磁悬浮式加速度测量研究
在传统惯性加速度测量系统中,加速度计的感应质量块均与测量系统壳体弹性连接。当有加速度输入时,加速度信号通过感应质量块获得。弹性连接影响加速度测量结果的精度。本文设计出以悬浮磁体作为测量元件的加速度测量系统,属于绝对式加速度测量系统。
与传统加速度测量系统相比,此系统测量元件与壳体无机械连接、无摩擦损耗、测量灵敏度高。测量系统通过磁场变化来测量悬浮磁体的相对位移,将机械环节的影响减小到最低程度,提高了加速度测量的灵敏度。该系统能方便地测量来自各方向的加速度。本文设计了排斥式磁悬浮加速度测量系统,建立了由永久磁铁、电磁线圈、霍尔位移传感器、控制电路组成的磁悬浮系统。
分析了各个组成部分的工作原理,推导出了系统的动态学方程。根据霍尔传感器的输出特性及悬浮磁体的运动方程,在理论上验证了排斥式磁悬浮加速度测量系统的可行性。通过Maxwell磁场仿真软件对排斥式测量系统中悬浮磁体的各位置受力情况进行了磁场仿真。受力情况表明,环形永久磁铁可以为悬浮磁体提供竖直方向力,在悬浮磁体偏离中心时,水平向受力与相对位移成正比。
据此建立了排斥式磁悬浮加速度测量系统的控制电路。通过标准激振实验平台对排斥式加速度测量系统进行了实验,检验了实验装置的运行可靠性,并测量出系统的固有频率。根据实验数据通过对电路优化提高了加速度测量系统的测量范围、抗冲击能力。对实验装置的应用进行了分析,并对被测物体、小型汽车和地铁机车的加速度进行了实地测量。
实验结果表明,排斥式磁悬浮加速度测量系统比现有陀螺仪式加速度计分辨率高适合测量较高频加速度。