高精度静磁悬浮加速度计制造技术

本发明专利技术公开了一种高精度静磁悬浮加速度计，用于测量飞行器的线性加速度。包括真空磁屏蔽腔系统、磁场位移传感系统、静磁悬浮控制系统和检验磁体。所述加速度计采用磁场位移传感技术来实现对检验磁体位置和姿态的实时精确测量，采用静磁悬浮控制技术来实现对检验磁体位置和姿态的精确回归控制，从而将检验磁体始终控制在腔室中心，同时也是空间飞行器的质心位置；当空间飞行器受到外界非保守力作用时，由于飞行器的加速度将正比于位置控制线圈的电流大小，最终通过位置控制线圈电流的测量即可精确测量加速度的大小和方向。所述加速度计可以避开高精度机械加工的技术瓶颈，制作工艺简单，可以实现更高精度的加速度矢量测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及加速度的测量装置
，尤其涉及一种高精度静磁悬浮加速度计。
技术介绍
加速度计是测量飞行器线加速度的仪表，高精度加速度计是重力测量卫星进行全球重力场测绘任务的关键载荷，将提高全球重力场测量精度、建立统一高程基准；同时，还能用于改善现有空间大气模型，极大提高低轨卫星的测定轨精度和轨道预报精度；对于高轨卫星，能进行太阳光压测量，实现高轨卫星航天器精密定轨和轨道维持；对航天器的微重力环境进行监测，为微重力科学实验服务；多个高精度的加速度计可以构成重力梯度仪。加速度计按照惯性检测质量的运动方式分类，可分为线加速度计和摆式加速度计；按照检测方式是否需要将所测加速度从输出端再反馈到输入端来分类，有开环加速度计和闭环加速度计两种。现在常用的高精度静电悬浮加速度计受到电极正交性、面板对称性等的加工工艺限制，且电路噪声、寄生作用力噪声、环境噪声等的影响不可避免。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种高精度静磁悬浮加速度计，所述加速度计可以避开高精度机械加工的技术瓶颈，制作工艺简单，在5mHz-100mHz带宽范围内预期的加速度测量噪声低，可以实现更高精度的加速度矢量测量。为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：一种高精度静磁悬浮加速度计，用于测量飞行器的线性加速度，其特征在于：包括真空磁屏蔽腔系统、磁场位移传感系统、静磁悬浮控制系统和检验磁体，真空磁屏蔽腔系统包>括腔室，所述腔室内为真空状态，所述磁场位移传感器系统包括若干个高精度磁传感器，所述磁传感器位于所述腔室的不同位置，用于通过磁信号的探测，实现对检验磁体的空间位置和姿态的实时定位；所述静磁悬浮控制系统包括若干组位置控制线圈和若干组姿态控制线圈，所述位置控制线圈对称的设置于所述腔室的左、右侧壁上，所述姿态控制线圈对称的设置于所述腔室的上、下、前、后侧壁上，所述静磁悬浮控制系统通过位置控制线圈和姿态控制线圈接收磁场位移传感系统的反馈，实时控制检验磁体的位置和姿态，使其恒定悬浮于腔室的中心位置，所述腔室的中心位置与飞行器的质心位置相重合。进一步的技术方案在于：在检验磁体平动和转动的控制中，位置控制线圈对检验磁体产生的电磁力抵消掉飞行器受到非保守力所产生的加速度，维持检验磁体的质心与飞行器的质心始终重合，此时，电磁力矢量F与加速度矢量a之间的关系为F＝ma，其中m为检验磁体的质量，而电磁力的大小正比于位置控制线圈产生的磁场大小，位置控制线圈磁场大小正比于电流大小，通过位置控制线圈施加的电流即可对飞行器的加速度进行精确测量。进一步的技术方案在于：所述磁场位移传感系统所测量到的磁场大小与检验磁体的位置、姿态有关，将磁传感器对应的坐标系设为空间全局坐标系，设检验磁体中心的坐标为(x0，y0，z0)，探测点的坐标为(x，y，z)，检验磁体到探测点的空间距离为r，当检验磁体到探测点的距离远大于检验磁体的尺寸时，可将检验磁体近似为磁偶极子，设检验磁体等效磁矩矢量为在空间坐标系下的方位角和仰角分别为α和β，根据探测点磁场分量求解公式有：Bx=ω0M4πr5[(2(x-x0)2-(y-y0)2-(z-z0)2)sinαcosβ+3(x-x0)(y-y0)sinαsinβ+3(x-x0)(z-z0)cosα]]]>By=μ0M4πr5[(2(y-y0)2-(x-x0)2-(z-z0)2)sinαsinβ+3(x-x0)(y-y0)sinαcosβ+3(y-y0)(z-z0)cosα]]]>Bz=μ0M4πr5[(2(z-z0)2-(x-x0)2-(y-y0)2)cosα+3(x-x0)(z-z0)sinαcosβ+3(y-y0)(z-z0)sinαsinβ]]]>式中r=(x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2]]>假设已知n个探测点处的磁感应强度分量，即可构成一个由3n个非线性方程式组成的非线性方程组，该方程组有6个未知参数即x0，y0，z0，α，β和M，当n＞2时，此方程组超定，使用非线性最优化方法来求解，通过计算机程序设计求得6个未知量，确定任一时间检验磁体的空间位置和空间姿态。进一步的技术方案在于：所述静磁悬浮控制系统包括四组位置控制线圈和两组姿态控制线圈，通过在四组位置控制线圈上施加不同方向及大小的电流，使检验磁体始终控制在腔室的中心；两组姿态控制线圈用于实现对检验磁体的姿态控制，将检验磁体的磁矩方向始终控制在x方向。进一步的技术方案在于：所述检验磁体为椭圆形、圆柱形或球形。进一步的技术方案在于：所述检验磁体选用永磁体材料制作。进一步的技术方案在于：所述检验磁体的外侧包裹有非磁性材料。进一步的技术方案在于：所述磁场位移传感系统包括八个高精度磁传感器，分别位于所述腔室的八个角上。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本专利技术所述静磁悬浮加速度计保持了静电悬浮加速度计的优点，但回避了敏感结构加工难度大的瓶颈，真空磁屏蔽腔比较容易实现，通过高精度磁传感器，可以精确的测量出检验磁体的实时位置和姿态，采用静磁悬浮控制系统可以对检验磁体进行精确控制，从而可以实现高精度的加速度矢量测量。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。图1是本专利技术所述加速度计的结构示意图；图2是本专利技术中磁场位移传感技术基本原理示意图；图3-5是磁偶极子在磁场中受到的作用力分析示意图；图6是第一对姿态控制线圈对检验磁体施加力矩示意图；图7是第二对姿态控制线圈对检验磁体施加力矩示意图；其中：1，1’；2，2’；3，3’；4’，4：位置控制线圈；5，5’；6，6’：姿态控制线圈；7：真空磁屏蔽腔系统；8：高精度磁传感器；9：检验磁体偏离初始位置后回归的区域；10：检验磁体。具体实施方式下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术，但是本专利技术还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高精度静磁悬浮加速度计，用于测量飞行器的线性加速度，其特征在于：包括真空磁屏蔽腔系统(7)、磁场位移传感系统、静磁悬浮控制系统和检验磁体(10)，真空磁屏蔽腔系统包括腔室，所述腔室内为真空状态；所述磁场位移传感系统包括若干个高精度磁传感器(8)，所述磁传感器位于所述腔室的不同位置，用于通过磁信号的探测，实现对检验磁体(10)的空间位置和姿态的实时定位；所述静磁悬浮控制系统包括若干组位置控制线圈和若干组姿态控制线圈，所述位置控制线圈对称的设置于所述腔室的左、右侧壁上，所述姿态控制线圈对称的设置于所述腔室的上、下、前、后侧壁上，所述静磁悬浮控制系统通过位置控制线圈和姿态控制线圈接收磁场位移传感系统的反馈，实时控制检验磁体(10)的位置和姿态，使其恒定悬浮于腔室的中心位置，所述腔室的中心位置与飞行器的质心位置相重合。

【技术特征摘要】
1.一种高精度静磁悬浮加速度计，用于测量飞行器的线性加速度，其特征
在于：包括真空磁屏蔽腔系统(7)、磁场位移传感系统、静磁悬浮控制系统和
检验磁体(10)，真空磁屏蔽腔系统包括腔室，所述腔室内为真空状态；所述磁
场位移传感系统包括若干个高精度磁传感器(8)，所述磁传感器位于所述腔室
的不同位置，用于通过磁信号的探测，实现对检验磁体(10)的空间位置和姿
态的实时定位；所述静磁悬浮控制系统包括若干组位置控制线圈和若干组姿态
控制线圈，所述位置控制线圈对称的设置于所述腔室的左、右侧壁上，所述姿
态控制线圈对称的设置于所述腔室的上、下、前、后侧壁上，所述静磁悬浮控
制系统通过位置控制线圈和姿态控制线圈接收磁场位移传感系统的反馈，实时
控制检验磁体(10)的位置和姿态，使其恒定悬浮于腔室的中心位置，所述腔
室的中心位置与飞行器的质心位置相重合。
2.如权利要求1所述的高精度静磁悬浮加速度计，其特征在于：在检验磁
体(10)平动和转动的控制中，位置控制线圈对检验磁体(10)产生的电磁力
抵消掉飞行器受到非保守力所产生的加速度，维持检验磁体(10)的质心与飞
行器的质心始终重合，此时，电磁力矢量F与加速度矢量a之间的关系为F＝ma，
其中m为检验磁体的质量，而电磁力的大小正比于位置控制线圈产生的磁场大
小，位置控制线圈磁场大小正比于电流大小，通过位置控制线圈施加的电流即
可对飞行器的加速度进行精确测量。
3.如权利要求1所述的高精度静磁悬浮加速度计，其特征在于：磁传感器
所测量到的磁场大小与检验磁体的位置、姿态有关，将磁传感器对应的坐标系
设为空间全局坐标系，设检验磁体(10)中心的坐标为(x0，y0，z0)，探测点的坐
标为(x，y，z)，检验磁体到探测点的空间距离为r，当检验磁体(10)到探测点
的距离远大于检验磁体的尺寸时，可将检验磁体近似为磁偶极子，设检验磁体
等效磁矩矢量为在空间坐标系下的方位角和仰角分别为α和β，根据探测
点磁场分量求解公式有：
Bx=μ0M4πr5[(2(x-x0)2-(y-y0)2-(z-z0)2)sinαcosβ+3(x-x0)...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨先卫，潘礼庆，赵华，邵明学，丁红胜，郑胜，张超，罗志会，谭超，许云丽，许文年，李建林，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42