[發(fā)明專利]一種基于抗磁懸浮力學(xué)系統(tǒng)的加速度測量方法

有效

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• 申請日: 2021-07-05
• 公開（公告）號: CN113484538B
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃璞;孔熙
• 申請（專利權(quán)）人: 南京大學(xué)
• 主分類號: G01P15/03
• 分類號: G01P15/03;G01P15/093
• 代理公司: 南京禾易知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 32320
• 代理人: 張松云

1.一種基于抗磁懸浮力學(xué)系統(tǒng)的加速度測量方法，其特征在于：包括以下步驟：

第一步，獲取外界加速度a；

第二步，構(gòu)建加速度敏感模塊

以永磁體構(gòu)成抗磁懸浮勢阱，將抗磁質(zhì)量體懸浮于抗磁懸浮勢阱中，得到外界加速度a帶來的抗磁質(zhì)量體的位置移動δx，其中，所述抗磁質(zhì)量體由透明的抗磁材料制成，所述抗磁材料包括石英、有機(jī)玻璃PMMA以及抗磁高分子材料；

所述抗磁質(zhì)量體包括上磁體層和下磁體層，所述上磁體層和下磁體層極化方向相反，以用于在永磁體幾何中心位置處構(gòu)成穩(wěn)定的抗磁懸浮勢阱；

所述上磁體層幾何中心方向設(shè)有通孔，以用于形成水平方向的抗磁約束區(qū)；

第三步，構(gòu)建位置測量模塊

S3-1、向抗磁質(zhì)量體輸入激光信號，基于所述抗磁質(zhì)量體自生的聚焦效應(yīng)，得到激光輸出抗磁質(zhì)量體時所述位置移動δx帶來的激光光強(qiáng)改變δI；

S3-2、通過光電轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)所述激光光強(qiáng)改變δI到電壓δV的轉(zhuǎn)換；

第四步，根據(jù)輸出所測量的電壓δV變化量計(jì)算實(shí)際外界加速度a。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于抗磁懸浮力學(xué)系統(tǒng)的加速度測量方法，其特征在于：第二步中，構(gòu)建加速度敏感模塊以得到位置移動δx的具體實(shí)施方式為：

S2-1、通過永磁體構(gòu)成抗磁懸浮勢阱，得到抗磁懸浮的磁場B(x)；

S2-2、基于抗磁懸浮原理，利用抗磁材料內(nèi)部的自旋磁矩產(chǎn)生的抗磁相互作用能量得到抗磁勢能U(x)，其中，在真空條件下的抗磁勢能U(x)計(jì)算公式如下：

式中，mgz為抗磁材料的重力勢能，χ為抗磁材料的磁化率，為抗磁相互作用，其中，μ0是真空磁導(dǎo)率，V是抗磁質(zhì)量體體積；

S2-3、將抗磁質(zhì)量體懸浮于抗磁懸浮勢阱中，當(dāng)感知外界加速度a，抗磁質(zhì)量體質(zhì)量m，得到外界加速度a帶來的抗磁質(zhì)量體的位置移動δx，其中，位置移動δx計(jì)算公式如下：

式中，為偏微分算符。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于抗磁懸浮力學(xué)系統(tǒng)的加速度測量方法，其特征在于：在步驟S3-1中，得到激光光強(qiáng)改變δI的具體實(shí)施方式為：

在抗磁質(zhì)量體兩側(cè)設(shè)置至少一組發(fā)射激光輸入信號的光纖，其中，兩兩光纖相對平行，通過抗磁質(zhì)量體的聚焦效果實(shí)現(xiàn)傳輸；

基于抗磁質(zhì)量體在外界加速度a的作用下所發(fā)生的位置移動δx，得到輸出抗磁質(zhì)量體時光纖中激光光強(qiáng)改變δI；

在步驟S3-2中，通過光電轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)所述激光光強(qiáng)改變δI到電壓δV變化量的具體實(shí)施方式為：

利用光電探測器中內(nèi)置的光電轉(zhuǎn)換模塊將激光光強(qiáng)改變δI的光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，以進(jìn)行測量，其計(jì)算方式為：

式中，δV為測量的電壓變化量，ξ為位移光強(qiáng)轉(zhuǎn)換系數(shù)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種基于抗磁懸浮力學(xué)系統(tǒng)的加速度測量方法，其特征在于：第四步中，計(jì)算實(shí)際外界加速度的計(jì)算方式為：

式中，a為實(shí)際外界加速度，ξ為位移光強(qiáng)轉(zhuǎn)換系數(shù)，U(x)為抗磁勢能，δV為測量的電壓變化量，m為抗磁質(zhì)量體質(zhì)量。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于抗磁懸浮力學(xué)系統(tǒng)的加速度測量方法，其特征在于：第二步中，在以永磁體構(gòu)成抗磁懸浮勢阱之前，還需要對永磁體進(jìn)行加工處理，具體實(shí)施方式包括：

首先，利用數(shù)控機(jī)床對永磁體進(jìn)行加工，并按照設(shè)計(jì)方向?qū)ζ溥M(jìn)行充磁處理；

其次，對永磁體進(jìn)行組合微調(diào)；

最后，通過環(huán)氧樹脂對永磁體進(jìn)行封裝。

6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種基于抗磁懸浮力學(xué)系統(tǒng)的加速度測量方法，其特征在于：第三步中，向抗磁質(zhì)量體輸入激光信號之前，需要對發(fā)射激光輸入信號的光纖位置進(jìn)行固定，其具體固定方式為：

首先，通過位操作臺將光纖位置移到抗磁質(zhì)量體的兩側(cè)，進(jìn)行調(diào)整；

其次，在光強(qiáng)信號與光纖位置的依賴性達(dá)到最大時，對光纖進(jìn)行固定。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于抗磁懸浮力學(xué)系統(tǒng)的加速度測量方法，其特征在于：所述光纖進(jìn)行固定的方式為：

通過環(huán)氧樹脂或者粘合劑對其固定，或

通過壓電定位裝置對其固定。