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一種高精度大動(dòng)態(tài)范圍的MEMS相對(duì)重力儀

MEMS ? 來源:MEMS ? 2019-11-30 07:02 ? 次閱讀
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相對(duì)重力儀是一種測(cè)量重力加速度變化的儀器,它在區(qū)域重力研究及重力填圖、油氣及礦藏勘探、地球重力場(chǎng)輔助導(dǎo)航等方面有著廣泛的應(yīng)用。但是,目前商用的相對(duì)重力儀器主要是進(jìn)口設(shè)備,價(jià)格非常昂貴,而且體積較大,限制了它的使用。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道,華中科技大學(xué)引力中心涂良成教授的研究團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已推出一種高精度大動(dòng)態(tài)范圍的MEMS相對(duì)重力儀,他們指出它的本底噪聲比已報(bào)道的MEMS重力儀低五倍,達(dá)到8 μGal/√Hz;動(dòng)態(tài)范圍是已報(bào)道的MEMS重力儀的八倍,可以覆蓋全球重力場(chǎng)的變化;他們研制的MEMS重力儀同商用超導(dǎo)重力儀一起進(jìn)行同址觀測(cè),測(cè)得的潮汐信號(hào)相關(guān)系數(shù)可以達(dá)到0.9以上。研究人員目前正在開展工程樣機(jī)的研制,有望在不久的將來實(shí)現(xiàn)商用。

準(zhǔn)零剛度結(jié)構(gòu)

為了解決重力儀面臨的大加速度載荷和高精度之間的矛盾,研究人員利用雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)中的負(fù)剛度性質(zhì)設(shè)計(jì)了非線性的彈簧,利用它的負(fù)剛度性質(zhì)和正剛度彈簧進(jìn)行匹配獲得極低的剛度。這一結(jié)構(gòu)和檢驗(yàn)質(zhì)量塊組成一個(gè)彈簧-質(zhì)量系統(tǒng),如圖1。該系統(tǒng)在低載荷時(shí)處于大剛度狀態(tài),在1 g重力作用時(shí)處于接近零剛度的狀態(tài),而且這一狀態(tài)可以覆蓋全球重力場(chǎng)的變化(從975 Gal到983 Gal)。基于這一設(shè)計(jì)制作的MEMS彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)的本征頻率可以低至3.1 Hz,極大地提高了器件對(duì)于重力加速度的靈敏度。

(左)彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)實(shí)物圖;(右)設(shè)計(jì)的彈簧的力-位移曲線。

圖1 彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)

光學(xué)位移傳感器

為了實(shí)現(xiàn)高精度高穩(wěn)定的加速度檢測(cè),研究人員設(shè)計(jì)了光學(xué)位移傳感器對(duì)檢驗(yàn)質(zhì)量的位移進(jìn)行檢測(cè),如圖2。制作完成的儀器同商用儀器進(jìn)行比對(duì),可以得到這一儀器的本底噪聲為8 μGal/√Hz。他們表示這一噪聲遠(yuǎn)高于機(jī)械熱噪聲,隨著位移傳感器的優(yōu)化,整個(gè)儀器的噪聲有望進(jìn)一步降低。

(左)光學(xué)位移傳感器工作原理圖;(右)MEMS重力儀噪聲水平測(cè)試。

圖2 光學(xué)位移傳感器

潮汐檢測(cè)

潮汐信號(hào)是地面物體受到太陽(yáng)、月球引力變化產(chǎn)生的,是一種常見的引起重力加速度變化的現(xiàn)象。由于它的幅度在百μGal,周期為12小時(shí)和24小時(shí),通常把對(duì)潮汐的檢測(cè)作為衡量重力儀的重要指標(biāo)。研究人員把制作的MEMS重力儀放置在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行長(zhǎng)期測(cè)試,數(shù)據(jù)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室中商用超導(dǎo)重力儀比較,5天的數(shù)據(jù)表明(圖3),兩者測(cè)到的潮汐信號(hào)相關(guān)系數(shù)為0.91.

圖3 MEMS重力儀與商用超導(dǎo)重力儀測(cè)到的潮汐信號(hào)

不同于目前常用的石英制作的相對(duì)重力儀,這一MEMS重力儀的敏感結(jié)構(gòu)使用單晶硅材料制作,利用現(xiàn)有的MEMS技術(shù),更容易集成、封裝、量產(chǎn)。基于這一原型有望制作出小型化高精度MEMS重力儀,可以廣泛應(yīng)用在油氣勘探、重力測(cè)量等領(lǐng)域。據(jù)涂良成教授稱,研究團(tuán)隊(duì)目前已經(jīng)開始了MEMS重力儀工程化的工作,相信很快會(huì)有相應(yīng)產(chǎn)品推出。

該研究成果以“A HIGH SENSITIVITY MEMS GRAVIMETER WITH LARGE DYNAMIC RANGE”為題發(fā)表在Microsystems & Nanoengineering期刊。論文第一作者為唐世豪博士,通訊作者為涂良成教授。該項(xiàng)工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和華中科技大學(xué)創(chuàng)新交叉重點(diǎn)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)支持。

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原文標(biāo)題:華中科技大學(xué)最新推出高精度大動(dòng)態(tài)范圍MEMS相對(duì)重力儀

文章出處:【微信號(hào):MEMSensor,微信公眾號(hào):MEMS】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

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