间距为d
y
，Z轴的感应电极与检验质量的间距为d
z
，计算公式如下：
[0017]X轴轴向上：计算每块感应电极长度lx＝Ltm
‑2×
d
x
，宽度得面积得每面绝缘环面积为：S
x
‑
guard
＝Ltm2‑
(lx+2
×
ld)
×
(wx+2
×
ld)
×
2；
[0018]Y轴轴向上：计算每块感应电极长度ly＝Ltm
‑2×
d
y
，宽度wy＝k
×
ly，得面积计算每块注入电极长度ly
inj
＝Ltm
‑2×
d
y
，宽度wy
inj
＝Ltm
‑2×
d
y
‑2×
wy
‑6×
ld
‑2×
ls，得面积S
y
‑
inj
＝ly
inj
×
wy
inj
；得每面绝缘环面积S
y
‑
guard
＝Ltm2‑
[(ly+2
×
ld)
×
(wy+2
×
ld)
×
2+(ly
inj
+2
×
ld)
×
(wy
inj
+2
×
ld)]；
[0019]Z轴轴向上：计算每块感应电极长度lz＝Ltm
‑2×
d
z
，宽度wz＝k
×
lz，得面积S
z
＝lz
×
wz；计算每块注入电极长度宽度wz
inj
＝Ltm
‑2×
d
z
‑2×
wz
‑6×
ld
‑2×
，得面积S
z
‑
inj
＝lz
inj
×
wz
inj
；得每面绝缘环面积S
z
‑
guard
＝Ltm2‑
[(lz+2
×
ld)
×
(wz+2
×
ld)
×
2+(lz
inj
+2
×
ld)...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种惯性传感器中检验质量及电容极板尺寸的分析方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，给定惯性传感器初始参数，构建惯性传感器初始模型；步骤2，根据初始参数计算检验质量周围的电容；步骤3，获得初始模型检验质量的灵敏度及刚度；步骤4，计算不同电容极板尺寸下的检验质量的灵敏度及刚度；步骤5，得到满足灵敏度及刚度要求的电容极板尺寸数据。2.如权利要求1中所述的惯性传感器中检验质量及电容极板尺寸的分析方法，其特征在于：惯性传感器包括检验质量、电容极板和绝缘环，检验质量为立方体，检验质量周围均对应设有电容极板且分别与检验质量的六个面相对设置，每个面的电容极板外均包覆有绝缘环，绝缘环外周大小与检验质量每个面外周大小相等，以检验质量中心为三维坐标原点，X轴、Y轴和Z轴分别垂直于检验质量的六个面，每个轴向上的电容极板关于检验质量对称设置，X轴轴向上位于同一面的电容极板包括对称的两块感应电极，Y轴轴向上位于同一面的电容极板包括对称的两个感应电极及位于两块感应电极之间的注入电极，Z轴轴向上位于同一面的电容极板包括对称的两个感应电极及位于两块感应电极之间的相对设置的两块注入电极；步骤1中的初始参数包括检验质量边长Ltm，X轴的电容极板与检验质量的间距d
x
，X轴上位于同一面的两块感应电极之间的间距D
x
，Y轴及Z轴轴向上的感应电极长宽比k，Y轴的注入电极与检验质量的间距为d
yinj
，Z轴的注入电极与检验质量的间距为d
zinj
，Y轴及Z轴轴向上感应电极与注入电极之间的绝缘环宽度为ls，Z轴上位于同一面的两块注入电极之间的间隔为D
z
，电容极板与绝缘环的间隙ld，检验质量注入电压频率ω0，电感大小L，品质因素Q，检验质量交流电压V
m
，X自由度加速度a
x
，Y自由度加速度a
y
，Z自由度加速度a
z
，绕Z轴旋转的φ自由度角加速度绕X轴旋转的θ自由度角加速度绕Y轴旋转的η自由度角加速度温度T，检验质量的质量m。3.如权利要求2中所述的惯性传感器中检验质量及电容极板尺寸的分析方法，其特征在于：步骤2中包括如下子步骤：2.1计算X轴、Y轴和Z轴三个轴向上感应电极、注入电极及绝缘环的面积：其中，Y轴的感应电极与检验质量的间距为d
y
，Z轴的感应电极与检验质量的间距为d
z
，计算公式如下：X轴轴向上：计算每块感应电极长度lx、宽度wx，得面积S
x
＝lx
×
wx；得每面绝缘环面积为：S
x
‑
guard
＝Ltm2‑
(lx+2
×
ld)
×
(wx+2
×
ld)
×
2；Y轴轴向上：计算每块感应电极长度ly、宽度wy，得面积S
y
＝ly
×
wy；计算每块注入电极长度ly
inj
、宽度wy
inj
，得面积S
y
‑
inj
＝ly
inj
×
wy
inj
；得每面绝缘环面积S
y
‑
guard
＝Ltm2‑
[(ly+2
×
ld)
×
(wy+2
×
ld)
×
2+(ly
inj
+2
×
ld)
×
(wy
inj
+2
×
ld)]；Z轴轴向上：计算每块感应电极长度lz、宽度wz，得面积S
z
＝lz
×
wz；计算每块注入电极长度lz
inj
、宽度wz
inj
，得面积S
z
‑
inj
＝lz
inj
×
wz
inj
；得每面绝缘环面积S
z
‑
guard
＝Ltm2‑
[(lz+2
×
ld)
×
(wz+2
×
ld)
×
2+(lz
inj
+2
×
ld)
×
(wz
inj
+2
×
ld)
×
2]；2.2计算X轴、Y轴和Z轴三个轴向上感应电极、注入电极及绝缘环与检验质量之间的电容：X轴轴向上每块感应电极与检验质量之间的电容为C
x
、Y轴轴向上每块感应电极与检验
质量之间的电容为C
y
、Z轴轴向上每块感应电极与检验质量之间的电容为C
z
、Y轴轴向上每块注入电极与检验质量之间的电容为C
yinj
、Z轴轴向上每块注入电极与检验质量之间的电容为C
zinj
、X轴轴向上每面绝缘环与检验质量之间的电容为C
xguard
、Y轴轴向上每面绝缘环与检验质量之间的电容为C
yguard
、Z轴轴向上每面绝缘环与检验质量之间的电容为C
zguard
，计算公式如下：极板或绝缘环i与检验质量之间的电容其中，ε0为介电常数，S
i
为极板或绝缘环i的面积，d
i
为极板或绝缘环i到检验质量的距离。4.如权利要求3中所述的惯性传感器中检验质量及电容极板尺寸的分析方法，其特征在于：步骤3中，分别从X、Y、Z三个平动自由度及φ、θ、η三个转动自由度考虑检验质量的灵敏度和刚度，具体包括如下子步骤：3.1计算三个转动自由度的有效半径R
j
...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴尹靓，柯俊，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：