CN102508318B - 用于地震计静态标定的精密倾斜平台装置 - Google Patents

Abstract

用于地震计静态标定的精密倾斜平台装置，包括底座，台面，转动机构，驱动机构，检测机构和支撑架；转动机构包括主轴，驱动臂和转台，及配重块；主轴固定于左、右支撑架上；驱动机构和配重块分别位于驱动臂两侧；驱动机构包括直线电机，滑台，直线导轨及滑块和光栅尺，光栅尺的读数头与底座固定连接，台面水平时，读数头给出光栅尺的零点信号；滑台抵紧驱动臂，直线电机正方向运动时滑台推动转动机构正转，直线电机反方向带动滑台运动时由于配重块的重力作用使转动机构反转；检测机构包括激光干涉仪和将激光反射回激光干涉仪以获取台面转动角度的反射镜，反射镜安装于台面上。本发明具有定位精度高、传动效率高、应用范围广的优点。

Description

用于地震计静态标定的精密倾斜平台装置

技术领域

本发明涉及一种用于地震计静态标定的精密倾斜平台装置。

背景技术

强震台网中使用的加速度计，通频带从零开始，在其通频带内各个频率点，灵敏度可认为是相同的，线性可认为是一致的。因此，在零频点(或称“静态”)对加速度计的灵敏度和线性进行准确的测量和标定，即可给出加速度计在其通频带内(尤其是低频段)的主要特征参数。

目前国内比较典型的精密倾斜平台为用于光学标定的电控倾斜台，它采用步进电机驱动，蜗轮蜗杆传动，由于蜗轮蜗杆传动间隙的存在，使定位精度受限；另外由于蜗轮蜗杆传动摩擦损耗较大，所以传动效率较低；选装编码器后可实现半闭环控制，但并没有实现全闭环控制，控制精度也受到影响；此外平台未配高精度倾斜角度测量装置，倾角通过电机进给量换算而来，从而产生较大的测量误差。

发明内容

为克服现有倾斜台定位精度较低、传动效率较低、应用范围有限的缺点，本发明提供了一种定位精度高、传动效率高、应用范围广的用于地震计静态标定的精密倾斜平台装置。

用于地震计静态标定的精密倾斜平台装置，包括底座，所述的底座上设有：台面，与所述的台面连接、带动台面转动的转动机构，驱动所述的台面和转动机构转动的驱动机构，检测台面的转动角度的检测机构，和托持所述的台面和转动机构的左支撑架和右支撑架；

所述的转动机构包括允许所述的台面绕其转动的主轴，与所述的台面固接的驱动臂和转台，和固定于所述的转台的一侧的配重块；所述的主轴固定于所述的左、右支撑架上；

所述的驱动机构和配重块分别位于所述的驱动臂两侧；所述的驱动机构包括直线电机，与所述的直线电机的动子连接的滑台，使所述的滑台沿直线滑动的直线导轨及滑块，和安装于所述的滑台上、检测所述的直线电机位移的光栅尺，所述的光栅尺的读数头与所述的底座固定连接，所述的台面水平时，所述的读数头给出光栅尺的零点信号；

所述的滑台抵紧所述的驱动臂，所述的直线电机正方向运动时所述的滑台推动所述的转动机构正转，所述的直线电机反方向运动时拉动所述的滑台运动，由于所述的配重块的重力作用使所述的转动机构反转；

所述的检测机构包括激光干涉仪和将激光反射回所述的激光干涉仪以获取台面转动角度的反射镜，所述的反射镜安装于所述的台面上。

进一步，所述的台面与所述的转台固定连接，所述的转台通过螺栓与所述的驱动臂固接，所述的主轴穿设于所述的转台，所述的主轴的两端分别通过支座固定于所述的左、右支撑架上，所述的主轴与所述的转台之间设有滚动轴承。

进一步，所述的支座包括固定于所述的左、右支撑架上的下半部和将所述的主轴向所述的下半部压紧的上半部。

进一步，所述的滑台和驱动臂之间设有减摩承力机构，所述的减摩承力机构包括固定于所述的滑台上的钢球和固定于所述的驱动臂上的承受所述的滑台的推力、并减小与所述的钢球之间的摩擦的减摩承力板，所述的减摩承力板上与所述的钢球的接触面垂直于所述的台面的上表面，所述的滑台上固定有球座，所述的钢球通过压球圆螺母安装于所述的球座内，所述的钢球抵紧所述的减摩承力板。

进一步，所述的球座包括通过螺栓与所述的滑台固接的环形座，和容纳所述的钢球的圆柱形凸台，所述的凸台内设有圆台状凹陷，所述的钢球置于所述的凹陷内、且与所述的凹陷线接触，所述的凸台的外表面设有与所述的压球圆螺母连接的外螺纹，所述的压球圆螺母的顶端设有一圈向内延伸的挡环，所述的挡环阻止所述的钢球脱离所述的球座。

进一步，所述的倾斜平台装置还设有能够平衡所述的配重块对所述的滑台造成的作用力的力平衡弹簧机构，所述的力平衡弹簧机构包括固定于所述的滑台上的弹簧吊钉，固定于所述的底座上的弹簧支架，穿设于所述的弹簧支架上的弹簧拉钉，与所述的弹簧拉钉螺接的螺母，和设置于所述的弹簧吊钉和弹簧拉钉之间的弹簧，所述的弹簧对所述的滑台施加朝向所述的配重块的水平方向的作用力。

进一步，所述的左支撑架和右支撑架对称地设置于所述的台面的两侧，所述的左、右支撑架上架设有放置所述的激光干涉仪的安装箱，所述的激光干涉仪位于所述的台面下方，所述的安装箱的上盖开设有允许激光穿过的中心圆孔，所述的反射镜对准所述的中心圆孔。

或者，所述的激光干涉仪安装于干涉仪支架上，所述的干涉仪支架放置于地面上，所述的激光干涉仪位于所述的台面一侧，所述的反射镜安装于所述的台面上。

进一步，所述的转台的两侧分别设有限制所述的转台向前转动极限的前限位杆组，和限制所述的转台向后转动极限的后限位杆组；限位杆组均由对称地设置于所述的左、右支撑架上的限位杆组成，所述的限位杆旁边设置接近开关。

进一步，所述的驱动机构还包括电机安装底板、电机安装支座和辅助支座，所述的电机安装底板通过螺栓固定于所述的底座上，所述的直线导轨固定于所述的电机安装底板上，所述的滑块可滑动地连接于所述的直线导轨上，所述的滑台固定于所述的滑块上；

所述的直线电机的定子的一端通过所述的电机安装支座与所述的电机安装底板固接，另一端通过所述的辅助支座与所述的电机安装底板固接；

所述的读数头通过读数头支架固定于所述的电机安装底板上。

进一步，所述的台面的下表面装有测量台面温度的第一温度传感器，所述的安装箱上方设有测量空气温度的第二温度传感器和测量空气压力的气压传感器。

本发明的技术构思是：转台与驱动臂刚性连接，转台上表面安装台面，驱动臂与台面固接、且驱动臂形成垂直于台面上表面的力臂，直线电机水平安装，由直线电机带动驱动臂、转台、台面绕固定的主轴转动，将直线电机的位移转化为台面的角位移，从而实现台面的倾斜角度定位。

为减小传动间隙，在转台一端安装了配重块，通过力平衡弹簧机构可减小因配重块引起的直线电机负载加重现象。由于配重块安装在转台的一侧，其重力对所述转台的中心有力矩的作用，滑台的钢球与驱动臂上的减摩承力板紧密接触。直线电机推动滑台向前水平运动时，钢球推动转动机构和台面绕主轴正方向转动；直线电机拉动滑台向后水平运动时，在配重块的重力作用下，转动机构和台面绕主轴反方向转动。

计算机可根据设定的台面倾斜角度θ计算出直线电机需进给的位移l(相对于零位)，计算的公式如下：

$l=R\·\tan \mathrm{\θ}-r\·(\frac{1}{\cos \mathrm{\θ}}-1)$ (-5°≤θ≤5°)

其中R为台面水平时主轴中心线到钢球中心的垂直距离，r为钢球的半径。

计算机通过计算机总线将该位移以命令形式发送至直线电机控制器，控制器与直线电机、光栅尺构成闭环控制系统。控制器驱动直线电机运动，光栅尺将直线电机的位移反馈至控制器，控制器通过PID算法进行定位控制。

系统采用激光干涉仪进行倾斜角度的精密测量，所测转动角度通过计算机总线直接反馈至计算机，计算机可根据激光测量的结果进行定位控制的调整，这样加上直线电机控制器的闭环控制系统，就构成了一个精密的全闭环控制系统。

由于温度、压力会影响激光测量的精度，采用温度传感器及气压传感器分别测量空气和材料温度、空气压力，并通过采集卡将测量结果反馈给计算机，计算机根据激光测量结果、空气温度、空气压力、材料温度等进行补偿运算，从而实现倾斜角度的精确测量。

本发明使用直线电机驱动，受力均匀，行走平行度好，利用配重块和弹簧力平衡机构既减小了机械传动的间隙，又减轻了电机的负载，具有倾斜角度定位精度高、传动效率高、运行可靠等优点；使用激光干涉仪测量倾斜角度的变化，测量精度高；装置可通过计算机实现倾斜角度定位的自动控制。本发明可用于地震计的静态标定。

附图说明

图1是实施实例1的总体结构示意图。

图2是实施实例2的总体结构示意图。

图3是未画出主轴的转动机构与台面结合的示意图。

图4是驱动机构结构示意图。

图5是力平衡弹簧机构结构示意图。

图6是球座的示意图。

图7是压球圆螺母的示意图。

具体实施方式

实施例一

参照图1、3、4、6、7

用于地震计静态标定的精密倾斜平台装置，包括底座11，所述的底座11上设有：台面12，与所述的台面12连接、带动台面12转动的转动机构1，驱动所述的台面12和转动机构1转动的驱动机构6，检测台面的转动角度的检测机构，和托持所述的台面12和转动机构1的左支撑架5和右支撑架；

所述的转动机构1包括允许所述的台面12绕其转动的主轴7，与所述的台面12固接的驱动臂13和转台16，和固定于所述的转台16的一侧的配重块15；所述的主轴7固定于所述的左支撑架5和右支撑架上；

所述的驱动机构6和配重块15分别位于所述的驱动臂13两侧；所述的驱动机构6包括直线电机，与所述的直线电机的动子18连接的滑台19，使所述的滑台19沿直线滑动的直线导轨26及滑块30，和安装于所述的滑台19上、检测所述的直线电机的位移的光栅尺27，所述的光栅尺27的读数头29与所述的底座11固定连接；所述的台面12水平时，所述的读数头29给出光栅尺27的零点信号；

所述的滑台19抵紧所述的驱动臂13，所述的直线电机正方向运动时所述的滑台推动所述的转动机构正转，所述的直线电机反方向运动时拉动所述的滑台运动，由于所述的配重块的重力作用使所述的转动机构反转；

所述的检测机构包括激光干涉仪和将激光反射回所述的激光干涉仪以获取台面12转动角度的反射镜2，所述的反射镜2安装于所述的台面12上。

所述的台面12与所述的转台16固定连接，所述的转台16通过螺栓与所述的驱动臂13固接，所述的主轴7穿设于所述的转台16，所述的主轴7的两端分别通过支座8固定于所述的左支撑架5和右支撑架上，所述的主轴7与所述的转台16之间设有滚动轴承。

所述的支座8包括固定于所述的左支撑架5和右支撑架上的下半部和将所述的主轴7向所述的下半部压紧的上半部，所述的支座8利用静摩擦将所述的主轴7锁死。

所述的滑台19和驱动臂13之间设有减摩承力机构，所述的减摩承力机构包括固定于所述的滑台19上的钢球23和固定于所述的驱动臂13上的承受所述的滑台19的推力、并减小与所述的钢球23之间的摩擦的减摩承力板14，所述的减摩承力板14上与所述的钢球23的接触面垂直于所述的台面12的上表面，所述的滑台19上固定有球座21，所述的钢球23通过压球圆螺母22安装于所述的球座21内，所述的钢球23抵紧所述的减摩承力板14。

所述的球座21包括通过螺栓与所述的滑台固接的环形座211，和容纳所述的钢球23的圆柱形凸台212，所述的凸台212内设有圆台状凹陷213，所述的钢球23置于所述的凹陷213内、且与所述的凹陷213线接触，所述的凸台212的外表面设有与所述的压球圆螺母22连接的外螺纹，所述的压球圆螺母22的顶端设有一圈向内延伸的挡环221，所述的挡环221阻止所述的钢球23脱离所述的球座21。

所述的左支撑架5和右支撑架对称地设置于所述的台面12的两侧，所述的左支撑架5和右支撑架上架设有放置所述的激光干涉仪的安装箱4，所述的激光干涉仪位于所述的台面12下方，所述的安装箱4的上盖开设有允许激光穿过的中心圆孔41，所述的反射镜2对准所述的中心圆孔41。

所述的转台16的两侧分别设有限制所述的转台16向前转动极限的前限位杆组，和限制所述的转台16向后转动极限的后限位杆组；限位杆组均由对称地设置于所述的左支撑架5和右支撑架上的限位杆3组成，所述的限位杆3旁边设置接近开关。

所述的驱动机构6还包括电机安装底板25、电机安装支座24和辅助支座20，所述的电机安装底板25通过螺栓固定于所述的底座11上，所述的直线导轨26固定于所述的电机安装底板25上，所述的滑块30可滑动地连接于所述的导轨26上，所述的滑台19固定于所述的滑块30上；

所述的直线电机的定子17的一端通过所述的电机安装支座24与所述的电机安装底板25固接，另一端通过所述的辅助支座20与所述的电机安装底板25固接；

所述的读数头29通过读数头支架28固定于所述的电机安装底板25上。

所述的台面12为花岗岩台面或者大理石台面或者不锈钢台面，所述的台面12的下表面装有测量台面温度的第一温度传感器，所述的安装箱4上方设有测量空气温度的第二温度传感器和测量空气压力的气压传感器。

本实施例的技术构思是：转台与驱动臂刚性连接，转台上表面安装台面，驱动臂与台面固接、且驱动臂形成垂直于台面上表面的力臂，直线电机水平安装，由直线电机带动驱动臂、转台、台面绕固定的主轴转动，将直线电机的位移转化为台面的角位移，从而实现台面的倾斜角度定位。

由于配重块安装在转台的一侧，其重力对所述转台的中心有力矩的作用，滑台的钢球与驱动臂上的减摩承力板紧密接触。直线电机推动滑台向前水平运动时，钢球推动转动机构和台面绕主轴正方向转动；直线电机拉动滑台向后水平运动时，在配重块的重力作用下，转动机构和台面绕主轴反方向转动。

计算机可根据设定的台面倾斜角度θ计算出直线电机需进给的位移l(相对于零位)，计算的公式如下：

$l=R\·\tan \mathrm{\θ}-r\·(\frac{1}{\cos \mathrm{\θ}}-1)$ (-5°≤θ≤5°)

其中R为台面水平时主轴中心线到钢球中心的垂直距离，r为钢球的半径。

计算机通过计算机总线将该位移以命令形式发送至直线电机控制器，控制器与直线电机、光栅尺构成闭环控制系统。控制器驱动直线电机运动，光栅尺将直线电机的直线位移反馈至控制器，控制器通过PID算法进行定位控制。

系统采用激光干涉仪进行倾斜角度的精密测量，所测转动角度通过计算机总线直接反馈至计算机，计算机可根据激光测量的结果进行定位控制的调整，这样加上直线电机控制器的闭环控制系统，就构成了一个精密的全闭环控制系统。

由于温度、压力会影响激光测量的精度，采用温度传感器及气压传感器分别测量空气和材料温度、空气压力，并通过采集卡将测量结果反馈给计算机，计算机根据激光测量结果、空气温度、空气压力、材料温度等进行补偿运算，从而实现倾斜角度的精确测量。

本发明使用直线电机驱动，受力均匀，行走平行度好，利用配重块和弹簧力平衡机构既减小了机械传动的间隙，又减轻了电机的负载，具有倾斜角度定位精度高、传动效率高、运行可靠等优点；使用激光干涉仪测量倾斜角度的变化，测量精度高；装置可通过计算机实现倾斜角度定位的自动控制。本发明可用于地震计的静态标定。

实施例二

参照图2、5

本实施例与实施例一的区别在于：所述的倾斜平台装置还设有能够平衡所述的配重块15对所述的滑台19造成的作用力的力平衡弹簧机构，所述的力平衡弹簧机构包括固定于所述的滑台19上的弹簧吊钉33，固定于所述的底座11上的弹簧支架34，穿设于所述的弹簧支架34上的弹簧拉钉31，与所述的弹簧拉钉31螺接的螺母35，和设置于所述的弹簧吊钉33和弹簧拉钉31之间的弹簧32，所述的弹簧32对所述的滑台19施加朝向所述的配重块15的水平方向的作用力。

所述的螺母35为蝶形螺母。其余结构都相同。

本实施例的技术构思是：为减小直线电机的负载，设置了力平衡弹簧机构，通过力平衡弹簧机构可减小因配重块引起的直线电机负载加重现象。

当直线电机正方向运动时，弹簧牵引滑台向配重块的方向运动，从而可以平衡配重块对滑台的压力，这样，电机只需要很小的力即可推动滑台正向运动。

直线电机反方向运动时，弹簧的牵引力变成了阻力、阻碍电机运动，而此时配重块对滑台的压力的方向与滑台的运动方向相同，恰好可以平衡弹簧的阻力，这样，电机也只需要很小的力即可带动滑台反向运动。

实施例三

本实施例与实施例一的区别之处在于：所述的激光干涉仪安装于干涉仪支架上，所述的干涉仪支架放置于地面上，所述的激光干涉仪位于所述的台面12一侧，所述的反射镜2安装于所述的台面12上。

干涉仪支架为三脚架。

本实施例的技术构思是：使用干涉仪支架安装激光干涉仪，能够方便地移动激光干涉仪，若在台面上安装多块反射镜，即可方便地测量台面不同部位的角度变化，使用方便。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (8)

1.用于地震计静态标定的精密倾斜平台装置，其特征在于：包括底座，所述的底座上设有：台面，与所述的台面连接、带动台面转动的转动机构，驱动所述的台面和转动机构转动的驱动机构，检测台面的转动角度的检测机构，和托持所述的台面和转动机构的左支撑架和右支撑架；

所述的转动机构包括允许所述的台面绕其转动的主轴，与所述的台面固接的驱动臂和转台，和固定于所述的转台的一侧的配重块；所述的主轴固定于所述的左、右支撑架上；

所述的驱动机构和配重块分别位于所述的驱动臂两侧；所述的驱动机构包括直线电机，与所述的直线电机的动子连接的滑台，使所述的滑台沿直线滑动的直线导轨及滑块，和安装于所述的滑台上、检测所述的直线电机位移的光栅尺，所述的光栅尺的读数头与所述的底座固定连接，所述的台面水平时，所述的读数头给出光栅尺的零点信号；

所述的滑台抵紧所述的驱动臂，所述的直线电机正方向运动时所述的滑台推动所述的转动机构正转，所述的直线电机反方向带动所述的滑台运动时由于所述的配重块的重力作用使所述的转动机构反转；

所述的检测机构包括激光干涉仪和将激光反射回所述的激光干涉仪以获取台面转动角度的反射镜，所述的反射镜安装于所述的台面上；

所述的台面与所述的转台固定连接，所述的转台通过螺栓与所述的驱动臂固接，所述的主轴穿设于所述的转台，所述的主轴的两端分别通过支座固定于所述的左、右支撑架上，所述的主轴与所述的转台之间设有滚动轴承；

所述的滑台和驱动臂之间设有减摩承力机构，所述的减摩承力机构包括固定于所述的滑台上的钢球和固定于所述的驱动臂上的承受所述的滑台的推力、并减小与所述的钢球之间的摩擦的减摩承力板，所述的减摩承力板上与所述的钢球的接触面垂直于所述的台面的上表面，所述的滑台上固定有球座，所述的钢球通过压球圆螺母安装于所述的球座内，所述的钢球抵紧所述的减摩承力板。

2.如权利要求1所述的用于地震计静态标定的精密倾斜平台装置，其特征在于：所述的支座包括固定于所述的左、右支撑架上的下半部和将所述的主轴向所述的下半部压紧的上半部。

3.如权利要求2所述的用于地震计静态标定的精密倾斜平台装置，其特征在于：所述的转台的两侧分别设有限制所述的转台向前转动极限的前限位杆组，和限制所述的转台向后转动极限的后限位杆组；限位杆组均由对称地设置于所述的左、右支撑架上的限位杆组成，所述的限位杆旁边设置接近开关。

4.如权利要求3所述的用于地震计静态标定的精密倾斜平台装置，其特征在于：所述的驱动机构还包括电机安装底板、电机安装支座和辅助支座，所述的电机安装底板通过螺栓固定于所述的底座上，所述的直线导轨固定于所述的电机安装底板上，所述的滑块可滑动地连接于所述的直线导轨上，所述的滑台固定于所述的滑块上；所述的直线电机的定子的一端通过所述的电机安装支座与所述的电机安装底板固接，另一端通过所述的辅助支座与所述的电机安装底板固接；所述的读数头通过读数头支架固定于所述的电机安装底板上。

5.如权利要求4所述的用于地震计静态标定的精密倾斜平台装置，其特征在于：所述的球座包括通过螺栓与所述的滑台固接的环形座，和容纳所述的钢球的圆柱形凸台，所述的凸台内设有圆台状凹陷，所述的钢球置于所述的凹陷内、且与所述的凹陷线接触，所述的凸台的外表面设有与所述的压球圆螺母连接的外螺纹，所述的压球圆螺母的顶端设有一圈向内延伸的挡环，所述的挡环阻止所述的钢球脱离所述的球座。

6.如权利要求5所述的用于地震计静态标定的精密倾斜平台装置，其特征在于：所述的倾斜平台装置还设有能够平衡所述的配重块对所述的滑台造成的作用力的力平衡弹簧机构，所述的力平衡弹簧机构包括固定于所述的滑台上的弹簧吊钉，固定于所述的底座上的弹簧支架，穿设于所述的弹簧支架上的弹簧拉钉，与所述的弹簧拉钉螺接的螺母，和设置于所述的弹簧吊钉和弹簧拉钉之间的弹簧，所述的弹簧对所述的滑台施加朝向所述的配重块的水平方向的作用力。

7.如权利要求6所述的用于地震计静态标定的精密倾斜平台装置，其特征在于：所述的左支撑架和右支撑架对称地设置于所述的台面的两侧，所述的左、右支撑架上架设有放置所述的激光干涉仪的安装箱，所述的激光干涉仪位于所述的台面下方，所述的安装箱的上盖开设有允许激光穿过的中心圆孔，所述的反射镜对准所述的中心圆孔。

8.如权利要求6所述的用于地震计静态标定的精密倾斜平台装置，其特征在于：所述的激光干涉仪安装于干涉仪支架上，所述的干涉仪支架放置于地面上，所述的激光干涉仪位于所述的台面一侧，所述的反射镜安装于所述的台面上。

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