CN101378960A - 用于运动设备易碎零件的自主供电减振装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于为将被移动并包括其上耦合了第一元件(E1)和需要防振的第二易碎元件(E2)的结构(S1，S2)的设备(I)减振的装置。此装置包括：i)第一压电换能器装置(T11－T13)，嵌在结构(S1，S2)和第一元件(E1)之间，负责把结构振动的机械能转化为电能；ii)至少一个传感器(C1－C3)，耦合在结构(S1，S2)上，用于传送代表设备(I)经历的振动的测量信号；iii)控制器件(MC)，通过产生的电能供电，负责由每个测量信号推断用于至少部分地补偿结构经历的振动的运动的至少一个振幅，并传送代表每个确定的振幅的控制信号；以及iv)第二压电换能器器件(T21－T23)，嵌在结构(S1，S2)和第二元件(E2)之间，作用是把控制信号转化为运动以至少部分地为第二元件(E2)抑制设备(I)承受的振动。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于抑制在使用前的传输阶段中振动的设备例如发射阶段的卫星中的易碎元件承受的振动的装置。
背景技术
“易碎元件”在这种情况下意为其工作可能被在使用前移动以其为组成部件的设备时引起的振动瞬时或决定性地中断的任何物理元件。这可以是例如空间观测仪的镜子、用于测量物理量的模块、控制模块、光学设备、等离子喷嘴、动量轮、陀螺测试仪或陀螺仪。
在某些领域，例如空间领域，设备至少瞬时承受导致其结构以及因此导致耦合(或固定连接)到其上的某些元件振动的或大或小的明显运动和/或加速度。对通过发射器置入轨道的卫星或安装在航天飞机上的某些设备来说尤其是这样。
当这种设备包括易碎元件时，后者必须是“所需尺寸的”(或适合)和/或耦合至减振装置，从而在发射过程中(如果必要)可经受住负载因素。
这导致额外的重量和/或空间的需求、复杂度和可观的开发成本以及元件使用某些高灵敏度机械装置的情况下可能的分辨力的退化。
而且，所用减振装置是被动型的，效率有限，当所用减振装置为主动型时，在任务开始前需要电源激励，这往往是不允许的，尤其是在空间领域。
发明内容
没有已知的减振装置令人完全满意，因此本发明的目的是改善这种状况。
为此目的，本发明提出一种用于需要移动的设备的减振装置，设备包括其上耦合至少第一元件(被视为不易碎的)和因为被视为易碎的所以必须防振的第二元件的结构。
此减振设备的特征在于其包括：
-第一压电换能器器件，嵌在结构和第一元件之间(并固定连接在后者上)，负责将结构振动的机械能转化成电能，
-至少一个传感器，耦合在结构上，负责传送代表设备承受的振动的测量信号，
-控制器件，通过电能(通过第一换能器器件传送)供电，负责根据每个测量信号(通过传感器传送)推断用于至少部分地补偿结构承受的振动的运动的至少一个振幅，传送代表每个由此确定的振幅的控制信号，以及
-第二压电换能器器件，嵌在结构和第二元件之间(并固定连接在后者上)，负责将控制信号转化为运动以至少部分地为第二元件抑制设备承受的振动。
因此，当减振装置自给自足地供电时，由于它产生它的事实，该减振装置是主动型的。
根据本发明的装置可以包括其他可分别或联合采用的特征，特别是：
-至少两个传感器，负责传送代表结构在不同方向上承受的振动的测量信号，以及第二换能器器件，包括至少两个换能器，负责在不同方向移动第二元件；
-每个传感器可以负责加速度(accelerometric)型的测量；
-其第一换能器器件可用从压电单晶和压电陶瓷中选择的压电材料制成；
-其第二换能器器件和/或每个传感器可以用从压电单晶和压电陶瓷中选择的压电材料制成；
●每个换能器(第二换能器器件的)和相应的传感器如必要可共同组成所述的压电材料层的同一堆叠的两个互补部分。
-当设备(或第二元件)包括用于为第二元件机械地减振并已知阻尼性能的器件时，控制器件可负责在考虑阻尼性能的情况下推断每个测量信号的每个运动的振幅。
-其控制器件可被设置以在所选时机被激活或停用。
本发明还提出配备了上述类型减振装置的设备。
本发明特别适合于空间领域和运输领域，尤其适合于铁路运输领域，虽然不是专有方式。
附图说明
研究下面的详细描述和附图，本发明的其他特征和优点将会体现，其中：
图1示意性及功能性地表示了包括第一和第二元件的设备和根据本发明的为第二元件减振的装置的示意性实施例，
图2是表示对应于所选方向的测量信号的时间(t)演化曲线的例子以及表示控制信号的时间演化曲线的例子的示意图，其中控制信号代表考虑了振动的时间演化曲线的情况下在所选方向将应用于第二元件的运动的振幅。
如有必要，附图不仅可以补充本发明，还有助于其定义。
具体实施方式
本发明的目的是可以至少部分抑制易碎元件上以其为组成部件的运动设备承受的振动。
在下文中，设备是至少部分固定连接在至少一个卫星上的观测仪器，卫星需要通过火箭置入轨道以完成从太空对地球或宇宙的一部分的空间观测任务，以此设备作为非限制性例子。
但本发明不限于此类设备。具体的，本发明涉及用于空间或其他领域的任何设备，该设备被移动时承受振动并包括在其上固定连接(或耦合)了不被认为是易碎的至少第一元件和须防振的第二易碎元件的结构。因此本发明可以涉及例如卫星、地面运输工具如汽车或卡车、或者飞机。
如图1所示，仪器(或设备)I包括结构S1、S2，第一部分S1上固定连接(或耦合)被认为不易碎的第一元件E1，例如电子模块，第二部分S2上固定连接(或耦合)被认为易碎的第二元件E2，例如镜子、动量轮和其他测试仪器或“光学设备”。
本发明提出了用于为第二元件E2抑制设备I的结构S1、S2(因此是后者)承受的振动的装置。此装置包括至少第一压电换能器器件T1i、至少一个传感器Cj、控制模块MC以及第二压电换能器器件T2k。
第一压电换能器器件T1i嵌在结构的第一部分S1和第一元件E1之间并被固定在其上。它们负责将结构振动的机械能转化为电能。
例如第一换能器器件T1i是用例如压电单晶的压电材料制成。它们同样可以用压电陶瓷制成。通常，可以使用任何类型的压电材料，只要其能够转化足以为控制模块MC供电并令其运行的能量。
例如，如图1所示，第一换能器器件T1i采用四个相同的矮支撑物T11至T14(i＝1至4)的形式。因为透视图的缘故，图1只示出了底座T11至T13。支撑物的数目不限于4个。可以设想任意大于或等于1的值。而且，如必要每个支撑物T1i可以由压电材料层的堆叠构成以降低电压(高电压可能特别是例如烧穿的问题的原因)。
由于使用压电材料，第一换能器器件T1i构成体积小、重量轻的第一机电接口，该接口构成不影响设备I重量的电流发生器。因此在这种情况下，作为例子，振动的机械能转化成的电能是(相当)高电压下的微电流。
通过连接至控制模块MC的导电体(例如电缆)X1采集第一换能器器件T1i生成的电流。
每个传感器Cj耦合(固定连接)在结构的第二部分S2上并负责传送代表所述的结构在所选方向dj上承受的振动的测量信号。传感器Cj的数目至少等于1。但是，传感器Cj的数目优选至少等于2(j＝1至2)，并优选等于3(j＝1至3)，如图1所示。在3个传感器C1至C3的存在下，可以由此测量结构的第二部分S2在三个彼此正交的方向d1至d3上所承受的振动。
优选地，每个传感器Cj被设置使得在方向dj上进行加速度型测量，以传送代表其加速度测量的信号。但是，可以使用其他类型的传感器，例如旨在测量接触面上的力的传感器(这种情况下，补偿倾向于与测量的力相反)。
例如每个传感器Cj是用例如单晶的压电材料制成。同样可以用压电陶瓷制成。通常，可以使用任何类型的压电材料，只要其可以产生足以由控制模块MC分析的电流形式的测量信号。
例如，如图1所示，每个传感器Cj采用矮支撑物Pk(下文中将会描述)的第一部分的形式，支撑物Pk的第二匹配部分由第二换能器器件的换能器(或致动器)T2k构成。但是可将每个传感器Cj置于与之连接的换能器T2k旁边。如必要每个形成传感器Cj的支撑物可由至少一层压电材料的堆叠(或堆叠的一部分)构成，例如二至五层。具体地，可以设想两种情形。如果传感器Cj是置于元件E2之上以测量其加速度的加速度计并且致动器置于元件E2之下，则只要一层就足够。如果压电致动器(换能器)T2k也实现传感器的功能，则可提供多层的堆叠。具体地，由通过电极分开(为了降低控制电压)的层的堆叠构成的压电致动器(换能器)T2k，少数层(通常2至5)可以不作为换能器而作为在力的作用下产生电压的传感器Cj使用。
通过连接至控制模块MCC的导电体(例如电缆)X2采集传感器Cj产生的测量信号(电流)。
如上文所述，对控制模块MC来说分析传感器Cj传送的测量信号所需的电流是通过第一换能器器件T1i执行的把结构的第一部分S1的振动能量转化成电流的结果。
此控制模块MC负责由每个通过导电体X2接收的测量信号推断用于为第二元件E2至少部分地补偿结构(在其第二部分S2)承受的振动的移动的至少一个振幅。在若干个传感器Cj的存在下，例如三个，控制模块MC接收三个分别代表三个方向d1至d3上的振动的测量信号。可以由此推断出为了实质上完全或部分地抑制所述的振动第二元件E2必将在所述三个方向D1至D3上经历的运动的三个振幅。
控制模块MC将其已推断出的运动的每个振幅转化为供第二换能器器件(或致动器)T2k的控制信号(电流)。
图2的示意图一方面说明通过传感器Cj例如C1传送并代表方向dj例如d1上的振动的测量信号的时间(t)演化曲线A1的例子，另一方面说明，考虑曲线A1的情况下，通过控制模块MC传送并代表作用于第二元件E2(这种情况下在方向d1上)的运动的振幅的控制信号的时间演化曲线A2的例子。
为了控制压电致动器(换能器)T2k，可以使用本领域技术人员已知的任何技术，尤其是专利文件EP0676558和EP1132647所述的技术。
需要注意的是设备I或第二元件E2可具有用于为所述的第二元件E2机械地减振并具有已知的阻尼性能的附加器件(未示出)。这种减振器件可以采用例如固定连接在结构的第二部分S2和第二设备E2的所选位置上的弹性带的形式。这种情况下，控制模块MC被设置在考虑附加减振器件的阻尼性能的情况下推断每个测量信号的运动的每个振幅，使得第二元件E2的总运动有效地(或至少部分地)补偿振动引起的总运动。
通过连接至第二换能器器件T2k的导电体(例如电缆)X3采集控制模块MC产生的控制信号(电流)。
这些第二换能器器件T2k嵌在结构的第二部分S2和第二元件E2之间并与它们固定连接。它们负责将控制模块MC传送的电流(指令信号)转换为运动以至少部分地为第二元件E2抑制其设备I承受的振动(更准确地，结构的第二部分S2)。
例如这些第二换能器器件T2k是用例如压电单晶的压电材料制成的。它们同样能用压电陶瓷制成。通常可以使用任何型号的压电材料，只要其可以产生足以补偿在给定方向dj上的振动作用的移动。
压电单晶是特别值得的，因为它们具有很强的伸长能力，通常是2％(大约比压电陶瓷的伸长多10倍)。这令生产小体积有源接口成为可能。
例如，如图1所示，第二换能器器件T2k采用相同的矮支撑物Pk的三部分T21至T23(k＝1至3)的形式。更精确地，在所示例子中，三个支撑物P1至P3嵌在结构的第二部分S2和第二元件E2之间，每个支撑物Pk由确定传感器Pj(这里j＝k)的第一部分和确定换能器T2k的第二匹配部分构成。这些支撑物Pk例如可以是具有圆形截面的圆柱形的(如图所示)。
具体地，每个传感器Cj优选与换能器(致动器)T2k(k＝j)关联。但是传感器Cj和与之关联的换能器T2k不是必须形成同一个支撑物Pk的部件。可将它们并列放置。在这种情况下，每个换能器T2k构成固定连接在结构的第二部分S2和第二元件E2上的支撑物Pk，而每个传感器Pj仅固定连接在结构的第二部分S2上。
例如支撑物Pk可以是具有圆形截面的圆柱形的(如图所示)。
而且，如必要每个换能器T2k可由至少一层压电材料的堆叠构成。在这种情况下，层数主要取决于所要采集的振动的振幅和可能的控制电压。
当传感器Cj和换能器T2k构成同一支撑物Pk的两个互补部分时，它们形成单独的堆叠。
需要注意的是减振装置可以只包括一个传感器Cj和一个相关联的换能器T2k，或者包括两个传感器Cj和两个相关联的换能器T2k，不能包括三个传感器Cj和三个相关联的换能器T2k，如图1所示。
由于使用压电材料，第二换能器器件T2k构成体积小、重量轻的第二机电接口，该接口构成不影响设备I的重量的k维微移动发生器。
需要注意的是如必要控制模块MC可在所选时机激活及停用。更精确地，根据本发明的减振装置用于在设备I承受(强烈)振动时工作，其控制模块MC优选在振动开始前被稍微激励并在振动结束时被停用。例如，在通过火箭发射的情况下，可以准许控制模块MC在设备I被置入火箭的那一刻和设备I到达轨道为其任务安排的位置(或刚好在其第二元件E2开始使用前，如果打算的话)那一刻之间工作。
装置有利地自给自足不需要外部激励。具体地，振动水平一旦产生足够的供电能量(例如电压)，其对应于具有比没有补偿时设备敏感部分能够承受的负载小的负载的设计，装置就自动被激励。
本发明不限于上述的减振装置和设备的实施例，它们仅作为例子，但本发明包括本领域技术人员可以设想的在接下来的权利要求范畴内的所有变形。
因此，本发明可应用于存在一、二或三个平移和/或一、二或三个转动的情况或应用于微振动的控制。
Claims (11)
1、一种用于必须被移动并包括其上耦合了第一元件(E1)和须防止振动的第二易碎元件(E2)的结构(S1，S2)的设备(I)的减振装置，其特征在于，其包括：
i)第一压电换能器器件(T1i)，嵌在所述的结构(S1，S2)和所述的第一元件(E1)之间并被设置将结构振动的机械能转化为电能，
ii)至少一个传感器(Cj)，连接在结构(S1，S2)上并被设置传送代表所述的设备(I)承受的振动的测量信号，
iii)控制器件(MC)，通过所述的电能供电并被设置由每个测量信号推断用于至少部分补偿结构承受的所述的振动的至少一个振幅，并传送代表每个确定的振幅的控制信号，以及
iv)第二压电换能器器件(T2k)，嵌在所述的结构(S1，S2)和所述的第二元件(E2)之间并被设置将所述的控制信号转化为运动以为第二元件(E2)至少部分地抑制所述的设备(I)承受的振动。
2、如权利要求1所述的装置，其特征在于，其包括至少两个被设置用于传送表示所述的结构(S1，S2)在不同方向上承受的振动的测试信号的传感器(Cj)，其特征还在于，所述的第二换能器器件(T2k)包括至少两个被设置用于在不同方向移动所述的第二元件(E2)的换能器。
3、如权利要求1和2之一所述的装置，其特征在于，每个传感器(Cj)被设置进行加速度型测量。
4、如权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于，所述的第一换能器器件(T1i)用从至少包括压电单晶和压电陶瓷的组中选择的压电材料制成。
5、如权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于，所述的第二换能器器件(T2k)和/或每个传感器(Cj)由从至少包括压电单晶和压电陶瓷的组中选择的压电材料制成。
6、如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的第二换能器器件(T2k)和/或每个传感器(Cj)由至少一层所述的压电材料的至少一个堆叠构成。
7、如权利要求2和6联合所述的装置，其特征在于，所述的第二换能器器件(T2k)的每个换能器和相应的传感器(Cj)共同组成所述的压电材料层的同一堆叠的两个互补部分。
8、如权利要求1至7之一所述的装置，其特征在于，在具有已知的阻尼性能的用于第二元件(E2)的机械减振的器件的存在下，所述的控制器件(MC)被设置以在考虑所述的阻尼性能的情况下由每个测量信号推断每个运动的振幅。
9、如权利要求1至8之一所述的装置，其特征在于，所述的控制器件(MC)被设置以在所选时机被激励和停用。
10、一种设备(I)，其特征在于，其包括至少一个如前述权利要求之一所述的减振装置。
11、如前述权利要求之一所述的设备(I)和减振装置在空间领域中的应用。
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