一种惯性传感器探头装置及多自由度检测方法

本技术属于电容位移传感测试领域，更具体地，涉及一种惯性传感器探头装置及多自由度检测方法。

背景技术：

1、天琴计划是我国独立提出的一个空间引力波探测计划。基于电容位移传感和静电反馈控制技术的空间惯性传感器是空间引力波探测航天器的核心载荷之一，其具有高精度、对称结构、六自由度同时测量等优势。惯性传感器主要由机械敏感探头、电容位移传感电路和静电反馈控制电路组成。其中，机械敏感探头主要由检验质量、极板框架和极板成，可借助电容位移传感电路将检验质量的位移信号转化为电压信号，再通过静电反馈控制系统实现对检验质量运动的控制。卫星在轨实验中，惯性传感器主要用于测量检验质量受到的非保守加速度，控制其沿测地线运动，为在轨实验提供惯性参考。因此检验质量与周围极板不能存在任何机械连接，尽可能降低作用在检验质量上的扰动。通常传感器探头极板布局设计时会以牺牲其他非灵敏轴为代价，使得沿灵敏轴的灵敏度和刚度等性能最大化。

2、天琴计划中惯性传感器中机械敏感探头采用了正六面体设计的检验质量，及采用了三轴传感反馈控制极板和两非敏感轴注入极板的极板布局方案。共18块平板电极，其中12块传感反馈控制极板和6块注入极板，包围着检验质量六面安装在电极框架上，与检验质量表面形成多对平板电容对。这些极板按功能可分为用于电容传感与静电控制的传感反馈控制极板和用于载波注入的注入极板。惯性传感器中电容位移传感单元的主要功能为实现检验质量六自由度运动检测，得到检验质量位移信息输送给控制系统。

3、然而，目前惯性传感器的极板布局较为复杂，注入极板在每个轴上的分布不均匀导致极板的整体对称性较差，且通过注入极板注入载波电压信号时，由于极板数量较多，完成传感功能需要占用大部分的极板面积，分配给注入极板的面积较小，使各自由度的载波注入效率不佳，进而导致信号传输噪声增加，使惯性传感器的检测分辨率不佳。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本技术的目的在于提供一种惯性传感器探头装置及多自由度检测方法，旨在解决目前极板布局复杂，极板的整体对称性较差，以及注入极板的载波注入效率不佳导致的惯性传感器的检测分辨率不佳的问题。

2、为实现上述目的，本技术提供一种惯性传感器探头装置，包括检验质量、电容极板和极板框架，还包括与所述电容极板连接的信号注入及检测电路；所述检验质量位于极板框架内，所述电容极板设置于所述极板框架表面；

3、所述电容极板包括多组电容极板对，所述多组电容极板对分别沿x轴、y轴以及z轴设置；

4、所述电容极板对用于检测所述检验质量沿x轴、y轴或z轴任一平动自由度发生位移变换，以实现信号传感、信号反馈以及信号注入；

5、所述信号注入及检测电路用于向所述电容极板对注入不同频率的载波电压信号，获取所述检验质量和电容极板对之间因发生相对位移而产生的信号。

6、通过信号注入及检测电路代替了现有技术中注入极板的作用，实现将不同频率的载波信号注入到电容极板，通过省略注入极板的结构设置，进而解决注入载波电压信号时，由于极板数量较多，完成传感功能需要占用大部分的极板面积，分配给注入功能的极板面积较小，进而导致各自由度的载波注入效率不佳的问题，从而提高传感器的检测分辨率。

7、在一些实施例中，各组所述电容极板对均包括两对子极板对，所述两对子极板对分别沿x轴、y轴或z轴设置；

8、沿x轴设置的子极板，用于检测所述检验质量沿x轴平动自由度发生的位移信号；

9、沿y轴设置的子极板，用于检测所述检验质量沿y轴平动自由度发生的位移信号；

10、沿z轴设置的子极板，用于检测所述检验质量沿z轴平动自由度发生的位移信号。

11、在一些实施例中，所述载波电压信号包括三个不同频率的第一载波电压信号、第二载波电压信号以及第三载波电压信号，所述第一载波电压信号、第二载波电压信号以及第三载波电压信号分别为沿x轴、y轴以及z轴设置的子极板对应的载波电压信号。

12、在一些实施例中，所述信号注入及检测电路包括依次连接的主绕组线圈、rc滤波器、带通滤波器、乘法器和模数转换器；

13、所述主绕组线圈，用于将差分电容信号转换为可检测的电压信号；

14、所述rc滤波器，用于输入当前自由度之外的其他自由度通道的载波电压信号；

15、所述带通滤波器，用于对所述当前自由度之外的其他自由度通道的载波电压信号进行滤波剔除，输出当前自由度所需的目标电压信号；

16、所述乘法器，用于将所述目标电压信号与解调波信号相乘，解调得到低频模拟信号；

17、所述模数转换器，用于将所述低频模拟信号转化为数字信号。

18、在一些实施例中，所述乘法器为相敏检测乘法器；

19、所述相敏检测乘法器用于根据与所述当前自由度的载波电压信号频率相同的信号作为解调波信号，将所述解调波信号与目标电压信号相乘，提取低频差分电容信号以输出低频模拟信号。

20、在一些实施例中，所述带通滤波器为高q值带通滤波器；

21、所述高q值带通滤波器用于基于所述目标电压信号和载波电压信号进行频率选择，将中心频率调制解调所述当前自由度对应载波电压信号的频率，以对所述当前自由度之外的其他自由度通道的载波电压信号进行滤波剔除。

22、第二方面，本技术还提供一种应用于上述任一项所述的惯性传感器探头装置实现的多自由度检测方法，包括：

23、当检验质量沿任一自由度发生位移而引起电容变化时，将差分电容信号转换为可检测的电压信号；

24、接收当前自由度之外的其他自由度通道的载波电压信号；

25、对所述当前自由度之外的其他自由度通道的载波电压信号进行滤波剔除，得到当前自由度所需的目标电压信号；

26、将所述目标电压信号与解调波信号相乘，解调得到低频模拟信号；

27、将所述低频模拟信号转化为数字信号，基于所述数字信号确定自由度检测结果。

28、在一些实施例中，所述基于所述数字信号确定自由度检测结果，包括：

29、将所述数字信号输入到信号分析系统中，基于所述数字信号生成功率谱图，基于所述功率谱图进行分析，得到所述自由度检测结果。

30、第三方面，本技术提供一种电子设备，包括：至少一个存储器，用于存储程序；至少一个处理器，用于执行存储器存储的程序，当存储器存储的程序被执行时，处理器用于执行第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所描述的方法。

31、第四方面，本技术提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，当计算机程序在处理器上运行时，使得处理器执行第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所描述的方法。

32、第五方面，本技术提供一种计算机程序产品，当计算机程序产品在处理器上运行时，使得处理器执行第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所描述的方法。

33、可以理解的是，上述第二方面至第五方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

34、总体而言，通过本技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

35、(1)通过在x轴、y轴和z轴方向上分别布置多组电容极板对的布局方式，简化了每个轴向上的极板设计，减少了极板布局的复杂性，在每个轴向上使用对称布置的电容极板对，使得每个轴的电容极板对在几何结构上是完全相同的，确保了整体结构的对称性，使得各对电容极板上的电容量能够均匀分布。

36、(2)每个轴向上都设置两对电容极板对，即在x轴、y轴和z轴方向上，各有两组电容极板对分别布置，这种布局使整体探头装置只需12块极板，使得整体设计具有更好的对称性优势，进而能够使得在每个轴向上都能够通过至少两对电容极板检测位移信号，从而全面覆盖了检验质量的平动自由度。

37、(3)通过信号注入及检测电路代替了现有技术中注入极板的作用，实现将不同频率的载波信号注入到电容极板，通过省略注入极板的结构设置，进而解决注入载波电压信号时，由于极板数量较多，完成传感功能需要占用大部分的极板面积，分配给注入功能的极板面积较小，进而导致各自由度的载波注入效率不佳的问题，从而提高传感器的检测分辨率。