CN104216024B - 一种用于动态重力仪的主动阻尼定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于动态重力仪的主动阻尼定位装置，至少包括阻尼线圈、PID控制器和隔震机构，管状质量块底部设有一个环形的定位槽，阻尼线圈固定于定位槽内，阻尼线圈位于检测线圈一侧，PID控制器位于重力仪壳体外围，PID控制器通过通信线路分别与电容位移传感器和阻尼线圈相连，隔震机构包括陀螺稳定平台、第一超长弹簧、第二超长弹簧和基座框架，重力仪壳体固定安装在陀螺稳定平台之上，重力仪壳体位于基座框架内，陀螺稳定平台的上表面与基座框架的顶部通过第一超长弹簧、第二超长弹簧柔性连接。该装置能够获得较大的阻尼系数，解决了传统动态重力仪因采用空气阻尼或液体阻尼带来的诸多问题，提高了动态重力仪的测量精度，可改善其长期稳定性。

Description

一种用于动态重力仪的主动阻尼定位装置

技术领域

本发明涉及重力测量装置，尤其是涉及一种用于动态重力仪的主动阻尼定位装置。

背景技术

动态重力仪在工作过程中不可避免地会受到载体加速度的影响，扰动源为波浪、舰船动力设备或飞机引擎，因此，重力仪的输出值实际上是重力加速度和垂直扰动加速度的叠加，而且后者的强度比前者要大几万倍甚至几十万倍，必须设法将垂直扰动加速度从仪器的输出信号中剔除。由于垂直扰动加速度具有周期性的特点，而且其周期远小于重力的异常周期，所以动态重力仪往往通过对采样质量施加强阻尼的方法大幅度压缩由垂直扰动加速度引起的采样质量的位移，进而减弱垂直扰动加速度对测量精度的影响。

美国Micro-g LaCoste Scintrex公司(LRS)研制的Air-Sea Gravity SystemⅡ型海洋重力仪采用空气阻尼器实现对采样质量扰动位移的衰减，但空气阻尼器难以获得大的阻尼系数，而且由于空气的可压缩性，当系统的振动周期较短时，空气阻尼的工作就好比一个附加的弹簧，不但没有衰减振幅的作用，反而会对振幅进行放大。

后来，人们研发了液体阻尼代替空气阻尼应用于动态重力仪。如日本东京大学国家极地研究所与海洋研究所共同研制的Nipzori-2型海洋重力仪以及中国科学院测量与地球物理研究所于1985年研制成功的CHZ型海洋重力仪均采用液体阻尼。又如《海洋重力仪敏感组件的温度特性分析与补偿》(李宏生、副教授、东南大学仪器科学与工程系210096)公开了一种海洋重力仪的零长弹簧重力传感结构，该零长弹簧重力传感结构采用液体阻尼，与空气阻尼相比，前者更易于获得大的阻尼系数，但由于液体与该海洋重力仪中采样质量材料的热膨胀系数相差很大，采用液体阻尼会增大仪器的温度系数，进而降低仪器的测量精度。该海洋重力仪的工作温度与存储温度通常相差20℃以上，密封罐内液体的体积会随着温度的变化膨胀或收缩，必须设置体积补偿装置来补偿液体体积的变化，增加了系统的复杂性，且体积膨胀导致密封罐内压力增大，长期工作易出现阻尼液渗漏，影响仪器的长期稳定性。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种动态相对重力仪减振定位装置，该装置能够获得较大的阻尼系数，有效抑制运动载体的振动干扰以及一举解决传统动态重力仪因采用空气阻尼或液体阻尼带来的诸多问题，进而提高动态重力仪的测量精度，改善其长期稳定性。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

一种用于动态重力仪的主动阻尼定位装置，至少包括重力仪壳体、永久磁钢、测量弹簧、管状质量块、缠绕在管状质量块底部的检测线圈、电容位移传感器、阻尼线圈、控制阻尼线圈的PID控制器和隔震机构，(电容位移传感器是原重力仪的一部分，但是它的确对主动阻尼起到作用，但对主动阻尼起作用的不止电容位移传感器，还有测量弹簧、管状质量块等，因此为避免不准确，去掉主动阻尼机构，在说明书中进行说明)管状质量块的底部设有一个环形的定位槽，阻尼线圈固定于定位槽内，阻尼线圈位于检测线圈一侧且靠近检测线圈，PID控制器位于重力仪壳体外围，PID控制器通过通信线路分别与电容位移传感器和阻尼线圈相连，阻尼线圈和永久磁钢构成阻尼执行器，隔震机构包括陀螺稳定平台、第一超长弹簧、第二超长弹簧和与运动载体刚性连接的基座框架，重力仪壳体固定安装在陀螺稳定平台之上，重力仪壳体位于基座框架内，基座框架、重力仪壳体竖直方向的对称轴与陀螺稳定平台竖直方向的稳定轴在同一条直线上，重力仪壳体竖直方向的对称轴位于测量弹簧的轴线上，陀螺稳定平台的上表面与基座框架的顶部通过第一超长弹簧、第二超长弹簧柔性连接，第一超长弹簧、第二超长弹簧的轴线均位于同一通过基座框架竖直方向的对称轴所在的平面内，第一超长弹簧、第二超长弹簧到基座框架竖直方向的对称轴的距离相等。

所述隔震机构还包括第一阻尼器和第二阻尼器，第一阻尼器、第二阻尼器对称安装于陀螺稳定平台与基座框架的底部之间，第一阻尼器的上、下两侧对称设有第一万向节和第二万向节，第一万向节位于第一阻尼器与陀螺稳定平台之间，第二万向节位于第一阻尼器与基座框架的底部之间，第二阻尼器的上、下两侧对称设有第三万向节和第四万向节，第三万向节位于第二阻尼器与陀螺稳定平台之间，第四万向节位于第二阻尼器与基座框架的底部之间。

基座框架和重力仪壳体呈圆柱状，基座框架、重力仪壳体的旋转轴与陀螺稳定平台竖直方向的稳定轴在同一条直线上。

由重力仪的测量原理可知，重力敏感组件实质上就是由电容位移传感器、检测弹簧和质量块和阻尼机构构成的系统，其目的在于检测因重力异常引起的质量块位移(即动片相对于两定片的位置变化)，同时将由垂直扰动加速度引起的质量块位移尽可能压缩(理想情况是在受扰动加速度作用时动片与定片之间的相对位置保持不变)。为了压缩由垂直扰动加速度引起的质量块的位移以及保证垂直扰动加速度作用于电容位移传感器时保持动片与定片的相对位置不变，该装置在原有重力仪的管状质量块底部上增加一个阻尼线圈，再增加一个控制阻尼线圈的外围设备PID控制器，阻尼线圈、PID控制器和重力仪原有的部件共同构成主动阻尼机构，该主动阻尼机构代替液体阻尼或空气阻尼。在来自运动载体振动干扰时，会引起检测弹簧伸长量的变化，从而引起管状质量块相对位移的变化，进而引起电容位移传感器电容的变化，电容位移传感器对获得的管状质量块的相对位移变化进行处理后得到电容变化值△C，电容位移传感器再将电容变化值△C输送到PID控制器，经PID控制器处理后将控制信号以电流的形式输送给阻尼执行器的阻尼线圈，该电流与感应电流同向，使得阻尼线圈在永久磁钢产生的磁场中受到与管状质量块运动方向相反的安培力的作用，该安培力即为主动阻尼力，该主动阻尼力用来抵消运动载体震动干扰产生的干扰力，尽可能减小因干扰力引起测量弹簧伸长量的变化。

当遇到运动载体的高频振动干扰时，在高频振动干扰传递至重力仪壳体之前必须对其进行大幅度衰减，如不进行衰减，直接用主动阻尼机构进行阻尼会引起很大的误差。本发明采用隔震机构对来自运动载体的高频振动干扰传递至重力仪壳体前对其进行大幅度衰减，由于隔震机构中的基座框架与陀螺稳定平台之间通过超长弹簧和阻尼器柔性连接，超长弹簧具有低刚度特性。阻尼器两侧均装有万向节，万向节可以改变阻尼器的方向，使陀螺稳定平台既能获得垂向阻尼，又能获得水平向阻尼。由此可见，隔振机构的作用机理类似于低通滤波器，基于超长弹簧的低刚度特性，该隔振机构的垂向固有频率可做到不大于5Hz；基于摆的水平向低刚度特性，该被动隔振机构的水平向固有频率可做到不大于2Hz。

与现有技术相比，本发明的有益效果与优点在于：

1)该装置机构相对简单，所用的零部件均比较常见，且价格低廉，因而该装置的成本较低廉。

2)该装置充分利用动态重力仪已有的部件，在不增加重力仪系统结构复杂性的同时，能较好地抑制或衰减垂直扰动加速度，克服了动态重力仪传统阻尼方式的缺点，提高了重力仪测量精度和长期稳定性。

3)该装置的隔震机构能在运动载体高频振动干扰传递至重力仪壳体前对其进行大幅度衰减，进一步提高了动态重力仪测量的精度和稳定性。

4)该装置使用方便，而且能避免液体阻尼因阻尼液渗透引起的重力仪的报废，提高了动态重力仪的使用寿命。

附图说明

图1为本发明提供的用于动态重力仪的主动阻尼定位装置的结构示意图。

其中：管状质量块1、电容动片2、电容定片组件3、上定片4、下定片5、重力仪壳体6、张紧丝7、基座框架8、第一超长弹簧9、第二超长弹簧9、永久磁钢10、陀螺稳定平台11、第一阻尼器12、第二阻尼器12、阻尼线圈13、测量弹簧14、绷紧弹簧15、第一万向节16、第二万向节16、第三万向节16、第四万向节16、PID控制器17、检测线圈18。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体说明。

本发明提供的用于动态重力仪的主动阻尼定位装置的结构如图1所示，至少包括重力仪壳体6、永久磁钢10、测量弹簧14、管状质量块1、缠绕在管状质量块1底部的检测线圈18和电容位移传感器。电容位移传感器包括电容定片组件3和与管状质量块1上端固定连接的电容动片2，电容定片组件3由上定片4和下定片5组成，上定片4和下定片5的中心部位中空。上定片4和下定片5均与重力仪壳体6的顶部刚性连接，电容动片3位于上定片4和下定片5之间。电容动片2材料是微晶玻璃，上定片4和下定片5材料为铅黄铜。管状质量块1的底部通过垂直悬挂的测量弹簧14与重力仪壳体6的顶部柔性连接，测量弹簧14穿过电容定片组件3中心部位，管状质量块1通过两侧的绷紧弹簧15和张紧丝7在水平方向上固定。

该装置包括阻尼线圈13和控制阻尼线圈的PID控制器17，阻尼线圈、PID控制器和重力仪原有的部件共同构成主动阻尼机构，该主动阻尼机构所产生的主动阻尼与传统重力仪的液体阻尼或空气阻尼的作用相同，用来消除由垂直扰动加速度引起的质量块的位移以及保证垂直扰动加速度作用于电容位移传感器时保持动片与定片的相对位置不变。管状质量块的底部设有一个环形的定位槽，阻尼线圈13固定于定位槽内，阻尼线圈13位于检测线圈18的下侧，且靠近检测线圈18，PID控制器17位于动态重力仪外围，PID控制器17通过通信线路分别与电容位移传感器和阻尼线圈13相连。阻尼线圈13和永久磁钢构成阻尼执行器。阻尼线圈作为阻尼执行器的动子，永久磁钢则作为阻尼执行器的定子，动子处于定子的磁场中，二者共同构成阻尼执行器。

为实现运动载体高频振动干扰传递至重力仪壳体前对其进行大幅度衰减，该装置还设置了隔震机构，隔震机构包括陀螺稳定平台11、第一超长弹簧9、第二超长弹簧9与运动载体刚性连接的基座框架8和第一阻尼器12、第二阻尼器12。重力仪壳体6固定安装在陀螺稳定平台8之上，陀螺稳定平台伸出重力仪壳体6的边缘外，重力仪壳体6位于基座框架8内。由于动态重力仪整体基本上都呈圆柱状，因而重力仪壳体6和基座框架8均呈圆柱状。基座框架8、重力仪壳体6的旋转轴与陀螺稳定平台11竖直方向的稳定轴在同一条直线上。陀螺稳定平台11的上表面与基座框架8的顶部通过第一超长弹簧9、第二超长弹簧9柔性连接，第一超长弹簧9、第二超长弹簧9的轴线均位于同一通过基座框架8竖直方向的对称轴所在的平面内，第一超长弹簧9、第二超长弹簧9到基座框架8竖直方向的对称轴的距离相等，第一阻尼器12、第二阻尼器12对称安装于陀螺稳定平台11与基座框架8的底部之间，第一阻尼器12的上、下两侧对称设有第一万向节16和第二万向节16，第一万向节16位于第一阻尼器与陀螺稳定平台11之间，第二万向节16位于第一阻尼器与基座框架8的底部之间，第二阻尼器12的上、下两侧对称设有第三万向节16和第四万向节16，第三万向节16位于第二阻尼器12与陀螺稳定平台11之间，第四万向节16位于第二阻尼器12与基座框架8的底部之间。阻尼器与万向节之间为刚性，万向节与基座框架、万向节与陀螺稳定平台之间均为刚性连接。连接本实施例中阻尼器采用活塞式液压阻尼杆，万向节采用刚性双联式万向节。

本发明提供的用于动态重力仪的主动阻尼定位装置的工作原理如下：

在来自运动载体振动干扰时，运动载体的振动干扰经陀螺稳定平台传递至重力仪壳体，由于电容位移传感器电容定片组件的上定片和下定片均与重力仪壳体的顶部刚性连接，会使上定片和下定片产生与干扰源频率及振幅相同的振动，而由于电容动片装在管状质量块上，管状质量块的底部通过垂直悬挂的测量弹簧与重力仪壳体的顶部柔性连接，检测弹簧受运动载体的振动干扰会引起伸长量的变化，从而导致电容动片产生相对于电容定片组件的位移，进而引起电容位移传感器电容的变化，电容位移传感器对获得的管状质量块的相对位移变化进行处理后得到电容变化值△C，电容位移传感器再将电容变化值△C输送到PID控制器，经PID控制器处理后将控制信号以电流的形式输送给阻尼执行器的阻尼线圈，该电流与感应电流同向，使得阻尼线圈在永久磁钢产生的磁场中受到与管状质量块运动方向相反的安培力的作用，该安培力即为主动阻尼力。该主动阻尼力用来抵消运动载体震动干扰产生的干扰力，尽可能减小因干扰力引起测量弹簧伸长量的变化。与此同时，检测线圈也会受到与管状质量块运动方向相反的安培力的作用，但是由于振动干扰源具有幅度大(通常为所需测量重力加速度的几万倍甚至几十万倍)，周期短(相对于重力变化周期而言)的特点，以船载动态重力仪为例，在风力为2-4级，浪高小于1米的情况下(一般海况)，垂向扰动加速度可达到50-100伽；而在风力为4-7级，浪高小于5米时(恶劣海况)，垂向扰动加速度竟达到200伽。在同等海况下，水平扰动加速度大小为以上各值的一半。而重力仪的测量精度为1豪伽，分辨率为0.01豪伽，如果不采取适当的措施抑制扰动加速度，则重力加速度异常信号会完全湮没在干扰信号中，无法从检测线圈测量的结果中提取有用信号。因此，该装置在原有重力仪的管状质量块底部上增加一个阻尼线圈，使阻尼线圈产生一个主动阻尼力来抑制扰动加速度，从而使该装置能准确地测量重力加速度的变化值。

当遇到运动载体的高频振动干扰时，在高频振动干扰传递至重力仪壳体之前必须对其进行大幅度衰减，如不进行衰减，直接用主动阻尼机构进行阻尼会引起很大的误差。该装置采用隔震机构对来自运动载体的高频振动干扰传递至重力仪壳体前对其进行大幅度衰减，由于隔震机构中的基座框架与陀螺稳定平台之间通过超长弹簧和阻尼器柔性连接，超长弹簧具有低刚度特性，阻尼器两侧均装有万向节，万向节可以改变阻尼器的方向，使陀螺稳定平台既能获得垂向阻尼，又能获得水平向阻尼。由此可见，隔振机构的作用机理类似于低通滤波器，基于超长弹簧的低刚度特性，该隔振机构的垂向固有频率可做到不大于5Hz；基于摆的水平向低刚度特性，该被动隔振机构的水平向固有频率可做到不大于2Hz。

Claims (3)

1.一种用于动态重力仪的主动阻尼定位装置，至少包括重力仪壳体(6)、永久磁钢(10)、测量弹簧(14)、管状质量块(1)、固定在管状质量块(1)底部的检测线圈(18)和电容位移传感器，其特征在于：还包括阻尼线圈(13)、控制阻尼线圈(13)的PID控制器(17)和隔震机构，管状质量块的底部设有一个环形的定位槽，阻尼线圈(13)固定于定位槽内，阻尼线圈(13)位于检测线圈(18)一侧且靠近检测线圈(18)，PID控制器(17)位于重力仪壳体(6)外围，PID控制器(17)通过通信线路分别与电容位移传感器和阻尼线圈(13)相连，阻尼线圈(13)和永久磁钢(10)构成阻尼执行器，隔震机构包括陀螺稳定平台(11)、第一超长弹簧(9)、第二超长弹簧(9)和与运动载体刚性连接的基座框架(8)，重力仪壳体(6)固定安装在陀螺稳定平台(11)之上，重力仪壳体(6)位于基座框架内，基座框架、重力仪壳体(6)竖直方向的对称轴与陀螺稳定平台(11)竖直方向的稳定轴在同一条直线上，重力仪壳体(6)竖直方向的对称轴位于测量弹簧(14)的轴线上，陀螺稳定平台(11)的上表面与基座框架(8)的顶部通过第一超长弹簧(9)、第二超长弹簧(9)柔性连接，第一超长弹簧(9)、第二超长弹簧(9)的轴线均位于同一通过基座框架(8)竖直方向的对称轴所在的平面内，第一超长弹簧(9)、第二超长弹簧(9)到基座框架(8)竖直方向的对称轴的距离相等。

2.根据权利要求1所述的一种用于动态重力仪的主动阻尼定位装置，其特征在于：所述隔震机构还包括第一阻尼器(12)和第二阻尼器(12)，第一阻尼器(12)、第二阻尼器(12)对称安装于陀螺稳定平台(11)与基座框架(8)的底部之间，第一阻尼器(12)的上、下两侧对称设有第一万向节(16)和第二万向节(16)，第一万向节(16)位于第一阻尼器(12)与陀螺稳定平台之间，第二万向节(16)位于第一阻尼器(12)与基座框架(8)的底部之间，第二阻尼器(12)的上、下两侧对称设有第三万向节(16)和第四万向节(16)，第三万向节(16)位于第二阻尼器(12)与陀螺稳定平台之间，第四万向节(16)位于第二阻尼器(12)与基座框架(8)的底部之间。

3.根据权利要求1所述的用于动态重力仪的主动阻尼定位装置，其特征在于：基座框架和重力仪壳体(6)呈圆柱状，基座框架(8)、重力仪壳体(6)的旋转轴与陀螺稳定平台(11)竖直方向的稳定轴在同一条直线上。