CN103033251A - 一种能量天平悬挂组件的空气阻尼定位系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能量天平悬挂组件的空气阻尼定位系统，其与能量天平悬挂组件相连接，所述空气阻尼定位系统包括底座(1)，与所述悬挂组件固定连接的十字叶片(3)，以及可调直角叶片组，所述可调直角叶片组通过叶片组固定部件与底座(1)相连，所述可调直角叶片组包括至少一对可调直角叶片(2)，所述一对可调直角叶片(2)设置在所述十字叶片(3)的任一个直角面内，且该对可调直角叶片(2)分别与该直角面互相平行。本发明的定位系统能使能量天平基本保持静态，减少测量误差。
Description
技术领域
本发明涉及精密定位及测量领域内的能量天平的定位系统，具体而言，本发明涉及能量天平悬挂组件的空气阻尼式定位系统。
背景技术
建立量子质量基准的工作在国际上已经探讨了多年，目前获得较大成效的方案是“功率天平方案”，其主要在英、加拿大、美、瑞士、法等国家以及国际计量局(BIPM)等单位进行。此种方案的主要思路是先用目前由实物基准(千克原器)来反复实现和保存的千克单位量值和已建成的电学量子基准尽可能准确地测量得到普朗克常数h。当各个国家实验室测量得到的数值在误差范围内相互吻合时，再由国际计量大会做出决议，把普朗克常数h定义为无误差常数。这样就可以反过来用普朗克常数h导出千克单位的量值，也就是我们希望得到的质量量子基准。
“功率天平”(国外一般称为“Watt balance”)方案最早是由英国国家物理实验室(National Physical Laboratory，NPL)的B.P.Kibble博士提出，基本思路是把通以电流的载流线圈挂在天平上，同时将该载流线圈置于磁场中。由于载流线圈上受到的洛伦兹力与天平平衡时砝码上的重力相等，可通过电磁量导出砝码质量的量值，即通过天平把电功率与机械功率联系起来，并经过一系列的变换导出质量基准。
但是，近些年来，国外“功率天平”方案的进展趋缓，遇到的最主要困难来自其动态测量过程，即必须在线圈的移动过程中对速度和感应电动势进行测量。同静态测量相比，动态测量过程中包含了更多不可控因素，其测量准确度难以进一步提高。
针对国外研究的现状，我国提出了“能量天平”的新方案。实验系统主体为一架特制的精密天平，通过天平实现机械能量差与磁能量差的平衡。天平一端悬挂“可动线圈”，“可动线圈”所需磁场则由一组固定于地基上的“激励线圈”所产生。这样，作用在“可动线圈”上的力实际上就是“可动线圈”和“激励线圈”组之间的作用力。实验分两个过程，即称重过程和测量互感过程，这两个过程都在天平静态下进行测量，天平悬挂组合，也称为悬挂组件，通常包括天平边刀、十字铰链、与铰链固定的环形可动线圈及十字铰链下方连有的支架，该悬挂组件只在竖直方向(z方向)受限制，其他自由度不受限制，在工作过程中会产生单摆或锥摆运动，以及围绕中心轴旋转运动，无法实现理想静态测量，尤其是测量互感过程需要测量天平悬挂组合不同z向位置的互感，互感对位置的变化非常敏感，因此对悬挂组件进行快速、有效、精密定位是提高实验准确度的关键。
发明内容
为了克服现有的能量天平的悬挂组件在工作时易发生单摆、锥摆及绕中心轴旋转运动，难以保持静态，从而影响了静态测量的准确性的问题，本发明提供了一种能量天平悬挂组件的空气阻尼定位系统，其采用气隙可调式空气阻尼定位系统，该系统包括十字叶片及至少两组可调直角叶片组，通过将十字叶片固定在能量天平十字铰链下方支架中央，与固定在底座上的可调直角叶片构成气隙可调式空气阻尼系统，实现对能量天平悬挂组件的被动定位控制，减少由能量天平的单摆、锥摆及绕中心轴旋转运动造成的误差，适用于需要精密定位天平悬挂位置以及进行天平质量比较等技术领域。
本发明所提供的一种能量天平悬挂组件的空气阻尼定位系统，其与能量天平悬挂组件相连接，所述空气阻尼定位系统包括底座1，所述定位系统的特征在于：所述定位系统包括与所述悬挂组件固定连接的十字叶片3，以及可调直角叶片组，所述可调直角叶片组通过叶片组固定部件与底座1相连，所述可调直角叶片组包括至少一对可调直角叶片2，所述一对可调直角叶片2设置在所述十字叶片3的任一个直角面内，且该对可调直角叶片2分别与该直角面互相平行。所述可调直角叶片组包括两对可调直角叶片2与可调直角叶片2’，所述两对可调直角叶片2与可调直角叶片2’平行设置在所述十字叶片3的相对的两个直角面内，即沿十字叶片3对角线方向设置，所述两对可调直角叶片2与可调直角叶片2’通过叶片组固定部件与所述底座1固定；所述十字叶片3相交中心轴线顶端与悬挂组件的十字铰链下方的支架中央固定连接并与该十字铰链同轴线。
所述叶片组固定部件包括二维移动台4、二维移动台4’与连接梁4”，所述二维移动台4与二维移动台4’都包括二维移动台面，所述连接梁4”的两端分别固定在各二维移动台面上表面；所述可调直角叶片2与所述可调直角叶片2’通过所述连接梁4”与所述底座1相连接，即可调直角叶片2与可调直角叶片2’下端面与所述连接梁4”的上表面固定连接。
所述二维移动台4与二维移动台4’与底座1固定，所采用的二维移动台是本领域内常用的具有移动功能的二维台，该二维移动台4与二维移动台4’内设置导轨使其台面沿平行于底座1面上的x，y方向移动，固定在二维移动台4与二维移动台4’台面上的所述连接梁4”与所述可调直角叶片2与可调直角叶片2’随着所述二维移动台4与二维移动台4’的台面移动。
所述十字叶片3由四片叶片组成，各对可调直角叶片2与可调直角叶片2’中单片叶片的面积大于所述十字叶片3单片叶片的面积。
各对可调直角叶片2与可调直角叶片2’与所述同其平行的十字叶片3直角面之间的间隙范围是1～5mm。
所述十字叶片3的材质为膨胀系数小于5×10-5的非金属材料，所述可调直角叶片2与可调直角叶片2’的材质为非金属材料。
能量天平称量砝码的质量范围为100g～1000g。
具体而言，本发明的工作原理如下：
能量天平的悬挂组件在工作时易发生单摆、锥摆及绕中心轴旋转运动，难以保持静态，从而影响了静态测量的准确性的问题，为了实现天平悬挂组件快速定位，同时不改变悬挂组件的原始位置，本发明采用固定在悬挂组件上的一个十字叶片及固定在底座上的至少两组可调直角叶片实现能量天平悬挂组件的被动定位控制，当天平悬挂组件发生上述运动时，可调直角叶片与十字叶片间的空气阻尼力反作用于与悬挂组件固定的十字叶片上，从而抑制天平悬挂组件运动，使其趋于静态。通过调节直角叶片与十字叶片的间隙，实现空气阻尼力的大小调节，可快速、有效控制天平悬挂组件在工作时产生的单摆、锥摆以及绕中心轴旋转运动。
综上所述，本发明所提供的一种能量天平悬挂组件的空气阻尼定位系统，其采用气隙可调式空气阻尼定位系统，能使能量天平基本保持静态，减少测量误差，可用于需要精密定位天平悬挂位置以及进行天平质量比较等技术领域。
附图说明
图1是本发明的能量天平悬挂组件的气隙可调式空气阻尼定位系统的实施例1的示意图。
附图标记说明：
1-底座；2、2’-可调直角叶片；3-十字叶片；4，4’-二维移动台；4”-连接梁。
具体实施方式
下面结合实施例，进一步说明本发明。
如图1所示，本发明所提供的一种能量天平悬挂组件的气隙可调式空气阻尼定位系统包括天平悬挂组件，与悬挂组件固定的十字叶片3，以及与底座1固定的可调直角叶片组三部分。
实施例1
一种能量天平悬挂组件的气隙可调式空气阻尼定位系统，其与能量天平悬挂组件相连接，所述空气阻尼定位系统包括底座1，所述定位系统的特征在于：所述定位系统包括与所述悬挂组件固定连接的十字叶片3，以及可调直角叶片组，所述可调直角叶片组通过叶片组固定部件与底座1相连，所述可调直角叶片组包括至少一对可调直角叶片2，所述一对可调直角叶片2设置在所述十字叶片3的任一个直角面内，且该对可调直角叶片2分别与该直角面互相平行。
所述可调直角叶片组包括两对可调直角叶片2与可调直角叶片2’，所述两对可调直角叶片2与可调直角叶片2’平行设置在所述十字叶片3的相对的两个直角面内，所述两对可调直角叶片2与可调直角叶片2’通过叶片组固定部件与所述底座1固定；所述十字叶片3相交中心轴线顶端与悬挂组件的十字铰链下方的支架中央固定连接并与该十字铰链同轴线。
所述叶片组固定部件包括二维移动台4、二维移动台4’与连接梁4”，所述二维移动台4与二维移动台4’都包括二维移动台面，所述连接梁4”的两端分别固定在各二维移动台面上表面；所述可调直角叶片2与所述可调直角叶片2’通过所述连接梁4”与所述底座1相连接，即可调直角叶片2与可调直角叶片2’下端面与所述连接梁4”的上表面固定连接。
所述二维移动台4与二维移动台4’与底座1固定，该二维移动台4与二维移动台4’内设置导轨使其台面沿平行于底座1面上的x，y方向移动，固定在二维移动台4与二维移动台4’台面上的所述连接梁4”与所述可调直角叶片2与可调直角叶片2’随着所述二维移动台4与二维移动台4’的台面移动。
所述十字叶片3由四片叶片组成，各对可调直角叶片2与可调直角叶片2’中单片叶片的面积大于所述十字叶片3单片叶片的面积。
各对可调直角叶片2与可调直角叶片2’与所述同其平行的十字叶片3直角面之间的间隙范围是1～5mm。
所述十字叶片3的材质为膨胀系数小于5×10-5的非金属材料，所述可调直角叶片2与可调直角叶片2’的材质为非金属材料。
当天平工作时，天平悬挂组件本身的单摆、锥摆及绕中心轴旋转运动使得可调直角叶片2与十字叶片3之间产生的空气阻尼力反作用于与天平悬挂组件固定的十字叶片3上，从而快速、有效抑制天平悬挂组件运动，尤其是单摆、锥摆及绕中心轴旋转运动，使其趋于静态。
Claims (8)
1.一种能量天平悬挂组件的空气阻尼定位系统，其与能量天平悬挂组件相连接，所述空气阻尼定位系统包括底座(1)，所述定位系统的特征在于：
所述定位系统包括与所述悬挂组件固定连接的十字叶片(3)，以及可调直角叶片组，所述可调直角叶片组通过叶片组固定部件与底座(1)相连，所述可调直角叶片组包括至少一对可调直角叶片(2)，所述一对可调直角叶片(2)设置在所述十字叶片(3)的任一个直角面内，且该对可调直角叶片(2)分别与该直角面互相平行。
2.根据权利要求1所述的一种能量天平悬挂组件的空气阻尼定位系统，其特征在于：
所述可调直角叶片组包括两对可调直角叶片(2，2’)，所述两对可调直角叶片(2，2’)平行设置在所述十字叶片(3)的相对的两个直角面内，所述每对可调直角叶片(2，2’)通过叶片组固定部件与所述底座(1)固定；
所述十字叶片(3)相交中心轴线顶端与悬挂组件的十字铰链下方的支架中央固定连接并与该十字铰链同轴线。
3.根据权利要求1或2所述的一种能量天平悬挂组件的空气阻尼定位系统，其特征在于：
所述叶片组固定部件包括二维移动台(4，4’)与连接梁(4”)，所述二维移动台(4，4’)包括二维移动台面，所述连接梁(4”)的两端分别固定在各二维移动台面上表面；所述各对可调直角叶片(2，2’)通过所述连接梁(4”)与所述底座(1)相连接，即各对可调直角叶片(2，2’)下端面与所述连接梁(4”)的上表面固定连接。
4.根据权利要求3所述的一种能量天平悬挂组件的空气阻尼定位系统，其特征在于：
所述二维移动台(4，4’)与底座(1)固定，该二维移动台(4，4’)内设置导轨使其台面沿平行于底座(1)面上的x，y方向移动，固定在二维移动台(4，4’)台面上的所述连接梁(4”)与各对可调直角叶片(2，2’)随着所述二维移动台(4，4’)台面移动。
5.根据权利要求1或2所述的一种能量天平悬挂组件的空气阻尼定位系统，其特征在于：
所述十字叶片(3)由四片叶片组成，每对可调直角叶片(2，2’)中单片叶片的面积大于所述十字叶片(3)单片叶片的面积。
6.根据权利要求1或2所述的一种能量天平悬挂组件的空气阻尼定位系统，其特征在于：
每对可调直角叶片(2，2’)与所述同其平行的十字叶片(3)直角面之间的间隙范围是1～5mm。
7.根据权利要求1或2所述的一种能量天平悬挂组件的空气阻尼定位系统，其特征在于：
所述十字叶片(3)的材质为膨胀系数小于5×10-5的非金属材料，所述可调直角叶片(2，2’)的材质为非金属材料。
8.根据权利要求1所述的一种能量天平悬挂组件的空气阻尼定位系统，其特征在于：
能量天平称量砝码的质量范围为100g～1000g。
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