近日，课题组在抗磁悬浮加速度计领域相关工作以“A compact diamagnetic levitation accelerometer with minimized size and high sensitivity”为题目发表于期刊《Sensors and Actuators A: Physical》。课题组徐园平副教授为本文的通讯作者和第一作者，硕士研究生王泽宇、博士研究生汪阳、周瑾教授分别为本文的第二、三、四作者，南京航空航天大学为第一单位。
抗磁悬浮是指抗磁性物质受到外部磁场的排斥力，抵消重力，从而实现悬浮的一种奇特效应。抗磁悬浮技术具有无摩擦、低磁刚度、结构简单、成本低等优点，在以加速度计为代表的高灵敏度传感器的开发中具有巨大的潜力。然而，紧凑型或小型化的抗磁悬浮加速度计发展仍然是一个具有挑战性的任务，一个主要的障碍是由于小型化抗磁悬浮结构引起的尺度效应导致动态响应，特别是灵敏度受损，另一个主要障碍是缺乏与微抗磁结构兼容的集成位移探头。本文系统地研究了考虑尺度效应的抗磁悬浮系统的动态响应。在对抗磁性结构参数进行优化的同时，提出了一种小型化电容位移探头来检测热解石墨片的轴向位移，实现了小型高灵敏度抗磁悬浮加速度计的设计。
图1 (a) 加速度计的结构；(b) 抗磁悬浮加速度计振荡器；(c) 电容位移检测系统。
本文建立了抗磁悬浮结构的抗磁力、电磁阻尼和动力学模型，并基于所建立的模型研究抗磁悬浮结构的尺度效应机理：永磁体阵列半径是影响抗磁悬浮系统固有频率和灵敏度的主要因素。随着永磁体阵列半径的增大，系统固有频率减小，相应的加速度计灵敏度增大。而另一方面，永磁阵列的高度对加速度计灵敏度的影响极小。因此，加速度计的总体尺寸可以通过降低高度来减小，而不会显著影响灵敏度。此外，本文还建立了嵌套式电容探头的数学模型，并基于数学模型进行了仿真和实验标定，所设计位移探头灵敏度为0.3919 pF/mm。进一步地实验证明，最终组装的抗磁悬浮加速度计样机结构紧凑，灵敏度高，总体尺寸为12.0 cm3，在3.0-6.0 Hz的带宽范围内灵敏度为0.2914 pF/g。这些特点强调了该系统的多功能性和潜力，展示了其作为紧凑型高性能加速度计的适用性，适用于具有空间需求的实际应用。
图2 (a) 加速度计的频率范围 (b) 加速度计的输入输出响应曲线
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0924424725005576?via%3Dihub
2025A compact diamagnetic levitation accelerometer.pdf
