用于惯性传感器交流电荷管理的紫外灯正弦驱动设计方法技术

本发明专利技术涉及空间惯性传感器电荷管理技术领域，尤其涉及用于惯性传感器交流电荷管理的紫外灯正弦驱动设计方法，包括：

【技术实现步骤摘要】
用于惯性传感器交流电荷管理的紫外灯正弦驱动设计方法


[0001]本专利技术涉及空间惯性传感器电荷管理
，尤其涉及一种用于惯性传感器交流电荷管理的紫外灯正弦驱动设计方法
。

技术介绍

[0002]由测试质量
(Test Mass
，
TM)、
电极笼
(Electrode Housing,EH)
以及相关外围设备构成的空间惯性传感器是能为卫星重力测量
、
空间引力波探测等精密空间任务提供惯性基准的重要载荷，当空间环境中广泛存在的宇宙射线和高能粒子或二次粒子作用在
TM
上时，会使
TM
表面积累电荷，这些累积的电荷会与
TM
所处环境中的电磁场相互作用，从而引起相关的静电力和洛伦兹力加速度噪声，所以在高精度空间惯性传感器中，必须要采取措施对
TM
上积累的电荷进行有效管理
。
[0003]对于交流电荷管理中的紫外灯驱动方法，目前大多数的相关研究和应用中采用的仍是基于方波的传统驱动技术，
Ziegler T
，
et al.
发表了文章“Modeling and performance of contact
‑
free discharge systems for space inertial sensors”，如图1所示，一种用于交流放电的紫外灯方波驱动设计方法被提出，该设计包含
P、O、W、N
四个控制参数，除参数
O
仅用于调节放电的极性外，其他三个参数均用于调节放电速率，由
105*28*28≈6.6*109知，其放电速率的理论动态范围比一般电荷管理系统所需动态范围
(1.2x104)
大5个数量级以上，因而为紫外灯的调控留有相当大的裕量，能满足未来更高精度电荷管理系统中紫外灯调控无级控制和驱动的实际需求
。
[0004]但是基于方波的传统紫外灯驱动技术目前实际存在以下缺陷：
[0005](1)
紫外灯属电压敏感器件，一般需电流驱动，且对电流驱动信号的瞬时快速变动极为敏感，而实际高频电流方波驱动时不可避免地存在的过冲
、
反流等现象将严重影响紫外灯的使用寿命；
[0006](2)
方波属突变型信号，缺少必要的暂态过程，这对电流源的响应速度
(
如上升时间和下降时间
)
和稳流性能提出了极为严苛的要求，使得基于该方法的交流放电物理实现极为困难，目前国内外相关技术研究均只能在
100Hz
的正弦激励信号下进行，距离空间惯性传感器实际使用的
100kHz
正弦激励信号仍存在较大的差距；
[0007](3)
当紫外灯的驱动信号是方波时，由于同步激励信号是正弦波，因此理想情况下，灯的输出功率将在局部偏压连续变化的情况下保持恒定，此时
TM
上的放电速率
(
本质上放电也是就是一种充电，只是极性相反
)
波动较大，因此会带来额外的放电噪声；
[0008](4)
从电子学实现来看，方波比正弦波包含更多的高频分量，因此在使用方波驱动进行
100kHz
交流放电时，受技术和器件的限制，其波形必定存在严重的失真，为进行信号同步和放电过程的精确计算带来了较大困难
。

技术实现思路

[0009]本专利技术为解决基于方波的紫外灯驱动方案存在瞬时变动
、
对驱动电流源性能要求
苛刻
、
实际放电过程中波动较大
、
且因失真不便于精确分析，不能满足空间惯性传感器在轨交流放电的高性能应用需求的现状，提供一种用于惯性传感器交流电荷管理的紫外灯正弦驱动设计方法，具体包括如下步骤：
[0010]S1、
确定紫外灯的驱动设置：根据设定条件，确定紫外灯的驱动电流瞬时幅值上限，根据惯性传感器上正常运行的测试质量的电荷数量上限，确定紫外灯进行交流放电的极性和光电子数量，从而确定紫外灯的输出光功率
。
[0011]S2、
确定紫外灯的正弦驱动波形的相位偏移：使紫外灯的正弦驱动波形与正弦激励信号同步，根据设置的紫外灯进行交流放电的极性，将相位偏移取为0或
[0012]S3、
确定紫外灯的正弦驱动波形的电流幅值和直流偏置：通过计算输出光功率和驱动电动率的线性关系，获得驱动电功率，根据驱动电功率
、
电流幅值和直流偏置构成的第一等式关系，以及电流幅值
、
直流偏置
、
驱动电流瞬时幅值上限构成的约束关系，获得电流幅值和直流偏置的确定值
。
[0013]S4、
确定
1Hz
指令周期内的光脉冲数：通过计算由驱动电功率
、
输出光功率
、
光脉冲数构成的第二等式关系，获得光脉冲数的取值
。
[0014]优选地，在步骤
S1
中，设定条件为紫外灯的工作特性
、
照射方式以及惯性传感器的内表面涂层的光电特性和在交流放电过程中的噪声限制
。
[0015]优选地，在步骤
S2
中，确定相位偏移的取值方法：
[0016]测试质量积累负电荷达到阈值时，将相位偏移取0，使紫外灯的正弦驱动波形与正弦激励信号同向
。
[0017]测试质量积累正电荷达到阈值时，将相位偏移取使紫外灯的正弦驱动波形与正弦激励信号反向
。
[0018]优选地，在步骤
S3
中，输出光功率和驱动电动率的线性关系：
[0019]P
v
＝
E
v
P
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
；
[0020]其中，
P
v
为输出光功率，
P
为驱动电功率，
E
v
为紫外灯的发光效率
。
[0021]优选地，在步骤
S3
中，第一等式关系：
[0022][0023]其中，
A
为电流幅值，
B
为直流偏置，
S
为驱动电功率，
f
为正弦激励信号的频率
。
[0024]优选地，在步骤
S3
中，约束关系：
[0025]A+B≤Q
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
；
[0026]其中，
Q
为驱动电流瞬时幅值上限
。
[0027]优选地，在步骤
S3
中，根据紫外灯的驱动电流和输出光功率的取值确定电流幅值<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种用于惯性传感器交流电荷管理的紫外灯正弦驱动设计方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
S1、
确定紫外灯的驱动设置：根据设定条件，确定所述紫外灯的驱动电流瞬时幅值上限，根据所述惯性传感器上正常运行的测试质量的电荷数量上限，确定所述紫外灯进行交流放电的极性和光电子数量，从而确定所述紫外灯的输出光功率；
S2、
确定所述紫外灯的正弦驱动波形的相位偏移：使所述紫外灯的所述正弦驱动波形与正弦激励信号同步，根据设置的所述紫外灯进行交流放电的极性，将所述相位偏移取为0或
S3、
确定所述紫外灯的正弦驱动波形的电流幅值和直流偏置：通过计算所述输出光功率和驱动电动率的线性关系，获得所述驱动电功率，根据所述驱动电功率
、
所述电流幅值和所述直流偏置构成的第一等式关系，以及所述电流幅值
、
所述直流偏置
、
所述驱动电流瞬时幅值上限构成的约束关系，获得所述电流幅值和所述直流偏置的确定值；
S4、
确定
1Hz
指令周期内的光脉冲数：通过计算由所述驱动电功率
、
所述输出光功率
、
所述光脉冲数构成的第二等式关系，获得所述光脉冲数的取值
。2.
根据权利要求1所述的用于惯性传感器交流电荷管理的紫外灯正弦驱动设计方法，其特征在于，在所述步骤
S1
中，所述设定条件为所述紫外灯的工作特性
、
照射方式以及所述惯性传感器的内表面涂层的光电特性和在交流放电过程中的噪声限制
。3.
根据权利要求1所述的用于惯性传感器交流电荷管理的紫外灯正弦驱动设计方法，其特征在于，在所述步骤
S2
中，确定所述相位偏移的取值方法：所述测试质量积累负电荷达到阈值时，将所述相位偏移取0，使所述紫外灯的正弦驱动波形与正弦激励信号同向；所述测试质量积累正电荷达到阈值时，将所述相位偏移取使所述紫外灯的正弦驱动波形与正弦激励信号反向
。4.
根据权利要求1所述的用于惯性传感器交流电荷管理的紫外灯正弦驱动设计方法，其特征在于，在所述步...

【专利技术属性】
技术研发人员：于涛，王煜桦，王智，汪龙祺，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：