CN106199749A - 基于斜拉弹簧和片簧系统的二级超低频隔振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于斜拉弹簧和片簧系统的二级超低频隔振装置，涉及绝对重力测量技术领域。本装置是：在底座上垂直设置有立柱；在立柱的顶部设置有弹簧调节螺杆，在立柱的中部设置有外十字簧片；摆杆的左端通过外十字簧片与立柱连接；摆杆的中端通过斜拉弹簧连接弹簧调节螺杆；摆杆的下方连接摆杆底座，摆杆底座上固定有片簧系统；摆杆右端下方设置磁缸线圈；片簧系统上端为电容位移传感；磁缸线圈、反馈电路和电容位移传感器依次连接。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装置的等效周期为数十秒以上，对3‑5s地脉动信号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

基于斜拉弹簧和片簧系统的二级超低频隔振装置

技术领域

本发明涉及绝对重力测量技术领域，尤其涉及一种基于斜拉弹簧和片簧系统的二级超低频隔振装置。

背景技术

随着近代科学的发展,促使航空航天、地震监测、资源探测等领域绝对重力测量精度的要求越来越高,这对观测技术和观测仪器提出了更高的要求。目前,绝对重力测量技术与测量精度是一个国家综合工业基础和科技水平的体现。这标志着我国在绝对重力仪研制领域进入国家大力支持、快速发展的时期。国内从事绝对重力仪的科研单位很多,但是目前所能提供的实验样机精度、系统稳定性都低于FG5系列绝对重力。究其原因为绝对重力仪隔振平台关键技术没有突破性进展,隔振平台是绝对重力仪的重要组成部分,为自由落体位移测量提供基准点,其精度直接影响绝对重力仪的测量精度。

国内绝对重力仪的研究仅仅停留在实验室阶段,没有成熟的商品化绝对重力仪产品。相比之下,国外早就有比较成熟的绝对重力伩产品,例如,美国研制生产的FG5系列的绝对重力仪是世界上公认的最先进、技术最成熟、也是商品化最好的绝对重力仪产品。

设计研制新型可靠的绝对重力仪隔振平台具有重要意义。但在绝对重力测量中，隔振平台需要放置在落体机构下方，对隔振平台的高度及位置有一定要求，使其能够处在落体机构正下方正常工作，二级弹簧系统高度尺寸较大，类似于FG5的隔振系统结构复杂，故障率也较高。经过国内从事绝对重力仪研制的科研单位多年的研究，清华大学研制了零长弹簧的隔振平台及双摆杆型隔振平台。为此，本发明设计了一种基于基于斜拉弹簧和片簧的二级超低频隔振装置，结构简单，工作性能稳定，为绝对重力仪测量提供有力支撑。

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，提供一种基于斜拉弹簧和片簧系统的二级超低频隔振装置。本发明使其等效周期在数十秒以上，能够有效隔离3-5s地脉动信号，使其反射棱镜保持与地心相对静止，大大提高绝对重力仪测量精度。

本发明是这样实现的：

通过一级的斜拉弹簧降低整个装置的高度，便于在绝对重力仪落体机构下方使用。同时，在摆杆上设计二级的片簧系统，提高整个机械机构的等效周期，从而提高装置的隔振效果。

具体地说，本装置本装置包括反馈电路、弹簧调节螺杆、立柱、斜拉弹簧、外十字簧片、底座、摆杆底座、磁缸线圈、摆杆、片簧系统和电容位移传感器；

其位置和连接关系是：

在底座上垂直设置有立柱；

在立柱的顶部设置有弹簧调节螺杆，在立柱的中部设置有外十字簧片；

摆杆的左端通过外十字簧片与立柱连接；

摆杆的中端通过斜拉弹簧连接弹簧调节螺杆；

摆杆的下方连接摆杆底座，摆杆底座上固定有片簧系统；

摆杆右端下方设置磁缸线圈；

片簧系统上端为电容位移传感；

磁缸线圈、反馈电路和电容位移传感器依次连接。

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装置的等效周期为数十秒以上，对3-5s地脉动信号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是片簧系统的结构示意图；

图3是外十字簧的结构示意图；

图4是内十字簧的结构示意图；

图5是本发明实施例架构示意图。

图中：

0—反馈电路

1—弹簧调节螺杆；

2—立柱；

3—斜拉弹簧；

4—外十字簧；

41—外十字簧定夹，

42—外压板，

43—外十字簧片，

44—外十字簧动夹；

5—底座；

6—摆杆底座；

7—磁缸线圈；

8—摆杆；

9—片簧系统；

90—内底座，

91—内夹板，

92—反射棱镜，

93—内十字簧，

931—内十字簧定夹，

932—内压板，

933—内十字簧片，

934—内十字簧动夹；

94—大簧片，

95—外夹板，

96—电容动片，

97—电容定片；

10—电容位移传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、装置的总体

如图1，本装置包括反馈电路0、弹簧调节螺杆1、立柱2、斜拉弹簧3、外十字簧片4、底座5、摆杆底座6、磁缸线圈7、摆杆8、片簧系统9和电容位移传感器10；

其位置和连接关系是：

在底座5上垂直设置有立柱2；

在立柱2的顶部设置有弹簧调节螺杆1，在立柱2的中部设置有外十字簧片4；

摆杆8的左端通过外十字簧片4与立柱2连接；

摆杆8的中端通过斜拉弹簧3连接弹簧调节螺杆1；

摆杆8的下方连接摆杆底座6，摆杆底座6上固定有片簧系统9；

摆杆8右端下方设置磁缸线圈7；

片簧系统9上端为电容位移传感10；

磁缸线圈7、反馈电路0和电容位移传感器10依次连接。

二、本装置的功能部件

0、反馈电路0

反馈电路是一种PID（由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。）控制电路。

1、弹簧调节螺杆1

弹簧调节螺杆1是一种通用的螺杆。

其功能是调节弹簧3的松紧。

2、立柱2

立柱2由前后两平行的间隔70cm的长方形块组成，其底部开螺纹孔与底座5连接，其中部右侧设置有卡槽与外十字簧片4的左连接，其上端与弹簧调节螺杆1连接。

其功能是为整个装置提供支撑。

3、弹簧3

弹簧3为螺旋弹簧，两端均有挂钩，一端挂在弹簧调节螺杆1上，一端挂在摆杆8的左端。

其功能是与外十字簧片4形成一个弹性结构，使摆杆8自由摆动。

4、外十字簧4

如图1、3，外十字簧4包括外十字簧定夹41、外压板42、外十字簧片43和外十字簧动夹44；

其位置和连接关系是：

外十字簧定夹41固定于立柱2中端右侧，在外十字簧定夹41的左端面和上端面固定外十字簧片43的一端；外十字簧动夹44与外摆杆8左端连接，外十字簧动夹44其下端面和右端面固定外十字簧片43的另一端。

1）外十字簧定夹41

外十字簧定夹41是一种长方块，在其上端面和左端面分别设置有螺纹孔；

通过外压板42和螺钉固定外十字簧片43的一端；外十字簧定夹41固定于立柱2中端中间；

其功能是连接立柱2和外十字簧片43。

2）外压板42

外压板42是一种通用件，其上设置有通孔（和外十字簧定夹41和外十字簧动夹44的螺纹孔的位置适配），外压板42一共有4块，分别与外十字簧定夹41上端面、左端面和外十字簧动夹44右端面、下端面配合。

其功能是固定外十字簧片43。

3）外十字簧片43

外十字簧片43是一种由4条长方形薄板（铍青铜片）两两一对形成两对十字铰链；

其功能是形成两对十字铰链，连接外十字簧动夹44和外十字簧定夹41，同时使外十字簧动夹44可以绕外十字簧定夹41转动。

4）外十字簧动夹44

外十字簧动夹44和外十字簧定夹41的结构相同，在外十字簧动夹44右端面和下端面分别设置有螺纹孔，通过外压板42和螺钉固定外十字簧片43的另一端；外十字簧动夹44固定于摆杆8左端。

其功能是连接摆杆8和外十字簧片43。

外十字簧片4的功能是：使摆杆8与立柱2通过外十字簧片43形成铰链，保证摆杆8可以绕外十字簧片43中心自由转动。

外十字簧片4的工作机理是：在立柱2固定后，外十字簧定夹41也随之固定，两对外十字簧片43形成两对十字铰链，将摆杆8与外十字簧动夹44固定，使摆杆8绕外十字簧片43中心转动，将摆杆8约束在一个面上运动。

5、底座5

底座5是一种长方形铝块。

其功能是起支撑作用。

6、摆杆底座6

摆杆底座6由前后两平行的间隔70cm的U形框架组成，侧面设置有腰孔，用于调节摆杆底座6的高度，摆杆底座6的上端悬挂在摆杆8上。

其功能是用于固定片簧系统9。

7、磁缸线圈7

磁缸线圈7由线圈和磁缸组成，线圈插入磁缸中。

其功能是为装置提供反馈力。

8、摆杆8

摆杆8由前后两个平行的间隔70cm的长条形板组成，侧面开有多个螺纹孔。

其功能是分别固定两对外十字簧片（4）左端、摆杆底座6上端及磁缸线圈7。

9、片簧系统9

如图1、2，片簧系统9包括内底座90、内夹板91、反射棱镜92、内十字簧93、大簧片94、外夹板95、电容动片96和电容定片97；

其位置和连接关系是：

在底座90上垂直设置有外夹板95；

大簧片94的左端固定在外夹板95的左端，大簧片94的右端固定在内夹板91的右端；

在内夹板91左端通过内十字簧93形成铰连接，在内夹板91的右端固定有反射棱镜92，在内夹板91的上端固定由电容动片96；

在外夹板95的上端固定有电容定片97。

片簧系统9的功能是：测量反射棱镜92和摆杆8的相对位移，反馈到磁缸线圈7，隔离地面对反射棱镜92的影响。

片簧系统9的工作机理是：通过测量反射棱镜92和摆杆8的相对位移，通过反馈电路0反馈到磁缸线圈7上，使摆杆8受到与该相对位移方向相反的反馈力，摆杆8保持在原始位置，反射棱镜92相对于地面静止，使反射棱镜92保持与地心相对静止。

1）内底座90

内底座90是一种圆盘，其圆盘中间开有螺纹孔用于固定外夹板95，同时固定于摆杆底座6上。

其功能是调平及固定片簧系统9。

2）内夹板91

内夹板91是一种呈反Ｃ形状的双夹板，其中间用于固定十字簧93活动端，其缺口用于观察十字簧93；

3）反射棱镜92

反射棱镜92是一种通用件。

4）内十字簧93

如图1、2、4，所述的内十字簧（93）和外十字簧（4）结构相同；

包括内十字簧定夹931、内压板932、内十字簧片933和内十字簧动夹934；

其位置和连接关系是：

内十字簧定夹931固定于外夹板95中间，在内十字簧定夹931的左端面和下端面固定内十字簧片933的一端；内十字簧动夹934固定于内夹板91中间，内十字簧动夹934其右端面和上端面固定内十字簧片933的另一端。

（1）内十字簧定夹931

内十字簧定夹931是一种长方块，在其左端面和下端面分别设置有螺纹孔，通过内压板932和螺钉固定内十字簧片933的一端；内十字簧定夹931固定于外夹板95中间；

其功能是连接外夹板95和内十字簧片933。

（2）内压板932

内压板932是一种通用件，其上设置有通孔（和内十字簧定夹931和内十字簧动夹934的螺纹孔位置适配）。内压板932一共有4块，分别与内十字簧定夹931下端面、左端面和内十字簧动夹934的右端面、上端面配合。

其功能是固定内十字簧片933。

（3）内十字簧片933

内十字簧片933是一种由4条长方形薄板（铍青铜片）两两一对形成两对十字铰链；

其功能是形成两对十字铰链，连接内十字簧动夹934和内十字簧定夹931，同时使内十字簧动夹934可以绕内十字簧定夹931转动。

（4）内十字簧动夹934

内十字簧动夹934和内十字簧定夹931的结构相同，在内十字簧动夹934右端面和上端面分别设置有螺纹孔，通过内压板932和螺钉固定内十字簧片933的一端；内十字簧动夹934固定于内夹板91中间。

其功能是连接内夹板91和内十字簧片933。

内十字簧系统93的功能是：使内夹板91与外夹板95通过内十字簧片933形成铰链，保证内夹板91可以绕内十字簧片933中心自由转动。

内十字簧系统93的工作机理是：在外夹板95固定后，内十字簧定夹931也随之固定，内十字簧片933形成两对十字铰链；将内夹板91与内十字簧动夹934固定，使内夹板91绕内十字簧片933中心转动，使内夹板91约束在一个面上运动。

4）大簧片94

大簧片94是一种长方形薄片，大簧片94左端与外夹板95左端连接，大簧片94右端与内夹板91右端固定。

其功能是使整个装置形成一种弹性结构。

5）外夹板95

外夹板95是一种长方形板，其底面开螺纹孔通过螺钉与内底座90固定，其中部固定内十字簧93一端，其左部通过夹子固定大簧片94的一端；在外夹板95上部安装电容定片97及阻尼磁钢93。

其功能是支撑电容定片97，固定大簧片94的一端。

6）电容动片96

电容动片96是一种长方形薄板，用螺丝固定在内夹板91上，并且相互绝缘。

其功能是与电容定片97形成差分输出，输出位移信号到反馈电路0中。

7）电容定片97

电容定片97是两片长方形薄板，四角有四个通孔，用螺丝固定在外夹板95上，并且相互绝缘。

10、电容位移传感器10

电容位移传感器10是一种通用的位移检测装置，通过分别在电容定片97、电容动片96引出信号线来实现。

工作机理是：

分别在电容定片97、电容动片96引出信号线，检测反射棱镜92与摆杆8的相对位移，通过反馈电路0输出到磁缸线圈7。

三、本装置的工作机理

当地振动带动隔振平台底座5振动时，立柱2随地面振动；由于惯性作用，反射棱镜92保持静止；而装在内夹板91上的电容式位移传感器10会测得反射棱镜92的位移变化，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7电流大小及方向，从而使摆杆8受到与弹簧弹力大小相等、方向相反的力，使反射棱镜92保持原来位置基本不变；本装置周期较长，具有较好的被动式隔振性能，从而使反射棱镜92的位置几乎不受地振动的影响。

本装置由斜拉弹簧3和片簧系统9组成，片簧系统9整体作为斜拉弹簧3的悬挂物（质量块）；这样，斜拉弹性系统的框架与地面保持相对静止，斜拉弹性系统的质量块与地心保持相对静止。该质量块在弹性系统里保持一定的惯性，因而具有隔振效果；斜拉弹簧系统降低了整个系统的高度，同时增加了其机械系统的固有周期；片簧系统通过一个大的片簧将机械系统的固有周期调整为20s左右；最后，系统经过PID反馈控制，磁缸线圈和磁钢相互作用提供反馈力，将整个系统稳定在系统零位；整个装置的等效周期延长为数十秒以上，有效隔离3-5s的地脉动。

四、应用实施例

如图3，本装置C放置在绝对重力仪落体机构B正下方，落体机构用支架A支撑，反射棱镜92在隔振系统中；当地振动带动隔振平台底座5振动时，立柱2随地面振动，由于惯性作用，反射棱镜92保持静止；而装在片簧系统9上的电容式位移传感器10会测得反射棱镜92的位移变化，反馈电路0将位移变化量转换为电信号；反馈电路0控制磁缸线圈7上电流大小及方向，从而使摆杆8受到与斜拉弹簧3弹力大小相等、方向相反的力，使反射棱镜92保持原来位置基本不变，反射棱镜92的位置几乎不受地振动的影响，即反射棱镜92保持与地心相对静止。

Claims (6)

1.一种基于斜拉弹簧和片簧系统的二级超低频隔振装置，其特征在于：

本装置包括反馈电路（0）、弹簧调节螺杆（1）、立柱（2、）斜拉弹簧（3）、外十字簧片（4）、底座（5）、摆杆底座（6）、磁缸线圈（7）、摆杆（8）、片簧系统（9）和电容位移传感器（10）；

其位置和连接关系是：

在底座（5）上垂直设置有立柱（2）；

在立柱（2）的顶部设置有弹簧调节螺杆（1），在立柱（2）的中部设置有外十字簧片（4）；

摆杆（8）的左端通过外十字簧片（4）与立柱（2）连接；

摆杆（8）的中端通过斜拉弹簧（3）连接弹簧调节螺杆（1）；

摆杆（8）的下方连接摆杆底座（6），摆杆底座（6）上固定有片簧系统（9）；

摆杆（8）右端下方设置磁缸线圈（7）；

片簧系统（9）上端为电容位移传感（10）；

磁缸线圈（7、）反馈电路（0）和电容位移传感器（10）依次连接。

2.按权利要求1所述的二级超低频隔振装置，其特征在于：

所述的立柱2由前后两平行的间隔70cm的长方形块组成，其底部开螺纹孔与底座（5）连接，其中部右侧设置有卡槽与外十字簧片（4）的左端连接，其上端与弹簧调节螺杆（1）连接。

3.按权利要求1所述的二级超低频隔振装置，其特征在于：

所述的外十字簧（4）包括外十字簧定夹41、外压板42、外十字簧片43和外十字簧动夹44；

其位置和连接关系是：

外十字簧定夹41固定于立柱2中端右侧，在外十字簧定夹41的左端面和上端面固定外十字簧片43的一端；外十字簧动夹44与外摆杆8左端连接，外十字簧动夹44其下端面和右端面固定外十字簧片43的另一端；

所述的外十字簧定夹41是一种长方块，在其上端面和左端面分别设置有螺纹孔；

所述的外十字簧片43是一种由4条长方形薄板（铍青铜片）两两一对形成两对十字铰链；

所述的外十字簧动夹44和外十字簧定夹41的结构相同。

4.按权利要求1所述的二级超低频隔振装置，其特征在于：

所述的摆杆底座（6）由前后两平行的间隔70cm的U形框架组成，侧面设置有腰孔。

5.按权利要求1所述的二级超低频隔振装置，其特征在于：

所述的摆杆（8）由前后两个平行的间隔70cm的长条形板组成，侧面开有多个螺纹孔。

6.按权利要求1所述的二级超低频隔振装置，其特征在于：

所述的片簧系统（9）包括内底座（90）、内夹板（91）、反射棱镜（92）、内十字簧（93）、大簧片（94）、外夹板（95）、电容动片（96）和电容定片（97）；

其位置和连接关系是：

在底座（90）上垂直设置有外夹板（95）；

大簧片（94）的左端固定在外夹板（95）的左端，大簧片（94）的右端固定在内夹板（91）的右端；

在内夹板（91）左端通过内十字簧（93）形成铰连接，在内夹板（91）的右端固定有反射棱镜（92），在内夹板（91）的上端固定由电容动片（96）；

在外夹板（95）的上端固定有电容定片（97）；

所述的内夹板（91）是一种呈反Ｃ形状的双夹板；

所述的内十字簧（93）和外十字簧（4）结构相同；

所述的大簧片（94）是一种长方形薄片，大簧片（94）左端与外夹板（95）左端连接，大簧片（94）右端与内夹板（91）右端固定。