静电悬浮式电容差分加速度计测量原理与动特性设计
硅微静电悬浮加速度计实验研究
ＺＨＡＮＧ Ｈａ ｎ． ｚ ｈ ｅ ｎ ｇ ，ＨＡＮ Ｆｅ ｎ ｇ — ｔ ｉ ａ ｎ ，Ｓ ＵＮ Ｂｏ ． ｑ ｉ ａ ｎ ，ＭＡ Ｇａ ｏ — ｙ ｉ ｎ
（ １ ． Ｄ ｅ ｐ ａ ｒ ｔ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ Ｐ ｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ， Ｔ ｓ ｉ ｎ ｇ ｈ ｕ ａ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ ８ ４ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； ２ ． Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ａ ｅ ｒ ｏ ｓ ｐ ａ ｃ ｅ Ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ Ｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅ ， Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ ３ ９， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
（ １ ． 清华大学 精 密仪器系 。 北京 １ ０ ０ ０ ８ ４；２ ． 北京航天控制仪器研究所 ， 北京 １ ０ ０ ０ ３ ９ ） 摘 要 ：硅微静 电加速度计将静 电悬 浮技 术与微机 械加工工 艺相结合 ， 在空 间微 重力环境 下通过 降低 量
程可 实现极 高的分 辨率 。设计 了一种玻璃一 硅一 玻璃三明治结 构 、 平行六 面体状检 测质量 、 体硅 加工工 艺 、
３ ４
传感器与微系统 （ Ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｄ ｕ ｃ ｅ ｒ ａ ｎ ｄ Ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｅ ｓ ）
２ ０ １ ４年 第 ３ ３卷 第 ３期
硅 微 静 电悬 浮 加速 度计 实 验研 究
张汉 蒸 ，韩丰 田 ，孙搏谦 ，马 高印
静电悬浮空间加速度计及其在深空探测中的应用
!』!：篓筵些：量黧篓呈：i黧：!型：：黧：竺：型黧!型：呈!篓』塞些i璺篓Electrostatic Suspension Space Accelerometer and Its Application for MissionZhou Zebing Luo JunHuazhong University ofScience and Tecbato|ogy，W,ahanDepartment ofPhysics，Huazhong Univers酶ofScience and Technology,1037Luo Yu Road，Wuhan，Hubei province，P．R China,4300741lel：027—．87556653Fax：027～8754239iEmaih junluo@public．wh．hb．cnAbstractBased on the rcsearch development ofinternational space accelerometer,all electrostatic suspension space accelerometer,which is combmed with high sensitive capacitive sensing and electrostatic feedback techniques，is discussed and modeled．Feasible analysis shows that the designed space accelcrometer is able to be realized a sensitivity ofthe level of lffgg(19=9，8m／s2)，and it can be employed in space mission，Keywords space accelerometer,electrostatic suspension，space mission静毫悬浮空闫老瑟速度计及其在深空探测中的应用周泽冀罗俊{武汉华串科技太学) 湖北哲武汉市洪山区珞瑜路1037号华中科技太举物理系430074 电话：027---97556653传真：027--87542391Emaih junluo@publiewh hbcn摘要在分析国内外空闻如速度计螅研究进展的基础土，提出搬诗了一瓣基于电容传感和静电反馈控制技术上的静电悬浮空闷加速度计模型。
加速度计原理课件
02
理
牛顿第二定律与加速度计
牛顿第二定律
物体加速度的大小与作用力成正比，与物体的质量成反比。在加速度计中，这个 原理用于测量加速度。
加速度计中的力平衡系统
通过测量施加在已知质量的物体上的力，可以计算出加速度。力平衡系统通常由 弹簧和阻尼器组成，用于保持物体的平衡状态。
压电效应与加速度计
压电效应
某些材料在受到压力时会产生电势， 反之在电场作用下会发生形变。压电 效应是加速度计中测量加速度的关键 机制之一。
地震监测中的加速度计
总结词
用于监测地震产生的振动，提供地震预警和 震级评估。
详细描述
在地震监测中，加速度计被用来监测地壳运 动产生的振动。通过在地震多发区域安装加 速度计，可以实时监测地壳运动的加速度变 化，提供地震预警，并评估地震的震级和影 响范围。
无人机飞行控制系统中的加速度计
总结词
用于稳定无人机飞行姿态，实现精确悬停和 导航。
总结词
噪声水平是衡量加速度计性能的重要参数，低噪声水平的加速度计能够提供更纯净的测量 结果。
详细描述
在复杂的环境中，如机械振动、电磁干扰等，高噪声水平的加速度计容易受到干扰，导致 测量结果失真。因此，在选择时需要关注其噪声水平参数。
加速度计的校准与
05
标定
加速度计的静态校准
01
02
03
静态校准定义
加速度计原理课件
目 录
• 加速度计概述 • 加速度计的工作原理 • 加速度计的结构 • 加速度计的特性参数 • 加速度计的校准与标定 • 加速度计的应用实例
加速度计概述
01
加速度计的定义
总结词
加速度计是一种测量物体加速度的传感器，通常由质量块和支撑系统组成。
为加速度计的原理与应用
为加速度计的原理与应用1. 什么是加速度计？加速度计是一种电子设备，用于测量物体的加速度。
它可以检测物体在三个轴向上的加速度，并通过相关的算法将加速度数据转化为可用的信息。
加速度计广泛应用于各个领域，包括汽车、航空航天、移动设备以及虚拟现实等。
2. 加速度计的原理加速度计的工作原理基于牛顿第二定律，即力等于物体质量乘以加速度。
加速度计通过测量物体受到的作用力来计算加速度。
下面介绍两种常用的加速度计原理。
2.1 电容式加速度计电容式加速度计利用两个电极之间的电容变化来测量加速度。
当物体受到加速度时，其中一个电极会移动，导致电容的改变。
通过测量电容的变化，可以计算加速度的大小。
2.2 悬臂梁式加速度计悬臂梁式加速度计基于悬挂在支架上的悬臂梁的运动。
当物体受到加速度时，悬臂梁会发生变形，通过测量变形量可以得到加速度的数值。
3. 加速度计的应用加速度计在许多领域有着广泛的应用。
以下列举几个常见的应用场景。
3.1 汽车领域在汽车行业中，加速度计被用于车辆稳定性控制系统。
通过检测车辆的加速度，系统可以实时调整制动力和油门来使汽车保持稳定。
3.2 航空航天领域在航空航天领域，加速度计被广泛用于导航和飞行控制系统。
它们可用于飞机、火箭等载具中，监测加速度并提供导航和控制指令。
3.3 移动设备加速度计是智能手机和平板电脑等移动设备的常见组件之一。
它们可以为设备提供定向操作，例如横向或纵向屏幕旋转。
3.4 虚拟现实在虚拟现实技术中，加速度计被用于追踪用户的头部和手部动作，以实现更真实的虚拟体验。
3.5 运动检测在运动追踪和健康监测领域，加速度计可用于收集运动和活动数据，例如步数、卡路里消耗和睡眠监测等。
4. 总结加速度计是一种重要的电子设备，可以用于测量物体的加速度。
它的原理基于牛顿第二定律，通过测量作用力或物体变形来计算加速度。
加速度计在许多领域都有广泛的应用，包括汽车、航空航天、移动设备和虚拟现实等。
它们为各个行业提供了精确和实时的加速度数据，支持许多创新和应用的发展。
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——中英文翻译、外文文献翻译
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 μg0,分辨率为1ng,她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GPS数据获得作用于卫星的合力，非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0.0008 Hz to 0.15 Hz。
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GPS 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1HZ的低频带具有很高的分辨率和精度。
因此，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。
CHAMP公司的STAR加速度计，由法国的ONERA发展而来，用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0.05HZ。
这些力包括空气阻力，太阳射线压力。
地面返照率以及姿态调整力。
STAR 生产了一批量程为10 μg，在10-4 Hz 到 10-1 HZ内Z轴和Y轴分辨率小于0.3ng 的加速度计。
ASTRE加速度计，和 ESA合作。
在STS-78任务期间，检测了剩余的微重力干扰其频带从交流电到不到1 Hz。
ASTRE加速度计量程精确到1mg。
精度小于1ng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。
MACEK的加速度计，得到GRANT的大力支持，被用于STS-79 的仪表盘上用于检测微重力作用。
静电悬浮电容式惯性测试的组合设计
摘要静电悬浮加速度计为当前国际上精度最高的一类加速度计。
本文提出了一种静电悬浮式三轴加速度计的初步设计方案。
主要研究了以下三个方面的内容：（1）电容式传感器的工作原理；（2）简要讨论静电悬浮的原理、装置及其光电反馈控制过程.并且通过实验测定了不同静电电压和不同悬浮间距时的静电悬浮力，揭示了它们之间的相互关系，证明了静电悬浮的可行性；（3）讨论悬浮体的运动姿态以及微小位移的光电检测法。
关键词：静电悬浮、静电力、电容式加速度计、悬浮体AbstractElectro-statically suspended accelerometer is a kind of an accelerometer with highest precision in the world. This article is putting forward the first step design project of electrostatic suspend type three axis accelerometer. And it mainly studies three contents：The first is the mechanism of capacitance sensor. The second is briefly discussing the theory, the equipment and the controlling process of photo electricity feedback of electrostatic suspension，and is also measured the electrostatic suspend forces acting on the objects with different voltage and different spaces between electrode and suspend body through experiment，and opening out the correlation between them，and proving the feasibility of electrostatic suspension. The third is discussing the sport carriage of suspend body and the method of photo electricity detection of minuteness displacement.Keywords:Electrostatic suspension，Electrostatic force，Electric capacity type acceleration account，suspend body目录0引言 (1)1绪论 (2)1.1研究课题题目 (2)1.2研究课题的目的和意义 (2)1.3传感器的现状和发展趋势 (3)2静电悬浮式三轴加速度计的初步设计 (7)2.1微机械加速度计的发展 (7)2.2电容式传感器的基本工作原理 (7)2.3静电悬浮加速度计的结构设计 (8)2.4检测原理 (9)2.5位移电容的检测原理 (10)2.6加速度的检测原理 (11)3 悬浮技术 (12)3.1悬浮技术的应用 (12)3.2 现有悬浮技术的局限性及静电悬浮的新发展 (12)3.3静电力引起的静力学现象 (14)3.4 静电悬浮的理论分析 (15)3.5 静电悬浮力的理论计算方法 (16)3.6 静电悬浮实验的可行性分析 (18)4静电悬浮的实验研究 (20)4.1 静电悬浮机理 (20)4.2 静电悬浮电极板的设计 (21)4.3 悬浮体的设计 (22)4.4 实验 (23)4.5实验装置 (24)4.6 铝片和CD片的静电悬浮力测定 (25)4.7 实验结论 (26)5 悬浮体的姿态分析及悬浮间距的检测 (28)5.1 悬浮体的姿态分析 (28)5.2 悬浮间距的检测研究 (28)5.3 光电位置敏感元件PSD的工作原理 (29)5.4 激光三角法测距原理 (30)5.5 光电检测探头的设计 (31)参考文献 (33)致谢 (35)英文资料翻译英文资料原文0 引言传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱之一。
静电悬浮式电容差分加速度计测量原理与动特性设计
静电悬浮式电容差分加速度计测量原理与动特性设计张亮;陆秋海【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2008(027)009【摘要】目前,加速度计在惯性导航、大地勘探等领域都已得到了广泛的应用.在深空探测的大背景下,用于测量重力梯度的加速度计必须具有更小量程和更高的分辨率.静电悬浮式电容差分加速度计是可选方案之一.此类加速度计的工作原理与经典的弹簧振子系统相似.研究与检测质量块、伺服控制的静电反馈力和空气阻尼相关的各个参数对系统指标的影响将有助于此类加速度计的设计.首先介绍电容差分式加速度计的结构设计和工作原理,并从理论上比较此类加速度计与经典弹簧振子系统的异同.在此基础上以弹簧振子系统为原型,建立此类加速度计的动力学模型,并以这个动力学模型为对象分析此类加速度计系统的动力学特征,包括其动力学方程、固有频率、阻尼频率、脉冲响应和阶跃响应等.同时分析加速度计机构参数和伺服控制电路参数对系统动力学特征的影响.由于此类加速度计是用于测量空间重力梯度这类慢变信号的,因此还重点分析在低频信号输入时的系统响应特征.【总页数】3页(P79-81)【作者】张亮;陆秋海【作者单位】清华大学,航天航空学院,北京,100084;清华大学,航天航空学院,北京,100084【正文语种】中文【中图分类】TB934【相关文献】1.用于矢量水听器的差分电容式加速度计设计与分析 [J], 史鑫;李金平;丁文波;王辉2.静电悬浮加速度计电容检测电路变压器桥路设计 [J], 高诗梦;王鹢;李云鹏3.高线性微机械差分电容式加速度计测量电路 [J], 李宝清;陆德仁;王渭源4.基于八对差分电容极板的静电悬浮加速度计的设计 [J], 胡明;白彦峥;祝竺;吴书朝;周泽兵5.加速度计充放电式差分电容测量电路噪声模型 [J], 黄昱;王绥亮;刘强;贺慧勇因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
详解各种形式加速度计的工作原理
详解各种形式加速度计的⼯作原理简单的说加速度计由检测质量、⽀承、电位器、弹簧、阻尼器和壳体组成。
我们把不同形式加速度计做⼀个原理的介绍，⼀般加速度计可以分为环液浮摆式，挠性摆式，振弦式以及摆式积分陀螺。
他们的⼯作原理基本可以说是不相同的，下⾯就不同形式的加速度计做⼀个详细的讲解：⾸先是环液浮摆式加速度计，它的⼯作原理是：当仪表的壳体沿输⼊轴作加速运动时，检测质量因惯性⽽绕输出轴转动，传感元件将这⼀转⾓变换为电信号，经放⼤后馈送到⼒矩器构成闭环。
⼒矩器产⽣的反馈⼒矩与检测质量所受到的惯性⼒矩相平衡。
输送到⼒矩器中的电信号就被⽤来度量加速度的⼤⼩和⽅向。
摆组件放在⼀个浮⼦内，浮液产⽣的浮⼒能卸除浮⼦摆组件对宝⽯轴承的负载，减⼩⽀承摩擦⼒矩，提⾼仪表的精度。
浮液不能起定轴作⽤，因此在⾼精度摆式加速度计中，同时还采⽤磁悬浮⽅法把已经卸荷的浮⼦摆组件悬浮在中⼼位置上，使它与⽀承脱离接触，进⼀步消除摩擦⼒矩。
浮液的粘性对摆组件有阻尼作⽤,能减⼩动态误差,提⾼抗振动和抗冲击的能⼒。
波纹管⽤来补偿浮液因温度⽽引起的体积变化。
为了使浮液的⽐重、粘度基本保持不变，以保证仪表的性能稳定，⼀般要求有严格的温控装置。
其次是挠性摆式加速度计，它是采⽤挠性⽀承的摆式加速度计。
它的基本⼯作原理与液浮摆式加速度计类似。
这种系统有⼀⾼增益的伺服放⼤器，使摆组件始终⼯作在零位附近。
这样挠性杆的弯曲很⼩,引⼊的弹性⼒矩也微⼩,因此仪表能达到很⾼的精度。
这类加速度计有充油式和⼲式两种。
充油式的内部充以⾼粘性液体作为阻尼液体，可改善仪表动态特性和提⾼抗振动、抗冲击能⼒。
⼲式加速度计采⽤电磁阻尼或空⽓膜阻尼，便于⼩型化、降低成本和缩短启动时间，但精度⽐充油式低。
再者是振弦式加速度计，它是由两根相同的弦丝作为⽀承的线性加速度计。
它的⼯作原理是两根弦丝在永久磁铁的⽓隙磁场中作等幅正弦振动。
弦丝的振动频率与弦丝张⼒的平⽅根成⽐例。
不存在加速度作⽤时，两根弦丝的张⼒相等，振动频率也相等,频率差等于零。
电容式加速度计基本原理和驱动电极
电容式加速度计基本原理和驱动电极电容式加速度计是一种常见的测量加速度的传感器。
它通过测量其内部电容的变化来间接测量加速度。
本文将介绍电容式加速度计的基本原理和驱动电极，并探讨其在实际应用中的一些关键问题。
让我们来了解一下电容式加速度计的基本原理。
在其内部结构中，包含了一个质量块和多个驱动电极与感知电极。
当加速度计受到外部加速度作用时，质量块会发生相应的位移，从而改变驱动电极与感知电极之间的电容。
通过测量电容变化的大小，我们可以反推出加速度的大小。
接下来，让我们详细了解一下驱动电极在电容式加速度计中的作用。
驱动电极通常是由一个电场电极和一个感应电极组成。
电场电极通过施加一个恒定的电场力，将质量块推向感应电极。
当外部加速度作用于质量块时，质量块会与电场电极产生相对运动，从而改变电容的值。
通过测量电容的变化，我们可以获得与加速度相关的信息。
然而，在实际应用中，电容式加速度计也存在一些关键问题需要解决。
其中之一是温度的影响。
由于温度变化会导致电子元件的性能发生改变，温度对电容式加速度计的测量结果会产生一定的影响。
为了解决这一问题，可以采用温度补偿技术来校正测量结果。
另外一个关键问题是信噪比的优化。
由于电容式加速度计信号很小，易受到噪声的干扰。
为了提高信噪比，可以采用差动测量技术和滤波器等方法来抑制噪声。
还可以通过增加驱动电压和优化电路设计等手段来提高信号的强度。
电容式加速度计是一种常用的测量加速度的传感器。
它通过测量电容的变化来间接测量加速度。
在实际应用中，我们需要注意温度的影响和信噪比的优化。
通过采用温度补偿和信号处理等技术，可以提高电容式加速度计的测量精度和可靠性。
在我看来，电容式加速度计是一种非常重要的传感器技术。
它在很多领域都有广泛的应用，例如汽车工业、航空航天和移动设备等。
通过测量加速度，我们可以获得物体运动的重要参数，并应用在各种工程和科学研究中。
电容式加速度计基于电容变化来测量加速度，具有较高的灵敏度和精度。
电容式加速度计的基本原理和驱动电极
电容式加速度计的基本原理和驱动电极
电容式加速度计的基本原理和驱动电极
电容式加速度计是一种测量物体在加速和震动状态下的加速度的传感器。
其基本原理是利用物体在加速和震动状态下，产生的惯性力使得内部摆动质量的位移发生变化，从而改变电容量，进而测量加速度的大小。
具体来讲，电容式加速度计通常由两个平行的驱动电极和一个可摆动的感应电极构成。
当物体在加速或震动下，摆动质量会受到外力的作用而发生位移。
由于惯性力的作用，所受的外力越大，摆动质量的位移幅度就越大。
这时，驱动电极发出电信号，使得感应电极受到电势差的作用，从而形成电场，进而改变电容量。
基于这种原理，我们可以通过测量电容量的变化，计算出摆动质量所受到的加速度和外力的大小，从而实现对物体加速度的测量。
至于驱动电极的作用，它主要是产生恒定的电场，使得感应电极在受到外力作用的同时，能够正常地运动，进而产生电容的变化。
由于驱动电极的作用与感应电极之间的相对位置是密切相关的，因此在设计电容式加速度计时，需仔细选择合适的驱动电极位置，以确保实际测
量结果的准确性和稳定性。
总之，电容式加速度计的基本原理是通过测量电容量的变化来测量物体的加速度和外力的大小。
而驱动电极的作用则是产生恒定的电场，确保感应电极在受到外力作用的同时，能够正常地运动，进而产生电容的变化。
这种传感器广泛应用于汽车、飞机等交通工具、手机、游戏手柄、健康设备等领域中。
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８ ０
振 动 与 冲 击
模 拟静 电悬 浮 。当有 加 速度 输 入 时 ， 械 部 分 可 以感 机
应输 入加 速 度 ， 电路 部 分 将 感 应 到 的加 速 度 信 号 转 换
为电压信号 ， 再放大电压信号后产生正负反馈 电压 ， 反
馈 电压作 用 在 固定 极 板 上 又 产 生 静 电反 馈 力 ， 力 的 该
力场和其它扰动 因素实现静 电悬浮 ， 必须在极 板上施
加 相 当大 的偏 置 电压 ， 个 偏 置 电压 足 以把 电 容 极 板 这
成两个 电容 ， 分别 记 为
ｏ ｏ
Ｃ ＝Ｃ ＝ ，
ｄ
（） １
击穿。所以在地面实验 中， 以用细线悬挂 的方法来 可
基金项 目：清华 大学基础研究基金（Ｃ ｎ０ ５ ２ ） 国家 自然科学基金资助 １ ｑ２ ０ ０ ９ ，
ＯＥ Ｎ ＡＲ研 制 的 Ｇ Ａ Ｉ Ｒ Ｄ Ｏ加 速 度 计 是 最 具 代 表 性 的 成 功研 制 的静 电悬 浮式 电容 差 分 加 速 度计 ， 分 别 展 示 并 了此 类加 速度 计在重 力 探 测 中 的卓 越性 能 ¨ 。静 电悬 Ｊ 浮式 电容 差分 加速 度计 也 已引起 了 国 内研 究 人 员 的关
１ １ 测 量 原 理 ．
电 容 差 分 式 加 速 度 计 的 概 念 设 计 图 如 图 １中
所示。
图 １ 电 容差 分 式 加 速 度 计 的原 理 设 计 图
机 械部 分 的检测 质 量块 在 微 重 力环 境 下 可 以通 过 在 极 板上施 加偏 置 电压 ， 而使 得 极 板 间 产生 静 电力 ， 从 这 种 静 电 力 可 以 使 得 检 测 质 量 块 处 于 静 电 悬 浮 状
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振 第２
Ｊ ０ＵＲＮＡＬ ＯＦ ＶＩ ＢＲＡＴ ＯＮ Ｉ ＡＮＤ ＳＨＯＣＫ
静 电 悬 浮 式 电 容 差 分 加 速 度 计 测 量 原 理 与 动 特 性 设 计
张 亮 ， 陆秋海
１０ ８ ） ０ ０ ４
（ 清华大学 航天航空学 院， 北京
摘 要 ：目前， 加速度计在惯性导航、 大地勘探等领域都已得到了广泛的应用。在深空探测的大背景下， 用于测量
重力梯 度的加速度计必须具有更小量程 和更 高的分辨率。静 电悬 浮式 电容差 分加速度计 是可选 方案之一 。此类 加速度
计 的工作原 理与经典 的弹簧振子系统相似 。研究 与检 测质量块 、 伺服控制 的静 电反 馈力 和空气阻尼相关的各个参数对 系 统指标 的影 响将有助于此类加速度计 的设计 。首 先介 绍电容差分式加速度计的结构设计和工作原理 ， 并从理论上 比较此
方 向与输 入 加 速 度 信 号 的 方 向相反 ， 的大 小 与 输 入 力
加 速度 大小 有相应 的关 系 。通 过测 量 反 馈 电压 的大 小 就 可 以知道输 入加 速 度 的大小 。
注 ， 对 于这类 加速 度计 的相 关研 究还 处 于起步 阶段 。 但
１ 电 容 差 分 式 加 速 度 计 原 理 设 计
桥 。如外界 有 一个 向 下 的输 入 加 速 度 ａ时 ， 测 质 量 检
收稿 日期 ：２ ０ ０ ７—１ ２—２ ６ 第一作者 张 亮 男， 硕士 ，９ １ １８ 年生 通讯作者 陆秋海 男 ， 副教授
块 将沿 着反 方 向即 向上发 生一 个小 位移 Ａ ， Ｃ 随之 ｄ Ｃ ，，
关 键 词 ：静 电悬 浮 ； 容差 分 式 加 速 度 计 ； 服 控 制 ； 特 性 电 伺 动
中 图 分 类 号 ：Ｔ ９ ４ Ｂ３ 文 献 标 识 码 ：Ａ
随着 科技 的 不 断 进 步 ， 个 科 研 和 工 程 领 域 对 传 各 统 的加速 度计 提 出 了很 多 极 具 挑 战性 的要 求 。其 中一 种趋 势就 是研 制 可 以测 量 低 频信 号 的具 有较 高 精 度 和 分辨 率 ， 时具 有 较 小 量 程 和体 积 的加 速 度 计 。 这 类 同 加 速 度计 在测 定重 力场 信 息 、 性导 航 、 惯 大地 勘 探 等领 域 中都具 有广 阔 的前 景 。静 电悬 浮 式 电容差 分 加 速 度 计是 目前 世 界 上 精 度 最 高 ， 论 最 完 善 的一 种 先 进 加 理 速 度 计 。 由 欧 空 局 研 制 的 Ａ Ｔ Ｅ 加 速 度 计 和 法 国 ＳＲ
类加 速度计与经典弹簧振子 系统 的异 同。在 此基 础上以弹簧振子 系统为原 型 ， 立此 类加速 度计的动 力学模型 ， 以这 建 并
个 动力学模型为对象分析此类加 速度计系统的动力学特征 ， 包括其动 力学方程 、 固有 频率 、 阻尼频率 、 冲响应 和 阶跃 响 脉 应等。同时分析加速度计机构参数 和伺 服控 制电路参数对系统动 力学特征 的影 响 。由于此类 加速度 计是用 于测量空 间 重 力梯 度这类慢变信号 的， 因此还重点分析在低频信号输入 时的系统 响应 特征 。
态 。然 而 ， 实 际 的地 面验 证 实 验 中 ， 在 如果 要 克 服 重
当只 有高频 激 励 电压 作 用 于检 测 质 量 块 时 ， 检 测质量 块 与两块 固定 极 板 问 的 距 离相 等 ， 为 ｄ 电容 均 ， 极 板 间的有 效 面积 为 ， 固定 极 板与检 测 质量 块之 间 形
项 目 （０ ７ ０ ０ １５ ２７ ）
其 中 占 和 占分别 表 示 绝 对介 电常 数 和 相对 介 电 常数 。 。 两个 定 值 电容 取 为 与 Ｃ ， 原 始 值 相 等 ， 为 Ｃ ， Ｃ 的 记 Ｃ 。此 时 Ｃ ， Ｃ ， Ｃ ， Ｃ 与高频 激励 电压 形 成 电容 电