具体实施方式

容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。

如图1-2所示，作为本发明的一个实施例，本发明提供技术方案：一种基于抗磁悬浮力学系统的加速度测量方法，包括以下步骤：

第一步，获取外界加速度a；

第二步，构建加速度敏感模块

以永磁体构成抗磁悬浮势阱，将抗磁质量体悬浮于抗磁悬浮势阱中，得到外界加速度a带来的抗磁质量体的位置移动或滑动距离δx，其中，构建加速度敏感模块以得到位置移动δx的具体实施方式为：

S2-1、通过永磁体构成抗磁悬浮势阱，得到抗磁悬浮的磁场B(x)，可以理解的是，通过采用基于永磁体设计抗磁约束势阱的方式，区别静电悬浮和光悬浮，构建不带来任何外界能量消耗的磁势阱；

S2-2、抗磁悬浮加速度计基于抗磁悬浮原理，可以理解的是，抗磁悬浮原理是利用抗磁材料内部的自旋磁矩产生的抗磁相互通实现质量体的悬浮，与超导悬浮利用超导迈斯纳效应不同，同时，抗磁悬浮与静电悬浮和激光悬浮所采用的库仑力和介电力也完全不同，因此，可以利用抗磁材料内部的自旋磁矩产生的抗磁相互作用能量得到抗磁势能U(x)，其中，在真空条件下的抗磁势能U(x)计算公式如下：

式中，mgz为抗磁材料的重力势能，m为质量，g为重力加速度，z是z方向位置，为抗磁悬浮系统的抗磁相互作用，其中，μ0是真空磁导率，V是抗磁质量体体积，χ为抗磁材料的磁化率，需要说明的是，特别的抗磁材料的磁化率χ为负值，抗磁材料优选为石墨、石英、有机玻璃(PMMA)以及大部分抗磁高分子材料；

作为本发明抗磁悬浮中抗磁作用的理解，抗磁作用提供了抵消重力达到悬浮的目的，抗磁悬浮与激光或者静电悬浮不同的是，抗磁悬浮不需要外界能量输入，达到无功耗特点，抗磁悬浮可以在任意温度实现，不需要超导悬浮需要的超低温环境，同时也不存在维持超低温时所产生的功耗；

S2-3、将抗磁质量体悬浮于抗磁悬浮势阱中，当感知外界加速度a，抗磁质量体质量m，得到外界加速度a带来的抗磁质量体的位置移动δx，其中，位置移动δx计算公式如下：

如图3，示出了位置测量模块工作原理，因此，需在第三步中，构建位置测量模块S3-1、向抗磁质量体输入激光信号，基于抗磁质量体自生的聚焦效应，得到激光输出抗磁质量体时位置移动δx带来的激光光强改变δI，其中，得到激光光强改变δI的具体实施方式为：在抗磁质量体两侧设置至少一组发射激光输入信号的光纤，其中，两两光纤相对平行；

需要说明的是，本发明将抗磁质量体设计为球形，采用激光探测方法，形成光纤，并两个光纤分别位于抗磁质量体两侧，通过抗磁质量体的聚焦效果实现传输，当抗磁质量体在加速度的作用下发生位置偏移δx，就会带来输出抗磁质量体的光纤中激光强度的改变δI；

S3-2、通过光电转换模块实现激光光强改变δI到电压δV的转换，具体实施方式为：利用光电探测器中内置的光电转换模块将激光光强改变δI的光强信号转换为电压信号，以进行测量，其计算方式为：

式中，δV为测量的电压变化量，ξ为位移光强转换系数；

第四步，根据输出所测量的电压δV变化量计算实际外界加速度a，其具体实施计算公式为：

式中，a为实际外界加速度，为偏微分算符，ξ为位移光强转换系数，U(x)为抗磁势能，δV为测量的电压变化量，m为抗磁质量体质量。

需要说明的是，基于第二步，在以永磁体构成抗磁悬浮势阱之前，还需要对永磁体进行加工处理，具体实施方式包括：

首先，利用数控机床对永磁体进行加工，并按照设计方向对其进行充磁处理；

其次，对永磁体进行组合微调，优选通过一个金属的支撑结构对永磁体安装组合，并通过螺丝等对永磁体的位置进行微调，待安装完毕后；

最后，通过环氧树脂对永磁体进行封装。

需要说明的是，第三步中，向抗磁质量体输入激光信号之前，需要对发射激光输入信号的光纤位置进行固定，其具体固定方式为：

首先，通过位操作台将光纤位置移到球形抗磁质量体的两侧，进行调整；

其次，在光强信号与光纤位置的依赖性达到最大时，对光纤进行固定。

基于上述技术构思的理解，光纤进行固定的方式优选两种：一方面，为被动固定，即，利用环氧树脂或者其他粘合剂将光纤位置永久固定；另一方面，通过一个压电定位装置根据环境的变化实时的微调光纤位置，使其位于最佳工作点，如图8，示出了最佳工作点的光纤进行固定时的实施场景，在具体实施时，抗磁悬浮势阱中央悬浮的球体是抗磁质量体，由透明的抗磁材料制成，当激光信号(不可见)由左边输入，经过抗磁质量体的汇聚，输出右边光纤，进一步传输到光电探测系统。

如图4，示出了抗磁悬浮势阱的设计方式：

抗磁质量体由透明的抗磁材料制成，其中，优选的抗磁材料为石墨或石英或有机玻璃PMMA或抗磁高分子材料；

抗磁质量体分为上下双层结构，即，抗磁质量体包括上磁体层和下磁体层，上磁体层和下磁体层极化方向相反，以用于在永磁体几何中心位置处构成稳定的抗磁悬浮势阱，需要说明的是，上述技术构思并不仅限于图4所示的结构，该结构和八边形结构可以根据需要改为四边形或五边形或六边形或七边形等不同的组合，形状也可以根据需要调整，并利用有限元计算进行精确定量，但是总体的抗磁悬浮特征不发生改变。

在本发明的一实施例中，可以理解的是，通过将抗磁质量体设计为极化方向相反的上下双磁体层，一方面，使得下磁体层通过在抗磁悬浮势阱中央区域将磁力线进行汇聚，从而产生z方向的磁场与磁场梯度，提供用于克服重力的抗磁力，提供z方向的约束，另一方面，通过在上层磁体几何中心方向开设通孔的方式，提供了水平方向x、y的约束，这样实现了三个方向的稳定悬浮，从而构成稳定的磁势阱，克服现有超导悬浮加速度计只能在低温环境的使用缺陷，实现抗磁悬浮加速度计的多场景应用，需要说明的是，抗磁质量体具体的几何形状、尺寸、磁体数量、磁约束势阱的频率、以及约束位置等均可以根据需要进行调整，并没有原理上的区别。

如图5-6，示出了抗磁质量体在z方向的磁约束势能曲线，需要说明的是，磁约束势能的极小值对应于z方向的悬浮位置；

如图7，示出了抗磁质量体在水平x、y方向的磁约束势能曲线，需要说明的是，磁约束势能曲线零点值为磁约束位置。

作为本发明的第二方面，提出了一种加速度测量环境的实施方法，抗磁悬浮系统工作需要真空环境，当抗磁悬浮加速度计完成制作后将放置在真空腔中，可以理解的是，真空环境降低了空气阻力，从而提升了抗磁悬浮质量体的耗散性能，以实现对加速度的灵敏感知，公知，越高的真空会产生越高的灵敏度，但是实际中，抗磁悬浮系统的耗散不仅限受限于压强，还受到磁阻尼的作用，根据具体工作环境，因此，真空在10-3mbar到10-5mbar就可以满足加速度测量灵敏度需要，如图9，示出了现有典型室温下抗磁悬浮系统的加速度噪声功率谱，可以看出的是，已知激光功率为0.1mw，真空度为10-3mbar，工作温度为300K，抗磁悬浮质量体的有效质量为0.5mg：

基于上述构思所设定的实施场景，测量过程中适用功率波动小的激光器，接入光纤，然后用光探测器探测光强，利用标准的模拟信号采集卡对光电压进行连续测量，得到抗磁悬浮系统的加速度噪声功率谱，由此得出即使在普通真空条件下，在室温环境中，抗磁悬浮系统仍能够在1mHz到10Hz的频率范围内实现低于10-9g/Hz1/2的加速度灵敏度。本发明通过提出抗磁悬浮加速度，在物理原理上区别于现有的悬浮系统，光悬浮、静电悬浮、超导悬浮等，从而具备最高的绝对灵敏度，且相比于静电悬浮和光悬浮不需要外界能量输入，具备最低的参数噪声，降低限制加速度灵敏度的主要噪声来源，此外，通过提出的抗磁悬浮加速度不需要依赖低温环境，能够自主有效的降低系统功耗，且同时满足在室温或低温环境下工作的优点。

作为本发明的另一实施例，在构建加速度敏感模块的方式不变的情况下，可通过固态量子系统或电容测量或超导干涉仪等方式，从而实现对外界加速度a的位置测量，而本发明选用激光测量将得到的位移变化信号转换为传输光强的改变，最后利用光电探测技术实现光强信号到电压的转换，完成测量的方式，具备更高的探测效率，同时区别于现有技术具有室温工作、小体积、高灵敏度特点。

与此同时，本发明通过提出抗磁悬浮系统，并给出了一种典型的抗磁悬浮势阱的实现方式，其中，抗磁悬浮可以利用不同形状，不同大小的永磁体进行多种方式的组合加以实现，同时可以进一步结合超导磁体，实现了抗磁物质的稳定悬浮，在具体实施时，本发明采用加速度抗磁质量体为抗磁性物质，利用磁势阱悬浮抗磁性物质，并将其作为加速度敏感模块的物理系统的方式区别于自主有效的降低系统功耗，且满足同时在室温或低温环境下工作的特性。

本发明的技术范围不仅仅局限于上述说明中的内容，本领域技术人员可以在不脱离本发明技术思想的前提下，对上述实施例进行多种变形和修改，而这些变形和修改均应当属于本发明的保护范围内。