CN105807331B - 轴对称型动态相对重力仪单自由度微位移机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴对称型动态相对重力仪单自由度微位移机构，所述单自由度微位移机构，其采用全新的定位结构，起到简化制作工艺、缩小仪器体积、降低制作成本的有益效果。所述轴对称型动态相对重力仪具有成本低，制备周期短，安装环境要求低，有效约束质量块5个自由度，有利于仪器的小型化等优点。

Description

轴对称型动态相对重力仪单自由度微位移机构

技术领域

本发明涉及重力勘探设备技术领域，特别是一种轴对称型动态相对重力仪单自由度微位移机构。

背景技术

相对重力仪是一种测量不同位置重力值差异的精密仪器，动态相对重力仪是指在运动载体（如舰船、飞机、卫星等）上进行连续测量的相对重力仪。动态相对重力仪根据仪器敏感结构的不同，分为摆杆型和轴对称性两类。摆杆型（或称旋转型）动态相对重力仪虽具备操作便捷、机械灵敏度高等优点，但受交叉耦合效应（即CC效应）的影响很严重，在恶劣海况下进行测量会产生较大误差。轴对称型动态相对重力仪很好地克服了摆杆型重力仪的缺陷，能够在恶劣海况下正常工作，成为了当今动态相对重力仪市场的主流产品。

目前，市场上的轴对称型动态相对重力仪微位移机构均采用垂直悬挂测量弹簧及质量块辅以拉丝绷簧限制水平向位移的结构（如图1所示）。包括质量块A1、测量弹簧A2、拉丝A3和绷簧A4。质量块A1为管状结构。测量弹簧A2穿过质量块A1中间的管腔，一端固定于重力仪的框架上，另一端与质量块A1下端连接。质量块A1的上、中、下三个水平面内呈等角度分布着若干拉丝A3或绷簧A4。当无外界加速度作用于重力仪时，质量块A1的重力由测量弹簧A2提供的弹性力所平衡。当仪器工作于理想状态时，重力加速度变化导致质量块A1所受重力发生变化，力平衡状态被破坏，质量块A1在合力作用下产生位移，使得测量弹簧A2的长度发生变化，直至测量弹簧A2的弹性力变化量与重力加速度变化引起的重力变化量相等时质量块A1达到新的力平衡状态。前后两次平衡状态下质量块A1产生的位移经电容测微传感器检测并转化即可得到重力加速度变化值。而实际工作状况下，重力加速度与干扰加速度共同作用于由测量弹簧A2和质量块A1组成的弹性敏感系统，为了减小甚至消除水平扰动加速度对仪器精度的影响，必须使得质量块A1只有一个沿垂直方向的自由度。所以需要用拉丝A3和绷簧A4约束质量块A1其余5个自由度，使其只能沿仪器的轴线垂直平动，从而确保质量块A1不受水平加速度的干扰，从根本上消除交叉耦合效应。

但是这种轴对称型动态相对重力仪具有如下缺点：

（1）现有的用于限制质量块A1水平向位移的拉丝A3、绷簧A4结构中所用的拉丝A3通常采用抗拉强度和拉伸弹性模量高的钨丝，其热膨胀系数比仪器中大量使用的铝合金、铜合金材料小得多，为了确保配合精度，需严格控制装配时的环境温度使其与仪器工作温度尽量一致，这就给装配环境温度控制提出了较高要求，会增加装配成本。且仪器工作温度通常在50℃，在高温环境装配给操作人员带来很大不便。

（2）由于此类仪器的静态分辨率极高（0.01毫伽），拉丝A3的残余应力会引起不可忽略的误差，因此，从市场上采购的钨丝必须经过一定的热处理工艺，消除残余应力后才能作为拉丝使用，导致拉丝A3的制备周期长，成本高。

（3）上、中、下三层布置的拉丝A3、绷簧A4结构导致仪器重力敏感部分尺寸较大，不利于满足市场对动态相对重力仪体积小型化的要求。

（4）为保证该微位移机构的水平刚度恒定，绷簧A4需采用恒弹性材料制作，该材料价格昂贵，增加了仪器的制造成本。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种单自由度微位移机构，其采用全新的定位结构，起到简化制作工艺、缩小仪器体积、降低制作成本的有益效果。

轴对称型动态相对重力仪单自由度微位移机构，包括框架、电容测微传感器以及均沿垂直方向伸展的质量块和测量弹簧，质量块通过所述测量弹簧与框架连接并呈悬吊姿态，所述电容测微传感器用于监测质量块垂直方向位移量，还包括呈环片形状的片状弹簧，所述质量块套于片状弹簧的内孔中且与片状弹簧的内孔固定连接，片状弹簧的外周与框架相对固定。

本发明所述片状弹簧的内孔及所述外周分别伸出内连接耳和外连接耳，所述框架设有夹紧所述外连接耳的外夹紧结构，所述质量块的外壁也设有夹紧所述内连接耳的内夹紧结构。所述外夹紧结构和内夹紧结构均可拆解，使得片状弹簧可从所述轴对称型动态相对重力仪单自由度微位移机构中脱离。所述片状弹簧有两片，且分别与质量块的上部和下部连接。所述片状弹簧上设有若干个与片状弹簧同心的弧形槽孔。所述片状弹簧为无磁性构件。

本发明所述电容测微传感器包括电容动片和电容定片组件，所述电容定片组件包括连杆、上定片和下定片，所述上定片和下定片均通过连杆与框架固定连接，所述上定片和下定片之间留有活动区间，上定片具有可供测量弹簧穿过的第一通孔，所述下定片具有可供质量块穿过的第二通孔，所述电容动片位于活动区间内，且与质量块的上端部固定连接。所述电容定片组件还包括限位套，所述连杆同时穿过上定片和下定片，所述限位套与连杆套接且位于上定片和下定片之间。所述电容动片为微晶玻璃构件。所述上定片和下定片均为铅黄铜构件。

本发明公开的单自由度微位移机构及应用其的轴对称型动态相对重力仪具有如下优点：

1. 片状弹簧的制备与极细的钨丝制作相比，前者不需要经过用于消除参与应力的校直处理等工艺，成本低，制备周期短。

2.可采用铅黄铜等材料制作片状弹簧，此类材料的热膨胀系数与仪器中大量使用的铝合金、铜合金很接近，因此不用考虑温差带来的装配位置误差，可在常温下进行装配，改善了装配人员的工作环境。

3.片状弹簧的定位及安装比现有技术方案中拉丝和绷簧的安装难度要小得多。

4.位于两个平面的片状弹簧即可约束质量块5个自由度，与原有方案拉丝绷簧在三个平面约束相比，本发明方案可减小仪器在Z轴方向上的尺寸，有利于仪器的小型化。

5.原有方案质量块在Z轴向移动过程中伴有微小转动（Rz方向），本发明克服了Rz方向的转动对仪器的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员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设计方案和附图。

图1是现有的轴对称型动态相对重力仪微位移机构的立体图；

图2是本发明所述轴对称型动态相对重力仪单自由度微位移机构省略了电容测微传感器的立体图；

图3是本发明所述轴对称型动态相对重力仪单自由度微位移机构的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

轴对称型动态相对重力仪单自由度微位移机构，如图1所示，包括框架、电容测微传感器以及均沿垂直方向伸展的质量块2和测量弹簧3，质量块2通过所述测量弹簧3与框架连接并呈悬吊姿态，所述电容测微传感器用于监测质量块2垂直方向位移量，还包括呈环片形状的片状弹簧4，所述质量块3套于片状弹簧4的内孔中且与片状弹簧4的内孔固定连接，片状弹簧4的外周与框架相对固定。环片形状的片状弹簧4套住质量块2，同时约束了质量块2在X、Y轴方向的平动以及X、Y、Z轴上的转动，使质量块2仅能沿Z轴方向平动，有效消除交叉耦合效应。同时，由于圆环形的片状弹簧4加工容易，对安装要求也交底，所以能良好取代原有的“拉丝+绷簧”的固定方式。所述片状弹簧4的内孔及所述外周分别伸出内连接耳和外连接耳，所述框架设有夹紧所述外连接耳的外夹紧结构1，所述质量块2的外壁也设有夹紧所述内连接耳的内夹紧结构。所述外夹紧结构1和内夹紧结构均可拆解，使得片状弹簧4可从所述轴对称型动态相对重力仪单自由度微位移机构中脱离。所述片状弹簧4为无磁性构件，具体材质为铍青铜、磷青铜或牌号为3J58、3J21的恒弹性合金等，此类材料的热膨胀系数与仪器中大量使用的铝合金、铜合金很接近，因此不用考虑温差带来的装配位置误差，可在常温下进行装配，改善了装配人员的工作环境。

作为进一步优选的实施方式，所述片状弹簧4有两片，且分别与质量块2的上部和下部连接。两片片状弹簧4同时对管状的质量块2进行固定，所需的空间远远小于原有设计的上、中、下三层分别使用“拉丝-绷簧-拉丝”的固定方式，能有效缩减质量块2在Z轴方向上的尺寸，因此有利于单自由度微位移机构的小型化。

作为进一步优选的实施方式，所述片状弹簧4上设有若干个与片状弹簧4同心的弧形槽孔41。由于片状弹簧4只在刚度最小的平面上容易弯曲，而在另一个方向上具有大的拉伸刚度及弯曲刚度，所以增设弧形槽孔41可有效降低其法线方向刚度。

作为进一步优选的实施方式，如图2所示，所述电容测微传感器包括电容动片5和电容定片组件，所述电容定片组件包括连杆6、上定片7和下定片8，所述上定片7和下定片8均通过连杆6与框架固定连接，所述上定片7和下定片8之间留有活动区间，上定片7具有可供测量弹簧3穿过的第一通孔，所述下定片8具有可供质量块2穿过的第二通孔，所述电容动片5位于活动区间内，且与质量块2的上端部固定连接。

作为进一步优选的实施方式，所述电容定片组件还包括限位套9，所述连杆6同时穿过上定片7和下定片8，所述限位套9与连杆6套接且位于上定片7和下定片8之间。限位套9使活动区间的范围保持恒定，有利于电容动片5在合理活动范围内测量测量弹簧3的变化值，避免仪器剧烈晃动时测量弹簧3被绷断。

作为进一步优选的实施方式，所述电容动片5为微晶玻璃构件。所述上定片7和下定片8均为铅黄铜构件。

以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.轴对称型动态相对重力仪单自由度微位移机构，包括框架、电容测微传感器以及均沿垂直方向伸展的质量块（2）和测量弹簧（3），质量块（2）通过所述测量弹簧（3）与框架连接并呈悬吊姿态，所述电容测微传感器用于监测质量块（2）垂直方向位移量，其特征在于：还包括呈环片形状的片状弹簧（4），所述质量块（3）套于片状弹簧（4）的内孔中且与片状弹簧（4）的内孔固定连接，片状弹簧（4）的外周与框架相对固定。

2.根据权利要求1所述的轴对称型动态相对重力仪单自由度微位移机构，其特征在于：所述片状弹簧（4）的内孔及所述外周分别伸出内连接耳和外连接耳，所述框架设有夹紧所述外连接耳的外夹紧结构（1），所述质量块（2）的外壁也设有夹紧所述内连接耳的内夹紧结构。

3.根据权利要求2所述的轴对称型动态相对重力仪单自由度微位移机构，其特征在于：所述外夹紧结构（1）和内夹紧结构均可拆解，使得片状弹簧（4）可从所述轴对称型动态相对重力仪单自由度微位移机构中脱离。

4.根据权利要求1～3任一项所述的轴对称型动态相对重力仪单自由度微位移机构，其特征在于：所述片状弹簧（4）有两片，且分别与质量块（2）的上部和下部连接。

5.根据权利要求4所述的轴对称型动态相对重力仪单自由度微位移机构，其特征在于：所述片状弹簧（4）上设有若干个与片状弹簧（4）同心的弧形槽孔（41）。

6.根据权利要求5所述的轴对称型动态相对重力仪单自由度微位移机构，其特征在于：所述片状弹簧（4）为无磁性构件。

7.根据权利要求1、2、3、5或6所述的轴对称型动态相对重力仪单自由度微位移机构，其特征在于：所述电容测微传感器包括电容动片（5）和电容定片组件，所述电容定片组件包括连杆（6）、上定片（7）和下定片（8），所述上定片（7）和下定片（8）均通过连杆（6）与框架固定连接，所述上定片（7）和下定片（8）之间留有活动区间，上定片（7）具有可供测量弹簧（3）穿过的第一通孔，所述下定片（8）具有可供质量块（2）穿过的第二通孔，所述电容动片（5）位于活动区间内，且与质量块（2）的上端部固定连接。

8.根据权利要求7所述的轴对称型动态相对重力仪单自由度微位移机构，其特征在于：所述电容定片组件还包括限位套（9），所述连杆（6）同时穿过上定片（7）和下定片（8），所述限位套（9）与连杆（6）套接且位于上定片（7）和下定片（8）之间。

9.根据权利要求7所述的轴对称型动态相对重力仪单自由度微位移机构，其特征在于：所述电容动片（5）为微晶玻璃构件。

10.根据权利要求7所述的轴对称型动态相对重力仪单自由度微位移机构，其特征在于：所述上定片（7）和下定片（8）均为铅黄铜构件。