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華中科技大學(xué)開發(fā)出高精度的便攜式MEMS重力儀


  來源: 麥姆斯咨詢 時間:2019-11-11 編輯:清風(fēng)
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相對重力儀是一種測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,目前商用的相對重力儀器主要是進口設(shè)備,價格非常昂貴,而且體積較大,限制了它的使用。


據(jù)麥姆斯咨詢報道,華中科技大學(xué)引力中心涂良成教授的研究團隊現(xiàn)已推出一種高精度大動態(tài)范圍的MEMS相對重力儀,他們指出它的本底噪聲比已報道的MEMS重力儀低五倍,達到8 μGal/√Hz;動態(tài)范圍是已報道的MEMS重力儀的八倍,可以覆蓋全球重力場的變化;他們研制的MEMS重力儀同商用超導(dǎo)重力儀一起進行同址觀測,測得的潮汐信號相關(guān)系數(shù)可以達到0.9以上。研究人員目前正在開展工程樣機的研制,有望在不久的將來實現(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)和正剛度彈簧進行匹配獲得極低的剛度。這一結(jié)構(gòu)和檢驗質(zhì)量塊組成一個彈簧-質(zhì)量系統(tǒng),如圖1。該系統(tǒng)在低載荷時處于大剛度狀態(tài),在1 g重力作用時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的變化(從975 Gal到983 Gal)?;谶@一設(shè)計制作的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于重力加速度的靈敏度。


(左)彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)實物圖;(右)設(shè)計的彈簧的力-位移曲線。
圖1 彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)


光學(xué)位移傳感器


為了實現(xiàn)高精度高穩(wěn)定的加速度檢測,研究人員設(shè)計了光學(xué)位移傳感器對檢驗質(zhì)量的位移進行檢測,如圖2。制作完成的儀器同商用儀器進行比對,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)高于機械熱噪聲,隨著位移傳感器的優(yōu)化,整個儀器的噪聲有望進一步降低。


(左)光學(xué)位移傳感器工作原理圖;(右)MEMS重力儀噪聲水平測試。
圖2 光學(xué)位移傳感器


潮汐檢測


潮汐信號是地面物體受到太陽、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小時和24小時,通常把對潮汐的檢測作為衡量重力儀的重要指標(biāo)。研究人員把制作的MEMS重力儀放置在實驗室中進行長期測試,數(shù)據(jù)結(jié)果與實驗室中商用超導(dǎo)重力儀比較,5天的數(shù)據(jù)表明(圖3),兩者測到的潮汐信號相關(guān)系數(shù)為0.91.


圖3 MEMS重力儀與商用超導(dǎo)重力儀測到的潮汐信號


不同于目前常用的石英制作的相對重力儀,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)?;谶@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、重力測量等領(lǐng)域。據(jù)涂良成教授稱,研究團隊目前已經(jīng)開始了MEMS重力儀工程化的工作,相信很快會有相應(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。該項工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金和華中科技大學(xué)創(chuàng)新交叉重點團隊項目的經(jīng)費支持。

關(guān)鍵詞:華中科技大學(xué) 重力儀 MEMS    瀏覽量:2059

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