CN104295658A - 一种基于静电负刚度的低频隔振系统及隔振方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于静电负刚度的低频隔振系统及隔振方法，包括外框架、位于外框架底部的调平装置、置于外框架内的机械弹簧、位于外框架的上端一定距离处的隔振平板、第一电容极板和第二电容极板固定设置于外框架的侧壁上；在机械弹簧沿其径向固定设置一中间电容极板，且使其位于第一电容极板和所述第二电容极板的中间位置；第一电容极板和中间电容极板构成第一电容C1，第二电容极板和中间电容极板构成第二电容C2，由此构成差分电容对；电源为第一电容极板、第二电容极板和中间电容极板分别供应适当电压，则该差分电容对会产生等效的静电负刚度，静电负刚度抵消机械弹簧的机械刚度使得整个弹簧系统的总的刚度降低，从而实现对低频振动的隔离效果。

Description

一种基于静电负刚度的低频隔振系统及隔振方法
技术领域
本发明属于重力仪技术领域，更具体地，涉及一种基于静电负刚度的弹簧隔振系统及隔振方法。
背景技术
隔振系统是绝对重力仪的核心部件之一，隔振系统的性能直接影响绝对重力仪的精度水平，并且隔振系统在航空航天、光学、机械加工、医疗及制造业等领域也有广泛的应用。
弹簧隔振系统是最常见的隔振系统之一，目前长周期弹簧隔振系统主要有主动隔振系统和机械负刚度弹簧隔振系统，主动隔振系统典型代表是美国Micro-g LaCoste公司的超长弹簧系统，它利用激光检测被隔振对象的相对运动，通过磁反馈补偿该运动，保持被隔振对象的相对静止，达到隔离低频振动的效果；机械负刚度弹簧隔振系统的典型代表是美国MinusK隔振台，它利用机械负刚度弹簧抵消主支撑弹簧的刚度，降低整个系统的刚度，达到隔离低频振动的效果。无论是超长弹簧还是MinusK隔振台，它们的机械结构和系统都非常复杂，需要精密的设计和加工机械系统等。
若想隔离低频振动噪声，就需要弹簧的谐振周期越长越好。但是弹簧的谐振周期越长，就需要弹簧的几何尺寸越长，实际中弹簧的几何尺寸有限，因此弹簧隔振系统的谐振周期通常不会太长，达不到几秒甚至几十秒，无法实现更低频率的隔振。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于静电负刚度的低频隔振系统，其目的在于克服普通机械弹簧几何尺寸的限制，实现弹簧隔振系统在低频隔振中的应用；同时整个系统结构简单，不需要主动反馈与精密的机械设计和加工就能达到同样的隔振效果。
本发明提供了一种基于静电负刚度的低频隔振系统，包括：外框架、位于所述外框架底部的调平装置、位于所述外框架上端的隔振平板、位于所述外框架内且一端与所述外框架底面固定连接，另一端与所述隔振平板固定连接的机械弹簧、沿所述机械弹簧的径向并与其固定连接的中间电容极板、与所述外框架侧壁固定连接且以所述中间电容极板为中心对称设置的第一电容极板和第二电容极板、以及用于给所述第一电容极板、第二电容极板和所述中间电容极板施加电压的电源；所述第一电容极板和所述中间电容极板构成第一电容C1，所述第二电容极板和所述中间电容极板构成第二电容C2，使得所述第一电容C1和所述第二电容C2构成差分电容对；通过给所述第一电容极板和第二电容极板施加极性相反大小相等的直流电压，给中间电容极板施加交流电压，利用差分电容对中产生的静电负刚度去抵消所述机械弹簧的刚度，从而实现对低频振动的隔离。
更进一步地，所述第一电容极板和所述第二电容极板的结构相同，均为圆环状薄板结构；这种圆环状结构能够增大电容极板的正对面积，在施加电压相同的情况下能够获得更大的静电负刚度，提升隔振效果。
更进一步地，所述电源为所述中间电容极板施加交流电压，所述电源为所述第一电容极板和所述第二电容极板施加直流电压。第一电容极板和第二电容极板会对中间电容极板产生静电力的作用，该静电力中包含两部分：与中间电容极板偏离其平衡位置位移有关的力和与中间电容极板偏离其平衡位置位移无关的力。如果中间电容极板上仅施加交流电压(无直流电压)，则该静电力就只剩下与中间电容极板偏离其平衡位置位移有关的力，此时可以将施加电压的差分电容对看成一个静电弹簧，并且由于该静电弹簧的作用效果与机械弹簧的作用效果相反，因此该静电弹簧的刚度可以称为静电负刚度。利用该静电负刚度去抵消机械弹簧的机械刚度，则整个弹簧隔振系统总的等效刚度降低了，即弹簧隔振系统总的等效谐振频率降低了，能够对更低频率的振动进行隔离。
更进一步地，所述中间电容极板与所述机械弹簧沿其径向固定设置并且与第一电容极板和第二电容极板的距离相等。
本发明在机械弹簧隔振系统的基础上，增加差分电容对形成静电负刚度抵消部分机械弹簧的刚度，从而达到降低整个弹簧系统总刚度的效果，实现对低频振动的隔离，解决低频隔振的难点问题。
本发明还提供了一种基于上述的低频隔振系统的隔振方法，包括下述步骤：
(1)通过给中间电容极板施加交流电压并同时给第一电容极板和第二电容极板施加极性相反大小相等的直流电压Vdc，使得所述中间电容极板往所述第一电容极板或所述第二电容极板的方向运动；
(2)通过调整所述交流电压和所述直流电压Vdc的大小，使得由所述第一电容极板、所述第二电容极板和所述中间电容极板构成的差分电容对的静电负刚度去抵消所述机械弹簧的刚度，从而降低整个弹簧系统的总刚度，实现对低频振动的隔离。
更进一步地，所述差分电容对对所述中间电容极板的静电力根据公式获得；其中，Fe为静电力，为施加在中间电容极板上交流电压的有效值，d0为中间电容极板位于第一电容极板和第二电容极板的中间位置时距离两边极板的距离，Vdc为施加在第一电容极板和第二电容极板上直流电压的值，C0为中间电容极板位于第一电容极板和第二电容极板的中间位置时中间电容极板与第一电容极板和第二电容极板所形成的相等大小的电容值，x为中间电容极板偏离中间位置的距离。该静电力Fe与中间电容极板的位置成正比，并且该静电力的作用效果是将中间电容极板往第一电容极板或者第二电容极板拉，可以等效为一个静电弹簧，其作用效果与机械弹簧的作用效果相反，所以称其刚度为静电负刚度，利用静电弹簧的静电负刚度与机械弹簧的机械刚度抵消，从而降低整个弹簧系统的总的等效刚度。更进一步地，所述交流电压为零均值的交流电压，这样在中间电容极板位于第一电容极板和第二电容极板中间位置时，第一电容极板和第二电容极板对中间电容极板没有静电力的作用。
本发明提供了一种基于静电负刚度的低频隔振系统。由于普通机械弹簧几何尺寸的限制，普通弹簧隔振系统的谐振频率不可能做的太低，这就限制了普通弹簧隔振系统在低频隔振中的应用。本发明在普通弹簧隔振系统的基础上，增加一对差分电容，在电容极板上施加适当的电压后，差分电容对中会产生适当的电场力，并且该电场力与中间电容极板偏离其平衡位置的大小成正比，该差分电容对可以等效为一个静电弹簧，并且由于其作用效果与机械弹簧相反，因此称其刚度为静电负刚度。利用差分电容对的静电负刚度去抵消机械弹簧的刚度，从而达到减小整个系统等效总刚度的效果，使系统的谐振频率降低，实现对低频振动隔离的效果。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明通过增加一对差分电容对以形成静电负刚度，用于抵消原有机械弹簧隔振系统的机械刚度，使整个隔振系统的总的等效刚度降低，相较于现有的弹簧隔振系统，在机械弹簧几何尺寸相同的前提下，本发明提出的基于静电负刚度的低频隔振系统，可适用于更低频率的振动隔离，并且具有结构简单，方便使用的优点。
附图说明
图1是本发明的隔振系统结构原理示意图；
图2是本发明的三个电容极板加电示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1为外框架、2为调平装置、3为机械弹簧、4为隔振平板、5为第一电容极板、6为第二电容极板、7为中间电容极板、8为电源。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供的低频隔振系统可以应用于绝对重力仪中，其中隔振系统的待隔振对象通常为反射型光学器件，例如角锥棱镜，可将角锥棱镜安装在隔振平板4上。图1示出了本发明实施例提供的低频隔振系统的结构原理图，为了便于说明，仅仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
基于静电负刚度的低频隔振系统包括外框架1、调平装置2、机械弹簧3、隔振平板4、第一电容极板5、第二电容极板6、中间电容极板7以及电源8；其中，
隔振平板4，其位于外框架1的上端一定距离处，隔振平板4可选取石英玻璃、陶瓷等绝缘材料制成的平板；
机械弹簧3，其置于外框架1内，其下端与外框架1底面固定连接，上端与隔振平板固定连接，用于支撑隔振平板4，隔振平板4用于支撑被隔振对象；外框架1可以为石英玻璃、陶瓷等绝缘材料制作，机械弹簧3可选用钢琴丝等温度系数较小的材料制作；
调平装置2，其位于外框架1的底部，用于调节隔振平板4的水平；
第一电容极板5和第二电容极板6固定设置于外框架1的侧壁上；在机械弹簧3中心位置沿其径向固定设置一中间电容极板7，且使其位于第一电容极板5和第二电容极板6之间；第一电容极板5和中间电容极板7构成电容C1，第二电容极板6和中间电容极板7构成电容C2，由此构成差分电容对；三个电容极板可选用石英玻璃镀金或者金属材料制作，其中第一电容极板5和第二电容极板6均可以为中心具有通孔的规则形状，机械弹簧3从通孔中穿过；第一电容极板5和第二电容极板6可以为圆环状，也可以为中间具有通孔的正方形或长方形；但是圆环状相比正方形和长方形结构能够增大电容极板的正对面积，在施加电压相同的情况下能够获得更大的静电负刚度，提升隔振效果。
电源模块8为第一电容极板5、第二电容极板6以及中间电容极板7施加合适的电压后，第一电容极板5和第二电容极板6会对中间电容极板7产生静电力的作用，该静电力中包含两部分：与中间电容极板偏离其平衡位置位移有关的力和与中间电容极板偏离其平衡位置位移无关的力。如果中间电容极板上仅施加交流电压(无直流电压)，则该静电力就只剩下与中间电容极板偏离其平衡位置位移有关的力，此时可以将施加电压的差分电容对看成一个静电弹簧，并且由于该静电弹簧的作用效果与机械弹簧的作用效果相反，因此该静电弹簧的刚度可以称为静电负刚度。利用该静电负刚度去抵消机械弹簧的机械刚度，则整个弹簧隔振系统总的等效刚度降低了，即弹簧隔振系统总的等效谐振频率降低了，能够对更低频率的振动进行隔离。
如图2所示，在第一电容极板5、第二电容极板6上分别施加极性相反的直流电压，且在中间电容极板7上施加交流电压后，三个电容极板各自带有电荷，各个电容极板受到电场力的作用，并且作用于中间电容极板7的电场力与中间电容极板7偏离其平衡位置的大小成正比，该差分电容对可以等效为一个静电弹簧，会对中间电容极板7产生静电力的作用。该静电力的大小可以用公式表示为：其中d0表示中间电容极板7位于第一电容极板5和第二电容极板6中间位置时距离两边极板的距离，C0表示中间电容极板7位于第一电容极板5和第二电容极板6中间位置时与第一电容极板形成的电容大小，表示施加在中间电容极板7上交流电压的有效值，Vdc表示施加在第一电容极板和第二电容极板上的直流电压的大小，x表示中间电容极板7偏离中间位置的距离。该静电力Fe与中间电容极板7的位置成正比，并且该静电力的作用效果是将中间电容极板7往第一电容极板5或者第二电容极板6拉，可以等效为一个静电弹簧，其作用效果与机械弹簧的作用效果相反，所以称其刚度为静电负刚度ke，且利用静电弹簧的静电负刚度ke与机械弹簧的机械刚度km抵消，从而降低整个弹簧系统的总的等效刚度k＝km-ke。弹簧的谐振频率为：m为被隔振对象的质量，由于被隔振对象一定，因此认为负载一定，即被隔振对象的质量不变，因此利用静电负刚度平衡机械弹簧的机械刚度可以得到更小的等效总刚度，从而获得更低的弹簧谐振频率，实现相比原机械弹簧隔振系统对更低频率隔振的隔振系统。
本发明实施例还提供了一种基于上述的低频隔振系统的隔振方法，具体包括下述步骤：
(1)通过给中间电容极板施加交流电压并同时给第一电容极板和第二电容极板施加极性相反大小相等的直流电压Vdc，使得所述中间电容极板往所述第一电容极板或所述第二电容极板的方向运动；
(2)通过调整所述交流电压和所述直流电压Vdc的大小，使得由所述第一电容极板、所述第二电容极板和所述中间电容极板构成的差分电容对的静电负刚度去抵消所述机械弹簧的刚度，从而降低整个弹簧系统的总刚度，实现对低频振动的隔离。
其中，差分电容对对所述中间电容极板的静电力根据公式获得；Fe为静电力，为施加在中间电容极板上交流电压的有效值，d0为中间电容极板位于第一电容极板和第二电容极板的中间位置时距离两边极板的距离，Vdc为施加在第一电容极板和第二电容极板上直流电压的值，C0为中间电容极板位于第一电容极板和第二电容极板的中间位置时中间电容极板与第一电容极板和第二电容极板所形成的相等大小的电容值，x为中间电容极板偏离中间位置的距离。
作为发明的一个实施例，交流电压可以为零均值的交流电压，这样在中间电容极板位于第一电容极板和第二电容极板中间位置时，第一电容极板和第二电容极板对中间电容极板没有静电力的作用。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的低频隔振系统，现结合具体实例详述如下：被隔振对象的质量m＝50×10-3kg，机械弹簧刚度km＝8N/m，则弹簧隔振系统的谐振频率为2Hz，仅能隔离该谐振频率以上的振动噪声；引入差分电容对的参数为：电容间距d0＝500μm，差分电容正对面积S＝3.1×104mm2，介电常数ε＝εrε0＝8.85×10-12Fm，施加在中间电容极板的交流电压的有效值为施加在第一电容极板和第二电容极板上的直流电压为Vdc＝30V，则静电负刚度系数为引入静电负刚度后整个弹簧隔振系统的谐振频率为0.23Hz，相比普通的机械弹簧隔振系统的谐振频率降低了约一个量级，并且随着优化施加在电容极板上的电压大小谐振频率还能进一步降低。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于静电负刚度的低频隔振系统，其特征在于，包括：外框架(1)、位于所述外框架(1)底部的调平装置(2)、位于所述外框架(1)上端的隔振平板(4)、位于所述外框架(1)内且一端与所述外框架(1)底面固定连接，另一端与所述隔振平板(4)固定连接的机械弹簧(3)、沿所述机械弹簧(3)的径向并与其固定连接的中间电容极板(7)、与所述外框架(1)侧壁固定连接且以所述中间电容极板(7)为中心对称设置的第一电容极板(5)和第二电容极板(6)、以及用于给所述第一电容极板(5)、第二电容极板(6)和所述中间电容极板(7)施加电压的电源(8)；
所述第一电容极板(5)和所述中间电容极板(7)构成第一电容C1，所述第二电容极板(6)和所述中间电容极板(7)构成第二电容C2，使得所述第一电容C1和所述第二电容C2构成差分电容对；通过给所述第一电容极板(5)和第二电容极板(6)施加极性相反大小相等的直流电压，给中间电容极板(7)施加交流电压，利用差分电容对中产生的静电负刚度去抵消所述机械弹簧(3)的刚度，从而实现对低频振动的隔离。
2.如权利要求1所述的低频隔振系统，其特征在于，所述第一电容极板(5)和所述第二电容极板(6)的结构相同，均为圆环状薄板结构。
3.如权利要求1或2所述的低频隔振系统，其特征在于，所述电源(8)为所述中间电容极板(7)施加交流电压，所述电源(8)为所述第一电容极板(5)和所述第二电容极板(6)施加直流电压。
4.如权利要求1所述的低频隔振系统，其特征在于，所述中间电容极板(7)与所述机械弹簧(3)沿其径向固定设置并且与第一电容极板(5)和第二电容极板(6)的距离相等。
5.一种基于权利要求1所述的低频隔振系统的隔振方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)通过给中间电容极板施加交流电压并同时给第一电容极板和第二电容极板施加极性相反大小相等的直流电压Vdc，使得所述中间电容极板往所述第一电容极板或所述第二电容极板的方向运动；
(2)通过调整所述交流电压和所述直流电压Vdc的大小，使得由所述第一电容极板、所述第二电容极板和所述中间电容极板构成的差分电容对的静电负刚度去抵消所述机械弹簧的刚度，从而降低整个弹簧系统的总刚度，实现对低频振动的隔离。
6.如权利要求5所述的低频隔振方法，其特征在于，所述差分电容对对所述中间电容极板的静电力根据公式获得；
其中，Fe为静电力，为施加在中间电容极板上交流电压的有效值，d0为中间电容极板位于第一电容极板和第二电容极板的中间位置时距离两边极板的距离，Vdc为施加在第一电容极板和第二电容极板上直流电压的值，C0为中间电容极板位于第一电容极板和第二电容极板的中间位置时中间电容极板与第一电容极板和第二电容极板所形成的相等大小的电容值，x为中间电容极板偏离中间位置的距离。
7.如权利要求5所述的低频隔振方法，其特征在于，所述交流电压为零均值的交流电压，当中间电容极板位于第一电容极板和第二电容极板之间的中间位置时，所述第一电容极板和所述第二电容极板对所述中间电容极板没有静电力的作用。
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