CN105443647A - 一种晶体减振热沉装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种晶体减振热沉装置，包括热沉元件，还包括至少一个振动传感器，用于感应热沉元件的振动频率；反馈控制元件，根据振动频率控制至少一个动力吸振器中的每个动力吸振器分别产生等效质量，以使热沉元件发生振动的频率与动力吸振器的固有频率之比满足最优同调条件，使动力吸振器的阻尼满足最优阻尼条件；至少一个动力吸振器，其中的每个动力吸振器分别产生等效质量，以吸收热沉元件的振动。通过本发明的技术方案，使得动力吸振器能够在热沉元件受到不同振动源影响时，都能够良好地吸收热沉元件产生的振动。

Description

一种晶体减振热沉装置

技术领域

本发明涉及晶体控温减振技术领域，具体而言，涉及一种晶体减振热沉装置。

背景技术

晶体热沉是固体光学系统中重要的组成部分，主要解决晶体的夹持和冷却问题。实际应用环境中的振动对晶体热沉的影响是晶体热沉设计中不可忽略的重要方面。晶体热沉受振动的影响主要来源于两个方面：一、环境振动，如周围大型仪器运转、建筑作业等；二、制冷源振动，如水冷机、制冷压缩机等。振动影响下的晶体热沉，会导致热沉夹持晶体的位置改变，影响晶体的相关光学性能(如耦合效率、热场分布、模式匹配等)，进而影响到整个系统的光束指向、光功率和光束质量等重要参数，改变严重甚至会导致系统无法正常运转。

动力吸振器又称调谐质量阻尼器，其基本原理是：通过在目标振动系统(即主振系统)上附加一个子结构(即吸振器)，适当选择子结构的结构形式、动力参数以及与主振系统的耦合关系，改变主振系统的振动状态，从而在预期的频段上减小主振系统的强迫振动响应。由于主振系统与振源间无弹性元件，因此在相同振源作用下，主振系统振动初期的振幅较隔振方式小。

如图1所示，动力吸振器由质量、弹簧和阻尼元素组成(其中，弹簧元素有卷簧、悬臂梁、平行板簧、扭转弹簧和积层橡胶等；阻尼元素有液压阻尼、磁性阻尼、粘弹性材料、摩擦阻尼等)。图1中，a是动力吸振器的等效质量，b是动力吸振器的等效刚度，c是动力吸振器的等效阻尼，d是主振系统的等效质量，e是主振系统的等效刚度，f是地面或者承载平台。

动力吸振器的振动控制原理是在制振对象以外形成一个附加的动力学系统，其质量和弹簧构成的共振系统把制振对象的振动吸收过来后加以增幅，并消耗在其阻尼元素中，实现把振动能量转换为热能。为实现振动能量到热能的有效转换，需要满足两个条件：

一、制振对象的固有振动频率与动力吸振器的固有频率之比要满足最优同调条件：

最优同调条件： $\mathrm{\γ}=\frac{{\mathrm{\ω}}_n}{{\mathrm{\Ω}}_n}=\frac{1}{1+\mathrm{\μ}},$

二、动力吸振器的阻尼需要满足最优阻尼条件：

最优阻尼条件： ${\mathrm{\ζ}}_{\mathrm{opt}}=\sqrt{\frac{3\mathrm{\μ}}{8{(1+\mathrm{\μ})}^3}},$

其中，为动力吸振器的固有角频率，为主振系统的固有角频率。

μ＝m/M为动力吸振器的等效质量m和主振系统的等效质量M之比。动力吸振器的等效质量m0为动力吸振器在不受外界磁场力作用下的初始等效质量，为动力吸振器重力方向受到的磁场力。

当主振系统与动力吸振器同时满足最优同调条件和最优阻尼条件后，系统的最大振幅比为：

当环境的振动导致主振系统发生微小位移时，且主振系统与动力吸振器同时满足以上最优同调条件和最优阻尼条件，则动力吸振器能非常好的将主振系统的振动吸收过来，这时，主振系统很快停止振动，动力吸振器自身发生位移变化，并消耗在其阻尼元素中，主振系统得到减振。这里动力吸振器的振动能量在阻尼运动中转化成为了热量。

相比传统的隔振式减振，该减振方法结构简单，易于实施，能有效抑制频率变化较小的设备振动，因此广泛应用于交通运输、工业机械、建筑桥梁等各行各业的各种机械设备上，已成为振动控制的重要手段之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，如何通过动力吸振器对热沉元件进行减振。

为此目的，本发明提出了一种晶体减振热沉装置，包括热沉元件，其特征在于，还包括：

至少一个振动传感器，用于感应热沉元件的振动频率；

反馈控制元件，根据所述振动频率控制至少一个动力吸振器中的每个动力吸振器分别产生等效质量，以使所述热沉元件发生振动的频率与所述动力吸振器的固有频率之比满足最优同调条件，使所述动力吸振器的阻尼满足最优阻尼条件；

所述至少一个动力吸振器，其中的每个动力吸振器分别产生所述等效质量，以吸收所述热沉元件的振动。

优选地，所述反馈控制元件包括：

反馈元件，连接至所述振动传感器，用于获取所述振动频率，根据所述振动频率确定所述等效质量，根据所述等效质量控制电磁铁产生相应的电流；

所述电磁铁，连接至所述反馈元件和所述动力吸振器，

其中，所述动力吸振器包括：

磁性振子，在所述电磁铁产生磁力的作用下产生所述等效质量；

弹性元件，用于将所述动力吸振器的振动转化为热量。

优选地，所述弹性元件的材料为非磁性材料。

优选地，所述电磁铁与所述磁性振子对应设置，以使所述电磁铁产生的磁力在所述磁性振子的重力方向上。

优选地，还包括：

设置元件，根据接受到的指令设置所述电磁铁产生的电流。

优选地，所述振动传感器为多个，用于感应所述热沉元件各个方向的振动。

优选地，所述热沉元件包括第一热沉侧板和第二热沉侧板，

则所述动力吸振器为多个，且多个所述动力吸振器中的一部分动力吸振器竖直设置在所述第一热沉侧板中，用于吸收所述热沉元件竖直方向的振动，另一部分动力吸振器水平设置在所述第二热沉侧板中，用于吸收所述热沉元件水平方向的振动。

优选地，所述动力吸振器设置在所述热沉元件的热沉侧板中，

其中，所述热沉侧边中设置有冷却液，用于冷却所述动力吸振器产生的热量。

优选地，还包括：

容纳室，焊接至所述热沉元件，

则所述动力吸振器设置在所述容纳室中。

根据上述技术方案，通过振动传感器可以准确检测热沉元件的振动频率，使得反馈控制元件可以根据振动频率控制动力吸振器产生相应的等效质量，以使动力吸振器能够在热沉元件受到不同振动源影响时，都能够良好地吸收热沉元件产生的振动。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了现有技术中动力吸振器的结构示意图；

图2示出了根据本发明一个实施例的晶体减振热沉装置的结构示意图；

图3示出了根据本发明一个实施例的主系统振动幅度随激励频率的变化特性示意图；

图4示出了根据本发明又一个实施例的晶体减振热沉装置的结构示意图；

图5示出了根据本发明又一个实施例的晶体减振热沉装置的结构示意图；

图6示出了根据本发明又一个实施例的主系统振动幅度随激励频率的变化特性示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

如图2所示，根据本发明一个实施例的晶体减振热沉装置，包括热沉元件，其特征在于，还包括：

至少一个振动传感器，用于感应热沉元件的振动频率，图2中仅示出了8-a和8-b两个振动传感器，实际应用中可以根据需要具体需要设置振动传感器的数量和位置；

反馈控制元件10，根据振动频率控制至少一个动力吸振器中的每个动力吸振器分别产生等效质量，以使热沉元件发生振动的频率与动力吸振器的固有频率之比满足最优同调条件，使动力吸振器的阻尼满足最优阻尼条件；

至少一个动力吸振器，其中的每个动力吸振器分别产生等效质量，以吸收热沉元件的振动，图2中仅示出了5-a和5-b两对共四个动力吸振器，实际上可以根据需要设置动力吸振器的数量和位置。

通过振动传感器可以准确检测热沉元件的振动频率，使得反馈控制元件可以根据振动频率控制动力吸振器产生相应的等效质量，以使动力吸振器能够在热沉元件受到不同振动源影响时，都能够良好地吸收热沉元件产生的振动，适用性强，减振效果好。

优选地，反馈控制元件包括：

反馈元件10，连接至振动传感器，用于获取振动频率，根据振动频率确定等效质量，根据等效质量控制电磁铁产生相应的电流；

电磁铁，连接至反馈元件和动力吸振器，图中仅示出了9-a和9-b两对共四个电磁铁，实际上可以根据需要设置动力吸振器的数量和位置，一般与动力吸振器的数量和位置相对应。

其中，动力吸振器包括：

磁性振子，在电磁铁产生磁力的作用下产生等效质量；

弹性元件，用于将动力吸振器的振动转化为热量。

优选地，弹性元件的材料为非磁性材料。可以保证弹性元件不会受到电磁铁的影响，从而良好地将动力吸振器的振动转化为热量。弹性元件可以为悬臂梁结构或者弹簧结构，

优选地，电磁铁与磁性振子对应设置，以使电磁铁产生的磁力在磁性振子的重力方向上。保证电磁铁产生的磁力能够有效地作用于磁性振子以产生等效质量。

优选地，还包括：

设置元件，根据接受到的指令设置电磁铁产生的电流。方便根据控制动力吸振器产生相应的等效质量。

优选地，振动传感器为多个，用于感应热沉元件各个方向的振动。便于良好地吸收热沉元件各个方向的振动。

优选地，热沉元件包括第一热沉侧板和第二热沉侧板，

则动力吸振器为多个，且多个动力吸振器中的一部分动力吸振器竖直设置在第一热沉侧板中，用于吸收热沉元件竖直方向的振动，另一部分动力吸振器水平设置在第二热沉侧板中，用于吸收热沉元件水平方向的振动。便于良好地吸收热沉元件横向和纵向的振动。

优选地，动力吸振器设置在热沉元件的热沉侧板中，

其中，热沉侧边中设置有冷却液，用于冷却动力吸振器产生的热量。冷却液可以为水、酒精、氟、空气、氮气、氦气等。

如图2所示，动力吸振器可以分别设置在两个热沉侧板1-a和1-b之内，冷却液体可以去离子水。1-a和1-b表示双侧制冷型晶体板条热沉的两个热沉侧板，2表示晶体板条，3表示热沉内部的冷却液循环通道内壁，4表示热沉内部的冷却液循环通道，5-a表示分布在热沉侧板1-a内壁的具有单向阻尼的动力吸振器，5-b表示分布在热沉侧板1-b内壁的具有单向阻尼的动力吸振器，两组动力吸振器设置方向相互垂直(例如一组沿水平方向设置，另一组沿竖直方向设置)，6表示冷却液的循环进口，7表示冷却液的循环出口，8表示振动传感器，表示是安装在热沉上的电磁铁，10表示与振动传感器8和电磁铁9相连接的反馈控制元件。

本实施例中的双侧制冷型晶体板条热沉固定在光学平台上，从水冷机流出的温度恒定流速稳定的去离子水从冷却液循环进口6进入，经冷却液循环通道4，从冷却液循环出口7流出。晶体板条2的侧面可以包裹铟箔，以确保晶体板条2与热沉侧板1-a和1-b接触良好，提高热传导效率。晶体板条2吸收部分入射光所产生的热量不断传导到热沉侧板1-a和1-b，吸收了热量的热沉侧板通过与冷却液循环通道4中的去离子水发生热交换，最终带走晶体板条2上的热量，使晶体板条2得以冷却。

以纵向为例计算动力吸振器5-b减振效果：热沉材料为黄铜，热沉整体等效质量为3kg，等效刚度为3N/m；镜架内壁安装有纵向阻尼的动力吸振器5-b，吸振器采用悬臂梁结构。

在外加电磁场为0的情况下，其动力吸振器5-b初始等效质量m₀为0.2kg，纵向等效刚度为0.2N/m，等效阻尼为0.5N·s/m。外加电磁场：工作电压设置12V，电阻200Ω，线圈匝数2000，空气中的磁导率为0.4π×10^-8H/cm，极化面半径0.3cm，线圈半径0.6cm，经计算产生+0.1Kgf的电磁铁吸力，此时动力吸振器5-b等效质量为0.3Kg，质量比为0.1。

受环境影响，外激励的频率从0.6Hz变化到1.4Hz时，得到主系统振动幅度随外激励频率的变化特性，如图3中粗实线所示，可以看到在外激励频率变化范围内，主振系统共振峰最大振幅比为19.51。在加有动力吸振器的主振系统，其共振峰幅度会明显降低，系统得到减振，当等效阻尼较小时，系统具有二阶固有频率，即双共振峰；

由最优同调条件和最优阻尼条件通过进一步优化动力吸振器的固定频率比和阻尼比，最优固定频率比为0.9091，最优阻尼比为0.1679，得到主系统振动幅度随激励频率的变化特性(如图3中细实线所示)，由图3可知主振系统共振峰幅度最大值降到最低，最大振幅比为4.588，两共振峰幅度值相等，此时系统动力吸振器减振频率与外界引起的共振频率相同，减振效果最优。

与上同理，横向方向上，黄铜热沉内壁安装有横向阻尼的动力吸振器5-a，吸振器采用悬臂梁结构，在5-a对应的电磁铁磁力确定时，动力吸振器等效质量确定，通过最优同调条件和最优阻尼条件同样得到最优减振。

优选地，还包括：

容纳室，焊接至热沉元件，

则动力吸振器设置在容纳室中。

如图4所示，本实施例将动力吸振器分别设置在两个独立的容纳室内，再将这两个独立结构与两个热沉侧板连接，冷却通道相通。本实施例适用于原来没有内置吸振器的热沉做简单改造，不会破坏原有晶体热沉内部结构，只需外部焊接一个内含吸振器的独立结构即可。

如图5所示，根据本发明又一个实施例的晶体减振热沉装置，在热沉元件的上方设置有制冷机液氦传输管，晶体棒热沉内置动力吸振器，冷却介质为液氦。其中1-a和1-b表示晶体棒热沉的底板和盖板，1-c表示固定螺栓，2表示晶体棒，3表示热沉内部的冷却液循环通道内壁，4表示热沉内部的冷却液循环通道，5表示分布在冷却液循环通道内的具有纵向阻尼的动力吸振器，6表示液氦循环进口，7表示液氦循环出口，8表示振动频率探测器，9表示安装在热沉上的电磁铁，10表示与8振动频率探测器和9电磁铁相连接的反馈控制装置。

本实施例中的晶体棒热沉分为上下两部分，上部和制冷机液氦传输管连接，从制冷机流出的液氦从冷却液循环进口6进入，经冷却液循环通道4，从冷却液循环出口7流出。晶体棒2的侧面包裹铟箔，保证充分与热沉底板和盖板，即1-a和1-b接触良好，加螺栓1-c固定，提高热传导效率。本实施例中主要振动是制冷机引入的纵向振动，因此设置具有纵向阻尼的动力吸振器5。

计算本实施例中的动力吸振器5减振效果：热沉材料为紫铜，热沉整体等效质量为4kg，等效刚度为4N/m；因为本实施例中由上方制冷机通过传输管传导的纵向振动为本系统主要振动，因此热沉内只设计安装有纵向阻尼的动力吸振器5，吸振器采用弹簧结构，控制外加电磁铁磁力情况下，使振子等效质量为0.3kg，即质量比为0.075，纵向等效刚度为0.2N/m，等效阻尼为0.5N·s/m。

受压缩机影响，外激励的频率从0.7Hz变化到1.3Hz时，得到主系统振动幅度随外激励频率的变化特性，如图6中粗实线所示，可以看处，在外激励频率变化范围内，主振系统有共振峰，最大振幅比为25.24。在加有动力吸振器的主振系统，其共振峰幅度会明显降低，系统得到减振，当等效阻尼较小时，系统具有二阶固有频率，即双共振峰；由最优同调条件和最优阻尼条件通过进一步优化动力吸振器的阻尼比和固定频率比，最优阻尼比为0.1505，最优固定频率比为0.9302，如图6中细实线所示，得到主系统振动幅度随激励频率的变化特性，由图6可知此时动力吸振器减振频率与主振系统共振频率相匹配，共振峰幅度最大值降到最低，最大振幅比为5.265，两共振峰幅度值相等，此时系统减振效果最优。

根据上述技术方案，通过振动传感器可以准确检测热沉元件的振动频率，使得反馈控制元件可以根据振动频率控制动力吸振器产生相应的等效质量，以使动力吸振器能够在热沉元件受到不同振动源影响时，都能够良好地吸收热沉元件产生的振动。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种晶体减振热沉装置，包括热沉元件，其特征在于，还包括：

至少一个振动传感器，用于感应热沉元件的振动频率；

反馈控制元件，根据所述振动频率控制至少一个动力吸振器中的每个动力吸振器分别产生等效质量，以使所述热沉元件发生振动的频率与所述动力吸振器的固有频率之比满足最优同调条件，使所述动力吸振器的阻尼满足最优阻尼条件；

所述至少一个动力吸振器，其中的每个动力吸振器分别产生所述等效质量，以吸收所述热沉元件的振动。

2.根据权利要求1所述的晶体减振热沉装置，其特征在于，所述反馈控制元件包括：

反馈元件，连接至所述振动传感器，用于获取所述振动频率，根据所述振动频率确定所述等效质量，根据所述等效质量控制电磁铁产生相应的电流；

所述电磁铁，连接至所述反馈元件和所述动力吸振器，

其中，所述动力吸振器包括：

磁性振子，在所述电磁铁产生磁力的作用下产生所述等效质量；

弹性元件，用于将所述动力吸振器的振动转化为热量。

3.根据权利要求2所述的晶体减振热沉装置，其特征在于，所述弹性元件的材料为非磁性材料。

4.根据权利要求2所述的晶体减振热沉装置，其特征在于，所述电磁铁与所述磁性振子对应设置，以使所述电磁铁产生的磁力在所述磁性振子的重力方向上。

5.根据权利要求2所述的晶体减振热沉装置，其特征在于，还包括：

设置元件，根据接受到的指令设置所述电磁铁产生的电流。

6.根据权利要求1所述的晶体减振热沉装置，其特征在于，所述振动传感器为多个，用于感应所述热沉元件各个方向的振动。

7.根据权利要求1所述的晶体减振热沉装置，其特征在于，所述热沉元件包括第一热沉侧板和第二热沉侧板，

则所述动力吸振器为多个，且多个所述动力吸振器中的一部分动力吸振器竖直设置在所述第一热沉侧板中，用于吸收所述热沉元件竖直方向的振动，另一部分动力吸振器水平设置在所述第二热沉侧板中，用于吸收所述热沉元件水平方向的振动。

8.根据权利要求1所述的晶体减振热沉装置，其特征在于，所述动力吸振器设置在所述热沉元件的热沉侧板中，

其中，所述热沉侧边中设置有冷却液，用于冷却所述动力吸振器产生的热量。

9.根据权利要求1所述的晶体减振热沉装置，其特征在于，还包括：

容纳室，焊接至所述热沉元件，

则所述动力吸振器设置在所述容纳室中。