一种高灵敏度低噪声加速度检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种高灵敏度低噪声加速度检测装置及方法
本专利技术属于加速度测量
，具体涉及一种高灵敏度低噪声加速度检测装置及方法。
技术介绍
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第四代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。
技术实现思路
为了克服上述问题，本专利技术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的外围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：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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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)、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；/n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；/n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)；/n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)的外围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；/n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；/n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)；/n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；/n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；/n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)。/n...

【技术特征摘要】
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)、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)的外围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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王东方，郑路伟，苑文楼，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22