CN105402298B - 电磁阻尼器平衡反馈系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电磁阻尼器平衡反馈系统，包括电涡流阻尼器和电磁力平衡反馈装置；电涡流阻尼器包括外壳、采样质量块、检测弹簧、电涡流板、磁路装置和差分电容器；所述电磁力平衡反馈装置包括电压转换模块、电流转换模块和负反馈模块；本发明利用导体在磁场中运动产生电涡流效应，以及载流导体在外磁场中受安培力的基本原理，将电涡流阻尼与电磁力平衡反馈相结合；具有阻尼系数大、非接触、无机械摩擦和磨损、无须润滑、维护方便、可靠性高等优点，可以极大的提高仪器精度，满足快速高效大范围海洋重力测量。

Description

电磁阻尼器平衡反馈系统

技术领域

本发明涉及磁流变阻尼技术领域，尤其是涉及一种电磁阻尼器平衡反馈系统。

背景技术

海洋重力仪工作时，外部动态环境的变化对观测结果的影响，是海洋重力仪测量的主要误差源。测量船在实施海洋重力测量时，六个自由度上都有可能产生运动，进而产生扰动加速度，这其中垂直方向的扰动加速度对海洋重力测量的影响最大。这种扰动加速度数值是待测重力变化值的105-106倍，和需要测量的重力加速度混杂在一起，给海洋重力测量带来很大的困难，并产生很大的观测误差。所以海洋重力仪在海洋动态环境下实施测量的前提，就是采取各种措施消除测量船在各个自由度的运动、特别是垂直方向运动对重力测量的影响，尽最大努力削弱动态环境变化对海洋重力测量产生干扰这一最大误差源。

由于垂直扰动加速度具有周期性的特点，而且其周期远比重力加速度小，所以海洋重力仪一般都对采样质量施加强阻尼，把由垂直扰动加速度引起的采样质量的位移进行大幅度的压缩，然后再用数字滤波把剩余部分完全消除掉。海洋重力仪经过强阻尼处理后，对高频的垂直扰动加速度反映非常迟钝，垂直扰动对重力仪的影响可以减小到10^-6，甚至更小，而对变化比较缓慢、频率很低的实际重力变化却非常敏感。此外由于采样质量的运动幅度被大幅度的压缩，大大减小了机械结构、电容传感器以及零长弹簧技术不够完善而产生的非线性误差；同时还消除了垂直加速度的高次效应。因此，先进的阻尼技术是海洋重力仪能够在复杂的海洋动态环境下实施高精度快速测量的重要保证。

有一种重力仪中应用的是空气阻尼器，这种仪器采用了斜拉摆杆式弹性系统，动力系数小，无需过大的阻尼系数即可满足动态测量要求。摆杆处于一对空气阻尼器中间，可以在垂直与水平方向都提供阻尼。当受到外部垂直扰动加速度影响时，摆杆带动阻尼器中活塞上下运动压缩空气，从而产生较大阻尼将垂直扰动加速度的幅值压缩到设计范围内。但是空气阻尼器具有很多的局限性，无法得到大的阻尼系数，对垂直扰动的衰减幅度有限，而且由于空气的可压缩性，当测量系统的振动周期较短时，空气阻尼器的工作就好像一个附加的弹簧，不但没有阻碍垂直方向活塞运动的作用，反而还会增强这种垂直活塞运动，引起更大的扰动误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电磁阻尼器平衡反馈系统，以解决现有技术中的不足之处。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供的电磁阻尼器平衡反馈系统，包括电涡流阻尼器和电磁力平衡反馈装置；

所述电涡流阻尼器包括外壳，以及安装于所述外壳中的:

具有空腔的采样质量块,所述采样质量块通过丝状连接件与所述外壳相连；

检测弹簧，所述检测弹簧的一端与所述外壳相连，另一端伸入所述采样质量块的空腔且与所述采样质量块相连；

电涡流板，所述电涡流板的顶部与所述采样质量块的底部相连，所述电涡流板的底部连接有筒状骨架，所述筒状骨架上缠绕有载流线圈；

磁路装置,用于容纳所述电涡流板和所述筒状骨架并释放强磁场；

差分电容器,所述差分电容器安装于外壳上并与采样质量块相连，所述差分电容器用于检测采样质量块产生的位移并转化为位移量信号输入至电磁力平衡反馈装置；

所述电磁力平衡反馈装置包括电压转换模块、电流转换模块和负反馈模块，采样质量块产生的位移经差分电容器检测后，将位移量信号输入至电压转换模块，所述电压转换模块将所述位移量信号转换为反应所述采样质量块位移大小的电压信号，所述电流转换模块接收所述电压信号并转换为电流信号，所述电信号经负反馈模块稳流后由电流转换模块输出至载流线圈上，进而产生相应的电磁力以抵消掉扰动加速度。

进一步的，所述采样质量块为管状，所述采样质量块的外表面镀有磁屏蔽层。

进一步的，三条所述丝状连接件设置为一组，每组的三个所述丝状连接件之间均呈120度均匀分布于所述采样质量块的周向表面。

进一步的，所述丝状连接件上还设有用于抵消拉力的扭矩弹簧。

进一步的，所述丝状连接件的两端分别通过固装在采样质量块和壳体上的夹持装置进行固定，所述夹持装置包括螺接在一起的一对金属片。

进一步的，还包括柱状连接件，所述柱状连接件设置于所述采样质量块的空腔底端，所述检测弹簧通过柱状连接件与所述采样质量块相连。

进一步的，所述柱状连接件的底端固接有磁体安装筒，所述磁体安装筒内置于筒状骨架内部。

进一步的，所述磁路装置包括外导磁体、内导磁体和稀土永磁体，所述外导磁体内部设有容置腔，所述电涡流板、筒状骨架和磁体安装筒均置于所述容置腔内，所述内导磁体安装于所述磁体安装筒内，所述稀土永磁体两端分别与内导磁体和容置腔连接。

进一步的，所述差分电容器包括两个电容定极板和一个电容动极板，所述电容定极板与所述外壳相连，所述电容动极板与所述采样质量块相连，且所述电容动极板位于两个所述电容定极板之间。

进一步的，所述线圈由直径为0.07毫米的铜质漆包线绕制而成。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

本专利是利用导体在磁场中运动产生电涡流效应，以及载流导体在外磁场中受安培力的基本原理，研发电涡流阻尼与电磁力平衡反馈相结合的阻尼系统。具有阻尼系数大、非接触、无机械摩擦和磨损、无须润滑、维护方便、可靠性高等优点。相对于液体阻尼对环境温度波动不敏感，时间常数小，实测重力变化滞后小，也不存在流体对流力的影响，电磁阻尼对海浪这种低频、大幅值垂直扰动具有更好的压缩效果，可以极大的提高仪器精度，满足快速高效大范围海洋重力测量，同时本产品也可以应用于航空重力仪的测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中的局部放大图I；

图3为本发明电磁力平衡反馈装置的线路图；

图4a为液体阻尼响应时间的测试实验图；

图4b为本发明电磁阻尼响应时间的测试实验图。

附图标记：

1-外壳； 2-采样质量块； 3-丝状连接件；

4-检测弹簧； 5-电涡流板； 6-筒状骨架；

7-载流线圈； 8-柱状连接件； 9-磁体安装筒；

10-磁路装置； 11-差分电容器； 101-外导磁体；

102-内导磁体； 103-稀土永磁体； 104-容置腔；

111-电容定极板； 112-电容动极板； 12-电磁力平衡反馈装置。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明提供的电磁阻尼器平衡反馈系统，包括电涡流阻尼器和电磁力平衡反馈装置；

请参照图1和图2；所述电涡流阻尼器包括圆筒状的外壳1，以及安装于所述外壳1中的:

具有空腔的采样质量块2,本实施例中，所述采样质量块2设置为管状，采样质量块2由钛合金材料制作，钛合金具有很高的强度，后期应力释放小，不易发生形变，可以提高电容测微传感器的长期稳定性，对于精密测量，极微小的应力释放也会引起电容测微的漂移。此外，应用钛合金的高强度特性，可以将电涡流板5下方载流线圈7环绕的那部分加工的很薄，这样就可以把磁路的气隙间距做的很小，增加流过线圈的磁通量，产生更大的电磁力。所述采样质量块2的外表面镀有磁屏蔽层。

所述采样质量块2通过丝状连接件3与所述外壳1的内壁相连；上述的连接方式可以采用两种技术方案：本实施例中优选的一种技术方案为：

将三条所述丝状连接件3设置为一组，总共设置为两组，每组的三条所述丝状连接件3之间均呈120度均匀分布于所述采样质量块2的周向表面。优选地，三条丝状连接件在水平方向上以120度沿管状的采样质量块2的外表面切向进行安装。

另一种安装方案为：共设置三组5根丝状连接件3，上下各两根，也是水平方向沿采样质量块外表面切向安装，同时在管状的采样质量块中间再安装一根丝状连接件，与上、下丝状连接件呈120度夹角。

本实施优选上述两种技术方案进行安装，主要是考虑到丝状连接件3数量过多会增加垂直方向的应力，降低弹性系统的灵敏度；而丝状连接件过少(只设置一组)又会影响到受力的平衡问题。

优选地，所述丝状连接件3上还设有用于抵消拉力的扭矩弹簧。

优选地，所述丝状连接件3的两端分别通过固装在采样质量块2和壳体上的夹持装置进行固定，所述夹持装置包括螺接在一起的一对金属片。这种固定方式可以避免丝状连接件被折弯，或者收到其他损伤，以减少丝状连接件的应力释放。

还包括检测弹簧4，所述检测弹簧4的顶端与所述外壳1的顶部相连，检测弹簧4的底端伸入于所述采样质量块2中的空腔，且与所述采样质量块2相连；检测弹簧4可沿其轴线自由压缩或拉伸。

还包括电涡流板5，电涡流板5的材料可以选用铜、铝或银等金属材料；所述电涡流板5的顶部与所述采样质量块2的底部相连，电涡流板5的底部连接有筒状骨架6，所述筒状骨架6上缠绕有载流线圈7；

还包括柱状连接件8，所述柱状连接件8设置于所述采样质量块2的空腔底端，所述检测弹簧4通过柱状连接件8与所述采样质量块2相连；所述柱状连接件8的底端固接有磁体安装筒9，所述磁体安装筒9内置于筒状骨架6内部。

还包括磁路装置10,所述电涡流板5的底部和所述筒状骨架6均位于所述磁路装置10中。

所述磁路装置10包括外导磁体101、内导磁体102和稀土永磁体103，所述外导磁体101内部设有容置腔104，所述电涡流板5、筒状骨架6和磁体安装筒9均置于所述容置腔104内，所述内导磁体102安装于所述磁体安装筒9内，所述稀土永磁体103两端分别与内导磁体102和容置腔104连接。

磁路装置10作为电磁阻尼的主要执行元件，精确、稳定的电磁力的产生有赖于高度稳定的均匀磁场。本系统的气隙磁场由稀土永磁体103产生，其特性与永磁材料的性能、磁路结构与参数、磁钢工作点设置与稳定性等密切相关。稀土永磁体103由于具有很高的矫顽力、很高的磁能积、退磁曲线拐点低，满足磁路设计的要求。稀土钴永磁材料是由不同的稀土族元素和钴组成的金属间化合物。稀土元素主要指化学元素周期表中原子序数从57到7l的15种元素。它们和过渡金属(如Fe、Co、Ni等)可以形成多种金属间化合物，其中稀土金属与钴形成的XCo(X代表稀土元素)型化合物具有很高的晶体各向异性和饱和磁化强度，并具有很高的居里点，可以制成性能优异的永磁材料。其中内、外导磁体101可以选择软磁材料，软磁材料磁阻很小可忽略不计。

采样质量块2下端的电涡流板5和所述筒状骨架6均位于所述磁路装置10中，并置于强磁场中。当采样质量块2受到垂直扰动加速度(舰船引起的)干扰时会带动电涡流板5在磁场中上下运动，圆柱形电涡流板5内部的磁通发生变化，从而在电涡流板5内形成强大的电涡流，继而产生一个反向的洛伦兹力，产生阻尼力阻碍采样质量块2运动，通过合理设计这部分阻尼可以压缩垂直扰动10^-3。在此过程中，由于电涡流板5的电阻特性，电涡流转化为焦耳热释放。

本发明还包括差分电容器11,所述差分电容器11安装于外壳1上并与采样质量块2相连，所述差分电容器11用于检测采样质量块2产生的位移并转化为位移量信号输入至电磁力平衡反馈装置；

优选地，所述差分电容器11包括两个电容定极板111和一个电容动极板112，所述电容定极板111与所述外壳1相连，所述电容动极板112与所述采样质量块2相连，且所述电容动极板112位于两个所述电容定极板111之间。载体(舰船)运动造成检测弹簧4收缩或拉伸，检测弹簧拉伸或收缩会引起采样质量块2上下位移，则固定在采样质量块2上的电容片亦会产生位移，会引起差分电容器变化，使差分电容器输出电信号，差分电容器输出的电信号经过电磁力平衡反馈装置，传递到载流线圈7上，载流线圈在电流作用下会形成电磁力(安培力)，与稀土永磁体103的磁场相斥，继而产生阻尼抵消载体运动引起的弹簧拉伸或收缩。

请参照图3；本发明采用的电磁力平衡反馈装置12包括电压转换模块(附图中表示为A3)、电流转换模块(附图中表示为A4)和负反馈模块(附图中表示为A5)，采样质量块2产生的位移经差分电容器11检测后，将位移量信号输入至电压转换模块，所述电压转换模块将所述位移量信号转换为反应所述采样质量块2位移大小的电压信号，所述电流转换模块接收所述电压信号并转换为电流信号，所述电信号经负反馈模块稳流后由电流转换模块输出至载流线圈7上，进而产生相应的电磁力以抵消掉扰动加速度。

电磁力平衡反馈装置将摆体位移转换成对流反馈到载流线圈7上，载流线圈7位于恒磁场中，当其中有电流流过时，便产生电磁力来抵消垂直扰动，平衡重力加速度输入。

优选地，将反馈系数设置为K＝1000mgal/V，则当差分电容器输出电压为1V时，所需要产生的电磁力为：

F＝ma＝0.033×1000×10^-5＝0.33×10^-3N (式1)

其中，m为采样质量块，为33克，其根据弹簧刚度及弹性系统要求综合考量；a为垂直扰加动速度，为1000×10^-5m·s^-2，根据海浪大小设置，衰减10^-3；线圈采用0.07mm铜质漆包线绕制方法，则线圈中流过的电流为：

I＝F/BL＝0.165mA (式2)

其中，F为电磁力，B为磁感应强度，4000高斯；L为线圈长度，100米，根据上述参数综合考量；稀土永磁体的材质及尺寸确定后，磁场强度已确定。

本发明中的电磁力平衡反馈装置(即反馈控制电路)主要由两部分组成：

第一部分以电压转换模块(A3)为核心；扰动加速度引起检测弹簧4拉伸收缩，使采样质量块2产生位移，位移量经差分电容器11检测后，由电路的Vi端输入，再由电压转换模块(A3)为核心的处理单元将此位移量转换为电压信号，此电压信号的大小即反映了采样质量位移的大小。如果将此信号直接反馈到载流线圈7，则需要考虑载流线圈7长度，阻值，磁场强度，差分电容检测以及其它电路的阻抗匹配问题，阻抗匹配误差会增加反馈电流的误差，降低控制精度，进而影响力平衡量，使得反馈电磁力不能精确衰减扰动加速度。采用电压、电流变换驱动载流线圈7，则可以很好的解决这一问题。

该装置的第二部分以电流转换模块(A4)和负反馈模块(A5)两个处理模块为核心，完成电压电流的转换。第一部分的电压信号由电压转换模块(A3)的OUT端口输出，经由电阻R10接入到电流转换模块(A4)，用电阻符号Ri表示载流线圈7，负反馈模块模块(A5)起到电流负反馈的作用，能够进一步稳定电流转换模块(A4)转换输出的电流信号，此电流信号由电流转换模块(A4)的VO端输出，经由精密电阻R12，加载到载流线圈Ri上，进而产生相应的电磁力。由于加载到线圈Ri上的电流完全由电路第二部分根据第一部分输出的电压信号转换电流进行控制，而与线圈本身阻值、长度、匝数无关，所以可以灵活地改变线圈的材料参数或者绕制方法，例如：绕制圈数、线圈长度、线径大小、导线材料等等。扰动加速度增大，则采样质量块位移增大，转换加载到线圈的电流就会增大，产生更大的电磁力来抵消掉扰动加速度，电磁力随扰动加速度变化，以起到阻尼的作用。其中，电路图中所示的R1-R4，R10，R12分别表示为预设的电阻，C表示为预设的电容。

下面说明对本发明进行的相关实验实例：

(1)电磁阻尼实验

对电磁阻尼的效果进行了测试，使用本产品的海洋重力仪在南海进行了海上实验，通过对实验数据分析，1m·s^-2的海浪经过电磁阻尼后被衰减到约10^-6m·s^-2，这一阻尼效果对提高海洋重力仪的测量精度具有重要的应用价值，国际上海洋重力仪的测量精度通常要求达到10^-6m·s^-2，因此本专利电磁阻尼的效果完全满足这一应用要求。

(2)电磁阻尼与液体阻尼温度系数对比实验

通过实验得出，在同样的环境温度变化背景下，电磁阻尼的温度系数要比液体阻尼的温度系数小约1000倍，可以大幅减小因温度引起的重力仪测量误差，当环境温度变化10℃时，使用液体硅油阻尼的海洋重力仪受温度影响引起的测量误差高达10mGal，相比之下，使用电磁阻尼的海洋重力仪受温度影响引起的测量误差小于1mGal，能够大幅提高海洋重力仪测量精度。

(3)电磁阻尼与液体阻尼响应时间对比实验

使用液体硅油阻尼的海洋重力仪由于硅油的粘度极大，测量时间滞后较为明显，请参照图4a，滞后时间超过400秒；请参照图4b，使用电磁阻尼的海洋重力仪不受液体粘度影响，响应时间大幅缩短至150秒，这就意味着海洋重力仪可以以更快的速度，更密集的测线网格进行海洋重力测量，能够大幅提高海洋重力测量的效益和分辨率。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸地连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种电磁阻尼器平衡反馈系统，其特征在于，包括电涡流阻尼器和电磁力平衡反馈装置；

所述电涡流阻尼器包括外壳，以及安装于所述外壳中的采样质量块、检测弹簧、电涡流板、磁路装置和差分电容器；

所述采样质量块具有空腔，且所述采样质量块通过丝状连接件与所述外壳相连；

所述检测弹簧的一端与所述外壳相连，另一端伸入所述采样质量块的空腔且与所述采样质量块相连；

所述电涡流板的顶部与所述采样质量块的底部相连，所述电涡流板的底部连接有筒状骨架，所述筒状骨架上缠绕有载流线圈；

所述磁路装置用于容纳所述电涡流板和所述筒状骨架并释放强磁场；

所述差分电容器安装于外壳上并与采样质量块相连，所述差分电容器用于检测采样质量块产生的位移并转化为位移量信号输入至电磁力平衡反馈装置；

所述电磁力平衡反馈装置包括电压转换模块、电流转换模块和负反馈模块，采样质量块产生的位移经差分电容器检测后，将位移量信号输入至电压转换模块，所述电压转换模块将所述位移量信号转换为反应所述采样质量块位移大小的电压信号，所述电流转换模块接收所述电压信号并转换为电流信号，所述电流信号经负反馈模块稳流后由电流转换模块输出至载流线圈上，进而产生相应的电磁力以抵消扰动加速度。

2.根据权利要求1所述的电磁阻尼器平衡反馈系统，其特征在于，所述采样质量块为管状，所述采样质量块的外表面镀有磁屏蔽层。

3.根据权利要求2所述的电磁阻尼器平衡反馈系统，其特征在于，三条所述丝状连接件设置为一组，每组的三个所述丝状连接件之间均呈120度均匀分布于所述采样质量块的周向表面。

4.根据权利要求3所述的电磁阻尼器平衡反馈系统，其特征在于，所述丝状连接件上还设有用于抵消拉力的扭矩弹簧。

5.根据权利要求4所述的电磁阻尼器平衡反馈系统，其特征在于，所述丝状连接件的两端分别通过固装在采样质量块和壳体上的夹持装置进行固定，所述夹持装置包括螺接在一起的一对金属片。

6.根据权利要求5所述的电磁阻尼器平衡反馈系统，其特征在于，还包括柱状连接件，所述柱状连接件设置于所述采样质量块的空腔底端，所述检测弹簧通过柱状连接件与所述采样质量块相连。

7.根据权利要求6所述的电磁阻尼器平衡反馈系统，其特征在于，所述柱状连接件的底端固接有磁体安装筒，所述磁体安装筒内置于筒状骨架内部。

8.根据权利要求1所述的电磁阻尼器平衡反馈系统，其特征在于，所述磁路装置包括外导磁体、内导磁体和稀土永磁体，所述外导磁体内部设有容置腔，所述电涡流板、筒状骨架和磁体安装筒均置于所述容置腔内，所述内导磁体安装于所述磁体安装筒内，所述稀土永磁体两端分别与内导磁体和容置腔连接。

9.根据权利要求8所述的电磁阻尼器平衡反馈系统，其特征在于，所述差分电容器包括两个电容定极板以及设置于所述两个电容定极板之间的一个电容动极板，所述电容定极板与所述外壳相连，所述电容动极板与所述采样质量块相连。

10.根据权利要求1所述的电磁阻尼器平衡反馈系统，其特征在于，所述线圈由直径为0.07毫米的铜质漆包线绕制而成。