CN105675920B - 高精度静磁悬浮加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

高精度静磁悬浮加速度计

技术领域

本发明涉及加速度的测量装置技术领域，尤其涉及一种高精度静磁悬浮加速度计。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明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：

式中M是等效磁矩矢量的大小；

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：本发明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发明作进一步详细的说明。

图1是本发明所述加速度计的结构示意图；

图2是本发明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

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本发明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。

图1是高精度静磁悬浮加速度计的结构示意图，加速度计是工作在空间卫星等空间飞行器上的一种载荷，将该加速度计置于飞行器的质心位置。

图1中的1、1’；2、2’；3、3’和4、4’是加速度计中静磁悬浮控制系统的四组位置控制线圈，四组位置控制线圈安装在磁屏蔽腔的x轴方向的两个表面上，以x轴为轴对称分布，根据检验磁体的位置和姿态的反馈数据，利用控制算法来实现检验磁体位置的实时回归控制，将检验磁体的质心始终控制在磁屏蔽腔中心即飞行器的质心位置。图1中的5、5’和6、6’是两组姿态控制线圈，两组姿态控制线圈安装在磁屏蔽腔的y轴方向两个表面以及z轴方向的两个表面上并保持严格轴对称，姿态控制线圈直径尺寸远大于检验磁体的外形尺寸，可实现对检验磁体的转动姿态控制，使检验磁体磁矩方向始终保持在腔室x轴方向。

图1中的7是真空磁屏蔽腔系统，图1中8是高精度磁传感器，在本实施例中，采用八个高精度磁传感器分别放置于屏蔽腔的八个顶点，位置固定，通过八个磁传感器探测到的磁场数据，可以对检验磁体的位置和姿态进行实时定位。

图1中9是检验磁体偏离初始位置后回归的区域，也是腔室中心和飞行器的质心位置，图1中10是检验磁体，该检验磁体可以是椭球形、圆形或圆柱形，当然还可以是其它形状，所选用的检验磁体的尺寸、磁矩大小等是精确已知的。

图1中腔体选用非磁性材料构建，尺寸10cm*10cm*10cm，真空度10^-5Pa，温度的稳定性小于检验磁体选用SmCo₅材料，磁矩大小M＝6.25×10^-2Am²，质量1g，为了减小外界对检验磁体加速度测量的扰动，在检验磁体外面包裹了非磁性材料，使检验磁体的质量达到0.1kg；四组位置控制线圈的直径分别为0.56cm，线圈匝数各100匝，以腔体中心为坐标原点，在图1所示坐标系下，1、1’中心坐标分别为(－5cm，1cm，0)、(5cm，1cm，0)，2、2’中心坐标分别为(－5cm，0，1cm)、(5cm，0，1cm)，3、3’中心坐标分别为(－5cm，－1cm，0)、(5cm，－1cm，0)，4、4’中心坐标分别为(－5cm，0，－1cm)、(5cm，0，－1cm)；两组姿态控制线圈的直径分别为1.2cm，线圈匝数各100匝，5、5’中心坐标分别为(0，5cm，0)、(0，－5cm，0)，6、6’中心坐标分别为(0，0，5cm)、(0，0，－5cm)。

检验磁体位置和姿态检测方法：

整个系统选用非磁性材料构建，材料磁导率可视为和真空一致，因此作为检验磁体所产生的磁场分布只和磁源(也就是检验磁体)的位置、姿态有关，另外，所测量到的磁场大小还与探测点的位置有关，如图2所示，将磁传感器对应的坐标系设为空间全局坐标系，设检验磁体磁源中心坐标为(x₀,y₀,z₀)，探测点P的坐标为(x,y,z)，源点(检验磁体)到探测点的空间距离为r，当源点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(反映检验磁体空间姿态)。

根据探测点磁场分量求解公式有：

式中M是等效磁矩矢量的大小；

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，可使用非线性最优化方法来求解，通过计算机程序设计即可求得6个未知量，这样确定了任一时间检验磁体的空间位置和空间姿态。

磁场位移传感系统在采用高精度的磁传感器(如灵敏度达到0.01nT)时定位精度可小于2nm，检验磁体姿态旋转的测量精度小于0.02角秒。

静磁悬浮控制系统中共设置了四组位置控制线圈和两组姿态控制线圈，如图1所示，通过在四组位置控制线圈(1，1’)、(2，2’)、(3，3’)、(4，4’)施加不同方向及大小的电流，检验磁体受到的电磁力在x，y，z三个方向的分量都可独立控制其大小和方向，从而实现对检验磁体的位置控制，并将检验磁体始终控制在腔体中心，也就是飞行器平台质心处。而两组姿态控制线圈(5，5’)、(6，6’)可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。线圈电流的大小可以实现跨七个量级以上的精准控制，如在1nA-10mA的电流范围。

对检验磁体位置和姿态进行控制的基本方法：

当检验磁体线度很小时，可等效为一个磁偶极子(磁矩为)。而一个磁偶极子处于磁场(磁感应强度为)中时，磁偶极子受到磁场的作用有两种主要作用形式。首先，当磁偶极子的方向与外磁场方向不一致时，会受到转动力矩的作用磁偶极子将发生转动，直至与外磁场方向一致，此时达到磁偶极子在磁场中势能最低的状态-这时候，异性磁荷相互接近，同性磁荷相互远离。若外磁场为非均匀磁场，此时由于磁偶极子中正负磁荷所处的位置的磁感应强度的差异，整个磁偶极子受到一个指向磁场增大方向的平动合力；外磁场为均匀磁场时，平动合力为零。

如图3-5所示，环形电流产生一个梯度磁场，处于其中的磁偶极子受到转动力矩和平动力的作用。而处于匀强磁场中的磁偶极子只受到力矩的作用，而受到的平动合力为零。因此，可以通过匀强磁场实现转动力矩的施加，而通过梯度磁场可实现平动力的施加，从而实现对检验磁体的姿态控制和位置控制。

检验磁体的位置控制

设四对位置控制线圈相应的磁矩分别记为 其在检验磁体位置区域产生磁场，由于线圈线度很小，可用磁偶极场来表示。为了反映通电控制线圈磁矩的方向，磁矩我们分别记为 M_i为磁矩的大小，δ_i表示磁矩的方向，如δ_i＝1，则表示磁矩沿x轴正向；δ_i＝-1，则表示磁矩沿x轴负向。

检验磁体的磁矩记为下面计算通电控制线圈对检验磁体的电磁作用力。以其中第一对位置控制线圈1，1’来作一个分析，先计算对的控制电磁力，设为从指向的矢量，设中心所在位置坐标为(x,y,z)，相对中心所在位置的坐标为(a,b,c)，则有

其相互作用势为

利用

以及

可得到作用于检验磁体上的电磁力：

同理，对于对的控制作用，由于严格轴对称，中心所在位置坐标为(-a,b,c)，相应的与的相互作用势为

可得

由于x→0,y→0,z→0，即只要检验磁体中心偏离坐标原点，就立即实施控制，使其回到坐标原点。另外第一对位置控制线圈1，1’严格轴对称，且线圈大小、通电电流大小相等，故有

r₁＝r_1′，M₁＝M_1′ (14)

可见只要控制δ₁和δ_1′的取值以及(a,b,c)的取值，就可实现第一对位置控制线圈1，1’对检验磁体电磁力三个方向分量的独立控制。以上分析对其余三对位置控制线圈同样成立，具体控制方法如下：

(1)对于第一对位置控制线圈1，1’，取δ₁＝δ_1′＝1或－1，c＝0。

则有：

F_x1＝-F_x1′，F_y1＝F_y1′，F_z1＝F_z1′＝0 (15)

即实现了y方向分力的独立控制。

另外当取δ₁＝1,δ_1′＝-1或δ₁＝-1,δ_1′＝1，c＝0。

则有：

F_x1＝F_x1′，F_y1＝-F_y1′，F_z1＝F_z1′＝0 (16)

也可实现x方向分力的独立控制。

(2)对于第二对位置控制线圈2，2’，取δ₂＝δ_2′＝1或－1，b＝0。

则有：

F_x1＝-F_x1′，F_y1＝F_y1′＝0，F_z1＝F_z1′ (17)

即实现了z方向分力的独立控制。

另外当取δ₂＝1,δ_2′＝-1或δ₂＝-1,δ_2′＝1，b＝0。

则有：

F_x1＝F_x1′，F_y1＝F_y1′＝0，F_z1＝-F_z1′ (18)

也可实现x方向分力的独立控制。

(3)对于第三对位置控制线圈3，3’，取δ₃＝1,δ_3′＝-1或δ₃＝-1,δ_3′＝1，c＝0。

则有：

F_x1＝F_x1′，F_y1＝-F_y1′，F_z1＝F_z1′＝0 (19)

即实现了x方向分力的独立控制。同样地，第三对位置控制线圈3，3’也可以实现y方向的独立控制。

(4)对于第四对位置控制线圈4，4’，与前面三对线圈作用类似。可见，如果需要同时控制x,y,z三个方向的平动，则需要三对控制线圈。第四对位置控制线圈4，4’可作为冗余线圈，当其它三对控制线圈之一出现问题时，可由其代替实现相应分力的独立控制。

检验磁体的姿态控制

两对姿态控制线圈5，5’；6，6’实现对检验磁体姿态的控制，相应的磁矩分别记为两对线圈在检验磁体区域产生的磁感应强度分别为两对线圈中心与坐标原点的距离为l。由于每对线圈的大小和通电电流方向、大小完全相同，有

(1)第一对姿态控制线圈5，5’对检验磁体磁矩的控制分析：如图6所示，如果检验磁体磁矩偏离x方向，则检验磁体磁矩将受到第一对姿态控制线圈5，5’磁场对它的力矩作用，有

由于第一对姿态控制线圈5，5’的线度相比检验磁体所在区域较大，故其在检验磁体区域产生的磁场近似为均匀磁场，磁场方向为y方向，根据磁偶极场的计算公式，有

则相应的力矩大小为：

力矩方向垂直于和构成的平面，很显然在此力矩的作用下，将在XY平面内由y方向转向x方向。

(2)第二对姿态控制线圈6，6’对检验磁体磁矩的控制分析：如图7所示，第二对姿态控制线圈6，6’对检验磁体磁矩的控制与第一对姿态控制线圈5，5’对检验磁体磁矩的控制分析是类似的，在力矩用下，将在XZ平面内由z方向转向x方向。相应的有：

综合以上两对线圈的作用，可将检验磁体磁矩方向始终控制在x方向保持不变。

高精度加速度的测量：

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了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。故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。

本发明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，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。

通过地面模拟计算，所制作的静磁悬浮加速度计的主要技术指标，如噪声功率谱密度好于10^-8m·s^-2·Hz^-1/2，测量带宽5-100mHz。

Claims (8)

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：

式中M是等效磁矩矢量的大小；

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。

4.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：所述静磁悬浮控制系统包括四组位置控制线圈(1，1’；2，2’；3，3’；4’，4)和两组姿态控制线圈(5，5’；6，6’)，通过在四组位置控制线圈(1，1’；2，2’；3，3’；4’，4)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(5，5’；6，6’)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。

5.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：所述检验磁体(10)为椭圆形、圆柱形或球形。

6.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：所述检验磁体(10)选用永磁体材料制作。

7.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：所述检验磁体(10)的外侧包裹有非磁性材料。

8.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：所述磁场位移传感系统包括八个高精度磁传感器(8)，分别位于所述腔室的八个角上。