磁懸浮加速度計

磁懸浮加速度計(Magnetic suspended accelerometer),—般指利用磁作用力對質量體具有三軸懸浮能力(當懸浮體非球形時為六自由度懸浮),且能同時感測X/Y/Z三方向的加速度,或者直接感測合加速度的大小方向的儀器裝置。

基本介紹

• 中文名：磁懸浮加速度計
• 外文名：Magnetic levitation accelerometer
• 作用力：磁作用力
• 常見：閉環液浮擺式加速度計等
• 提出：1970年
• 國家：美國

簡介

磁懸浮加速度計(Magnetic suspended accelerometer),—般指利用磁作用力對質量體具有三軸懸浮能力(當懸浮體非球形時為六自由度懸浮),且能同時感測X/Y/Z三方向的加速度,或者直接感測合加速度的大小方向的儀器裝置。

發展史

磁懸浮加速度計的概念提出是相當早的,相關技術可以追溯到1970年的美國專利甚至更早期的文檔,1970年的專利名稱為“MAGNETIC SUSPENSIONACCELEROMETER"在其中這樣描述道:“在當前情況下,市場上的商業化加速度計都受限於 g這一門襤,而這種新型的加速度計至少可以使當前的最高水平提升5個數量級”,“這種加速度計具有高靈敏度、高精確度、大量程的特點,主要採用電磁激勵方式,通過三組線圈使慣性體懸浮在中心位置,並且釆用高精度的電容測量技術對質量體的位移作出檢測,從而敏感加速度”。它的測量範圍覆蓋1個g,可以用於地球表面重力場的測定,其動態精度更能達到 g。

磁懸浮加速度計

此外,一些以磁懸浮為基礎,但僅實現兩軸或單軸測量的加速度計設計方案也得到了一些相關的研究,如2005年,瑞士EPFL大學的Hannes Bleuler教授的研究小組所研製的多自由度加速度計,採用熱解石墨作為懸浮質量塊,通過光學檢測和靜電力反饋的方式綜合設計的加速度計能實現懸浮加速度測量。

磁性液體加速度計也可以看作是一種磁懸浮加速度計,因為磁性液體中的納米顆粒也是通過磁性力實現良好懸浮。如1999年,M.I.Piso等曾經提出一種基於磁性液體的二維加速度感測器。其慣性敏感體和用於連線支承的彈性元件均由鋁構成。

幾種常見的懸浮式加速度計

(1)閉環液浮擺式加速度計

閉環液浮擺式加速度計是使懸浮於液體中的檢測質量在慣性力作用下繞軸轉動,將這一轉動轉化為電信號並放大後反饋到力矩器構成閉環"該類型加速度計的懸浮體一般為金屬,懸浮體利用填充液體的方式來實現懸浮,液浮擺式實際上是單軸的懸浮系統,為了使金屬懸浮體能夠保持在中心位置,常常還增加了磁場控制單元,使得懸浮體的懸浮能夠更穩定,該類型懸浮式加速度計耐衝擊、量程大,適用於需要大機動性的載體"由於採用液浮控制,所以結構稍顯複雜。

(2)撓性擺式加速度計

撓性擺式加速度計原理與閉環液浮擺式加速度計類似,只是改用撓性作為懸浮體的支撐,可以達到很高的測量精度。該類型的加速度計實際上也是是單軸的懸浮系統。撓性擺式加速度計的懸浮體通常帶有線圈,這樣懸浮體就可以直接利用通過的電流產生磁場,從而實現懸浮。但是由於懸浮體與載體仍然存在撓性連線,加速度測量的精度仍然會受到懸浮體材料力學性能的影響。撓性擺式加速度計有兩種:乾式和濕式。乾式的懸浮體完全靠其在磁場中產生的磁力支撐,採用電磁或空氣阻尼能夠實現加速度計的低成本和小型化,縮短啟動時間,但測量精度較低,抗衝擊能力較差。濕式的懸浮體周圍填充了高鑽度阻尼液體,通過阻尼液體輔助懸浮體懸浮,可以改善加速度計的動態特性,提高抗震抗衝擊能力。

(3)靜電懸浮式加速度計

靜電懸浮式加速度計通過檢測懸浮體與極板間電容的容值變化來檢測輸入的加速度。靜電懸浮式加速度計的懸浮體必須為導體,這樣才能使懸浮體在靜電場作用下實現懸浮"靜電懸浮式加速度計能同時高精度地測量六個自由度的加速度,容易控制,但是量程較小。由於靜電懸浮式加速度計不存在任何的物理接觸,因此精度非常高,在深海探測、地球物理等領域具有重要意義。

(4)MEMS微加速度計

隨著現代積體電路工藝的不斷發展,微矽加速度計得到了迅猛發展,在現有加速度計工業中,其發展潛力最大。目前MEMS微加速度計正朝著磁懸浮與電懸浮兩個方向迅猛發展。這種加速度計體積小、重量輕、成本低、功耗小、可靠性高,極容易進行批量生產。廣泛套用於汽車電子、機器人、消費電子等對加速度精少生要求不高的行業。