[发明专利]高精度静磁悬浮加速度计

说明书

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。

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；