CN105549104B - 一种电磁阻尼器及重力仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电磁阻尼器及重力仪，涉及重力仪技术领域，为解决现有技术中的重力仪的抗干扰能力差的问题。所述电磁阻尼器包括外壳，以及安装于外壳中的:采样质量块、检测弹簧、电涡流板、磁路装置、差分电容器和控制转换电路；检测弹簧的一端与外壳相连，另一端与采样质量块相连；电涡流板的顶部与采样质量块的底部相连，底部连接有筒状骨架，筒状骨架上缠绕有载流线圈；电涡流板的底部和筒状骨架均位于磁路装置中；差分电容器包括两个电容定极板和一个电容动极板；控制转换电路分别与差分电容器和载流线圈相连，控制转换电路将差分电容器输出的差分电容转换为电流并传输给载流线圈。所述电磁阻尼器的抗干扰能力强，检测精度高。

Description

一种电磁阻尼器及重力仪

技术领域

本发明涉及重力仪技术领域，尤其是涉及一种电磁阻尼器及重力仪。

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，以解决现有技术中的重力仪的抗干扰能力差的问题。

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，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,所述采样质量块的底部与所述电涡流板的顶部相连，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,所述电涡流板的底部和所述筒状骨架均位于所述磁路装置中；

差分电容器,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；

控制转换电路，所述控制转换电路分别与所述差分电容器和所述载流线圈相连，所述控制转换电路将所述差分电容器输出的差分电容转换为电流并传输给所述载流线圈。

优选地，所述载流线圈由直径为0.07毫米的铜质漆包线绕制而成。

优选地，所述采样质量块为管状质量块，所述采样质量块的外表面镀有磁屏蔽层。

优选地，所述丝状连接件有两组，每组包括三个所述丝状连接件，每组内的三个所述丝状连接件分别沿所述采样质量块的周向均匀分布。

优选地，所述采样质量块上设置有一对用于抵消拉力的扭矩弹簧，所述扭矩弹簧位于两组所述丝状连接件之间，且与两组所述丝状连接件之间的距离相等。

优选地，所述丝状连接件的两端分别通过固装在所述采样质量块和所述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。

优选地，所述检测弹簧通过柱状连接件与所述采样质量块相连，所述柱状连接件设置于所述采样质量块的空腔底端，所述柱状连接件的外圆柱面与所述采样质量的空腔的内壁固定连接，所述检测弹簧与所述柱状连接件的上端相连。

优选地，所述柱状连接件的底端伸入所述电涡流板并设置有翻边，所述柱状连接件通过所述翻边与所述电涡流板卡合连接。

优选地，所述外壳为圆柱状壳体，所述圆柱状壳体、所述采样质量块、所述电涡流板和所述磁路装置的竖直方向的稳定轴在同一条直线上。

相对于现有技术，本发明所述的电磁阻尼器具有以下优势：

在本发明提供的电磁阻尼器中，由于采样质量块通过丝状连接件与壳体相连，因此采样质量块在水平方向上不能相对外壳运动，只能相对外壳产生沿竖直方向上的运动。由于采样质量块的底部与电涡流板的顶部相连，因此采样质量块可带动电涡流板靠近或远离磁路装置。在使用过程中，当采样质量块受到垂直扰动加速度干扰时，采样质量块带动电涡流板向靠近或远离磁路装置的方向运动，也就是说，电涡流板在磁路装置产生的磁场中上下运动，从而使得电涡流板内部的磁通发生变化，在电涡流板内形成强大的电涡流，继而产生一个反向的洛伦兹力，继而产生阻尼阻碍采样质量块运动。而电涡流板产生的电涡流最终会转化为焦耳热释放出去。

同时，由于在电涡流板的底部连接有筒状骨架，筒状骨架上缠绕有载流线圈，因此载流线圈位于磁路装置产生的磁场中，当采样质量块受到垂直扰动加速度干扰时，采样质量块带动电容动极板运动，从而使得电容动极板与两个电容定极板之间的距离均产生变化，因此，电容动极板分别与两个电容定极板之间产生的电容也随之变化，两个电容之间的差值(差分电容)经由控制转换电路转换成电流传输给载流线圈，由于载流线圈受到的磁场安培力的作用刚好与采样质量块的运动趋势相反，因此载流线圈形成的电阻尼可以进一步衰减掉一部分采样质量快受到的垂直扰动。

由于本发明提供的电磁阻尼器利用导体(电涡流板)在磁场中运动产生电涡流效应，以及载流导体(载流线圈)在外磁场中受安培力的基本原理，对环境温度波动不敏感，时间常数小，重力变化滞后小，也不存在流体对流力的影响，本发明提供的电磁阻尼器具有阻尼系数大、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。当将本发明提供的电磁阻尼器应用于海洋重力仪时，相对于现有技术中的海洋重力仪，应用本发明提供的电磁阻尼器的海洋重力仪对海浪这种低频、大幅值垂直扰动具有更好的压缩效果，可以极大的提高重力仪的精度，满足快速高效大范围海洋重力测量。

本发明的另一目的在于提出重力仪，以解决现有技术中的重力仪的抗干扰能力差的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种重力仪，所述重力仪包括如上述技术方案所述的电磁阻尼器。

所述重力仪与上述电磁阻尼器相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

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为本发明实施例提供的电涡流阻尼结构的结构示意图；

图2为图1中A-A处的剖视图。

附图标记：

1-采样质量块； 2-电涡流板； 3-丝状连接件；

4-检测弹簧； 5-磁路装置； 51-外导磁体；

52-内导磁体； 53-稀土永磁体； 61-电容动极板；

62-电容定极板； 7-柱状连接件； 8-筒状骨架。

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。

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。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的电磁阻尼器，包括外壳，以及安装于外壳中的:具有空腔的采样质量块1,采样质量块1通过丝状连接件3与外壳相连；检测弹簧4,检测弹簧4的一端与外壳相连，另一端伸入采样质量块1的空腔且与采样质量块1相连；电涡流板2,采样质量块1的底部与电涡流板2的顶部相连，电涡流板2的底部连接有筒状骨架8，筒状骨架8上缠绕有载流线圈；磁路装置5,电涡流板2的底部和筒状骨架8均位于磁路装置5中；差分电容器,差分电容器包括两个电容定极板62和一个电容动极板61，电容定极板62与外壳相连，电容动极板61与采样质量块1相连，且电容动极板61位于两个电容定极板62之间；控制转换电路，控制转换电路分别与差分电容器和载流线圈相连，控制转换电路将差分电容器输出的差分电容转换为电流并传输给载流线圈。

在本发明实施例提供的电磁阻尼器中，由于采样质量块1通过丝状连接件3与壳体相连，因此采样质量块1在水平方向上不能相对外壳运动，只能相对外壳产生沿竖直方向上的运动。由于采样质量块1的底部与电涡流板2的顶部相连，因此采样质量块1可带动电涡流板2靠近或远离磁路装置5。在使用过程中，当采样质量块1受到垂直扰动加速度干扰时，采样质量块1带动电涡流板2向靠近或远离磁路装置5的方向运动，也就是说，电涡流板2在磁路装置5产生的磁场中上下运动，从而使得电涡流板2内部的磁通发生变化，在电涡流板2内形成强大的电涡流，继而产生一个反向的洛伦兹力，继而产生阻尼阻碍采样质量块1运动。而电涡流板2产生的电涡流最终会转化为焦耳热释放出去。

同时，由于在电涡流板2的底部连接有筒状骨架8，筒状骨架8上缠绕有载流线圈，因此载流线圈位于磁路装置5产生的磁场中，当采样质量块1受到垂直扰动加速度干扰时，采样质量块1带动电容动极板61运动，从而使得电容动极板61与两个电容定极板62之间的距离均产生变化，因此，电容动极板61分别与两个电容定极板62之间产生的电容也随之变化，两个电容之间的差值(差分电容)经由控制转换电路转换成电流传输给载流线圈，由于载流线圈受到的磁场安培力的作用刚好与采样质量块1的运动趋势相反，因此载流线圈形成的电阻尼可以进一步衰减掉一部分采样质量快受到的垂直扰动。

由于本发明实施例提供的电磁阻尼器是利用导体(电涡流板2)在磁场中运动产生电涡流效应的基本原理，相对于液体阻尼对环境温度波动不敏感，时间常数小，重力变化滞后小，也不存在流体对流力的影响，本发明提供的电磁阻尼器具有阻尼系数大、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。当将本发明提供的电磁阻尼器应用于海洋重力仪时，相对于现有技术中的海洋重力仪，应用本发明实施例提供的电磁阻尼器的海洋重力仪对海浪这种低频、大幅值垂直扰动具有更好的压缩效果，可以极大的提高重力仪的精度，满足快速高效大范围海洋重力测量。

下面根据图1和图2对本发明实施例提供的电磁阻尼器的结构进行进一步具体说明。

本实施例中，磁路装置5包括外导磁体51、内导磁体52和稀土永磁体体54，所述外导磁体内部设有容置腔，所述电涡流板2、筒状骨架8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，所述稀土永磁体体54两端分别与内导磁体和容置腔连接。

磁路装置5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。系统的气隙磁场由稀土永磁体体54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。稀土永磁体体54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。稀十钻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56到6l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。

在本发明实施例的其中一种具体实施方式中，外壳为圆柱状壳体，圆柱状壳体、采样质量块1、电涡流板2和磁路装置5的竖直方向的稳定轴在同一条直线上。电涡流板2可以由钛合金、铝或银制成，优选为钛合金；采样质量块1可以由铝镁合金或者钛合金制成，优选为钛合金，由于钛合金具有很高的强度，因此采用钛合金材料制成的采样质量块1的后期应力释放小，不易发生形变，稳定性较强。采样质量快的外表面镀有厚度为0.1mm磁屏蔽层，磁屏蔽层的作用是避免磁路装置5的磁力线在检测弹簧4上升成感应电流影响检测弹簧4的灵敏度。

为了便于装设丝状连接件3，采样质量块1为管状结构，丝状连接件3的数量优选为六个，当丝状连接件3的数量为六个时，丝状连接件3平均分为两组，分别安装在管状的采样质量块1的上部区域和下部区域，每组内的三个丝状连接件3分别沿采样质量块1的周向均匀分布。具体地，每组内的三个丝状连接件3分别沿采样质量块1的外表面的切向安装，且在同组的三个丝状连接件3所处的水平面上，采样质量块1的截面为圆形，该圆形上，任意一个丝状连接件3与采样质量块1相连的端点所在的直径，与相邻的另一个丝状连接件3与采样质量块1相连的端点所在的直径之间的夹角均为120度。同时，为了抵消六个丝状连接件3对采样质量块1的拉力，在采样质量块1上，距离两组丝状连接件3的距离相等的地方安装有一对扭矩弹簧，两个扭矩弹簧均沿采样质量块1的外表面的切向安装且处于同一水平面，在两个扭矩弹簧所在的水平面上，采样质量块1的截面为圆形，该圆形的圆心为两个扭矩弹簧的对称点。

当然，上述丝状连接件3的数量不限于六个，还可以为其他数量，例如五个，当丝状连接件3的数量为五个时，丝状连接件3分为三组，有两组内的丝状连接件3的数量为两个，另一组内的丝状连接件3的数量为一个，三组丝状连接件3分别安装于采样质量块1的上部区域、中部区域和下部区域，其中，上部区域和下部区域的丝状连接件3均为两个，中部区域的丝状连接件3为一个，五个丝状连接件3均沿采样质量块1的外表面的切向安装。将位于中部区域的丝状连接件3投影到位于上部的丝状连接件3所在的平面上，三个丝状连接件3的安装位置与上述丝状连接件3的数量为六个时，每组内三个丝状连接件3的安装位置相同。上部区域和下部区域内的丝状连接件3的安装角度相同。为了抵消五个丝状连接件3对采样质量块1的拉力，在采样质量块1上在中部区域的丝状连接件3所在平面安装有一对扭矩弹簧，两个扭矩弹簧均沿采样质量块1的外表面的切向安装且处于同一水平面，两个扭矩弹簧的安装角度与上部区域(下部区域)内的丝状连接件3的安装角度相同。

为了避免丝状连接件3被折弯，以及减少丝状连接件3的应力释放，丝状连接件3的两端分别通过固装在采样质量块1和壳体上的夹持装置进行固定，夹持装置包括螺接在一起的一对金属片，由于所有丝状连接件3与采样质量块1/壳体采用相同方式连接，因此下面以其中一个丝状连接件3为例对丝状连接件3与采样质量块1之间的连接方式进行说明：在丝状连接件3的一端对应设置有两个金属片，两个金属片将丝状连接件3夹住，两个金属片通过螺栓紧固，从而加紧丝状连接件3，且两个金属片通过螺栓与采样质量块1相连，从而将丝状连接件3的一端与采样质量块1连接。上述金属片可以为不锈钢金属片。

本实施例中，检测弹簧4通过柱状连接件7与采样质量块1相连，柱状连接件7设置于采样质量块1的空腔底端，柱状连接件7的外圆柱面与采样质量的空腔的内壁固定连接，检测弹簧4与柱状连接件7的上端相连。柱状连接件7的底端伸入电涡流板2并设置有翻边，柱状连接件7通过翻边与电涡流板2卡合连接。

载流线圈可以为铜丝或银丝绕制而成，由于使用银丝成本较高，因此载流线圈优选为铜质漆包线绕制而成；载流线圈的线径太小容易拉断，线径太大绕制相同的匝数时占用空间较多，优选地，载流线圈由直径为0.06毫米的铜质漆包线绕制而成。

需要说明的是，本发明实施例提供的电磁阻尼器不仅可以应用于海洋重力仪中，还可应用于航空重力仪。

本发明实施例同时还提供了一种重力仪，包括上述实施例提供的电磁阻尼器。本实施例提供的重力仪与上述电磁阻尼器相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

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 (8)

1.一种电磁阻尼器，其特征在于，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，所述采样质量块为管状质量块，所述采样质量块的外表面镀有磁屏蔽层，所述丝状连接件的两端分别通过固装在所述采样质量块和所述外壳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；

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，所述采样质量块的底部与所述电涡流板的顶部相连，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，所述电涡流板的底部和所述筒状骨架均位于所述磁路装置中；

差分电容器，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；

控制转换电路，所述控制转换电路分别与所述差分电容器和所述载流线圈相连，所述控制转换电路将所述差分电容器输出的差分电容转换为电流并传输给所述载流线圈。

2.根据权利要求1所述的电磁阻尼器，其特征在于，所述载流线圈由直径为0.07毫米的铜质漆包线绕制而成。

3.根据权利要求1所述的电磁阻尼器，其特征在于，所述丝状连接件有两组，每组包括三个所述丝状连接件，每组内的三个所述丝状连接件分别沿所述采样质量块的周向均匀分布。

4.根据权利要求3所述的电磁阻尼器，其特征在于，所述采样质量块上设置有一对用于抵消拉力的扭矩弹簧，所述扭矩弹簧位于两组所述丝状连接件之间，且与两组所述丝状连接件之间的距离相等。

5.根据权利要求1所述的电磁阻尼器，其特征在于，所述检测弹簧通过柱状连接件与所述采样质量块相连，所述柱状连接件设置于所述采样质量块的空腔底端，所述柱状连接件的外圆柱面与所述采样质量的空腔的内壁固定连接，所述检测弹簧与所述柱状连接件的上端相连。

6.根据权利要求5所述的电磁阻尼器，其特征在于，所述柱状连接件的底端伸入所述电涡流板并设置有翻边，所述柱状连接件通过所述翻边与所述电涡流板卡合连接。

7.根据权利要求1所述的电磁阻尼器，其特征在于，所述外壳为圆柱状壳体，所述圆柱状壳体、所述采样质量块、所述电涡流板和所述磁路装置的竖直方向的稳定轴在同一条直线上。

8.一种重力仪，其特征在于，所述重力仪包括如权利要求1－7任意一项所述的电磁阻尼器。