CN105972148A - 基于二级螺旋弹簧系统的超低频隔振装置 - Google Patents
基于二级螺旋弹簧系统的超低频隔振装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于二级螺旋弹簧系统的超低频隔振装置，涉及绝对重力测量技术领域。本发明包括反馈电路（0）、外架上盘（1）、外架支杆（2）、电容位移传感器（3）、第2级弹簧（4）、内架上盘（5）、内架支杆（6）、反射棱镜底盘（7）、反射棱镜（8）、外底座（9）、内底座（10）、调平螺钉（11）、第1级弹簧（12）和磁缸线圈（13）、外架支杆（14）、第2可调螺杆（15）。与现有技术相比，本发明结构简单，操作方便，通过反馈电路使整个隔振系统对地脉动信号（3‑6s）有较为理想的隔振效果，为高精度绝对重力仪研制提供了良好的技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及绝对重力测量技术领域，尤其涉及一种基于二级螺旋弹簧系统的超低频隔振装置。
背景技术
在隔振系统中，振动大体分为垂直和水平方向三个自由度,目前使用最广泛的垂直方向振动机构当属空气弹簧,其具有制造加工简单、成本低廉、隔振性能好等突出优点。水平隔振机构有层合橡胶、三线摆、倒摆、正倒摆结合等形式,其固有频率均与摆长有关,固有频率降低意味着摆长必须增加,同时机构高度会上升,不利于系统的稳定。
在精密物理实验和测量领域,地面微振动已成为测量的主要噪声来源。超低频垂直隔振技术能够大幅降低环境噪声对精密测量的影响,具有重要意义和广阔应用前景。超低频垂直隔振技术包括主动隔振和被动隔振两种,其中主动隔振技术相比被动隔振能实现更好的隔振性能。现有的一种超级弹簧主动式超低频垂直隔振系统是目前最为先进的超低频垂直隔振系统,其通过精密位移探测和主动控制使得直接悬挂被隔振物体的弹簧的等效长度增加,从而增大周期,降低本征频率。
现有的FG5的隔振系统是外部框架通过三根支撑弹簧悬挂内部支架,内部支架通过一根主弹簧悬挂被隔振物体。被隔振物体的底部有一个玻璃球,在玻璃球两侧的中间框架上装有发光二极管和两个光电二极管及检测电路和反馈电路,在支架的顶部装有音圈电机的线圈部分,相应的磁铁部分安装在外部框架上。在支架和外部框架之间还装有柔性机构用以约束支架相对于外部框架仅能垂直运动和线性运动。但是,这种两级隔振的单自由度运动限制机构较为复杂,使得系统限位结构复杂,容易发生故障。
提出一种新型的基于二级螺旋弹簧系统的超低频隔振装置，减少结构的复杂程度及降低故障率，对隔振系统的研究有重要意义。
发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种基于二级螺旋弹簧系统的超低频隔振装置。
本发明是这样实现的：
整个装置的核心部分包括由第1级弹簧和第2级弹簧组成的二级螺旋弹簧系统，第1级弹簧和第2级弹簧均为三根螺旋弹簧悬挂方式构成，通过二级螺旋弹簧系统的耦合提供了二级弹性结构。第1级弹簧作为第2级弹簧的质量块，这样，第2级弹簧框架由于惯性作用与地面保持相对静止，使第1级弹簧在惯性的作用下，具有一定的隔振效果；第1级弹簧通过三根螺旋弹簧悬挂需要被隔振的反射棱镜，通过电容位移传感器检测被隔振物体即反射棱镜相对于第1级弹簧框架的位移；将检测的相对位移通过反馈电路转换为电流输入到磁缸线圈，使第2级弹簧下的内底座位移跟随隔振物体即反射棱镜与第1级弹簧框架的相对位移而变化，从而让整个装置等效为超长弹簧，增加整个装置的等效周期到几十秒以上。
具体地说，本发明包括反馈电路、外架上盘、外架支杆、电容位移传感器、第2级弹簧、内架上盘、内架支杆、反射棱镜底盘、反射棱镜、外底座、内底座、调平螺钉、第1级弹簧和磁缸线圈、外架支杆、第2可调螺杆；
其位置和连接关系是：
外底座和外架上盘由3根均布的外架支杆两端的螺纹连接固定成一个外整体框架；
在外底座的底面均布有3个调平螺钉，通过调整3个调平螺钉使整个隔振装置与地面保持水平；
内底座由均布在外架上盘正下方的3根第2级弹簧悬挂；
内底座和内架上盘由3根内架支杆两端的螺纹连接固定成一个内整体框架；
反射棱镜底盘由均布在内架上盘正下方的3根第1级弹簧悬挂；
反射棱镜固定在反射棱镜底盘的正上方；
在反射棱镜底盘和反射棱镜之间设置有电容位移传感器，在内底座和外底座之间设置有磁缸线圈，电容位移传感器、反馈电路和磁缸线圈依次连接；
3根第2级弹簧的顶端与外架上盘上的3根第1可调螺杆连接，3根第1级弹簧的顶端与内架上盘上的3根第2可调螺杆连接；
通过调整3个调平螺钉、3根第1可调螺杆和3根第2可调螺杆保证装置内各部件均保持水平。
与现有技术相比，本发明具有下列优点和积极效果：
结构简单，操作方便，通过反馈电路使整个隔振系统对地脉动信号（3-6s）有较为理想的隔振效果，为高精度绝对重力仪研制提供了良好的技术支撑。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是第1可调螺杆的结构示意图；
图3是电容位移传感器的结构示意图；
图4是本发明实施例架构示意图。
图中：
A—支架；
B—落体机构；
C—本装置；
0—反馈电路；
1—外架上盘；
2—第1可调螺杆，
20—长螺杆，
21—上锁紧螺母，
22—定位螺钉，
23—下锁紧螺母，
24—弹簧卡子；
3—电容位移传感器；
31—反射棱镜支杆；
32—电容下极板；
33—电容上极板；
34—电容螺钉；
35—电容动片；
36—动片固定夹；
37—固定螺钉；
4—第2级弹簧；
5—内架上盘；
6—内架支杆；
7—反射棱镜底盘；
8—反射棱镜；
9—外底座；
10—内底座；
11—调平螺钉；
12—第1级弹簧；
13—磁缸线圈；
14—外架支杆；
15—第2可调螺杆。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明：
一、总体
具体地说，如图1，本发明包括反馈电路（0）、外架上盘（1）、外架支杆（2）、电容位移传感器（3）、第2级弹簧（4）、内架上盘（5）、内架支杆（6）、反射棱镜底盘（7）、反射棱镜（8）、外底座（9）、内底座（10）、调平螺钉（11）、第1级弹簧（12）和磁缸线圈（13）、外架支杆（14）、第2可调螺杆（15）；
其位置和连接关系是：
外底座（9）和外架上盘（1）由3根均布的外架支杆（14）两端的螺纹连接固定成一个外整体框架；
在外底座（9）的底面均布有3个调平螺钉（11），通过调整3个调平螺钉11使整个隔振装置与地面保持水平；
内底座（10）由均布在外架上盘（1）正下方的3根第2级弹簧（4）悬挂；
内底座（10）和内架上盘（5）由3根内架支杆（6）两端的螺纹连接固定成一个内整体框架；
反射棱镜底盘（7）由均布在内架上盘（5）正下方的3根第1级弹簧（12）悬挂；
反射棱镜（8）固定在反射棱镜底盘（7）的正上方；
在反射棱镜底盘（7）和反射棱镜（8）之间设置有电容位移传感器（3），在内底座（10）和外底座（9）之间设置有磁缸线圈（13），电容位移传感器（3）、反馈电路（0）和磁缸线圈（13）依次连接；
3根第2级弹簧（4）的顶端与外架上盘（1）上的3根第1可调螺杆（2）连接，3根第1级弹簧（12）的顶端与内架上盘（5）上的3根第2可调螺杆（15）连接；
通过调整3个调平螺钉11、3根第1可调螺杆（2）和3根第2可调螺杆（15）保证装置内各部件均保持水平。
二、功能部件
00）反馈电路0
反馈电路0是一种PID组成的负反馈电路。
其功能是将位移信号转换为电信号。
01）外架上盘1
外架上盘1是一种圆盘；
其圆盘中间设有一通孔用于反射棱镜8透光；
在外架上盘1下端面均布有6个小螺纹孔（1-6），其中3个（1、3、5）与外架支杆14的顶端连接，另3个（2、4、6）与第1可调螺杆2的上端连接；
在外架上盘1外侧设有3个螺纹孔，其位置与第1可调螺杆2对应，用于定位。
02）第1可调螺杆2
如图1、2，第1可调螺杆2包括长螺杆20、上锁紧螺母21、定位螺钉22、下锁紧螺母23和弹簧卡子24；
其位置和连接关系是：
在外架上盘1上均布3个通孔，长螺杆20穿过外架上盘1的通孔，通过上、下锁紧螺母21、23锁紧长螺杆20，外架上盘1外侧的定位螺钉22插入长螺杆20导向槽中；弹簧卡子24与长螺杆20下端连接。
可调螺杆2的功能是：
使弹簧卡子24高度可调，使第2级弹簧4上端的高度可以调节，从而调平内底座10。
其工作机理是：在装配及调试过程中，先松开下锁紧螺母23，旋转上锁紧螺母21，通过调整长螺杆20高度从而调整弹簧卡子24高度，将内底座10调平后，锁紧下锁紧螺母23；在旋转上锁紧螺母21时，由于外架上盘1侧面的定位螺母22插入在长螺杆20的导向槽中，长螺杆20不会旋转，保证弹簧不会产生扭力。
* 长螺杆20
长螺杆20是一种通用的螺纹杆，其轴向开有导向槽，通过定位螺钉22侧向定位，长螺杆20下端连接第2级弹簧4；
其功能是连接第2级弹簧4，调节第2级弹簧4上端高度。
* 上锁紧螺母21
上锁紧螺母21是一种通用螺母，厚度为5mm。
其功能是调节第2级弹簧4上端的高度，锁紧长螺杆20。
* 定位螺钉22
定位螺钉22是一种通用螺钉，直径为3mm。
其功能是限制长螺杆20水平向的运动，且保证长螺杆20能上下移动。
* 下锁紧螺母23
下锁紧螺母23与上锁紧螺母21结构一致。
* 弹簧卡子24
弹簧卡子24是一长方形夹板，弹簧卡子24的上端连接长螺杆20的下端，弹簧卡子24的下端连接第2级弹簧4的上端。
其功能是连接固定第2级弹簧4。
03）电容位移传感器3
如图1、3，电容位移传感器3包括反射棱镜支杆31、电容下极板32、电容上极板33、电容螺钉34、电容动片35、动片固定夹36和固定螺钉37；
其位置和连接关系是：
在反射棱镜底盘7上端面中部垂直设置有3根反射棱镜支杆31，在反射棱镜支杆31上端固定反射棱镜8，在反射棱镜8与反射棱镜底盘7之间依次通过电容螺钉34固定电容上极板33和电容下极板32；动片固定夹36固定在内架支杆6上，电容动片35固定在动片固定夹36左端并插入电容上极板33和电容下极板32中间。
电容位移传感器3的工作机理是：
分别在电容上极板33、电容下极板32和电容动片35引出信号线，测出反射棱镜底座7相对于内架支杆6的位移，输出到反馈电路0中。
* 反射棱镜支杆31
反射棱镜支杆31是一种圆杆，两头有螺纹，反射棱镜支杆31下端固定在反射棱镜底盘7上端面，反射棱镜支杆31上端固定反射棱镜8。
其功能是支撑反射棱镜8。
* 电容下极板32
电容下极板32是一种长方形薄板，4角有4个通孔，用电容螺钉34固定。
其功能是测量位移量。
* 电容上极板33
电容上极板33与电容下极板32结构相同。
* 电容螺钉34
电容螺钉34是一种通用绝缘件。
其功能是用于固定电容下极板32和电容上极板33，同时使电容下极板32和电容上极板33相互绝缘。
* 电容动片35
电容动片35是一种右转90度的T形薄板，左端插入电容下极板32和电容上极板33中间，右端固定在动片固定夹36左端。
其功能是测量位移量。
* 动片固定夹36
动片固定夹36是一圆环形块，动片固定夹36中间穿过内架支杆6，动片固定夹36左侧与电容动片35连接。
04）第2级弹簧4
第2级弹簧4包括均布在外架上盘1下端面的三根螺旋弹簧。
其位置和连接关系是：
第2级弹簧4的上端与第1可调螺杆2连接，第2级弹簧4的下端悬挂内底座10。
其功能是使内底座10与外架上盘1之间形成弹性结构。
05）内架上盘5
内架上盘5是一种圆盘，中间开有50cm的通孔。
其位置和连接关系是：
内架上盘5与内架支杆6上端连接固定，内架上盘5下端面均布3根第2可调螺杆15。
其功能是和均布的3根第2可调螺杆15共同悬挂3根第1级弹簧12。
06）内架支杆6
内架支杆6是一种圆柱形长杆。
其位置和连接关系是：
内架支杆6上端连接内架上盘5，内架支杆6下端连接内底座10。
其功能是连接内架上盘5与内底座10。
07）反射棱镜底盘7
反射棱镜底盘7是一种圆盘，上端面设有4个螺纹孔用于固定电容下极板32和电容上极板33，另外的3个均布的螺纹孔用于固定3根反射棱镜支杆31。
其位置和连接关系是：
反射棱镜底盘7上固定有3根反射棱镜支杆31，反射棱镜底盘7悬挂在第1级弹簧12下端。
其功能是为反射棱镜8提供支撑。
08）反射棱镜8
反射棱镜8是一种通用件，通过3根反射棱镜支杆31安装固定在反射棱镜底盘7上。
其功能是作为被隔振物体，反射落体机构的光束。
09)外底座9
外底座9是一种圆盘，其上面均布有6个螺纹通孔。
其位置和连接关系是：
外底座9下端设有3个均布的调平螺钉11，上端面与3根均布的外架支杆14下端连接。
其功能是为整个装置提供支撑。
10）内底座10
内底座10是一种圆盘，其上面均布有6个螺纹通孔。
其位置和连接关系是：
内底座10上端面连接内架支杆6下端，内底座10悬挂在3根第2级弹簧4下端。
其功能是为内架上盘5提供支撑。
11）调平螺钉11
调平螺钉11是3个均布的通用螺钉，均布在外底座9下端面。
其功能是调整整个装置的水平位置。
12）第1级弹簧12
第1级弹簧12包括3根均布的螺旋弹簧。
其位置和连接关系是：
3根第1级弹簧12的上端与3根第2可调螺杆15连接，3根第1级弹簧12的下端悬挂反射棱镜底盘7。
其功能是使反射棱镜底盘7与内架上盘5形成弹性结构。
13）磁缸线圈13
磁缸线圈13由线圈和磁缸组成；
其位置和连接关系是：
磁缸固定外底座9上面的中心位置，线圈固定在内底座10下面的中心位置，线圈插入磁缸中，线圈引出线到反馈电路0中。
其功能是为装置提供反馈力。
14）外架支杆14
外架支杆14是一种圆柱形长杆。
其位置和连接关系是：
外架支杆14上端连接外架上盘1，外架支杆14下端连接外底座9。
其功能是连接外架上盘1与外底座9为一个整体。
15）第2可调螺杆15；
第2可调螺杆15与第1可调螺杆2结构相同。
其位置和连接关系是：
3个第2可调螺杆15与内架上盘5上均布3个通孔连接，第2可调螺杆15下端与第1级弹簧12上端固定。
第2可调螺杆15的功能是：
使第1级弹簧12上端高度可调，从而调平反射棱镜底盘7。
三、本装置的工作机理：
如图1，当地振动带动隔振平台外底座9振动时，外架支杆14随地面振动，由于惯性作用，反射棱镜8保持静止；而装在反射棱镜底盘7上的电容式位移传感器3会测得反射棱镜8相对于内底座10的位移，通过反馈电路0将位移变化量转换为电信号；这个电信号控制磁缸线圈13上电流大小及方向，从而使内底座10受到与反射棱镜8和内底座10的相对位移大小相等、方向相反的力，使反射棱镜底盘7保持原来位置基本不变；整个装置周期较长，具有较好的被动式隔振性能；第1级弹簧12、第2级弹簧4的耦合提供了双级弹性结构，使反射棱镜8的位置不受3～6s地脉动的影响。
四、本装置的应用
如图4，在支架A的上方设置有落体机构B，本装置C放置于落体机构B的正下方，本装置C中的反射棱镜8和落体机构B的光束对准。
当地振动带动外底座9振动时，外架支杆14随地面振动，由于惯性作用，反射棱镜8保持静止；而装在反射棱镜底盘7上的电容位移传感器3会测得反射棱镜8的位移变化，并且将位移变化量转换为电信号；这个电信号反馈给反馈电路0，反馈电路0控制磁缸线圈13上电流大小及方向，使内底座10受到与第1级弹簧12弹力大小相等、方向相反的力，从而使本装置稳定在零位；整个装置等效周期稳定在几十秒以上，具有较好的隔振性能，反射棱镜8的位置几乎不受地振动的影响，即保持与地心相对静止。
Claims (3)
1.一种基于二级螺旋弹簧系统的超低频隔振装置，其特征在于：
本发明包括反馈电路（0）、外架上盘（1）、外架支杆（2）、电容位移传感器（3）、第2级弹簧（4）、内架上盘（5）、内架支杆（6）、反射棱镜底盘（7）、反射棱镜（8）、外底座（9）、内底座（10）、调平螺钉（11）、第1级弹簧（12）和磁缸线圈（13）、外架支杆（14）、第2可调螺杆（15）；
其位置和连接关系是：
外底座（9）和外架上盘（1）由3根均布的外架支杆（14）两端的螺纹连接固定成一个外整体框架；
在外底座（9）的底面均布有3个调平螺钉（11）；
内底座（10）由均布在外架上盘（1）正下方的3根第2级弹簧（4）悬挂；
内底座（10）和内架上盘（5）由3根内架支杆（6）两端的螺纹连接固定成一个内整体框架；
反射棱镜底盘（7）由均布在内架上盘（5）正下方的3根第1级弹簧（12）悬挂；
反射棱镜（8）固定在反射棱镜底盘（7）的正上方；
在反射棱镜底盘（7）和反射棱镜（8）之间设置有电容位移传感器（3），在内底座（10）和外底座（9）之间设置有磁缸线圈（13），电容位移传感器（3）、反馈电路（0）和磁缸线圈（13）依次连接；
3根第2级弹簧（4）的顶端与外架上盘（1）上的3根第1可调螺杆（2）连接，3根第1级弹簧（12）的顶端与内架上盘（5）上的3根第2可调螺杆（15）连接。
2.按权利要求1所述的超低频隔振装置，其特征在于：
所述的第1可调螺杆（2）包括长螺杆（20）、上锁紧螺母（21）、定位螺钉（22）、下锁紧螺母（23）和弹簧卡子（24）；
其位置和连接关系是：
在外架上盘（1）上均布3个通孔，长螺杆（20）穿过外架上盘（1）的通孔，通过上、下锁紧螺母（21、23）锁紧长螺杆（20），外架上盘（1）外侧的定位螺钉（22）插入长螺杆（20）导向槽中；弹簧卡子（24）与长螺杆（20）下端连接；
所述的长螺杆（20）其轴向开有导向槽。
3.按权利要求1所述的超低频隔振装置，其特征在于：
所述的电容位移传感器（3）包括反射棱镜支杆（31）、电容下极板（32）、电容上极板（33）、电容螺钉（34）、电容动片（35）、动片固定夹（36）和固定螺钉（37）；
其位置和连接关系是：
在反射棱镜底盘（7）上端面中部垂直设置有3根反射棱镜支杆（31），在反射棱镜支杆（31）上端固定反射棱镜（8），在反射棱镜（8）与反射棱镜底盘（7）之间由电容螺钉（34）依次通过固定电容上极板（33）和电容下极板（32）；动片固定夹（36）固定在内架支杆（6）上，电容动片（35）固定在动片固定夹（3）6左端并插入电容上极板（33）和电容下极板（32）中间。
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