CN104062689A - 一种长周期垂直隔振的海洋重力敏感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于无源导航领域，具体涉及到一种长周期垂直隔振的海洋重力敏感器。长周期垂直隔振的海洋重力敏感器，包括主测量弹簧、质量块、两根拉丝、摆杆、细杆、六根长拉丝、圆筒支撑框架、检验质量块、两对电容极板、附加质量块、扭转弹簧，主测量弹簧采用直立悬挂方式，上端与质量块相连，质量块两侧对称连接两根拉丝，两根拉丝的另一端连在摆杆上端五分之一处；主测量弹簧下端与细杆相连，所述的细杆上端三分之一处对称连接六根拉丝，拉丝的另一端与圆筒支架上沿的六个均分处相连。本发明从重力敏感单元内部结构上抑制垂直干扰加速度的影响，减小重力测量的滞后效应；圆筒形支架抑制水平加速度对主测量弹簧的影响；装置易于小型化。

Description

一种长周期垂直隔振的海洋重力敏感器

技术领域

本发明属于无源导航领域，具体涉及到一种长周期垂直隔振的海洋重力敏感器。

背景技术

惯导定位误差随时间积累，必须予以重调和校正，海洋重力场为其提供了隐蔽的水下校正信息源。海洋重力仪是水下重力导航系统的关键设备，用于测量水下重力场，其测量实时性关乎水下重力导航系统的导航精度。作为海洋重力仪的核心敏感件，重力敏感器测量实时性直接反映为海洋重力仪的测量实时性。但海洋重力仪在工作时不可避免地受到由海浪引起的垂直和水平加速度干扰，其幅值可达到待测量的数万至数十万倍，若不采取适当措施，重力信噪比仅为10^-5～10^-6，待测量和控制量很小，对信号检测与控制提出了极为苛刻的要求。

2005年，李家明等人对DZW-II型微伽重力仪的结构进行了改进设计，采用零长弹簧作为重力敏感单元弹性部件，弹簧采用垂直悬挂方式，采用阻尼液构成强阻尼垂向通道，抑制垂直加速度干扰。整个结构具有轴对称性，该结构可抵抗水平加速度干扰对重力测量弹簧的影响[李家明，胡国庆，姚植桂等.DZW-II型微伽重力仪的改进设计[J].大地测量与地球动力学，2005，25(4)：127-132]。但零长弹簧制作工艺复杂，成品率低，阻尼液一方面可以抑制垂直加速度干扰，另一方面会带来较大的滞后效应，严重影响重力测量的实时性。到目前为止，从重力敏感单元内部结构上对垂直加速度干扰进行抑制的还不多见。

本发明利用扭转弹簧的非线性效应，采用石英弹簧作为主测量弹簧，设计了一种长周期垂直隔振的海洋重力敏感器，从重力敏感单元内部结构上抑制垂直干扰加速度的影响，降低敏感器对信号检测与控制的要求，同时避免强阻尼带来的滞后效应。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于具有垂直隔振特性的长周期垂直隔振的海洋重力敏感器。

本发明的目的是这样实现的：

一种长周期垂直隔振的海洋重力敏感器，包括主测量弹簧、质量块、两根拉丝、摆杆、细杆、六根长拉丝、圆筒支撑框架、检验质量块、两对电容极板、附加质量块、扭转弹簧，其特征在于：主测量弹簧采用直立悬挂方式，上端与质量块相连，质量块两侧对称连接两根拉丝，两根拉丝的另一端连在摆杆上端五分之一处；主测量弹簧下端与细杆相连，所述的细杆上端三分之一处对称连接六根拉丝，拉丝的另一端与圆筒支架上沿的六个均分处相连；细杆下端与检测质量块相连，检测质量块上下左右放置四个相同的电容极板构成两对电容，形成了两对相互垂直的电容。

在摆杆拉丝连接点上侧安装附加质量块。

摆杆通过扭转弹簧与圆筒支架相连，扭转弹簧对称焊接在圆筒支架上沿。

本发明的有益效果在于：本发明利用扭转弹簧的几何非线性效应延长系统的共振周期，从重力敏感单元内部结构上抑制垂直干扰加速度的影响，如在摆杆上附加质量抑制垂直干扰加速度的影响，减小重力测量的滞后效应；圆筒形支架抑制水平加速度对主测量弹簧的影响；装置易于小型化。

附图说明

图1是重力敏感器总体结构图

图2是海洋重力敏感器工作流程图

图3是长周期垂直隔振的重力敏感器几何模型

图4是重力敏感器对基座垂直振动的响应曲线

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明的长周期垂直隔振的海洋重力敏感器主体包括：1.主测量弹簧，2.质量块，3.两根短拉丝，4.摆杆，5.轻质细杆，6.六根长拉丝，7.圆筒支撑框架，8.检验质量块，9.两对电容极板，10.附加质量块11.扭转弹簧。外部设备由A/D模块、FPGA模块、D/A模块、驱动电路、电容位移检测系统和静电驱动电路组成。

1、所述的长周期垂直隔振的海洋重力敏感器主体包括：1.主测量弹簧，2.质量块，3.两根短拉丝，4.摆杆，5.轻质细杆，6.六根长拉丝，7.圆筒支撑框架，8.检验质量块，9.两对电容极板，10.附加质量块11.扭转弹簧。总体几何结构具有轴对称性。

2、所述的主测量弹簧1采用直立悬挂方式，其上端与质量块2相连，质量块2两侧对称连接两根拉丝3，两根拉丝3的另一端连在摆杆4上端五分之一处。

3、所述的主测量弹簧1下端与轻质细杆5相连，所述的轻质细杆5上端三分之一处对称连接六根拉丝，拉丝6的另一端与圆筒支架7上沿的六个均分处相连。

4、所述的轻质细杆5下端与检测质量块8相连。检测质量块8上下左右放置四个相同的电容极板9构成两对电容，这样形成了两对相互垂直的电容。当检验质量块8在重力变化或外界扰动力的作用下偏离中间位置时，两个敏感电容不相等，电容检测系统中的电桥平衡遭到破坏，桥路的这种不平衡输出经前置放大和信号调理后输入锁相放大电路，锁相放大的参考信号来自信号源。在锁相放大的参考回路中添加移相电路，使调理电路输出与信号源输出信号相位一致，获得最大的电容检测灵敏度。

5、由于所述的摆杆4质量不为零，基座振动加速度会直接耦合进系统，使其高频隔振性能变坏。在摆杆4拉丝连接点上侧安装附加质量10，抑制摆杆质量不为零对高频隔振性能的影响。

6、所述的摆杆4通过扭转弹簧11与圆筒支架7相连，所述的扭转弹簧11对称焊接在圆筒支架上沿。

本发明的一种长周期垂直隔振的海洋重力敏感器主体包括：1.主测量弹簧，2.质量块，3.两根短拉丝，4.摆杆，5.轻质细杆，6.六根长拉丝，7.圆筒支撑框架，8.检验质量块，9.两对电容极板，10.附加质量块11.扭转弹簧。外部设备由A/D模块、FPGA模块、D/A模块、驱动电路、电容位移检测系统和静电驱动电路组成。所述的长周期垂直隔振海洋重力敏感器结构上具有轴对称性。

1.所述的主测量弹簧1采用石英材料制成，悬挂方式为直立式，其上端通过金属挂钩与质量块2相连，质量块两侧对称连接两根长度相同的短拉丝3，两根拉丝的另一端分别连在两个摆杆4上端五分之一处。

2.所述的主测量弹簧1下端与轻质细杆5相连，所述的轻质细杆上端三分之一处对称连接六根拉丝6，拉丝的另一端与圆筒支架7上沿的六个均分处相连。

3.所述的轻质细杆5下端与检测质量块8相连。检测质量块与轻质细杆采用一体化加工技术，克服螺钉连接产生的滑动，检测质量上下左右放置四个相同的电容极板构成两对电容，这样形成了两对相互垂直的电容。当检验质量在重力变化或外界扰动力的作用下偏离中间位置时，两个敏感电容不相等，电容检测系统中的电桥平衡遭到破坏，桥路的这种不平衡输出经前置放大和信号调理后输入锁相放大电路，锁相放大的参考信号来自信号源。在锁相放大的参考回路中添加移相电路，使调理电路输出与信号源输出信号相位一致，获得最大的电容检测灵敏度。

4.所述的两根支撑摆杆4分别通过扭转弹簧11与圆筒支架7相连，所述的扭转弹簧对称焊接在圆筒支架上沿。

5.所述的摆杆4质量不为零，基座振动加速度会直接耦合进系统，使其高频隔振性能变坏。在摆杆4拉丝连接点上侧安装附加质量10，抑制摆杆质量不为零对高频隔振性能的影响。

6.利用扭转弹簧的非线性效应延长系统共振周期，提升重力敏感器对垂直干扰加速度的抑制能力。对称性结构设计、拉丝与水平方向电容极板等的限制及静电反馈控制的作用，保证检测质量块8沿仪器敏感轴移动，抑制交叉耦合效应及水平加速度干扰的影响。

长周期垂直隔振的海洋重力敏感器主体及其微位移检测电路放置在圆筒支撑框架中，检测质量8受的重力由主测量弹簧1的弹性力所平衡，重力变化及各种垂直干扰加速度产生的惯性力使主测量弹簧长度变化，质量块产生相应位移，此位移由微位移检测电路中的差动电容位移传感器检测，检测到的位移信号经微位移检测电路中的外电路放大，放大后的模拟信号经A/D转换器转换成数字信号，数字信号经过FPGA模块中的PID调节后，由加力电容产生静电力平衡重力变量及扰动力，数据采集系统对产生静电力的反馈电压进行检测和处理获得重力变化信息，实际利用该装置测量重力变化信息的工作流程如图2所示。

长周期垂直隔振的重力敏感器简化几何模型如图3所示，检验质量设为M，摆杆质量为m_a，长为a，摆杆上附加质量块的质量为m_b，距离摆杆旋转端点为b，悬丝的长度为l，悬挂点距离摆杆旋转端点为c，主测量弹簧的弹性系数为k。建立oxy坐标系作为惯性系，设重力敏感器基座沿垂向振动位移为y_g，由此引起的m相对于其静止位置的响应位移为d，M相对于其静止位置的响应位移为u，摆杆与x轴夹角为α。系统的运动微分方程为

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·\·}{d}+\mathrm{\ξ}\stackrel{\·}{d}+{\mathrm{\ω}}_0^{2}d={\mathrm{\β}\stackrel{\·\·}{y}}_g+{\mathrm{\ξ}\stackrel{\·}{y}}_g+{\mathrm{\ω}}_0^2{y}_g\\ M\stackrel{\·\·}{u}+k(u-d)=0\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中， $\mathrm{\β}=\frac{\frac{{2m}_b{b}^2}{m}+\frac{2}{3m}{m}_a{a}^2-\frac{{2\mathrm{bm}}_b}{m}{y}_c^{\′}\left({\mathrm{\α}}_0\right)\cos {\mathrm{\α}}_0-\frac{m_a{\mathrm{ay}}_c^{\′}\left({\mathrm{\α}}_0\right)}{m}\cos {\mathrm{\α}}_0}{y_c^{\′2}+\frac{{2m}_b{b}^2}{m}+\frac{2}{3m}+m_a{a}^2},$

${\mathrm{\ω}}_0^2=\frac{{\mathrm{gy}}_c^{\′\′}\left({\mathrm{\α}}_0\right)+2K/m-\frac{(m_a\mathrm{ga}+{2m}_b\mathrm{gb})}{m}\sin \mathrm{\α}}{y_c^{\′2}+\frac{{2m}_b{b}^2}{m}+\frac{2}{3m}{m}_a{a}^2},\mathrm{\ξ}=-\frac{(\frac{{2m}_b{b}^2}{m}+\frac{2}{3m}{m}_a{a}^2)y_c^{\′\′}\left({\mathrm{\α}}_0\right){\stackrel{\·}{y}}_c}{y_c^{\′2}+\frac{{2m}_b{b}^2}{m}+\frac{2}{3m}{m}_a{a}^2}.$

α是装置的工作角，ω₀是该装置的共振频率，ξ为装置阻尼因子，α₀为装置静止时的工作角。

利用系统平衡条件2K(φ-α₀)+am_agcosα₀+2m_bbg cosα₀+mgy′_c(α₀)＝0，得到系统共振周期的表达式为

$\begin{array}{c}T=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\ω}}_0}=2\mathrm{\π}\sqrt{-\frac{(y_c^{\′2}+\frac{{2m}_b{b}^2}{m}+\frac{2}{3m}{m}_a{a}^2)}{[\frac{(m_a\mathrm{ga}+{2m}_b\mathrm{gb})}{m}\sin {\mathrm{\α}}_0-{\mathrm{gy}}_c^{\′\′}\left({\mathrm{\α}}_0\right)-2K/m]}}=\\ 2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{-(\mathrm{\φ}-{\mathrm{\α}}_0)y_c^{\′2}\left({\mathrm{\α}}_0\right)+\frac{m_a{\mathrm{gay}}_c^{\′}\left({\mathrm{\α}}_0\right)(\frac{2}{3}a-y_c^{\′}\left({\mathrm{\α}}_0\right)\cos {\mathrm{\α}}_0)+m_b{\mathrm{gby}}_c^{\′}\left({\mathrm{\α}}_0\right)[b-y_c^{\′}\left({\mathrm{\α}}_0\right)\cos {\mathrm{\α}}_0]}{2K}}{g[y_c^{\′}\left({\mathrm{\α}}_0\right)-y_c^{\′\′}\left({\mathrm{\α}}_0\right)(\mathrm{\φ}-{\mathrm{\α}}_0)]-(m_a\mathrm{ga}+{2m}_b\mathrm{gb})\frac{y_c^{\′\′}\left({\mathrm{\α}}_0\right)\cos {\mathrm{\α}}_0+\sin {\mathrm{\α}}_0{y}_c^{\′}\left({\mathrm{\α}}_0\right)}{2K}}}\end{array}---\left(2\right)$

为简化表示式(2)，令m_a＝m_b＝0

$T=\sqrt{\frac{(\mathrm{\φ}-{\mathrm{\α}}_0)y_c^{\′2}\left({\mathrm{\α}}_0\right)}{g[y_c^{\′}\left({\mathrm{\α}}_0\right)-y_c^{\′\′}\left({\mathrm{\α}}_0\right)(\mathrm{\φ}-{\mathrm{\α}}_0)]}}---\left(3\right)$

除重力加速度g外，周期仅与几何结构参数有关，由于y′_c(α₀)和y″_c(α₀)同时存在，在其他几何结构参数确定的情况下，从理论上讲通过调节应力角φ-α₀和选择适当的工作角α₀，总能使系统的共振周期任意长。由于y′_c(α₀)和y″_c(α₀)是的非线性函数，它们只与系统的几何参数有关，所以系统能够实现长共振周期的根本原因在于扭转弹簧的几何非线性效应。

仿真分析得到的一种周期垂直隔振的重力敏感器对基座垂直振动的响应曲线如图4所示。图4中上面红线表示的是没有垂直隔振部分的普通弹簧-质量块重力敏感器的隔振率曲线，下面蓝线表示的是带有长周期垂直隔振的重力敏感器隔振率曲线。由图4可知，相比于普通的圆柱对称型重力敏感器，带有长周期垂直隔振的重力敏感器对较低频到高频很宽范围内的基座振动有显著的抑制作用。

Claims (3)

1.一种长周期垂直隔振的海洋重力敏感器，包括主测量弹簧(1)、质量块(2)、两根拉丝(3)、摆杆(4)、细杆(5)、六根长拉丝(6)、圆筒支撑框架(7)、检验质量块(8)、两对电容极板(9)、附加质量块(10)、扭转弹簧(11)，其特征在于：主测量弹簧采用直立悬挂方式，上端与质量块相连，质量块两侧对称连接两根拉丝，两根拉丝的另一端连在摆杆上端五分之一处；主测量弹簧下端与细杆相连，所述的细杆上端三分之一处对称连接六根拉丝，拉丝的另一端与圆筒支架上沿的六个均分处相连；细杆下端与检测质量块相连，检测质量块上下左右放置四个相同的电容极板构成两对电容，形成了两对相互垂直的电容。

2.根据权利要求1所述的一种长周期垂直隔振的海洋重力敏感器，其特征在于：在摆杆拉丝连接点上侧安装附加质量块。

3.根据权利要求2所述的一种长周期垂直隔振的海洋重力敏感器，其特征在于：摆杆通过扭转弹簧与圆筒支架相连，扭转弹簧对称焊接在圆筒支架上沿。