CN106643847B - 一种用于传感器悬置测量的通用弹性隔振装置的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于隔振技术领域，公开了一种用于传感器悬置测量的通用弹性隔振装置的设计方法。该装置包括底座、固定在底座上的梯形支架、传感器和连接传感器与梯形支架的橡胶弹性元件，橡胶弹性元件有四个，分别将梯形支架的四个角点与传感器相连，设计方法以隔振装置的固有频率为设计目标，以橡胶弹性元件的刚度、悬挂长度、伸长量及悬挂结构的尺寸为设计参数进行优化设计，达到为测量传感器提供最大振动衰减效果的目的。

Description

一种用于传感器悬置测量的通用弹性隔振装置的设计方法

技术领域

本发明涉及隔振技术领域，具体涉及一种用于传感器悬置测量的通用弹性隔振装置的设计方法。

背景技术

在使用各类传感器进行测声(如声探头)、测距(如激光测距仪)等测量过程时，测量结果对传感器的放置稳定性具有很高的要求，若外界的振动干扰通过传感器的安装基座、支架等机构传递给传感元件，将会造成较大的测量误差，降低测量精度。因此需要使用隔振装置对传感器进行悬置固定来降低外部环境振动对测量的影响，而隔振装置中的弹性元件刚度匹配设计、隔振结构设计是调校隔振性能的主要环节，对增大适用频率范围、提高隔振系数具有重要的作用。

由于不同传感器的结构、固定方式和使用环境存在差别，因此目前尚无针对传感器悬置测量的通用隔振装置与设计方法。现有的装置主要是针对某一种特定传感器而设计，其设计方法一般是对被隔振物体进行模拟外界环境振动激励下响应的仿真分析来优化调整隔振系统的参数，并通过试验验证来反复调试以满足隔振性能要求。此类隔振装置的适用范围较窄，其设计方法在设计过程中需要反复进行仿真与试验的调试验证，在工程应用上效率较低。因此，针对此类悬置测量传感器的测量过程稳定性要求提出通用弹性隔振装置及设计方法是很有必要的。

发明内容

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案实现：

提供一种橡胶弹性元件通用隔振装置进行隔振悬置固定，以隔振装置的固有频率为设计目标，以橡胶弹性元件的刚度、悬挂长度、伸长量及悬挂结构的尺寸为设计参数进行优化设计，达到为测量传感器提供最大振动衰减效果的目的。

一种用于传感器悬置测量的通用弹性隔振装置，其特征在于：包括底座、固定在底座上的梯形支架、传感器和连接传感器与梯形支架的弹性元件，所述的弹性元件有四个，分别将梯形支架的四个角点与传感器相连。

优选地，所述的弹性元件是橡胶弹性元件。

一种用于传感器悬置测量的通用弹性隔振装置的设计方法，包括以下步骤：

(1)在传感器的质量需要在橡胶弹性元件的承重范围内的条件下，选取若干原长相同、横截面积不同的橡胶弹性元件样本进行拉伸刚度测量，通过回归分析得出伸长量为ΔL_min时的最小刚度K_min与横截面积S间的对应关系K_min＝F₁(S)；

(2)在传感器的质量需要在橡胶弹性元件的承重范围内的条件下，选取若干横截面积相同、原长不同的橡胶弹性元件样本进行拉伸刚度测量，通过回归分析得出伸长量为ΔL_min时的最小刚度K_min与原长L₀间的对应关系K_min＝F₂(L₀)；

(3)f₀＝F(W₁，W₂，H，M，α，β，L₀，S)式中，W₁为橡胶弹性元件上部两个固定点的间距、W₂为橡胶弹性元件下部两个固定点的间距、H为上部固定点连线与下部固定点间连线的距离、α为上部橡胶弹性元件与水平方向的夹角、β为下部橡胶弹性元件与水平方向的夹角、M为传感器的质量、L₀为橡胶弹性元件原长、S为橡胶弹性元件横截面积，为使垂直、水平两个方向上的隔振系统固有频率都达到最低，因此将上部橡胶弹性元件与水平方向的夹角α设置为45°，且橡胶弹性元件的伸长后长度有L₁＝L₂和L₃＝L₄，L_i＝L₀+ΔL_imin；式中，L₁和L₂为上部两橡胶弹性元件的伸长后长度，L₃和L₄为下部两橡胶弹性元件的伸长后长度；

(4)将传感器固定到隔振装置上后，令上部、下部橡胶弹性元件所受的拉力分别为F₁、F₃，传感器的重力为G，根据传感器在垂向受力平衡关系可得到2sinα·F₁＝G+2sinβ·F₃；

(5)将其伸长后长度L₁和L₃均按照刚度达到最小时的伸长量来设置，相应可以得出上、下部橡胶弹性元件所受的拉力为F₁＝K_1minΔL_1min，F₃＝K_3minΔL_3min，因此有L₁＝L₀₁+ΔL_1min，L₃＝L₀₃+ΔL_3min，这里K_1min和K_3min为上、下部橡胶弹性元件的最小刚度，L₀₁和L₀₃为其原长，ΔL_1min和ΔL_3min为其在刚度达到最小时的伸长量；

(6)设定上部橡胶弹性元件原长L₀₁的初始值，并计算得出L₁值，由W₁＝2cosα·L₁、W₂＝2cosβ·L₃、计算得出W1、W2、H、β随L₃值变化时的数值，得到隔振系统在水平、垂直方向上的整体刚度，由得出该系统在水平、垂直方向上的固有频率，k为弹簧的劲度系数，m为弹簧振子的质量；

(7)根据传感器的质量、隔振装置结构尺寸等因素选出隔振系统固有频率最低时对应的W₁、W₂、H、β、S、L₀参数数值。

将传感器用橡胶弹性元件进行如图1所示的四点弹性悬挂。橡胶弹性元件的上、下四个固定点分别设置在一个四边形框架的四个角点上，其中W₁为橡胶弹性元件上部固定点间距，W₂为下部间距，H为上、下部固定点间高度，α为上部橡胶弹性元件与水平方向的夹角，β为下部橡胶弹性元件与水平方向的夹角，M为传感器的质量，K₁、K₂、K₃、K₄为四个弹性橡胶元件的刚度，L₁、L₂、L₃、L₄为四个弹性橡胶元件的伸长后长度。在测量之前，根据待测传感器的质量、适用频率范围等技术特征来调整上述各参数，以降低整个隔振装置的固有频率，增大有效隔振范围。在测试中，将该框架固定在待测位置，通过橡胶弹性元件来隔离外界环境的振动干扰。

该传感器悬置隔振装置的隔振原理如图3中力学模型所示。橡胶弹性元件K₁和K₂间、K₃和K ₄间为并联方式，K₁、K₂与K₃、K₄间也为并联方式，则整个悬挂系统在垂直方向上的刚度Kv＝Kv₁+Kv₂＝sinα(K₁+K₂)+sinβ(K₃+K₄)，在水平方向上的刚度K_H＝K_H1+K_H2＝cosα(K₁+K₂)+cosβ(K₃+K₄)。

对于隔振系统，在不考虑阻尼的前提下，其隔振系数η可以表示为式(1)。

式(1)中为f为外部激励频率，f₀为隔振系统固有频率，且f₀与系统质量、刚度间的关系如式(2)所示。

当f/f₀＝1时，隔振系统发生共振，当f/f₀＞√2时，隔振系统可以起到隔振效果，在实际应用中，一般取f/f₀＝2.5～5。若要提高隔振系统的隔振性能，则需要降低隔振系数。由于外部激励频率f为已知，因此可以通过降低隔振系统固有频率f₀来降低隔振系数，则应减小隔振系统的刚度或增加系统质量。

由于系统质量主要为传感器的质量，而传感器在确定后其质量不会改变，并且通过附加质量块的方式来增加传感器质量会影响其测量精度，因此这里主要通过减小隔振系统刚度的方式来降低其固有频率。

根据橡胶的刚度非线性特点，其刚度随伸长量的增加会出现一个最小值，并且刚度会随着横截面积的减小和原长的增大而减小，因此这里可以在满足橡胶承重、装置结构尺寸要求的前提下，通过调节橡胶弹性元件的材料组分、横截面积、原长、伸长量等参数来降低其刚度，最终实现降低隔振系统固有频率的目的：

材料组分：这里不针对橡胶的材料组分展开分析，假定该橡胶材料经过前期筛选已确定为刚度最小；

伸长量：在橡胶材料确定的前提下，选取若干原长和横截面积均不同的橡胶弹性元件样本进行拉伸刚度测量，得出每种样本的刚度随其伸长量ΔL的变化情况，并确定出刚度最小时对应的伸长量ΔL_min；

横截面积：选取若干原长相同、横截面积不同的橡胶弹性元件样本进行拉伸刚度测量，通过回归分析得出伸长量为ΔL_min时的最小刚度K_min与横截面积S间的对应关系K_min＝F₁(S)；

原长：选取若干横截面积相同、原长不同的橡胶弹性元件样本进行拉伸刚度测量，通过回归分析得出伸长量为ΔL_min时的最小刚度K_min与原长L₀间的对应关系K_min＝F₂(L₀)。

在进行刚度参数调节时，应首先考虑传感器的质量需要在橡胶弹性元件的承重范围内，确保其在刚度最小时对应的拉力大于传感器自身的重力。

在进行隔振系统优化设计时，以隔振系统固有频率f₀为目标函数，以橡胶弹性元件上部固定点间距W₁、下部间距W₂、上、下部固定点间高度H、上部橡胶弹性元件与水平方向的夹角α、下部橡胶弹性元件与水平方向的夹角β、传感器的质量M、橡胶弹性元件原长L₀、橡胶弹性元件横截面积S为优化参数，可以得到优化目标函数方程如式(3)。

f₀＝F(W₁,W₂,H,M,α,β,L₀,S) (3)

针对图2中所示的隔振系统各结构参数，由于需要尽量保证垂直、水平两个方向上的隔振系统固有频率都达到最低，因此将上部橡胶弹性元件与水平方向的夹角α设置为45°，且橡胶弹性元件的伸长后长度有L₁＝L₂和L₃＝L₄，其与原长的关系如式(4)所示。

L_i＝L₀+ΔL_imin (4)

另外传感器的质量M也为定值。

对于式(3)中的其他优化参数，W₁、W₂、H受装置结构尺寸的限制存在约束条件，如式(5)所示。

式(4)中，W_1min、W_1max、W_2min、W_2max分别为上下悬挂点间距的上下限值，H_min、H_max为悬挂点间高度的上下限值。

同时根据图2中所示的结构，有如式(6)、(7)、(8)所示的约束条件。

W₁＝2cosα·L₁ (6)

W₂＝2cosβ·L₃ (7)

在将传感器固定到隔振装置上后，令上部、下部橡胶弹性元件所受的拉力分别为F₁、F₃，传感器的重力为G，根据传感器在垂向受力平衡关系可得到约束条件如式(9)。

2sinα·F₁＝G+2sinβ·F₃ (9)

根据待测传感器的重量和橡胶弹性元件的承重能力，挑选出刚度尽量小的橡胶弹性元件材料，通过拉伸刚度测试得出其刚度最小时对应的伸长量ΔL_min，并进行回归计算分析得出其最小刚度K_min与原长L₀、横截面积S间的对应关系K_min＝F₂(L₀)和Kmin＝F₁(S)；

为使传感器隔振系统整体刚度达到最小，需要通过参数调节来尽量降低橡胶弹性元件的工作刚度，因此在优化前将其伸长后长度L₁和L₃均按照刚度达到最小时的伸长量来设置，相应可以得出上、下部橡胶弹性元件所受的拉力为F₁＝K_1minΔL_1min，F₃＝K_3minΔL_3min，因此有L₁＝L₀₁+ΔL_1min，L₃＝L₀₃+ΔL_3min，这里K_1min和K_3min为上、下部橡胶弹性元件的最小刚度，L₀₁和L₀₃为其原长，ΔL_1min和ΔL_3min为其在刚度达到最小时的伸长量；

在优化之处先设定上部橡胶弹性元件原长L₀₁的初始值，并计算得出L₁值，然后在保证约束条件(5)的前提下，由式(6)、(7)、(8)计算得出W₁、W₂、H、β随L₃值变化时的数值，由此可以得到隔振系统在水平、垂直方向上的整体刚度，并由式(2)得出该系统在水平、垂直方向上的固有频率；

整理上述优化计算数据，从中可以根据传感器的质量、隔振装置结构尺寸等因素优化筛选出隔振系统固有频率最低时对应的W₁、W₂、H、β、S、L₀参数数值。

与现有技术相比，本申请提供的技术方案结构简单，便于工程应用设计，可以根据传感器的改变对装置进行调节修正，以使隔振效果满足指标要求，能为提高传感器测量精度提供一种高效、可行的隔振装置与方法。

附图说明

图1为本发明所提供的一种用于传感器悬置测量的通用弹性隔振装置的结构示意图。

图2为本发明所提供的一种用于传感器悬置测量的通用弹性隔振装置的结构参数示意图。

图3为本发明所提供的一种用于传感器悬置测量的通用弹性隔振装置的力学模型示意图。

图中：1.底座；2.梯形支架；3.弹性元件；4.传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

一种用于传感器悬置测量的通用弹性隔振装置，包括底座1、固定在底座1上的梯形支架2、传感器4和连接传感器4与梯形支架2的弹性元件3，所述的弹性元件3有四个，分别将梯形支架2的四个角点与传感器4相连，弹性元件3是橡胶弹性元件。

通过对比材料组分和软硬度，选用一种刚度较小的橡胶弹性元件3，对其在横截面积S为S₁、S₂、S₃时进行原长L₀为A、B、C的拉伸刚度测试，得到该橡胶弹性元件3在不同伸长比下的刚度数值，进行分析得出刚度最小时对应的伸长量ΔL_min。同时测量图1中待用传感器4及其连线的总重量M，需保证该弹性橡胶元件3在刚度最小时对应的拉力大于传感器4的重力；

根据以上测得数据，以橡胶弹性元件3的原长L₀和横截面积S为变量，经过回归分析计算得出其与最小刚度间的函数关系K_min＝F₂(L₀)和K_min＝F₁(S)；

将图2中隔振装置上安装的上部橡胶弹性元件3的伸长后长度L₁和下部橡胶弹性元件3的伸长后长度L₃均按照刚度达到最小时的伸长量来设置，分别为L₁＝L₀₁+ΔL_1min，L₃＝L₀₃+ΔL_3min，这里的L₀₁和L₀₃需要在优化计算前分别设置初始值，ΔL_1min和ΔL_3min则需要根据L₀₁和L₀₃的取值并结合表2中的数据来定，相应可以得出上、下部橡胶弹性元件3所受的拉力为F₁＝K_1minΔL_1min，F₃＝K_3minΔL_3min，这里的K_1min和K_3min需要根据L₀₁和L₀₃的取值以及1中得到的函数关系K_min＝F₂(L₀)和K_min＝F₁(S)来设置；

针对需要进行优化的参数W₁(梯形支架2的上底长)、W₂(梯形支架2的下底长)、H(梯形支架2的高)、α、β、S、L₀，其中α根据需要同时降低水平、垂直方向隔振系统固有频率的目的而设定为45°；L₀₁和L₀₃需要分别设置初始值，在优化计算时采用先固定一个L₀₁的值来分析L₀₃在不同初始值变化时对优化结果的影响，然后改变L₀₁的值重复L₀₃的值变化时的优化计算；W₁、W₂、H、β的值可根据式(6)、(7)、(8)、(9)分别可计算得出；

优化目标函数f₀根据水平、垂直两个方向设置为f_0H和f_0v，由式(2)、回归分析模型K_min＝F₂(L₀)和K_min＝F₁(S)以及整个隔振系统在垂直方向上的刚度分量Kv＝Kv₁+Kv₂＝sinα(K₁+K₂)+sinβ(K₃+K₄)和在水平方向上的刚度分量K_H＝K_H1+K_H2＝cosα(K₁+K₂)+cosβ(K₃+K₄)可计算得出；

经过上述优化计算过程可以得出优化参数W₁、W₂、H、α、β、S、L₀和目标函数f_0H、f_0v。对于同一种传感器4，α与M的值是确定的，L₀₁和W₁的值在一次优化计算中需要根据初始值的设置而变化，对应每一次L₀₁和W₁数值的设置变化，L₀₃的值变化后会带动S、β、W₂、H的值相应变化，并且对应得出f_0H和f_0v；

根据式(5)中的装置结构尺寸约束条件可以从上述得出的结果数据中筛选出满足约束条件下的最低隔振系统固有频率，并能得出对应的隔振装置结构尺寸。

上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种用于传感器悬置测量的通用弹性隔振装置的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)选取若干原长和横截面积均不同的橡胶弹性元件样本进行拉伸刚度测量，得出每种样本的刚度随其伸长量ΔL的变化情况，并确定出刚度最小时对应的伸长量ΔL_min；

(2)在传感器的质量需要在橡胶弹性元件的承重范围内的条件下，选取若干原长相同、横截面积不同的橡胶弹性元件样本进行拉伸刚度测量，通过回归分析得出伸长量为ΔL_min时的最小刚度K_min与横截面积S间的对应关系K_min＝F₁(S)；

(3)在传感器的质量需要在橡胶弹性元件的承重范围内的条件下，选取若干横截面积相同、原长不同的橡胶弹性元件样本进行拉伸刚度测量，通过回归分析得出伸长量为ΔL_min时的最小刚度K_min与原长L₀间的对应关系K_min＝F₂(L₀)；

(4)以f₀＝F(W₁，W₂，H，M，α，β，L₀，S)为目标函数，其中W₁为橡胶弹性元件上部两个固定点的间距、W₂为橡胶弹性元件下部两个固定点的间距、H为上部固定点连线与下部固定点间连线的距离、α为上部橡胶弹性元件与水平方向的夹角、β为下部橡胶弹性元件与水平方向的夹角、M为传感器的质量、L₀为橡胶弹性元件原长、S为橡胶弹性元件横截面积；

(5)为使垂直、水平两个方向上的隔振系统固有频率都达到最低，因此将上部橡胶弹性元件与水平方向的夹角α设置为45°，且橡胶弹性元件的伸长后长度有L₁＝L₂和L₃＝L₄，其与原长的关系为L_i＝L₀+ΔL_imin(i＝1,2,3,4)，式中L₁和L₂为上部两橡胶弹性元件的伸长后长度，L₃和L₄为下部两橡胶弹性元件的伸长后长度；

(6)将传感器固定到隔振装置上后，令上部、下部橡胶弹性元件所受的拉力分别为F₁、F₃，传感器的重力为G，根据传感器在垂向受力平衡关系可得到2sinα·F₁＝G+2sinβ·F₃；

(7)将其伸长后长度L₁和L₃均按照刚度达到最小时的伸长量来设置，相应可以得出上、下部橡胶弹性元件所受的拉力为F₁＝K_1minΔL_1min，F₃＝K_3minΔL_3min，因此有L₁＝L₀₁+ΔL_1min，L₃＝L₀₃+ΔL_3min，这里K_1min和K_3min为上、下部橡胶弹性元件的最小刚度，L₀₁和L₀₃为其原长，ΔL_1min和ΔL_3min为其在刚度达到最小时的伸长量；

(8)设定上部橡胶弹性元件原长L₀₁的初始值，并计算得出L₁值，由W₁＝2cosα·L₁、W₂＝2cosβ·L₃、计算得出W1、W2、H、β随L₃值变化时的数值，得到隔振系统在水平、垂直方向上的整体刚度，由得出该系统在水平、垂直方向上的固有频率；

(9)W₁、W₂、H受装置结构尺寸的限制存在约束条件为其中W_1min、W_1max、W_2min、W_2max分别为上下悬挂点间距的上下限值，H_min、H_max为悬挂点间高度的上下限值，根据传感器的质量、隔振装置结构尺寸因素选出隔振系统固有频率最低时对应的W₁、W₂、H、β、S、L₀参数数值。