空间微重力环境下主动隔振系统的三维位置测量

ｙ ， 收集 ， 。 电流 分 别 为 ， 、 ， 。 ，、 和 ，， 各
浮子的惯 性 加 速 度 以 便 设 计 主 动 隔 振 反 馈 控 制 回
路， 而且 也需要 对 载 荷进 行 位 置 测 量 以便 在 较 长 的
电流 的大小 与光 斑 中心位 置到对 应输 出电极 问的阻
第 ３ ｌ卷 第 ６期 ２１ ０ ０年 ６月
宇 航 学 报
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｔｏ ａ ｔ ｓ ｏ ｒ ａ ｆＡｓｒｎ ｕｉ ｃ
Ｖｏ ． １ １ ３
Ｎｏ ６
．
Ｊ ｎ ｕｅ
２ ０ ０１
空 间微 重 力环 境 下 主 动 隔振 系统 的 三维 位 置 测 量
李 宗峰
（ ． 中 国科 学 院 光 电 研 究 院 ，北 京 １０ ９ ；２ 中 国科 学 院 研 究 生 院 ，北 京 １０ ４ ） １ ０ １０ ． ０ ０ ９
次插 值 处 理 ， 高 了 Ｐ Ｄ 自身 的 测 量 精 度 ， 后 仿 真 分 析 了位 置安 装 误 差 对 三 维 位 置 解 算 精 度 的 影 响 ， 三 维 置 提 Ｓ 最 对
测 量设 计 具 有 指 导意 义 。 关键 词 ：微 重 力 ； 主 动 隔振 ；位置 测 量 ；误 差 分 析
０ 引 言
时间里 控制 浮子 免 于 碰撞 定 子 内壁 ， 障 载 荷 的微 保
重 力 水 平 不 被 破 坏 ， 到 低 频 隔 振 的 目 的 。 达 Ｐ Ｄ Ｐ ｓｉ ｅｓｉ ｅ ｃ ｒ 是 一 种 较 广 泛 应 Ｓ （ ｏｉｏ Ｓｎｉｖ Ｄ ｔ ｔ ） ｔｎ ｔｅ ｅ ｏ
探测 器件 。由于它 的敏感 表 面连 续分 布并且 其检 测 位置 输 出只与 光 斑 能量 中心 有 关 ， 因此具 有 灵 敏 度
高 、 置 分 辨 率 高 和 良好 的 瞬 态 响 应 特 性 。 为 此 ， 位 本
ｆ 系列 飞船 上 的微 重力 水 平 ， 舟” 为空 问科 学 实 验
空 间 高 微 重 力 主 动 隔 振 系 统 是 针 对 未 来 我 国 空
问科 学实 验载 荷微 重力 环境需 求 而研 制 的一 套 支撑 平 台。它采 用磁 悬 浮 主 动 隔振 技 术 ， 实现 高 于 目前
．
用在 光 电位置 测 量 技术 中 的光 电传感 器 ， 它是 一 种
利用 半 导体 Ｐ Ｎ结 的横 向光 电效 应 工作 的 位 置敏 感
隔振 系统分 为 浮子 和定 子 两 大部 分 （ １ 。定 图 ）
子 是 隔 振 系 统 的 支 撑 单 元 ， 浮 子 是 科 学 实 验 载 荷 而
当光束 照 射在 光 敏 面 上 形成 光 斑 时 ， 光 斑 中 在 心位 置产生 与入 射 能 量 成 正 比的光 生 电 荷 ， 同时在 公 共 电极端 施加 的反 向 电压 会 使得 形 成 光 电流 ， ，
图 １ 隔振 系 统 示 意 图
Ｆｉ １ Ｓ ｅ ｃ ｐ ｏ ｉ ｒ ｔ ｎ ｉｏ ａ ｉ ｎ ｓ ｓ ｅ ｇ． ｋ ｔ ｈ ｍａ ｆｖ ｂ ａ ｉ ｓ ｌ ｔｏ ｙ ｔ ｍ ｏ
边上 的几 何 中 心位 置 引 出 四个 收 集 光 电 流 的 电 极
（ 图２。 见 ）
Ｆｉ ３ Ｃｍｆｉｕｒｔ ｎ ｏ ｒ ｅ ｄｍｅ ｓｏ ａ ｏ ｉｏ ｇ． ｆ ｇ ａｉ ｆｔ ｅ — ｉ ｎ ｉｎ ｌｐ ｓｔ ｎ ｏ ｈ ｉ
中 图分 类号 ：Ｖ ２ ５ ４；Ｔ ８ ２；Ｔ ２ ２ Ｈ２ Ｐ １ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１０ ，３ ８ ２ １ ）６ １ ２ —６ ０ ０ １２ 《０ ０ ０ —６５０
ＤＯ１： ０． ８ ３ ｉ ｉｓ １ ０ — ３ １ ３ ７ ／ ．ｓｎ． ０ ０ １ ２８． ０１ ０ ０１ ２ ０． ６． ９
载 荷 提 供 ＾ 的 实 验 环 境 保 障 。 了
文采 用 三 个 二 维 Ｐ Ｄ对 空 间高 微 重 力 主 动 隔 振 系 Ｓ 统 的三维 位置测 量 进行 了设计 分 析 。
１ 二 维 Ｐ Ｄ基 本 工 作 原 理 Ｊ Ｓ
Ｐ Ｄ基于 横 向光 电效应 工作 ， 般 采用 Ｐ—Ｎ— Ｓ 一 Ｎ 结构 ， 衬底 为 Ｎ型 高 阻 层 ， 衬底 背 面 是 Ｎ 层 ， 连 接 一公 共 电极 端来 提 供 适 当 的反 向 电压 ， 面 Ｐ层 表 为光 敏 面 ， 成 一 面状 分 布 电阻 。在 光 敏 面 两对 对 形
摘 要 ：为 保 障 实 验 载 荷 的 微 重 力 水 平 不 被 破 坏 ， 要 对 载 荷进 行 位 置 测 量 以便 在 较 长 的 时 间 里 控 制 浮 子运 需
动 行 程 免 于 碰 撞 定 子 内 壁 。 本 文 在 介 绍 二 维 位 置 敏 感 探 测 器 （ Ｓ ） 作 原 理 的 基 础 上 ， 出 了用 三 个 二 维 Ｐ Ｄ进 ＰＤ 工 提 Ｓ 行 三 维 位 置 测 量 的 方 法 并 推 导 了 解 算 三 维 位 置 的数 学 模 型 ， 中 还 对 国 产 Ｗ２ ４型 Ｐ Ｄ的 非 线 性 误 差 进 行 厂双 一 文 ０ Ｓ
，在 光敏 面上 以面 电流形 式扩 散并 被 四个 引 出电极 。
。， ：，
的支撑 单元 ， 子 上 的 振 动 会通 过 脐 带 线 传递 给浮 定
子 （ 包 括 实验 载 荷 ） 为 了实 现 理 想 的 隔振 性 能 ， 也 。
平 台不 仅需要 通 过配置 一定 数 目的线 加 度计 测量
抗成 反 比， Ｐ层 面状 电 阻分布 均匀 ， 若 则各 电极输 出
收稿 日期 ：０ ９０—０ 修 回 日期 ：０９０—７ ２０—７１ ； ２０ —８１
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宇 航 学 报
第 ３ 卷 １
发光管
～∽ ＋＋ Ｉｌ ｌ 一一 ＋ ＋ ～
公共 电极端
图 ３ 三维 位 置 测 量 系 统 布 局