Page 101 - 《真空与低温》2025年第5期
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640 真空与低温 第 31 卷 第 5 期
缘效应。该方法能使平行板电容器有效极板区域 前端电子学所带来的影响贯穿于整个系统测量过
内的电场线均匀分布，让实际电容值与公式计算值 程中。
相符。在惯性传感器中，电极框架类似保护环，可
2. 反馈电压偏大
减小电容误差，但由于电极框架与电极板之间并非 电极板
等电位，无法像保护环一样完全避免边缘效应，仍会 3. 静电力偏大
存在一定的电容误差。（2）通过优化结构设计和采 电容检 反馈控
检验质量 测电路 1. 电容值偏大 制电路
取更好的屏蔽措施，能有效减少寄生电容的影响 。
[5]
不过，这一方法是基于多齿电容传感器提出的，并
不适用于惯性传感器的平板电容结构。（3）双屏 电极板
[6]
蔽法可消除寄生电容回路误差 。但该方法局限
性较大，仅适用于电容性套管，无法应用于惯性传 图 2 电容检测值对静电力的反馈示意图
感器的平板电容结构。（4）前端电路将差分电容信 Fig. 2 Schematic diagram of feedback of capacitance detection
value on electrostatic force
号转换为电压信号，并通过交流放大电路放大，以
[3]
提高前端电路的信噪比 。这一方法已经应用在 从质量块与电极框架产生相对位移到质量块
惯性传感器中。（5）外校准法可消除仪器的系统误 回到中心位置这一过程中所提到的三步分别会具
差 。该方法主要用于消除测量过程中测量仪器 有不同的问题。首先针对过程中的第一步，Brandt
[7]
带来的误差。（6）重复试验法能减小电容误差 。 等 指出，在这一步中电容检测电路所检测出的电
[8]
[4]
该方法主要消除测量时偶然因素引起的误差。（7）使 容值可能偏大。但此前国内外均未有文章阐明导
用仿真软件进行仿真分析来减小电容误差，此方法 致电容值偏大的原因，因此本文采用多组模型，分
效率高、成本低、可重复性强，且结果较为准确。 别探究不同组件对目标电容值大小的影响。
从质量块受外力影响与电极框架产生相对位 其次针对过程中的第二步，电容检测的误差会
移到质量块受施加的静电力影响回到中心位置，这 通过反馈控制电路对反馈电压造成影响。该误差
一过程大致可分为三步：（1）质量块受外力影响与 影响虽然不直接作用于敏感方向，但也会对惯性传
电极框架产生相对位移，差分电容检测电路检测出 感器检验质量块的姿态产生影响，从而影响惯性基
位移量对应的差分电容值。（2）差分电容值经控制 准的测量精度。目前国内外尚无对这部分影响的
电路处理，输出相应的反馈电压至电极板。（3）电 相关分析，因此本文在仿真出检测电容值的基础上，
极板上的反馈电压为质量块施加静电力，使其回到 进一步分析了这部分误差通过反馈控制电路对反
卫星结构中心。 馈电压造成影响大小。
当电容检测电路所检测出的电容值偏大时，差 最后针对过程中的第三步，Brandt 等 [4] 提出，
分电容检测电路输出的电信号也会偏大，经反馈控 在惯性传感器中被忽略的电容梯度会对质量块的
制电路输出的反馈电压值随之偏大，作用在质量块 受力大小产生不可忽视的影响。他们发现，基于无
上的静电力也会偏大。电容检测电路所得到的检 限平行板电容模型建立的敏感探头静电理论模型
测电容值对静电力影响的示意图如图 2 所示。当 与 ANSYS 给出的仿真结果存在较大差异，并认为
反馈的静电力偏大时，质量块回到结构中心时相对 这一差异主要源于电场边缘效应 。他们针对 LISA
[10]
卫星的相对速度也会偏大，导致质量块过冲位移增 模型提出了一种通过电容梯度计算静电力的方法，
加，抖动时间延长。 但这一方法所采用的修正后的静电力计算式仍有
也就是说，当差分电容检测电路输出的电信号 待进一步探讨。因此本文通过仿真得到电容梯度
有误差时，在敏感轴方向就无法准确地反映检验质 值，并将多个电容梯度值与电压值代入修正后的静
量相对电极（卫星）的位置和方向，无法准确控制卫 电力计算式中，从而对这一静电力计算式起到验证、
星相对检验质量的位置和姿态；而在非敏感轴方向， 说明与补充的作用。
就无法准确地给检验质量施加静电力来确保检验
1 模型设计
质量处于卫星结构中心，无法保证检验质量姿态的
稳定。这对惯性传感器来说是十分严重的问题。 本文采用 Creo Parametric 2.0 作为建模软件，
[9]
王少鑫等 的研究也表明包含电容检测在内的 COMSOL Multiphysics 6.0（以 下 简 称 COMSOL）作
