CN110231663B - 一种基于抗磁体悬浮的惯性传感器 - Google Patents

一种基于抗磁体悬浮的惯性传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于抗磁体悬浮的惯性传感器，包括：抗磁体悬浮结构，包括：固定永磁体、悬浮永磁体、悬浮永磁体保护结构以及抗磁材料；固定永磁体固定于悬浮永磁体的正上方，用于为悬浮永磁体提供悬浮力，以克服悬浮永磁体的重力，使得悬浮永磁体悬浮；悬浮永磁体保护结构位于悬浮永磁体的外围，抗磁材料对称固定于悬浮永磁体保护结构的内置面，提供对称的抗磁力来限制悬浮永磁体的运动；当抗磁体悬浮结构受到外界作用力导致悬浮永磁体位置发生变化时，抗磁力作为类弹性恢复力以约束悬浮永磁体的位置；光学位移传感器检测悬浮永磁体在空间的位移变化，以确定外界惯性加速度。本发明解决现有重力加速度传感器摩擦力的影响和能量耗散的问题。

Description

一种基于抗磁体悬浮的惯性传感器
技术领域
本发明涉及惯性传感器技术领域，更具体地，涉及一种基于抗磁体悬浮的惯性传感器。
背景技术
在地表附近，地球重力场是最基本和最重要的物理场之一，对重力场的精密测量有着重要的意义。重力测量在资源勘探、辅助导航、国防军事和地球科学等方面有着广泛的应用前景。以重力加速度传感器为例，重力加速度传感器是一种测量重力加速度微小变化量的精密重力测量传感器。
重力加速度传感器机械结构基本模型为弹簧-振子结构，由弹簧、检验质量块以及空气或者结构带来的阻尼组成，检验质量块通常作为传感器的核心敏感单元，是基于柔性弹簧的恢复力做往复运动，检验质量运动感知外界加速度变化，外界加速度变化导致弹簧发生形变，用于测量不同区域空间位置的重力加速度或者同一位置不同时间的重力加速度，也即区域重力场或者时变重力场的测量。但这类重力加速度传感器，需要外界提供能量，弹簧和质量块直接接触产生摩擦，摩擦力影响传感器的性能，能量耗散。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有重力加速度传感器，需要外界提供能量，弹簧和质量块直接接触产生摩擦，摩擦力影响传感器的性能，能量耗散的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种基于抗磁体悬浮的惯性传感器，包括：抗磁体悬浮结构和光学位移传感器；
所述抗磁体悬浮结构包括：固定永磁体、悬浮永磁体、悬浮永磁体保护结构以及抗磁材料；所述固定永磁体固定于悬浮永磁体的正上方，用于为悬浮永磁体提供悬浮力，以克服所述悬浮永磁体的重力，使得所述悬浮永磁体悬浮；所述悬浮永磁体保护结构位于悬浮永磁体的外围，所述抗磁材料对称固定于悬浮永磁体保护结构的内置面，提供对称的抗磁力来限制悬浮永磁体的运动；当抗磁体悬浮结构受到外界作用力导致悬浮永磁体位置发生变化时，所述抗磁力作为类弹性恢复力以约束所述悬浮永磁体的位置；
所述光学位移传感器用于检测悬浮永磁体在空间的位移变化，通过空间位移变化确定所述抗磁体悬浮结构所受的外界作用力对应的惯性加速度。
可以理解的是，类弹性恢复力指的是等效于柔性弹簧提供的弹性恢复力。
可选地，所述抗磁材料固定于悬浮永磁体保护结构的左侧内置面与右侧内置面、和/或前侧内置面与后侧内置面、和/或上侧内置面与下侧内置面，可用于检测悬浮永磁体的六个自由度的运动情况，包括三个平动和三个转动情况。
可选地，所述光学位移传感器包括：透镜、光纤、适配器、耦合器以及激光二极管；
激光二极管用于产生光源，由光纤进入耦合器到达适配器，通过透镜准直后，穿过悬浮永磁体保护结构后，在光纤端面和悬浮永磁体表面形成布里-珀罗F-P腔，得到干涉光束；
干涉光束经过适配器、耦合器到达光电探测器，通过光电探测器解调干涉光束的光谱变化信息，得到悬浮永磁体的位移变化，以确定所述抗磁体悬浮结构所受的外界作用力对应的空间惯性加速度。
具体地，耦合器是用于实现光纤信号分路/合路，或者用于延长光纤链路。适配器的两端用于插入不同接口的光纤连接器，实现不同接口转换。
可选地，所述悬浮永磁体表面与光纤端面发生干涉，形成法布里-珀罗腔，用于检测悬浮永磁体的位移情况；
所述法布里-珀罗腔由悬浮永磁体表面和光纤的端面形成，所述悬浮永磁体的表面可以沉积金属薄膜，以增强悬浮永磁体表面的反射率；
具体地，沉积金属薄膜是为了增强悬浮永磁体表面的反射率，同样，也可以在悬浮永磁体表面粘硅片或者其它表面粗糙度低的材料，以替换金属薄膜，增强悬浮永磁体表面的反射率。
所述光纤可以固定在悬浮永磁体的六个面，用以检测悬浮永磁体六个自由度的运动情况；光束由光纤耦合入射到所述悬浮永磁体表面或者金属薄膜表面，在悬浮永磁体表面或者金属薄膜表面反射后，入射光和反射光在法布里-珀罗腔形成双光束干涉；
所述光电探测器用于检测所述双光束干涉的光谱信号；当所述悬浮永磁体位置发生变化后，所述法布里-珀罗腔的间距发生变化，所述双光束干涉的光谱信号发生变化；所述光电探测器通过所述光谱信号的变化解调出悬浮永磁体的空间位移变化值，以确定抗磁体悬浮结构所受的外界作用力对应的空间惯性加速度。
可选地，所述光纤可以穿过所述抗磁材料的中心，形成对悬浮永磁体六个面运动的检测。
具体地，可以将透镜粘附在光纤端面，只需要在光纤的焦点上即可。也可以删除透镜。透镜作用是准直光，由于激光发射出来是一个斑点，距离太远会发散。用透镜准直后，光纤端面到悬浮永磁体表面的距离可以达到几厘米。
可选地，所述固定永磁体可以为钕铁硼永磁材料或者衫钴永磁材料及其它可用永磁材料。
可选地，所述悬浮永磁体可以为钕铁硼永磁材料或者衫钴永磁材料及其它可用永磁材料。
可选地，所述抗磁材料可以为热解石墨材料或者铋及其它可用抗磁材料。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的基于抗磁体悬浮的惯性传感器，将抗磁力作为类弹性恢复力，不需要柔性弹簧提供恢复力，避免了抗磁材料和悬浮永磁体的直接接触，即可实现对悬浮永磁体的限位恢复功能，使得其可以有效检测惯性加速度。利用抗磁悬浮惯性传感器解决亚μg量级的微弱震动监测。实现不需要能量输入，无源悬浮，无摩擦力影响的惯性传感器。
(2)本发明将悬浮永磁体作为感应空间加速度变化的部件，由于悬浮永磁体的密度大，同体积下其质量较大，机械热噪声低，因此测量精度较高，可以感知到更微弱的外界加速度变化，例如感知到1ng-100ng量级的外界加速度变化。
(3)本发明提供的惯性传感器其Z轴方向工作的悬浮永磁体会受到重力加速度作用下垂，通过位于其上方的固定永磁体来提供悬浮力抵消悬浮永磁体竖直方向受到的重力。通过参数设计使得悬浮永磁体所受重力等于固定永磁体提供的悬浮力，使得悬浮永磁体在Z轴方向可以悬浮。
(4)本发明通过对光纤端面与悬浮永磁体表面间距的精确设计，采用无接触式的光学位移传感对悬浮永磁体的位移进行精确测量。本发明能够应用于其他环境下的加速度测量中，通过调节悬浮永磁体的质量、体积大小和固定永磁体的质量、体积大小有相同的效果，极大地增强了本方案的应用范围。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种抗磁悬浮结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种基于抗磁体悬浮的惯性传感器的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是本发明实施例提供的一种抗磁悬浮结构示意图；如图1所示，包括：固定永磁体、抗磁材料和悬浮永磁体。固定永磁体位于悬浮永磁体的正上方，固定永磁体提供悬浮力克服悬浮永磁体竖直方向所受的重力使悬浮永磁体悬浮，抗磁材料对称位于悬浮永磁体水平、上下方向，抗磁材料还可以对称位于悬浮永磁体的前后方向，图1中并未示出。抗磁材料提供抗磁力代替柔性弹簧的弹性恢复力来稳定悬浮永磁体；悬浮永磁体在固定永磁体和抗磁材料的约束下受外界力的作用而运动。当抗磁体悬浮结构受到外界作用力导致悬浮永磁体位置发生变化时，抗磁力作为类弹性恢复力以约束所述悬浮永磁体的位置。
其中，悬浮永磁体的密度大，同体积下，质量较大，机械热噪声低，故而测量精度高，可以感知到ng量级的外界加速度变化。若是选取悬浮抗磁材料作为中间的检测结构，由于其密度相对较小，质量轻，测量精度则相对较低。
本发明中基于抗磁体悬浮的惯性传感器的检测单元是：光学位移传感器。核心检测腔体为法布里-珀罗(F-P)腔，整个腔体由光纤端面、悬浮永磁体表面形成F-P腔。光源发出的入射光通过光纤耦合进入，在光纤端面、悬浮永磁体表面形成双光束干涉。当悬浮永磁体位移发生变化时，F-P腔的间距发生变化，导致干涉信号的光谱发生变化，通过解调技术可获得悬浮永磁体位移变化值。本发明中光纤可以置于悬浮永磁体的四个方向与光纤端面平行，从而提高光学位移的灵敏度和位移检测精度。
图2是本发明实施例提供的一种基于抗磁体悬浮的惯性传感器的结构示意图。如图2所示，包括：抗磁体悬浮结构和光学位移传感器；
抗磁体悬浮结构包括：固定永磁体、悬浮永磁体、悬浮永磁体保护结构以及抗磁材料。其中，悬浮永磁体保护结构并未在图2中示出。图2中，热解石墨为抗磁材料的一种举例说明，图2中仅示出位于悬浮永磁体上方和下方的抗磁材料。图2中上下方向连接悬浮永磁体的类弹性恢复力由悬浮永磁体和抗磁材料之间的抗磁力提供。
具体地，抗磁材料固定于悬浮永磁体保护结构的左侧内置面与右侧内置面、和/或前侧内置面与后侧内置面、和/或上侧内置面与下侧内置面，可用于检测悬浮永磁体的六个自由度的运动情况，包括三个平动和三个转动情况。
光学位移传感器包括：透镜、光纤、适配器、耦合器、激光二极管以及光电探测器。激光二极管用于产生光源，由光纤进入耦合器到达适配器，通过透镜准直后，穿过悬浮永磁体保护结构后，在光纤端面和悬浮永磁体表面形成布里-珀罗腔，得到干涉光束；干涉光束经过适配器、耦合器到达光电探测器，通过光电探测器解调干涉光束的光谱变化信息，得到悬浮永磁体的位移变化，以确定所述抗磁体悬浮结构所受的外界作用力对应的惯性加速度。
具体地，耦合器是用于实现光纤信号分路/合路，或者用于延长光纤链路。适配器的两端用于插入不同接口的光纤连接器，实现不同接口转换。
具体地，悬浮永磁体表面与光纤端面发生干涉，形成法布里-珀罗F-P腔，用于检测悬浮永磁体的位移情况；法布里-珀罗腔由悬浮永磁体表面和光纤的端面形成，悬浮永磁体的表面可以沉积金属薄膜，以增强悬浮永磁体表面的反射率。光纤可以固定在悬浮永磁体的六个面，用以检测悬浮永磁体六个自由度的运动情况；光束由光纤耦合入射到所述悬浮永磁体表面或者金属薄膜表面，在悬浮永磁体表面或者金属薄膜表面反射后，入射光和反射光在法布里-珀罗腔形成双光束干涉；光电探测器用于检测所述双光束干涉的光谱信号；当所述悬浮永磁体位置发生变化后，法布里-珀罗腔的间距发生变化，双光束干涉的光谱信号发生变化；光电探测器通过所述光谱信号的变化解调出悬浮永磁体的空间位移变化值，以确定抗磁体悬浮结构所受的外界作用力对应的惯性加速度。
可选地，光纤可以穿过所述抗磁材料的中心，形成对悬浮永磁体六个面运动的检测。
可选地，固定永磁体可以为钕铁硼永磁材料或者衫钴永磁材料及其它可用永磁材料。
可选地，悬浮永磁体可以为钕铁硼永磁材料或者衫钴永磁材料及其它可用永磁材料。
可选地，抗磁材料可以为热解石墨材料或者铋及其它可用抗磁材料。
可选地，抗磁悬浮系统结构的本征谐振频率很低，可以为0.1Hz-50Hz。
可选地，基于抗磁体悬浮的惯性传感器的分辨率很高，可以为1ng-10ng。
可选地，本发明不仅仅适用于加速度计，还适用于微震仪，重力仪等惯性传感器。本发明中的抗磁悬浮系统结构尤其可对单方向加速度敏感。
本发明通过设计能够应用于其他环境下的加速度测量中，通过调节悬浮永磁体的质量、体积大小和固定永磁体的质量、体积大小有相同的效果，极大地增强了本方案的应用范围。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于抗磁体悬浮的惯性传感器，其特征在于，包括：抗磁体悬浮结构和光学位移传感器；
所述抗磁体悬浮结构包括：固定永磁体、悬浮永磁体、悬浮永磁体保护结构以及抗磁材料；所述固定永磁体固定于悬浮永磁体的正上方，用于为悬浮永磁体提供悬浮力，以克服所述悬浮永磁体的重力，使得所述悬浮永磁体悬浮；所述悬浮永磁体保护结构位于悬浮永磁体的外围，所述抗磁材料对称固定于悬浮永磁体保护结构的内置面，提供对称的抗磁力来限制悬浮永磁体的运动；当抗磁体悬浮结构受到外界作用力导致悬浮永磁体位置发生变化时，所述抗磁力作为类弹性恢复力以约束所述悬浮永磁体的位置；
所述光学位移传感器用于检测悬浮永磁体在空间的位移变化，通过空间位移变化确定所述抗磁体悬浮结构所受的外界作用力对应的惯性加速度；
所述抗磁材料固定于悬浮永磁体保护结构的左侧内置面与右侧内置面、和/或前侧内置面与后侧内置面、和/或上侧内置面与下侧内置面，用于检测悬浮永磁体的六个自由度的运动情况，包括三个平动和三个转动情况；
所述光学位移传感器包括：透镜、光纤、适配器、耦合器以及激光二极管；
激光二极管用于产生光源，光源由光纤进入耦合器到达适配器，通过透镜准直后，穿过悬浮永磁体保护结构，在光纤端面和悬浮永磁体表面形成法布里-珀罗腔，得到干涉光束；
干涉光束经过适配器、耦合器到达光电探测器，通过光电探测器解调干涉光束的光谱变化信息，得到悬浮永磁体的位移变化，以确定所述抗磁体悬浮结构所受的外界作用力对应的惯性加速度。
2.根据权利要求1所述的基于抗磁体悬浮的惯性传感器，其特征在于，所述悬浮永磁体的表面能够沉积金属薄膜，以增强悬浮永磁体表面的反射率；
所述光纤固定在悬浮永磁体的六个面，用以检测悬浮永磁体六个自由度的运动情况；光束由光纤耦合入射到所述悬浮永磁体表面或者金属薄膜表面，在悬浮永磁体表面或者金属薄膜表面反射后，入射光和反射光在法布里-珀罗腔形成双光束干涉；
所述光电探测器用于检测所述双光束干涉的光谱信号；当所述悬浮永磁体位置发生变化后，所述法布里-珀罗腔的间距发生变化，所述双光束干涉的光谱信号发生变化；所述光电探测器通过所述光谱信号的变化解调出悬浮永磁体的空间位移变化值，以确定抗磁体悬浮结构所受的外界作用力对应的惯性加速度。
3.根据权利要求1所述的基于抗磁体悬浮的惯性传感器，其特征在于，所述光纤穿过所述抗磁材料的中心，形成对悬浮永磁体六个面运动的检测。
4.根据权利要求1或2所述的基于抗磁体悬浮的惯性传感器，其特征在于，所述固定永磁体为钕铁硼永磁材料或者衫钴永磁材料。
5.根据权利要求1或2所述的基于抗磁体悬浮的惯性传感器，其特征在于，所述悬浮永磁体为钕铁硼永磁材料或者衫钴永磁材料。
6.根据权利要求1或2所述的基于抗磁体悬浮的惯性传感器，其特征在于，所述抗磁材料为热解石墨材料或者铋。
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