空间微振动测量压电力传感器的开发

《IEEE Sensors Journal》：Development of a Piezoelectric Force Sensor for Space Microvibration Measurement

　　**摘要：**针对常规压电传感器在复杂空间环境中因外壳与信号地共配而面临的严重干扰挑战，本文提出了一种以石英作为核心敏感元件的压电力传感器，采用外壳绝缘与参考地独立布局设计。该设计可实现高分辨率卫星成像系统中微振动力的精确测量。通过深入分析非理想接地条件下的电荷干扰机理，建立了协同的"屏蔽-隔离"防线。该方法剥离了外壳作为信号回路一极的电气属性，使其仅作为力传递与电磁屏蔽部件发挥作用。为解决高绝缘保护与最小机械性能损失之间的矛盾，选用PI薄膜作为隔离介质，兼顾工艺可行性与结构应力连续性。通过静态参数仿真确定其最优厚度，有效切断干扰耦合路径，同时确保高保真载荷传递。为全面验证性能，开展了模态与多物理场仿真，并对样机进行静态与动态标定及外部电荷干扰实验。结果表明，传感器的切向与法向灵敏度分别优于3.8和8 pC/N，线性度与重复性误差低于1%；各主轴固有频率超过6.8 kHz，在外部电荷激励下输出信号保持不失真。所研制的传感器在空间环境中展现出可靠的运行能力与高精度的力学测量性能。**一、引言**随着高分辨率对地观测技术的快速发展，航天器平台对姿态指向精度与稳定性的要求日益严格。因此，"微振动"的测量与抑制已成为制约成像质量提升的关键瓶颈。由反作用轮、控制力矩陀螺等运动部件产生的微弱扰动具有幅值小、频带宽的特征，极易导致光学载荷成像模糊或畸变。在众多现有测量方法中，压电力传感器凭借其高刚度、宽带宽及紧凑结构，可串联集成于传动路径中实现原位高保真测量，是微振动监测的可靠选择。然而，与地面理想接地条件不同，轨道上的复杂等离子体环境会导致严重的表面充电效应及浮动电位波动。在此类非理想接地条件下，传统压电传感器"外壳与信号地共配"的结构特征使金属壳表面的浮动电位波动直接耦合至内部测量电路。若缺乏有效防护，微弱的振动电荷信号将被噪声淹没，导致测量数据严重失真。