CN111579818B - 一种高灵敏度低噪声加速度检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于加速度测量技术领域，具体涉及一种高灵敏度低噪声加速度检测装置及方法；其中加速度检测装置包括底板、保护外壳、磁屏蔽罩、平行梁振子、主永磁铁、隧道磁电阻传感元件、磁场调制部分、平行梁振子、负反馈永磁铁、负反馈线圈、支撑体和负反馈线圈支撑；是通过梁并联实现高灵敏度、利用磁场高频调制方法实现低1/f噪声和引入电磁力负反馈宽化检测范围的加速度检测装置及方法，能够实现加速度的高灵敏度、低噪声检测。

Description

一种高灵敏度低噪声加速度检测装置及方法
技术领域
本发明属于加速度测量技术领域，具体涉及一种高灵敏度低噪声加速度检测装置及方法。
背景技术
随着机械制造技术、电子电路技术和传感器技术的迅猛发展，加速度检测在人们的生产和生活中扮演着越来越重要的角色。目前，加速度计在诸多领域已经实现实用化、商品化发展，如信息技术、生物工程、惯性制导、汽车电子、消费电子、航空航天、地震勘测、运动控制和医疗等。开发高性能的加速度检测装置具有很高的发展前景和市场应用。
隧道磁电阻技术作为***磁传感技术近年来越来越受到重视，相比其他的磁电阻效应，隧道磁电阻效应具有更大的电阻变化率、更好的温度稳定性、更高的灵敏度、更好的线性度、更低的功耗。基于隧道磁电阻效应制成的磁传感器比目前主流的磁传感器——霍尔传感器具有更加优异的表现，基于隧道磁电阻效应有利于高性能加速度检测装置的开发。
加速度检测主要是利用加速度计检测物体运动的加速度。根据检测方式的不同，目前已有的加速度计有可分为电容式、压电式、压阻式、谐振式、隧穿电流式和光纤式等多种类型，但依然不能在较大的检测范围内实现较高的灵敏度，同时1/f噪声水平较高，无法满足实际需求，比如，隧穿电流式加速度计虽然能够达到很高的灵敏度，但其检测区间十分狭窄，严重限制了它的实际应用，因此开发一款灵敏度高、1/f噪声水平低、检测范围大的加速度检测装置变得尤为重要。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提供一种高灵敏度低噪声加速度检测装置及方法，是通过梁并联实现高灵敏度、利用磁场高频调制方法实现低1/f噪声和引入电磁力负反馈宽化检测范围的加速度检测装置及方法，能够实现加速度的高灵敏度、低噪声检测。
一种高灵敏度低噪声加速度检测装置，包括底板1、保护外壳2、磁屏蔽罩3、平行梁振子4、主永磁铁5、隧道磁电阻传感元件6、磁场调制部分7、平行梁振子4、负反馈永磁铁、负反馈线圈、支撑体和负反馈线圈支撑；
其中保护外壳2扣合并螺栓连接在底板1上，支撑体固定在保护外壳2内部的底板1上，且在支撑体与保护外壳2之间设有磁屏蔽罩3，平行梁振子4位于支撑体中部；
平行梁振子4包括框架41和左右对称设置的两个平行梁单元，两个平行梁单元拼接在一起后固定在框架41内，平行梁单元包括横向平行梁42、纵向平行梁43和负反馈磁铁支撑44，其中负反馈磁铁支撑44的上下两端分别固定有一个横向平行梁42，负反馈磁铁支撑44的一侧固定有一个纵向平行梁43；
负反馈磁铁支撑44的上下表面分别固定有上负反馈永磁铁9和下负反馈永磁铁8，上负反馈永磁铁9和下负反馈永磁铁8的***分别设有上负反馈线圈11和下负反馈线圈10，上负反馈线圈11和下负反馈线圈10分别通过上负反馈线圈支撑14和下负反馈线圈支撑15螺栓连接在支撑体上；
平行梁振子4中两个平行梁单元中负反馈磁铁支撑44的交接处固定有主永磁铁5，磁场调制部分7和电路部分支撑17依次固定在主永磁铁5后侧的支撑体上，隧道磁电阻传感元件6和电路部分16分别固定在磁场调制部分7和电路部分支撑17之间的电路部分支撑17前后两端，且隧道磁电阻传感元件6和电路部分16之间通过导线连接；
磁场调制部分7包括悬臂梁704，悬臂梁704的前端下方贴有高磁导率软磁薄膜708，高磁导率软磁薄膜708正对着隧道磁电阻传感元件6，悬臂梁704后端上方依次贴有金属电极层一703、压电层一702和金属电极层二701，悬臂梁704后端下方依次贴有金属电极层三705、压电层二706和金属电极层四707；
金属电极层一703、金属电极层二701、金属电极层三705和金属电极层四707均与电路部分16中的调制电路通过导线连接；
电路部分16中的负反馈驱动电路分别与上负反馈线圈11和下负反馈线圈10连接；
保护外壳2上开设有电源信号孔一201，磁屏蔽罩3上开设有电源信号孔二301，支撑体上开设有电源信号孔三1201。
所述的支撑体包括上支撑体12和下支撑体13，其中下支撑体13、平行梁振子4和上支撑体12自下至上依次固定在保护外壳2内部的底板1上。
所述的平行梁振子4位于上支撑体12和下支撑体13之间，且螺栓依次穿过上支撑体12、平行梁振子4和下支撑体13后拧入底板1紧固。
所述的横向平行梁42包括n个梁单元，这n个梁单元水平设置并固定在一起，纵向平行梁43包括n个梁单元，这n个梁单元竖直设置并固定在一起，其中n为非0的整数，且横向平行梁42的梁单元个数与纵向平行梁43的梁单元个数相同。
所述的梁单元为两个梁并排设置并固定在一起形成。
所述两个平行梁单元的两个负反馈磁铁支撑44固定在一起，每个平行梁单元顶端的横向梁42固定在框架41上方，每个平行梁单元底端的横向梁42固定在框架41下方，两个平行梁单元侧面的纵向梁43分别固定在框架41的左右两侧。
所述的上负反馈永磁铁9和下负反馈永磁铁8为形状、质量、磁化强度大小均相同的负反馈永磁铁。
所述的上负反馈线圈支撑14的四角处和下负反馈线圈支撑15的四角处分别通过定位螺钉18和定位螺母19固定在上支撑体12和下支撑体13上。
一种应用上述一种高灵敏度低噪声加速度检测装置进行加速度检测的方法，包括下列步骤：
步骤一，将本加速度检测装置安装在被测物体上；
步骤二，对本加速度检测装置进行校准：
将电路部分16外接电压表，然后让被测物体以不同的所在位置与位姿进行加速度运动，选定当隧道磁电阻传感元件6通过电路部分16后的最终输出电压值最大时对应的被测物体所在位置与位姿作为实验用位置与位姿；
步骤三，确定隧道磁电阻传感元件6的初始输出电压值：
被测物体原地不动时，电路部分16外接的电压表显示的电压值即为隧道磁电阻传感元件6的初始输出电压值，记为U初；
步骤四，让被测物体按照步骤二确定的实验用位置与位姿进行加速度运动，当被测物体产生加速度ac时，同时作为质量块的上负反馈永磁铁9和下负反馈永磁铁8感受加速度，产生惯性力的作用，带动平行梁振子4一起振动，振动中的主永磁铁5与固定的隧道磁电阻传感元件6的相对位置发生变化，即隧道磁电阻传感元件6所在空间位置的磁场发生变化，变化的磁场被隧道磁电阻传感元件6检测，并输出一个正比于磁场大小的电压信号，该电压信号经过电路部分16后，一路作为反馈信号，流向上负反馈线圈11和下负反馈线圈10产生电磁力使平行梁振子4保持在平衡位置，另一路作为最终电压信号输出，由外接电压表检测该电压值，该电压值减去隧道磁电阻传感元件6的初始输出电压值U初即为本加速度检测装置的最终输出电压U；
步骤五，隧道磁电阻传感元件6最终输出电压U和被测物体加速度ac呈线性关系，被测物体加速度ac可通过隧道磁电阻传感元件6的最终输出电压U和本加速度检测装置的参数K获得，公式如下：
ac＝KU
其中：
Figure BDA0002570847430000031
其中：m为等效敏感质量，即平行梁振子4、主永磁铁5和所有负反馈永磁铁的质量和，KM为机械振动部分的等效弹簧刚度系数，KH为主永磁铁5磁场某分量在近似线性变化区域的磁场变化率，G为磁场调制部分7的磁场调制效率系数，KTMR为隧道磁电阻元件6的磁场-电压转化系数，KA是电路部分16中放大电路模块的电压放大系数，GMDM是电路部分16中解调电路的调制解调系数，KNF是总电磁力负反馈系数。
本发明的有益效果：
1、灵敏度高：①通过仅在结构层面上叠加线性***，平行梁振子采用了多梁并联的结构形式，相比传统梁结构可有效提高检测的灵敏度。是否考虑平行梁之间连接部分对灵敏度的影响根据实际情况而定，若平行梁之间耦合强度极强，即平行梁连接部分变形可忽略，则无需考虑平行梁连接部分对灵敏度的影响；否则需考虑。②负反馈永磁铁作为质量块可增大敏感质量以提高灵敏度。
2、1/f噪声水平低：利用磁场调制方法降低1/f噪声水平，悬臂梁靠压电技术进行高频驱动，贴在悬臂梁末端的高磁导率薄膜以同样频率进行高频振动，对隧道磁电阻传感元件检测的低频振动磁场进行高频调制，产生的调制信号经过后期的解调后得到加速度信息，这样可有效地降低1/f噪声水平，提高加速度传感精度。
3、检测范围宽：负反馈永磁铁与负反馈线圈相互作用产生负反馈电磁力使平行梁振子保持在平衡位置以增大检测范围。
4、精度高：①平行梁振子采用四周固定连接的形式，增大了非检测方向的刚度，减小了其对敏感方向加速度检测的影响。②平行梁振子左右两边支撑部分的上下表面固定有形状、质量、磁化大小相同的负反馈永磁铁，使平行梁振子和负反馈永磁铁组合而成的结构的重心位于平行梁振子的几何中心，有效的减小了交叉轴灵敏度和扭转灵敏度对主轴检测灵敏度的影响。③负反馈永磁铁的极化方向与隧道磁电阻传感元件的检测方向相互垂直以减少其对加速度检测精度的影响，位于平行梁振子同一侧的上下表面的两负反馈永磁铁极化方向相反，位于平行梁振子同一表面的两负反馈永磁铁极化方向相反，以减弱其磁场对隧道磁电阻传感元件的影响。
5、抗干扰能力强：①整个结构置于磁屏蔽罩中，可有效降低外部电磁干扰。②选用的TMR芯片采用了惠斯通电桥结构，可有效抑制共模信号干扰。
6、响应速度快：电路部分设计了PID控制模块，可有效提高响应速度，同时快响应速度也是所设计的加速度检测装置的要求之一。
综上所述，本发明提高了加速度检测装置的灵敏度和检测范围，降低了1/f噪声水平，精度高，抗干扰能力强，响应速度快，具有良好的实用性，适合于高精度的惯性传感***及其相关应用。
附图说明
图1为本发明高灵敏度低噪声加速度检测装置的轴测图；
图2为本发明装置总体结构的仰视图；
图3为本发明装置总体结构的正视图；
图4为本发明装置总体结构沿A-A面剖切的剖视图；
图5为本发明装置磁场调制部分的结构示意图；
图6为本发明装置总体结构沿B-B面剖切的剖视图；
图7为本发明装置总体结构沿C-C面剖切的剖视图；
图8为本发明实施例1内部主要结构的轴测图；
图9为本发明实施例2内部主要结构的轴测图；
图10为本发明检测加速度的原理图。
图11为本发明实施例1的平行梁振子结构示意图。
图12为本发明实施例2的平行梁振子结构示意图。
其中：1底板、2保护外壳、201电源信号孔一、202底板螺钉、3磁屏蔽罩、301电源信号孔二、4平行梁振子、40连接螺钉、41框架、42横向平行梁、43纵向平行梁、44负反馈磁铁支撑、5主永磁铁、6隧道磁电阻传感元件、7磁场调制部分、701金属电极层二、702压电层一、703金属电极层一、704悬臂梁、705金属电极层三、706压电层二、707金属电极层四、708高磁导率软磁薄膜、8下负反馈永磁铁、9上负反馈永磁铁、10下负反馈线圈、11上负反馈线圈、12上支撑体、1201电源信号孔三、13下支撑体、14上负反馈线圈支撑、15下负反馈线圈支撑、16电路部分、17电路部分支撑、18定位螺钉、19定位螺母。
具体实施方式
实施例1
如图1至图9所示，一种高灵敏度低噪声加速度检测装置，包括底板1、保护外壳2、磁屏蔽罩3、平行梁振子4、主永磁铁5、隧道磁电阻传感元件6、磁场调制部分7、平行梁振子4、负反馈永磁铁、负反馈线圈、支撑体和负反馈线圈支撑；
如图1、图3所示，其中保护外壳2扣合并螺栓连接在底板1上，支撑体固定在保护外壳2内部的底板1上，且在支撑体与保护外壳2之间设有磁屏蔽罩3，平行梁振子4位于支撑体中部；
如图11和图12所示，平行梁振子4包括框架41和左右对称设置的两个平行梁单元，两个平行梁单元拼接在一起后固定在框架41内，平行梁单元包括横向平行梁42、纵向平行梁43和负反馈磁铁支撑44，其中负反馈磁铁支撑44的上下两端分别固定有一个横向平行梁42，负反馈磁铁支撑44的一侧固定有一个纵向平行梁43；
如图6至图9所示，负反馈磁铁支撑44的上下表面分别固定有上负反馈永磁铁9和下负反馈永磁铁8，上负反馈永磁铁9和下负反馈永磁铁8的***分别设有上负反馈线圈11和下负反馈线圈10，上负反馈线圈11和下负反馈线圈10分别通过上负反馈线圈支撑14和下负反馈线圈支撑15螺栓连接在支撑体上；上支撑体12和下支撑体13上；
线圈直接缠绕在线圈支撑上即可，上负反馈线圈支撑14和下负反馈线圈支撑15上均设有为线圈缠绕所留的沟槽，上负反馈线圈11和下负反馈线圈10直接缠绕在上负反馈线圈支撑14和下负反馈线圈支撑15的沟槽内即可；
平行梁振子4中两个平行梁单元中负反馈磁铁支撑44的交接处固定有主永磁铁5，磁场调制部分7和电路部分支撑17从上至下依次固定在主永磁铁5后侧的上支撑体12上，隧道磁电阻传感元件6和电路部分16分别固定在磁场调制部分7和电路部分支撑17之间的电路部分支撑17前后两端，且隧道磁电阻传感元件6和电路部分16之间通过导线连接；
电路部分16中的负反馈驱动电路分别与上负反馈线圈11和下负反馈线圈10连接；
如图5所示，磁场调制部分7包括悬臂梁704，悬臂梁704的前端下方贴有高磁导率软磁薄膜708，高磁导率软磁薄膜708正对着隧道磁电阻传感元件6，悬臂梁704后端上方依次贴有金属电极层一703、压电层一702和金属电极层二701，悬臂梁704后端下方依次贴有金属电极层三705、压电层二706和金属电极层四707；
金属电极层一703、金属电极层二701、金属电极层三705和金属电极层四707均与电路部分16中的调制电路通过导线连接；
保护外壳2上开设有电源信号孔一201，磁屏蔽罩3上开设有电源信号孔二301，支撑体上开设有电源信号孔三1201。
隧道磁电阻传感元件6上方有粘贴于悬臂梁704自由端下表面的高磁导率软磁薄膜708，如图7所示。(隧道磁电阻传感元件6和软磁薄膜708是非接触的，上述表述即可)
所述的支撑体包括上支撑体12和下支撑体13，其中下支撑体13、平行梁振子4和上支撑体12自下至上依次固定在保护外壳2内部的底板1上，且在下支撑体13、上支撑体12和保护外壳2之间设有磁屏蔽罩3，磁屏蔽罩3贴合在保护外壳2的内表面，通过保护外壳2和下支撑体13、上支撑体12的挤压固定。
磁场调制部分7和电路部分支撑17依次固定在主永磁铁5后侧的上支撑体12上，或者将磁场调制部分7和电路部分支撑17直接加工在上支撑体12上，使磁场调制部分7和电路部分支撑17与上支撑体12成为一体。
所述的平行梁振子4位于上支撑体12和下支撑体13之间，且螺栓依次穿过上支撑体12、平行梁振子4和下支撑体13后拧入底板1紧固。
所述的横向平行梁42包括1个梁单元，这1个梁单元水平设置，纵向平行梁43包括1个梁单元，这1个梁单元竖直设置，横向平行梁42的梁单元个数与纵向平行梁43的梁单元个数相同。
所述的梁单元为两个梁并排设置并固定在一起形成。可实现检测灵敏度的有效提高。
所述的平行梁振子4呈轴对称，四周均固定，可增大了非传感方向的刚度，减小了其对敏感方向加速度检测的影响。如图11和图12所示。
所述两个平行梁单元的两个负反馈磁铁支撑44固定在一起，每个平行梁单元顶端的横向梁42固定在框架41上方，每个平行梁单元底端的横向梁42固定在框架41下方，两个平行梁单元侧面的纵向梁43分别固定在框架41的左右两侧。
平行梁振子4的固定不像悬臂梁的单边固定，也不像简支梁的两端固定，而是整个平行梁振子4的四个端部均会被固定。
所述的上负反馈永磁铁9和下负反馈永磁铁8为形状、质量、磁化强度大小均相同的负反馈永磁铁。
所述的上负反馈线圈支撑14的四角处和下负反馈线圈支撑15的四角处分别通过定位螺钉18和定位螺母19固定在上支撑体12和下支撑体13上。
所述的电路部分16包括放大电路、PID控制电路、滤波电路、解调电路、负反馈驱动电路和调制电路，其中隧道磁电阻传感元件6输出的电压信号依次经过放大电路、PID控制电路、滤波电路、解调电路后一部分作为最终电压输出；另一部分经过负反馈驱动电路作用于上负反馈线圈11和下负反馈线圈10，再通过上负反馈线圈11和下负反馈线圈10作用到上负反馈永磁铁9和下负反馈永磁铁8上；其中调制电路是磁场调制部分7的驱动电路，使用时要为调制电路供电，使调制电路作用于磁场调制部分7。
调制电路将调制信号输入金属电极层一703、金属电极层二701、金属电极层三705和金属电极层四707，金属电极层一703、金属电极层二701让压电层一702极化变形，从而产生高频振动；金属电极层三705和金属电极层四707让压电层二706极化变形，从而产生高频振动；进而实现对悬臂梁704的高频激励，将低频磁场调制成高频振动，连同高磁导率软磁薄膜708对隧道磁电阻传感元件6检测的磁场进行高频调制，降低1/f噪声。
电路部分16固定在电路部分支撑17上远离主永磁铁5和上负反馈永磁铁9和下负反馈永磁铁8的位置。
支撑体和平行梁振子4通过连接螺钉40固定在底板1上，如图2、图4所示；保护外壳2通过底板螺钉202固定在底板1上，如图2、图3所示。
上负反馈永磁铁9和下负反馈永磁铁8的形状不限，上下同侧或左右同侧的负反馈永磁铁的磁化方向相反，并且负反馈永磁铁对称布置，使整体结构的重心与几何中心重合。可减小对隧道磁电阻传感元件检测磁场的干扰和交叉轴灵敏度、扭转轴灵敏度的影响。如图4、图6、图8所示。
所述的永磁铁分为主永磁铁5、上负反馈永磁铁9和下负反馈永磁铁8，可有效避免负反馈部分对加速度检测的影响。如图8、图9和图10所示。
所述的上负反馈永磁铁9和下负反馈永磁铁8***分别固定有上负反馈线圈11和下负反馈线圈10，构成电磁力负反馈部分，使平行梁振子4保持在平衡位置，可增大加速度检测范围。如图4、图8所示。
所述的悬臂梁704下表面贴有高磁导率软磁薄膜708，且位于隧道磁电阻传感元件6正上方，对隧道磁电阻传感元件6检测的磁场进行高频调制，调制方法不限。如图7所示。
悬臂梁704上下表面均贴有金属电极层和压电层，实现对悬臂梁704的高频激励，激励方式不限。如图5所示。
如图8所示，当加速度检测装置受到外界加速度时，同时作为质量块的上负反馈永磁铁9和下负反馈永磁铁8受到惯性力的作用，带动平行梁振子4和主永磁铁5振动，主永磁铁5与隧道磁电阻传感元件6之间的相对位置发生变化导致隧道磁电阻传感元件6处磁场变化，进而导致隧道磁电阻传感元件6输出电压变化，该电压变化经过电路部分16后，一路通过上负反馈线圈11和下负反馈线圈10作用到上负反馈永磁铁9和下负反馈永磁铁8上，另一路作为最终电压输出。通过最终输出电压，可以反求外界加速度的幅值，从而达到加速度检测的效果。
一种应用上述一种高灵敏度低噪声加速度检测装置进行加速度检测的方法，包括下列步骤：
使用时电源给隧道磁电阻传感元件6供电，同一个电源还需要给电路部分16供电；
步骤一，将本加速度检测装置安装在被测物体上的合适位置(这里比较宽泛，所安装位置只要适合安装即可)；
步骤二，对本加速度检测装置进行校准：
将电路部分16外接电压表，(即电路部分16与电压表通过导线连接)，同时将电路部分16中的调制电路外接电源，然后让被测物体以不同的所在位置与位姿进行加速度运动，选定当隧道磁电阻传感元件6通过电路部分16后的最终输出电压值最大时对应的被测物体所在位置与位姿作为实验用位置与位姿；
本加速度检测装置是单轴加速度计，只有当本加速度检测装置的检测方向与被测物体输入本加速度检测装置的矢量方向相同时，本加速度检测装置才会输出最大值，即此时保证了检测的加速度方向与本加速度检测装置的敏感检测方向一致。
步骤三，确定隧道磁电阻传感元件6的初始输出电压值：
被测物体原地不动时，电路部分16外接的电压表显示的电压值即为隧道磁电阻传感元件6的初始输出电压值，记为U初；
步骤四，让被测物体按照步骤二确定的实验用位置与位姿进行加速度运动，当被测物体产生加速度ac时，同时作为质量块的上负反馈永磁铁9和下负反馈永磁铁8感受加速度，产生惯性力的作用，带动平行梁振子4一起振动，振动中的主永磁铁5与固定的隧道磁电阻传感元件6的相对位置发生变化，即隧道磁电阻传感元件6所在空间位置的磁场发生变化，变化的磁场被隧道磁电阻传感元件6检测，并输出一个正比于磁场大小的电压信号，该电压信号经过电路部分16后，一路作为反馈信号，流向上负反馈线圈11和下负反馈线圈10产生电磁力使平行梁振子4保持在平衡位置，另一路作为最终电压信号输出，由外接电压表检测该电压值，该电压值减去隧道磁电阻传感元件6的初始输出电压值U初即为隧道磁电阻传感元件6的最终输出电压U；
步骤五，隧道磁电阻传感元件6最终输出电压U和被测物体加速度ac呈线性关系，被测物体加速度ac可通过隧道磁电阻传感元件6的最终输出电压U和本加速度检测装置的参数K获得，公式如下：
ac＝KU
其中：
Figure BDA0002570847430000091
其中：其中：m为等效敏感质量，即平行梁振子4、主永磁铁5和所有负反馈永磁铁的质量的和，KM为机械振动部分的等效弹簧刚度系数，即平行梁振子4的等效弹簧刚度系数，KH为主永磁铁5磁场某分量在近似线性变化区域的磁场变化率，G为磁场调制部分7的磁场调制效率系数，(这里将低频磁场调制成了高频磁场，信号的强度会发生变化,)KTMR为隧道磁电阻元件6的磁场-电压转化系数，KA是电路部分16中放大电路模块的电压放大系数，GMDM是电路部分16中解调电路的调制解调系数，KNF是总电磁力负反馈系数，本加速度检测装置的四块负反馈永磁铁与四个负反馈线圈相互作用合成总负反馈力，这里的电磁力负反馈系数是针对总负反馈力来说的。
下面详细讲述ac＝KU的获得：
将本加速度检测装置固定在被测物体上，当被测物体产生加速度ac时，同时作为质量块的上负反馈永磁铁9和下负反馈永磁铁8感受加速度，产生惯性力的作用，与平行梁振子4相互作用使其产生变形。此时，主永磁铁5与固定的隧道磁电阻传感元件6的相对位置发生变化，即隧道磁电阻传感元件6所处空间位置的磁场发生变化，变化的磁场被隧道磁电阻传感元件6检测并输出一个正比于磁场大小的电压信号。该电压信号经电路部分后，一路作为反馈信号，流向上负反馈线圈11和下负反馈线圈10产生电磁力使平行梁振子4保持在平衡位置；另一路作为最终输出电压U输出，测得被测物体的加速度ac。
敏感质量(即主永磁铁5)感受加速度产生惯性力为：
FI＝mac
其中，m为加速度检测装置的等效敏感质量，这里忽略平行梁振子4的质量，即主永磁铁5和所有负反馈永磁铁的质量的和，ac为本加速度检测装置受到的加速度。
平行梁振子4在惯性力和上下负反馈电磁铁的负反馈电磁力的作用下的最大位移量：
Figure BDA0002570847430000101
其中，FNF为上下负反馈电磁铁的单负反馈电磁力(这个公式需在FNF前面乘上4，以和下面公式呼应，有四块负反馈永磁铁，四个负反馈线圈)，在测量过程中，这个量是随着输入加速度的大小一直变化的，理想状态下，它与输入的加速度(惯性力)成一个固定比例，KM为机械振动部分等效弹簧刚度系数，其中机械振动部分包括平行梁振子4、上面的主永磁铁5、上下四块负反馈永磁铁以及相应的负反馈线圈和相应的负反馈线圈支撑(主永磁铁5、上下两个负反馈永磁铁以及相应的负反馈线圈和相应的负反馈线圈支撑对KM不产生影响，因此KM为平行梁振子4的等效弹簧刚度系数，前提为假设平行梁振子4工作在线弹性范围内，忽略了诸如空气阻尼等的非线性干扰。
根据以下公式可以得到主永磁铁5周围的磁场强度：
柱形、长方体形永磁铁周围磁场强度公式：
Figure BDA0002570847430000102
其中，
Figure BDA0002570847430000103
M为永磁铁沿z轴的磁化强度，h为柱形、长方体形永磁铁沿磁化方向的高度，x，y，z为以永磁铁质心为原点，沿磁化方向为z轴建立的坐标系中位于永磁铁外的任意一点的坐标，x0，y0，z0为该坐标系中永磁铁外表面与z＝0平面的交线上任意一点，θ为点(x0，y0，z0)处微元电流的矢量方向与点(x0，y0，z0)指向点(x，y，z)的矢量方向的夹角，中间的环路积分路径为上述交线路径(即永磁铁垂直于磁化方向的截面周长路径)，dl表示环路积分中的微元长度，若整个环路积分出来，便是底面图形的周长，对于柱形永磁铁来说，就是底面圆的周长。
永磁体沿z轴方向的磁场强度分量为：
当永磁铁为柱形时为：
Figure BDA0002570847430000104
其中r0为柱形永磁铁的半径，h为柱形永磁铁的高度。
当永磁铁为长方体形时为：
Figure BDA0002570847430000105
Figure BDA0002570847430000111
其中，a，b和h分别为长方体形永磁铁的长、宽和高。
隧道磁电阻传感元件6处的磁场变化为：
ΔH＝KH×Δzmax
其中，KH为主永磁铁5磁场某分量在近似线性变化区域的磁场变化率，H可通过公式
Figure BDA0002570847430000112
求得，μ0为真空磁导率，M为介质磁化强度，由于介质为空气，该值取为0，B表示空间中某点的磁感应强度。
隧道磁电阻传感元件6处的磁感应强度变化经过调制后为：
Bm＝GBTMR×Acos(2πfmt)
其中，G为磁场调制部分7的磁场调制效率系数，BTMR为隧道磁电阻传感元件6所处位置的磁感应强度，A为调制载波信号幅值(磁场调制部分7需要激励，这里的A为激励信号的幅值，即为载波信号的幅值)，fm为调制载波信号的频率，即为激励信号的频率，即所使用的载波信号频率。
隧道磁电阻传感元件6的输出电压为：
UTMR＝KTMR×ΔH
其中，KTMR为隧道磁电阻传感元件6的磁场-电压转化系数。
隧道磁电阻传感元件6的输出电压经过电路部分16内的放大电路放大后为：
UA＝KA×UTMR
其中，KA为电路部分16内放大电路的放大倍数。
放大电路的输出电压经过解调、滤波得到最终的输出电压为：
U＝KMDM×UA
其中，GMDM为是电路部分16中解调电路的调制解调系数，忽略解调、滤波过程中的解调损耗和滤波损耗。
根据以下公式可以得到单块负反馈永磁铁与单个负反馈线圈之间的负反馈电磁力：
Figure BDA0002570847430000113
其中，M为单块负反馈永磁铁沿z轴的磁化强度，
Figure BDA0002570847430000121
为单块负反馈永磁铁沿z方向的磁场梯度，V为单块负反馈永磁铁的体积，I为单个负反馈线圈中的电流，kB为电流-磁感应强度转化系数(这里指的是电流流过负反馈线圈后，会产生磁场kB表示通过线圈中的电流与其产生的磁场的磁感应强度的转化关系)。
代入已知参数后，电路部分16的最终输出电压为：
Figure BDA0002570847430000122
以上参数均为已知量，化简如下为：ac＝KU
其中，K由机械部分、电路部分的参数确定，均为已知量。
Figure BDA0002570847430000123
所述的永磁铁分为主永磁铁和负反馈永磁铁两部分，可有效避免负反馈部分对加速度检测的影响。
所述的负反馈永磁铁***固定有负反馈线圈，构成电磁力负反馈部分，使平行梁振子保持在平衡位置，可增大加速度检测范围。
所述的悬臂梁末端下表面贴有高磁导率软磁薄膜，且位于隧道磁电阻传感元件正上方，对隧道磁电阻传感元件检测的磁场进行高频调制，调制方法不限。
所述的悬臂梁上下表面均贴有金属电极层和压电层，实现对悬臂梁的高频激励，激励方式不限。
实施例2
去实施例1相同，区别在于所述的横向平行梁42包括2个梁单元，这2个梁单元水平设置并固定在一起，纵向平行梁43包括2个梁单元，这2个梁单元竖直设置并固定在一起，横向平行梁42的梁单元个数与纵向平行梁43的梁单元个数相同。

Claims (9)

1.一种高灵敏度低噪声加速度检测装置，其特征在于包括底板(1)、保护外壳(2)、磁屏蔽罩(3)、平行梁振子(4)、主永磁铁(5)、隧道磁电阻传感元件(6)、磁场调制部分(7)、负反馈永磁铁、负反馈线圈、支撑体和负反馈线圈支撑；
其中保护外壳(2)扣合并螺栓连接在底板(1)上，支撑体固定在保护外壳(2)内部的底板(1)上，且在支撑体与保护外壳(2)之间设有磁屏蔽罩(3)，平行梁振子(4)位于支撑体中部；
平行梁振子(4)包括框架(41)和左右对称设置的两个平行梁单元，两个平行梁单元拼接在一起后固定在框架(41)内，平行梁单元包括横向平行梁(42)、纵向平行梁(43)和负反馈磁铁支撑(44)，其中负反馈磁铁支撑(44)的上下两端分别固定有一个横向平行梁(42)，负反馈磁铁支撑(44)的一侧固定有一个纵向平行梁(43)；
负反馈磁铁支撑(44)的上下表面分别固定有上负反馈永磁铁(9)和下负反馈永磁铁(8)，上负反馈永磁铁(9)和下负反馈永磁铁(8)的***分别设有上负反馈线圈(11)和下负反馈线圈(10)，上负反馈线圈(11)和下负反馈线圈(10)分别通过上负反馈线圈支撑(14)和下负反馈线圈支撑(15)螺栓连接在支撑体上；
平行梁振子(4)中两个平行梁单元中负反馈磁铁支撑(44)的交接处固定有主永磁铁(5)，磁场调制部分(7)和电路部分支撑(17)依次固定在主永磁铁(5)后侧的支撑体上，隧道磁电阻传感元件(6)和电路部分(16)分别固定在磁场调制部分(7)和电路部分支撑(17)之间的电路部分支撑(17)前后两端，且隧道磁电阻传感元件(6)和电路部分(16)之间通过导线连接；
磁场调制部分(7)包括悬臂梁(704)，悬臂梁(704)的前端下方贴有高磁导率软磁薄膜(7)08)，高磁导率软磁薄膜(7)08)正对着隧道磁电阻传感元件(6)，悬臂梁(704)后端上方依次贴有金属电极层一(703)、压电层一(702)和金属电极层二(701)，悬臂梁(704)后端下方依次贴有金属电极层三(705)、压电层二(706)和金属电极层四(707)；
金属电极层一(703)、金属电极层二(701)、金属电极层三(705)和金属电极层四(707)均与电路部分(16)中的调制电路通过导线连接；
电路部分(16)中的负反馈驱动电路分别与上负反馈线圈(11)和下负反馈线圈(10)连接；
保护外壳(2)上开设有电源信号孔一(201)，磁屏蔽罩(3)上开设有电源信号孔二(301)，支撑体上开设有电源信号孔三(1201)。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度低噪声加速度检测装置，其特征在于所述的支撑体包括上支撑体(12)和下支撑体(13)，其中下支撑体(13)、平行梁振子(4)和上支撑体(12)自下至上依次固定在保护外壳(2)内部的底板(1)上。
3.根据权利要求2所述的一种高灵敏度低噪声加速度检测装置，其特征在于所述的平行梁振子(4)位于上支撑体(12)和下支撑体(13)之间，且螺栓依次穿过上支撑体(12)、平行梁振子(4)和下支撑体(13)后拧入底板(1)紧固。
4.根据权利要求3所述的一种高灵敏度低噪声加速度检测装置，其特征在于所述的横向平行梁(42)包括n个梁单元，这n个梁单元水平设置并固定在一起，纵向平行梁(43)包括n个梁单元，这n个梁单元竖直设置并固定在一起，其中n为非(0)的整数，且横向平行梁(42)的梁单元个数与纵向平行梁(43)的梁单元个数相同。
5.根据权利要求4所述的一种高灵敏度低噪声加速度检测装置，其特征在于所述的梁单元为两个梁并排设置并固定在一起形成。
6.根据权利要求5所述的一种高灵敏度低噪声加速度检测装置，其特征在于所述两个平行梁单元的两个负反馈磁铁支撑(44)固定在一起，每个平行梁单元顶端的横向梁(42)固定在框架(41)上方，每个平行梁单元底端的横向梁(42)固定在框架(41)下方，两个平行梁单元侧面的纵向梁(43)分别固定在框架(41)的左右两侧。
7.根据权利要求6所述的一种高灵敏度低噪声加速度检测装置，其特征在于所述的上负反馈永磁铁(9)和下负反馈永磁铁(8)为形状、质量、磁化强度大小均相同的负反馈永磁铁。
8.根据权利要求7所述的一种高灵敏度低噪声加速度检测装置，其特征在于所述的上负反馈线圈支撑(14)的四角处和下负反馈线圈支撑(15)的四角处分别通过定位螺钉(18)和定位螺母(19)固定在上支撑体(12)和下支撑体(13)上。
9.一种应用权利要求1所述的一种高灵敏度低噪声加速度检测装置进行加速度检测的方法，包括下列步骤：
步骤一，将本加速度检测装置安装在被测物体上；
步骤二，对本加速度检测装置进行校准：
将电路部分(16)外接电压表，同时将电路部分16中的调制电路外接电源，然后让被测物体以不同的所在位置与位姿进行加速度运动，选定当隧道磁电阻传感元件(6)通过电路部分(16)后的最终输出电压值最大时对应的被测物体所在位置与位姿作为实验用位置与位姿；
步骤三，确定隧道磁电阻传感元件(6)的初始输出电压值：
被测物体原地不动时，电路部分(16)外接的电压表显示的电压值即为隧道磁电阻传感元件(6)的初始输出电压值，记为U初；
步骤四，让被测物体按照步骤二确定的实验用位置与位姿进行加速度运动，当被测物体产生加速度ac时，同时作为质量块的上负反馈永磁铁(9)和下负反馈永磁铁(8)感受加速度，产生惯性力的作用，带动平行梁振子(4)一起振动，振动中的主永磁铁(5)与固定的隧道磁电阻传感元件(6)的相对位置发生变化，即隧道磁电阻传感元件(6)所在空间位置的磁场发生变化，变化的磁场被隧道磁电阻传感元件(6)检测，并输出一个正比于磁场大小的电压信号，该电压信号经过电路部分(16)后，一路作为反馈信号，流向上负反馈线圈(11)和下负反馈线圈(10)产生电磁力使平行梁振子(4)保持在平衡位置，另一路作为最终电压信号输出，由外接电压表检测该电压值，该电压值减去隧道磁电阻传感元件(6)的初始输出电压值U初即为本加速度检测装置的最终输出电压U；
步骤五，隧道磁电阻传感元件(6)最终输出电压U和被测物体加速度ac呈线性关系，被测物体加速度ac可通过隧道磁电阻传感元件(6)的最终输出电压U和本加速度检测装置的参数K获得，公式如下：
ac＝KU
其中：
Figure FDA0003155131880000031
其中：m为等效敏感质量，即平行梁振子(4)、主永磁铁(5)和所有负反馈永磁铁的质量和，KM为机械振动部分的等效弹簧刚度系数，KH为主永磁铁(5)磁场某分量在近似线性变化区域的磁场变化率，G为磁场调制部分(7)的磁场调制效率系数，KTMR为隧道磁电阻元件(6)的磁场-电压转化系数，KA是电路部分(16)中放大电路模块的电压放大系数，GMDM是电路部分(16)中解调电路的调制解调系数，KNF是总电磁力负反馈系数。
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