一种基于有限元仿真评估电荷测量误差的方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于有限元仿真评估电荷测量误差的方法及系统，属于精密测量领域，方法包括：在有限元仿真软件中，根据天琴惯性传感器敏感探头建立电荷测量的几何结构模型，在天琴惯性传感器敏感探头外施加真空域和无限元域，选取物理场接口，设置材料和网格；通过不同设置边界条件，结合麦克斯韦应力张量原理通过仿真输出检验质量上的静电力；对输出的静电力进行数据后处理，将静电力转化为电荷测量值；基于实际电荷值和电荷测量值，通过平均相对误差和相对标准偏差两个指标评估电荷测量误差，进而量化评估不同因素对电荷测量误差的影响。本发明专利技术可通过仿真设置检验质量残余电荷，进而可以量化评估不同因素对电荷测量误差的影响。的影响。的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种基于有限元仿真评估电荷测量误差的方法及系统


[0001]本专利技术属于精密测量领域，更具体地，涉及一种基于有限元仿真评估电荷测量误差的方法及系统。

技术介绍

[0002]在精密测量领域，通常需要将敏感单元进行绝缘处理，从而实现电气、热噪声等外部干扰的隔离。例如，欧空局主导的LISA空间引力波探测计划中，惯性传感器的敏感探头就是典型的孤立导体。然而由于孤立导体与周围物体无任何电气连接，空间中自由电荷会附着于孤立导体上从而导致电荷的积累。虽然积累电荷的量级很小，但是积累电荷所产生的静电力作用会干扰仪器的测量结果，因此需要对孤立导体上的电荷进行管理。
[0003]为了满足引力波探测中要求惯性传感器在毫赫兹频段的总噪声优于10
‑
15
m/s2/Hz
1/2
量级，目前主流的电荷管理方案是首先通过静电力调制方法测得检验质量上电荷值，然后照射紫外光产生光电流将检验质量上电荷控制到需求值以下，因此高精度的电荷测量是电荷管理的基础。主流的检验质量电荷测量方法都是基于静电力调制的，这种方法测量精度依赖于静电力模型，该模型来源于理想情况下检验质量电荷与极板电压相互作用，并未考虑实际干扰因素对静电力的影响。而实际静电力会受到惯性传感器复杂结构、检验质量电荷分布、极板电压以及检验质量位置等因素影响，从而导致电荷测量误差。目前对测量误差还缺乏研究，而且理论研究存在模型简单参数不易知的问题；地面实验存在可选自由度受限的问题；在轨实验存在代价高的问题。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于有限元仿真评估电荷测量误差的方法及系统，旨在解决现有电荷测量误差研究空白，而且理论研究存在模型简单参数不易知的问题。
[0005]为实现上述目的，一方面，本专利技术提供了一种基于有限元仿真评估电荷测量误差的方法，包括以下步骤：
[0006]步骤一：在有限元仿真软件中，根据天琴惯性传感器敏感探头建立电荷测量的几何结构模型，在天琴惯性传感器敏感探头外施加真空域和无限元域，选取物理场接口，设置材料和网格；其中，在几何结构模型中设置孤立导体上的电势，基于残余电荷与孤立导体电势的关系计算出孤立导体上残余电荷值作为实际电荷值；
[0007]步骤二：通过不同设置边界条件，结合麦克斯韦应力张量原理通过仿真输出检验质量上的静电力；
[0008]步骤三：对输出的静电力进行数据后处理，将静电力转化为电荷测量值；
[0009]步骤四：基于实际电荷值和电荷测量值，通过平均相对误差和相对标准偏差两个指标评估电荷测量误差，进而量化评估不同因素对电荷测量误差的影响。
[0010]进一步优选地，静电力为：
[0011][0012]其中，为面上外法线方向的单位矢量，为麦克斯韦应力张量；为单位面元。
[0013]进一步优选地，步骤四具体包括以下步骤：
[0014]将静电力与调制电压同频率同相位的正弦电压相乘进行正交解调；其中，几何结构模型中x轴四块极板电压为使孤立导体产生平动的调制电压；
[0015]正交解调之后进行滑动平均滤波得到调制频率处的静电力幅值；
[0016]将调制频率处静电力幅值乘以增益系数反算出电荷测量值。
[0017]进一步优选地，增益系数为：
[0018][0019]电荷测量值为：
[0020]Q
TM,est
＝H
q
*F
1ω
[0021]其中，H
q
为增益系数；α为几何结构因子，含义是由于几何结构边缘效应导致实际电容梯度与基于平行板电容器的理论电容梯度之间的比值；C
tot
为天琴惯性传感器敏感探头的总电容；V
MOD
为调制电压幅值；C
x
为检验质量位于中心位置时x方向极板的电容；x为检验质量在x方向产生的偏移；F
1ω
为静电力在调制频率ω处的幅值。
[0022]进一步优选地，相对标准偏差表示电荷测量值的波动情况，具体表达式为：
[0023][0024]其中，σ为电荷测量值的方差；Q
TM
为电荷测量值的平均值；
[0025]平均相对误差为：
[0026][0027]其中，n为电荷测量值的数据量；Q
TM,est
为电荷测量值；Q
TM
为实际电荷值。
[0028]另一方面，本专利技术提供了一种基于有限元仿真评估电荷测量误差的系统，包括：
[0029]几何结构模型的构建模块，用于在有限元仿真软件中，根据天琴惯性传感器敏感探头建立电荷测量的几何结构模型，在天琴惯性传感器敏感探头外施加真空域和无限元域，选取物理场接口，设置材料和网格；其中，在几何结构模型中设置孤立导体上的电势，计算孤立导体上残余电荷值作为实际电荷值；
[0030]静电力仿真模块，用于基于几何结构模型的构建模块，通过设置不同边界条件，结合麦克斯韦应力张量原理通过仿真输出检验质量上的静电力；
[0031]电荷测量值的获取模块，用于对输出的静电力进行数据后处理，将静电力转化为电荷测量值；
[0032]电测测量误差评估模块，用于基于实际电荷值和电荷测量值，通过平均相对误差和相对标准偏差两个指标评估电荷测量误差，进而量化评估不同因素对电荷测量误差的影
响。
[0033]进一步优选地，静电力为：
[0034][0035]其中，为面上外法线方向的单位矢量，为麦克斯韦应力张量；为单位面元。
[0036]进一步优选地，电荷测量值的获取模块包括正交解调单元、静电力幅值计算单元和电荷测量值计算单元；
[0037]所述正交解调单元用于将静电力与调制电压同频率同相位的正弦电压相乘进行正交解调；其中，几何结构模型中x轴四块极板电压为使孤立导体产生平动的调制电压；
[0038]所述静电力幅值计算单元用于正交解调之后进行滑动平均滤波得到调制频率处的静电力幅值；
[0039]所述电荷测量值计算单元用于将调制频率处静电力幅值乘以增益系数反算出电荷测量值。
[0040]进一步优选地，增益系数为：
[0041][0042]所述电荷测量值为：
[0043]Q
TM,est
＝H
q
*F
1ω
[0044]其中，H
q
为增益系数；α为几何结构因子，含义是由于几何结构边缘效应导致实际电容梯度与基于平行板电容器的理论电容梯度之间的比值；C
tot
为天琴惯性传感器敏感探头的总电容；V
MOD
为调制电压幅值；C
x
为检验质量位于中心位置时x方向极板的电容；x为检验质量在x方向产生的偏移；F
1ω
为静电力在调制频率ω处的幅值。
[0045]进一步优选地，相对标准偏差表示电荷测量值的波动情况，具体表达式为：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于有限元仿真评估电荷测量误差的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：在有限元仿真软件中，根据天琴惯性传感器敏感探头建立电荷测量的几何结构模型，在几何结构模型外施加真空域和无限元域，选取物理场接口，设置材料和网格；其中，在几何结构模型中设置孤立导体上的电势，基于残余电荷与孤立导体电势的关系计算出孤立导体上残余电荷值作为实际电荷值；步骤二：通过设置不同边界条件，结合麦克斯韦应力张量原理通过仿真输出检验质量上的静电力；步骤三：对输出的静电力进行数据后处理，将静电力转化为电荷测量值；步骤四：基于实际电荷值和电荷测量值，通过平均相对误差和相对标准偏差两个指标评估电荷测量误差，进而量化评估不同因素对电荷测量误差的影响。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述静电力为：其中，为面上外法线方向的单位矢量，为麦克斯韦应力张量；为单位面元。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤四具体包括以下步骤：将静电力与调制电压同频率同相位的正弦电压相乘进行正交解调；其中，几何结构模型中x轴四块极板电压为使孤立导体产生平动的调制电压；正交解调之后进行滑动平均滤波得到调制频率处的静电力幅值；将调制频率处静电力幅值乘以增益系数反算出电荷测量值。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述增益系数为：电荷测量值为：Q
TM,est
＝H
q
*F
1ω
其中，H
q
为增益系数；α为几何结构因子，含义是由于几何结构边缘效应导致实际电容梯度与基于平行板电容器的理论电容梯度之间的比值；C
tot
为天琴惯性传感器敏感探头的总电容；V
MOD
为调制电压幅值；C
x
为检验质量位于中心位置时x方向极板的电容；x为检验质量在x方向产生的偏移；F
1ω
为静电力在调制频率ω处的幅值。5.根据权利要求1至4任一所述的方法，其特征在于，相对标准偏差表示电荷测量值的波动情况，具体表达式为：其中，σ为电荷测量值的方差；Q
TM
为电荷测量值的平均值；平均相对误差为：其中，n为电荷测量值的数据量；Q
TM,est
为电荷测量值；Q
TM
为实际电荷值。
6.一种基于有限元仿真评估电荷测量误差的系统，其特征在于，包括：几何结构模型的构建模块，用于在有限元仿真软...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪葳，陈冰雪，李泓钢，褚良宇，李青青，白彦峥，周泽兵，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：