CN108693563A - 谐振式绝对重力测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种谐振式绝对重力测量装置，该装置包括单摆组件，其呈竖向设置于装置上部并以简谐振动方式进行摆动；电磁激励组件，其设置在所述单摆组件下部，用于对单摆组件施加同频率的电磁推动力，以补偿单摆组件因阻尼耗散造成的运动衰减；中间连接架，所述单摆组件下端和电磁激励组件上端分别与该中间连接架相连接；调平机构，其设置在所述电磁激励组件外侧下部，其底部支撑于地面，其顶部与所述中间连接架相连接；控制机构，其分别与所述单摆组件、电磁激励组件及调平机构相连接。本发明无需使用已知参考基站，能在短时间内直接测量重力场的绝对值，可在车载复杂环境下保障测量的精准性。
Description
【技术领域】
本发明涉及重力测量技术领域，特别是涉及一种谐振式绝对重力测量装置。
【背景技术】
随着社会发展和科技进步，重力测量的应用愈来愈重要和广泛。重力测量涉及许多领域，例如，地下矿藏或地下工程会影响当地的重力场分布；导弹或空间飞行器的飞行轨道会受重力场分布的影响。绝对重力仪是直接测量重力加速度的计量仪器，在计量科学、大地测量、地震预报、地质勘探、军事导航等领域有着十分重要的应用，绝对重力测量也成为世界各国研究的热点之一。法国计量院推出了基于原子干涉法的CAG-01型绝对重力测量仪，意大利计量院推出了基于上抛法的IMGC-02型绝对重力测量仪，美国Micro-g公司开发了FG-5和A-10系列等。但目前这类仪器结构复杂，价格昂贵，商业化程度较低。目前国内的这类设备尚处于研发中，大多数停留在实验室阶段，体积较大，维护困难，不能满足复杂环境要求。
【发明内容】
本发明旨在解决上述问题，而提供一种无需使用已知参考基站，能在短时间内直接测量重力场的绝对值，可在车载复杂环境下保障测量的精准性的谐振式绝对重力测量装置。
为实现上述目的，本发明提供一种谐振式绝对重力测量装置，该装置包括：
单摆组件，其呈竖向设置于装置上部并以简谐振动方式进行摆动；
电磁激励组件，其设置在所述单摆组件下部，用于对单摆组件施加同频率的电磁推动力，以补偿单摆组件因阻尼耗散造成的运动衰减；
中间连接架，所述单摆组件下端和电磁激励组件上端分别与该中间连接架相连接；
调平机构，其设置在所述电磁激励组件外侧下部，其底部支撑于地面，其顶部与所述中间连接架相连接；
控制机构，其分别与所述单摆组件、电磁激励组件及调平机构相连接，且
调平机构在单摆组件开始摆动前将整个装置的水平度调节到设计范围内，且单摆组件以简谐振动方式摆动过程中，电磁激励组件对其施加同频率的电磁推动力，以补偿单摆组件因阻尼耗散造成的运动衰减，同时，控制机构实时采集单摆组件的运行参数，电磁激励组件对单摆组件的运动补偿后的角度增量及补偿后的视速度增量，单摆部件各位置的点温度、摆长数据，并向调平机构发送调平指令，实现单摆组件的锁紧控制及装置调平，并根据所采集数据计算出所测的绝对重力值。
单摆组件包括连接板、三根第一立柱、摆轴、摆臂、摆锤、光纤陀螺、励磁线圈及单摆组件抱紧机构，其中，所述摆轴设于圆形的连接板上，所述三根第一立柱沿连接板的圆周方向均布，且其上下两端分别与连接板及中间连接架相连接，所述摆臂的上端固定于所述摆轴中央，摆臂下端部连接有摆锤，摆锤侧面设有光纤陀螺，摆锤下部连接有励磁线圈；所述抱紧机构包括步进电机、第二立柱、支架、螺母、滑轨、滑轨座及底板，其中，所述步进电机的电机轴为螺纹轴，其一端固定在支架上，且步进电机的电机轴与螺母螺纹连接，螺母底部与所述滑轨座固接，滑轨座则与固定在支架顶部的滑轨滑动配合，所述支架的底部固定在底板上，通过步进电机可推动螺母沿滑轨前后移动抱住或离开所述摆锤。
所述光纤陀螺和励磁线圈分别与所述控制机构电连接。
所述电磁激励组件包括励磁线圈和两块可调永磁铁，其中，所述励磁线圈连接于单摆组件的摆锤下部，两块可调永磁铁对称设置在调平机构内侧的所述励磁线圈两侧的支架上，其下端固定在抱紧机构的底板上。
可调永磁铁由稀土永磁材料制成，两块可调永磁铁对称固定在抱紧机构的底板上，两块可调永磁铁之间的空隙供励磁线圈插入，可调永磁铁的后侧设有调节杆，调节杆端部设有插入手柄的通孔，所述支架后侧装有调节板，所述调节杆穿过调节板并与之螺纹连接，在调节杆的通孔中插入并转动手柄可带动两块可调永磁铁左右移动，通过改变两者间的距离可调节磁场的强度。
所述中间连接架呈圆盘状，其由沿圆周均匀分布的多根第三立柱支撑，多根第三立柱与中间连接架的连接部位设有减振隔离件。
调平机构包括水平测量仪和调平组件，其中，所述水平测量仪是以石英加速度计为传感器的水平测量仪，其靠近单摆组件的摆动轴线设置；所述调平组件设于所述的多根第三立柱中的两根对称设置的第三立柱中，其包括分别设于两根立柱中的步进电机、电机支架、套状螺母及壳体，其中，所述步进电机、电机支架、套状螺母装在壳体内，所述电机支架的下端横截面呈D形，其下端固定于第三立柱底部，所述套状螺母为下端封闭的套状体，其截面与所述电机支架形状相匹配，套状螺母的下端设有与之一体的半球体，该半球体可随套状螺母上下移动伸出或缩回壳体内，所述步进电机的电机轴为螺纹轴，其与套状螺母螺纹连接。
控制机构为单片机，其设有处理单元、数据采集单元、数字滤波单元、误差补偿计算单元、重力计算单元、与用户设备的数据交换单元及温度补偿单元，所述数据采集单元、数字滤波单元、误差补偿计算单元、重力计算单元、与用户设备的数据交换单元及温度补偿单元与所述处理单元电连接，数据交换单元与用户设备相连接。
本发明的贡献在于，其提供了一种全新的绝对重力测量装置。本发明基于单摆方法测量重力加速度，其单摆组件设有励磁线圈及单摆组件抱紧机构，使得装置在不工作状态下将单摆组件抱紧，可有效避免单摆组件在不通电状态下受到外界振动冲击的影响产生晃动。电磁激励组件则解决了单摆组件在摆动过程中由于摆动摩擦、空气粘滞阻力等各种阻尼耗散，摆动的幅度会逐步衰减的问题。其通过对单摆组件施加同频率的电磁推动力，以补偿单摆组件因阻尼耗散造成的运动衰减。本发明通过调平机构对整个装置进行水平调节。使装置始终保持水平状态，因而可纠正在车载等环境下的车体倾斜状态。本发明无需使用已知参考基站，其可在短时间内直接测量重力场的绝对值，并可在车载复杂环境下保障测量的精准性。
【附图说明】
图1是本发明的整体结构立体示意图。
图2是本发明的部件分解立体示意图。
图3是本发明的单摆组件结构立体示意图。
图4是单摆组件的抱紧机构结构立体示意图。
图5是本发明的调平机构结构剖视图。
图6是本发明的控制机构结构框图。
【具体实施方式】
下列实施例是对本发明的进一步解释和说明，对本发明不构成任何限制。
参阅图1、图2，本发明的谐振式绝对重力测量装置包括单摆组件10、电磁激励组件20、中间连接架30、调平机构40及控制机构50。
所述单摆组件10是由重力驱动的器件，其呈竖向设置于装置上部，并以简谐振动方式进行摆动。如图1～图3所示，该单摆组件10包括连接板11、三根第一立柱12、摆轴13、摆臂14、摆锤15、光纤陀螺16、励磁线圈17及单摆组件抱紧机构18。所述摆轴13两端由装在轴承座131内的轴承支承，两个轴承座131固定在圆形的连接板11上。所述三根第一立柱12沿连接板11的圆周方向均布，且第一立柱12的上下两端分别固定到连接板11及中间连接架30上，由其对连接板11进行支撑。所述摆臂14为圆形杆状体，其上端固定于所述摆轴13中央，摆臂14下端部连接有摆锤15，该摆锤15为重力驱动的摆动器件，它是由上部为矩形，下部为凸形的块状体一体成形。摆臂14可在摆锤15的重力作用下绕摆轴13摆动。
如图1～图3所示，所述摆锤15侧面设有光纤陀螺16，其作为摆锤的一部分随摆臂14做往复摆动。该光纤陀螺为敏感角速率的传感器，具有体积小、质量轻、启动时间短，动态范围大等优点。光纤陀螺16的敏感轴线与摆锤部件的质心重合，其用于全程实时测量单摆的运动过程，并精确测量摆锤的摆动幅度，并将测角信息传递给控制机构50。光纤陀螺作为高精度的传感器，对外界工作环境比较敏感，容易受到温度、振动等因素的干扰造成精度下降。同时陀螺自身精度的长期稳定性，也会对重力测量仪的结果产生影响。通过温度补偿，可得到全温范围内陀螺精度的变化以及对重力测量结果的影响，排除外界温度因素的影响，同时也可以通过定期标定，检测陀螺自身的误差漂移，保证测量的重力加速度值满足要求。在所述摆锤15下部连接有励磁线圈17，其用于和可调永磁铁21一起对单摆组件10施加同频率的电磁推动力，以补偿单摆组件因阻尼耗散造成的运动衰减。所述光纤陀螺16和励磁线圈17分别与所述控制机构50电连接。
所述抱紧机构18用于在不工作状态下将单摆组件10抱紧，避免单摆组件10在不通电状态下受到外界振动冲击的影响产生晃动。如图4所示，该抱紧机构18包括步进电机181、第二立柱182、支架183、螺母184、滑轨185、滑轨座186及底板187。所述步进电机181的电机轴为螺纹轴，其一端固定在支架183上部，且步进电机181的电机轴与螺母184螺纹连接，该螺母184为带底座的异型螺母，其底座与所述滑轨座186固接。所述滑轨座186为带滑槽的U形块状体，其与固定在支架183顶部并置于滑轨座的滑槽中的滑轨185滑动配合。所述支架183由两个对称的U形架体构成，其底部固定在底板187上。通过步进电机181可推动螺母184沿滑轨185前后移动抱住或离开所述摆锤15。
在所述单摆组件10下部设有电磁激励组件20，其用于对单摆组件10施加同频率的电磁推动力，以补偿单摆组件因阻尼耗散造成的运动衰减。如图1～图3所示，该电磁激励组件20包括励磁线圈17和两块可调永磁铁21。所述励磁线圈17连接于单摆组件的摆锤15下部，两块可调永磁铁21对称设置在调平机构内侧的所述励磁线圈17两侧的支架22上，其下端固定在抱紧机构的底板187上，其用于提供强磁场。该可调永磁铁21由稀土永磁材料制成，两块可调永磁铁21对称固定在抱紧机构的底板187上，两块可调永磁铁之间的空隙供励磁线圈17插入。可调永磁铁21的后侧设有调节杆23，调节杆23端部设有插入手柄的通孔231，所述支架22后侧固定有调节板24，其上设有螺孔，所述调节杆23穿过调节板24并与之螺孔螺纹连接。在调节杆23的通孔231中插入并转动手柄可带动两块可调永磁铁21左右移动，通过改变两者间的距离可调节磁场的强度。当励磁线圈17在可调永磁铁21形成的磁场中通电时，其受到垂直方向磁场力作用，用于对单摆组件10施加同频率的电磁推动力，以补偿单摆组件因阻尼耗散造成的运动衰减。
如图1～图2所示，所述中间连接架30为圆盘状体，其由沿圆周均匀分布的三根第三立柱31支撑，三根第三立柱31与中间连接架的连接部位设有减振隔离件32。该中间连接架30用于对所述单摆组件10、电磁激励组件20及调平机构40起到连接和支撑作用，所述单摆组件10的下端和电磁激励组件20的上端分别与该中间连接架30相连接。
在所述电磁激励组件20外侧下部设有调平机构40，其底部支撑于地面，其顶部与所述中间连接架30相连接。如图1～图2及图5所示，该调平机构40包括水平测量仪41和调平组件42，其中，所述水平测量仪41靠近单摆组件10的摆动轴线设置在连接板11上，该水平测量仪41是以石英加速度计为传感器的水平测量仪，其与控制机构50电连接，其将水平测量数据送到控制机构50，控制机构50根据水平测量数据结果控制步进电机421，完成对整个装置的水平调节。所述调平组件42设于所述的三根第三立柱31中的两根对称设置的第三立柱31中，其根据水平测量仪41的加速度计信息将设备调整至水平状态。该调平组件42包括步进电机421、电机支架422及套状螺母423，其分别设于两根立柱中。所述电机支架422呈套状，其横截面为D形，其下端固定于第三立柱31底部。所述套状螺母423的截面是与所述电机支架422形状相匹配的D形，其使得套状螺母423只能在电机支架422内滑动而不能转动。所述套状螺母423的下端封口，或由下端盖封口，该下端盖外侧底部设有与地面接触用的球状凸起4231，套状螺母423的下端在调整过程中可伸出电机支架422外或缩回到电机支架422内，使得第三立柱31的高度发生变化，从而将测量装置调整至水平状态。所述步进电机421为直线步进电机，其最大倾斜调整角度可以达到大约6°左右，完全能够满足车载环境下的车体倾斜状态。该步进电机421的电机轴为螺纹轴，其与套状螺母423螺纹连接。控制机构50根据水平测量数据结果控制所述调平组件42步进电机421转动，推动套状螺母423直线移动，从而完成对整个装置的水平调节。
在所述中间连接架30下部设有控制机构50，其分别与所述单摆组件10、电磁激励组件20及调平机构40相连接，对其进行控制。如图6所示，该控制机构50为单片机，其设有处理单元51、数据采集单元52、数字滤波单元53、误差补偿计算单元54、重力计算单元55、与用户设备的数据交换单元56及温度补偿单元57，所述数据采集单元52包括光纤陀螺16和水平测量仪41，其分别与处理单元51相连接。所述数字滤波单元53、误差补偿计算单元54、温度补偿单元57为载有数字滤波、误差补偿及温度补偿电路和计算程序的模块，其分别与处理单元51相连接。所述重力计算单元55为载有绝对重力计算公式的模块，该绝对重力计算公式为：
其中，T—单摆周期
l—摆臂的臂长
θ—摆臂角度
从上式可知，根据摆角、臂长、周期等参数即可算出重力值。
所述数据采集单元52、数字滤波单元53、误差补偿计算单元54、重力计算单元55、与用户设备的数据交换单元56及温度补偿单元57与所述处理单元51电连接。所述数据交换单元56通过串行接口与用户设备相连接，以接收和执行用户设备重力测试指令。该控制机构50设置在线路板50A上，线路板50A则固定在中间连接架30底部。
本发明的工作原理如图6所示，在单摆组件10开始摆动前由控制机构50控制调平机构40将整个装置的水平度调节到设计范围内。单摆组件10以简谐振动方式摆动过程中，电磁激励组件20对其施加同频率的电磁推动力，以补偿单摆组件因阻尼耗散造成的运动衰减，同时，控制机构50通过数据采集单元52实时采集单摆组件10的运行参数，电磁激励组件20对单摆组件10的运动补偿后的角度增量及补偿后的视速度增量，单摆部件各位置的点温度、摆长数据。控制机构50向调平机构40发送抱紧、松开和调平指令，实现单摆组件10的锁紧控制及装置调平，控制机构50的重力计算单元55根据所采集数据计算出所测的绝对重力值。
尽管通过以上实施例对本发明进行了揭示，但是本发明的范围并不局限于此，在不偏离本发明构思的条件下，以上各构件可用所属技术领域人员了解的相似或等同元件来替换。
Claims (8)
1.一种谐振式绝对重力测量装置，其特征在于，该装置包括：
单摆组件(10)，其呈竖向设置于装置上部并以简谐振动方式进行摆动；
电磁激励组件(20)，其设置在所述单摆组件(10)下部，用于对单摆组件(10)施加同频率的电磁推动力，以补偿单摆组件因阻尼耗散造成的运动衰减；
中间连接架(30)，所述单摆组件(10)下端和电磁激励组件(20)上端分别与该中间连接架(30)相连接；
调平机构(40)，其设置在所述电磁激励组件(20)外侧下部，其底部支撑于地面，其顶部与所述中间连接架(30)相连接；
控制机构(50)，其分别与所述单摆组件(10)、电磁激励组件(20)及调平机构(40)相连接，且
调平机构(40)在单摆组件(10)开始摆动前将整个装置的水平度调节到设计范围内，且单摆组件(10)以简谐振动方式摆动过程中，电磁激励组件(20)对其施加同频率的电磁推动力，以补偿单摆组件因阻尼耗散造成的运动衰减，同时，控制机构(50)实时采集单摆组件(10)的运行参数，电磁激励组件(20)对单摆组件(10)的运动补偿后的角度增量及补偿后的视速度增量，单摆部件各位置的点温度、摆长数据，并向调平机构(40)发送调平指令，实现单摆组件(10)的锁紧控制及装置调平，并根据所采集数据计算出所测的绝对重力值。
2.如权利要求1所述的谐振式绝对重力测量装置，其特征在于，所述单摆组件(10)包括连接板(11)、三根第一立柱(12)、摆轴(13)、摆臂(14)、摆锤(15)、光纤陀螺(16)、励磁线圈(17)及单摆组件抱紧机构(18)，其中，所述摆轴(13)设于圆形的连接板(11)上，所述三根第一立柱(12)沿连接板(11)的圆周方向均布，且其上下两端分别与连接板(11)及中间连接架(30)相连接，所述摆臂(14)的上端固定于所述摆轴(13)中央，摆臂(14)下端部连接有摆锤(15)，摆锤(15)侧面设有光纤陀螺(16)，摆锤(15)下部连接有励磁线圈(17)；所述抱紧机构(18)包括步进电机(181)、第二立柱(182)、支架(183)、螺母(184)、滑轨(185)、滑轨座(186)及底板(187)，其中，所述步进电机(181)的电机轴为螺纹轴，其一端固定在支架(183)上，且步进电机(181)的电机轴与螺母(184)螺纹连接，螺母(184)底部与所述滑轨座(186)固接，滑轨座(186)则与固定在支架(183)顶部的滑轨(185)滑动配合，所述支架(183)的底部固定在底板(187)上，通过步进电机(181)可推动螺母(184)沿滑轨(185)前后移动抱住或离开所述摆锤(15)。
3.如权利要求2所述的谐振式绝对重力测量装置，其特征在于，所述光纤陀螺(16)和励磁线圈(17)分别与所述控制机构(50)电连接。
4.如权利要求2所述的谐振式绝对重力测量装置，其特征在于，所述电磁激励组件(20)包括励磁线圈(17)和两块可调永磁铁(21)，其中，所述励磁线圈(17)连接于单摆组件的摆锤(15)下部，两块可调永磁铁(21)对称设置在调平机构内侧的所述励磁线圈(17)两侧的支架(22)上，其下端固定在抱紧机构的底板(187)上。
5.如权利要求4所述的谐振式绝对重力测量装置，其特征在于，所述可调永磁铁(21)由稀土永磁材料制成，两块可调永磁铁(21)对称固定在抱紧机构的底板(187)上，两块可调永磁铁之间的空隙供励磁线圈(17)插入，可调永磁铁(21)的后侧设有调节杆(23)，调节杆(23)端部设有插入手柄的通孔(231)，所述支架(22)后侧装有调节板(24)，所述调节杆(23)穿过调节板(24)并与之螺纹连接，在调节杆(23)的通孔(231)中插入并转动手柄可带动两块可调永磁铁(21)左右移动，通过改变两者间的距离可调节磁场的强度。
6.如权利要求1所述的谐振式绝对重力测量装置，其特征在于，所述中间连接架(30)呈圆盘状，其由沿圆周均匀分布的多根第三立柱(31)支撑，多根第三立柱(31)与中间连接架的连接部位设有减振隔离件(32)。
7.如权利要求6所述的谐振式绝对重力测量装置，其特征在于，所述调平机构(40)包括水平测量仪(41)和调平组件(42)，其中，所述水平测量仪(41)是以石英加速度计为传感器的水平测量仪，其靠近单摆组件(10)的摆动轴线设置；所述调平组件(42)设于所述的多根第三立柱(31)中的两根对称设置的第三立柱(31)中，其包括分别设于两根立柱中的步进电机(421)、电机支架(422)、套状螺母(423)及壳体(424)，其中，所述步进电机(421)、电机支架(422)、套状螺母(423)装在壳体(424)内，所述电机支架(422)的下端横截面呈D形，其下端固定于第三立柱(31)底部，所述套状螺母(423)为下端封闭的套状体，其截面与所述电机支架(422)形状相匹配，套状螺母(423)的下端设有与之一体的半球体，该半球体可随套状螺母(423)上下移动伸出或缩回壳体(424)内，所述步进电机(421)的电机轴为螺纹轴，其与套状螺母(423)螺纹连接。
8.如权利要求1所述的谐振式绝对重力测量装置，其特征在于，所述控制机构(50)为单片机，其设有处理单元(51)、数据采集单元(52)、数字滤波单元(53)、误差补偿计算单元(54)、重力计算单元(55)、与用户设备的数据交换单元(56)及温度补偿单元(57)，所述数据采集单元(52)、数字滤波单元(53)、误差补偿计算单元(54)、重力计算单元(55)、与用户设备的数据交换单元(56)及温度补偿单元(57)与所述处理单元(51)电连接，数据交换单元(56)与用户设备相连接。
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