[科普中国]-磁悬浮加速度计

简介

磁悬浮加速度计(Magnetic suspended accelerometer),—般指利用磁作用力对质量体具有三轴悬浮能力(当悬浮体非球形时为六自由度悬浮),且能同时感测X/Y/Z三方向的加速度,或者直接感测合加速度的大小方向的仪器装置1。

发展史磁悬浮加速度计的概念提出是相当早的,相关技术可以追溯到1970年的美国专利甚至更早期的文档,1970年的专利名称为“MAGNETIC SUSPENSIONACCELEROMETER"在其中这样描述道:“在当前情况下,市场上的商业化加速度计都受限于 g这一门褴,而这种新型的加速度计至少可以使当前的最高水平提升5个数量级”,“这种加速度计具有高灵敏度、高精确度、大量程的特点,主要采用电磁激励方式,通过三组线圈使惯性体悬浮在中心位置,并且釆用高精度的电容测量技术对质量体的位移作出检测,从而敏感加速度”。它的测量范围覆盖1个g,可以用于地球表面重力场的测定,其动态精度更能达到 g。

此外,一些以磁悬浮为基础,但仅实现两轴或单轴测量的加速度计设计方案也得到了一些相关的研究,如2005年,瑞士EPFL大学的Hannes Bleuler教授的研究小组所研制的多自由度加速度计,采用热解石墨作为悬浮质量块,通过光学检测和静电力反馈的方式综合设计的加速度计能实现悬浮加速度测量。

磁性液体加速度计也可以看作是一种磁悬浮加速度计,因为磁性液体中的纳米颗粒也是通过磁性力实现良好悬浮。如1999年,M.I.Piso等曾经提出一种基于磁性液体的二维加速度传感器。其惯性敏感体和用于连接支承的弹性元件均由铝构成。

几种常见的悬浮式加速度计(1)闭环液浮摆式加速度计闭环液浮摆式加速度计是使悬浮于液体中的检测质量在惯性力作用下绕轴转动,将这一转动转化为电信号并放大后反馈到力矩器构成闭环"该类型加速度计的悬浮体一般为金属,悬浮体利用填充液体的方式来实现悬浮,液浮摆式实际上是单轴的悬浮系统,为了使金属悬浮体能够保持在中心位置,常常还增加了磁场控制单元,使得悬浮体的悬浮能够更稳定,该类型悬浮式加速度计耐冲击、量程大,适用于需要大机动性的载体"由于采用液浮控制,所以结构稍显复杂。

(2)挠性摆式加速度计挠性摆式加速度计原理与闭环液浮摆式加速度计类似,只是改用挠性作为悬浮体的支撑,可以达到很高的测量精度。该类型的加速度计实际上也是是单轴的悬浮系统。挠性摆式加速度计的悬浮体通常带有线圈,这样悬浮体就可以直接利用通过的电流产生磁场,从而实现悬浮。但是由于悬浮体与载体仍然存在挠性连接,加速度测量的精度仍然会受到悬浮体材料力学性能的影响。挠性摆式加速度计有两种:干式和湿式。干式的悬浮体完全靠其在磁场中产生的磁力支撑,采用电磁或空气阻尼能够实现加速度计的低成本和小型化,缩短启动时间,但测量精度较低,抗冲击能力较差。湿式的悬浮体周围填充了高钻度阻尼液体,通过阻尼液体辅助悬浮体悬浮,可以改善加速度计的动态特性,提高抗震抗冲击能力。

(3)静电悬浮式加速度计静电悬浮式加速度计通过检测悬浮体与极板间电容的容值变化来检测输入的加速度。静电悬浮式加速度计的悬浮体必须为导体,这样才能使悬浮体在静电场作用下实现悬浮"静电悬浮式加速度计能同时高精度地测量六个自由度的加速度,容易控制,但是量程较小。由于静电悬浮式加速度计不存在任何的物理接触,因此精度非常高,在深海探测、地球物理等领域具有重要意义。

(4)MEMS微加速度计随着现代集成电路工艺的不断发展,微硅加速度计得到了迅猛发展,在现有加速度计工业中,其发展潜力最大。目前MEMS微加速度计正朝着磁悬浮与电悬浮两个方向迅猛发展。这种加速度计体积小、重量轻、成本低、功耗小、可靠性高,极容易进行批量生产。广泛应用于汽车电子、机器人、消费电子等对加速度精少生要求不高的行业2。