Increasing the dynamic range of electrostatic accelerometers by adjusting the zero-position

Abstract Electrostatic accelerometers are highly suitable for space science experiments due to their high resolution. Current accelerometers face the challenge of balancing a large measurement range with high resolution. To address this, this paper proposes an adjustable zero-position control strategy that decouples feedback acceleration and stiffness acceleration, enabling frequency-division measurement. This approach achieves over four times expanded measurement range of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mrow> <mml:mo>±</mml:mo> <mml:mn>3</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mtext>m</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mstyle scriptlevel="0"/> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mtext>s</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mtext>2</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> (based on the normal range <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mrow> <mml:mo>±</mml:mo> <mml:mn>7</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>5</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mtext>m</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mstyle scriptlevel="0"/> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mtext>s</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mtext>2</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> of GRACE-FO) without compromising resolution. The method reduces the impact of quasi-DC input disturbances and extends the dynamic range of electrostatic accelerometers, making it applicable to next-generation gravity satellites.