CN111722294A - 一种超导重力梯度仪共模抑制调平结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过对超导重力梯度仪内部结构的配对调整达到共模信号不输出的调平结构及相应的调平流程。基于超导重力梯度仪中悬浮质量块运动特性与姿态耦合的特性，该调平结构在保留原有超导重力梯度仪基本结构的基础上，延伸悬浮质量块侧翼，并在侧翼位置安装两翼线圈组，通过两翼线圈组中的不同大小的电流组合控制悬浮质量块的姿态，补偿加工、装配精度不足带来的偏差。调平过程主要为按照一定方式调整两翼线圈中的电流，分别实现在低频下共模信息不输出和在高频下共模信息不输出，迭代操作，实现全宽带内共模信号不输出调平。

Description

一种超导重力梯度仪共模抑制调平结构
技术领域
本发明涉及一种通过对超导重力梯度仪内部结构的配对调整达到共模信号不输出的调平结构，属于电气工程领域。
背景技术
在重力场中，选定零势点后，各点便有确定的重力势，重力势是标量，重力势沿各个方向的变化梯度即为沿该方向的重力加速度，进一步，重力加速度沿各个方向的变化梯度即为重力梯度。用数学方式描述重力梯度，设重力场中各点的重力势为φ(x，y，z)，则沿x，y，z方向的重力加速度为
Figure BSA0000193148490000011
进一步得出重力梯度表达式：
Figure BSA0000193148490000012
超导重力梯度仪是一种测量重力梯度的高精度仪器，通常装备在飞机、舰船上，高精度重力梯度测量对于地球科学、地质科学、空间科学和高精度惯性制导都有着重要的意义，同时重力梯度测量的高精度、高灵敏度特性，使其在地质资源勘探领域具有极高的应用价值，是进行基础地质调查、基础地质研究、油气矿藏等资源勘查的重要手段。部分重力测量仪通过直接测量重力加速度来获取重力加速度信息，而重力测量仪的安装平台往往不是绝对静止的，所以测量到的重力加速度包含了一部分惯性加速度，要获得准确的重力加速度信息则必须知道准确的惯性加速度信息，经过这个过程往往造成较大的误差，尤其对于满足重力匹配导航的重力场建模精度要求，这样的测量误差显然是不能接受的。超导重力梯度仪中有两个配对的加速度计，通过差分的方式，消除了安装平台运动带来的惯性加速度，该惯性加速度即为共模加速度，共模加速度不输出即共模抑制。理想条件下，上下两个加速度计完美配对，可实现在任意频率下的共模抑制，实际加工制作中，由于加工误差、材料缺陷等，无法实现理想的加速度计配对，此时需要通过结构件调整、电器元件配合等方式实现期望的测量频率宽带内的共模抑制。
目前已有的共模抑制调平手段主要来源于美国马里兰大学超导重力梯度仪研究团队针对自身团队设计的重力梯度仪给出的调平思路，国内也有相关超导重力梯度仪研究团队给出了调平思路及判断调平效果的判据，下面简单讨论三种已有的调平思路及相应的超导重力梯度仪结构，分别记为A、B、C，其中A和B来源于美国马里兰大学物理系研究团队，C来源于国内湖北引力与量子测量实验室与武汉华中科技大学组成的研究团队，三种类型的结构示意图参照附图1～3。
参照图1超导重力梯度仪基本结构A型示意图，根据各参数下标及电路结构，整个结构构成一套差分系统，Id(t)为差分电流对应着重力梯度信息，在整个系统中，Id(t)与m1、m2的运动存在传递关系为：
Figure BSA0000193148490000021
其中gd(ω)为差模加速度对应着重力梯度，gc(ω)为共模加速度对应着平台运动，目标要求为系统只获取差模加速度，所以有
Figure BSA0000193148490000022
对应着
Figure BSA0000193148490000023
为实现(3)式的平衡条件，第一步，在ω＞＞ω1c，ω2c的情况下，调节I1与I2使得输出信号中不包含共模信息，此时有
Figure BSA0000193148490000024
第二步，在ω＜＜ω1c，ω2c的情况下，调节i1与i2使得输出信号中不包含共模信息，此时有
Figure BSA0000193148490000031
重复操作第一步和第二步使得(4)式和(5)式同时满足，可以看出无论ω取何值，(3)式都成立，即实现了一定频率宽带内的调平。
与超导重力梯度仪基本结构A型的调平过程类似，B型的调平思路主要如下：在当前已有的高精度加工条件下，超导重力梯度仪内部结构已接近共模抑制调平，所需要的是一个微小的补偿量实现
Figure BSA0000193148490000032
由于各个参数相互耦合，当频率变化时
Figure BSA0000193148490000033
所需满足的条件会发生变化，另外A型中的反复操作调平方式十分繁复且不能保证在一定次数内的调平效果，在B型中引入额外的微小补偿电流IB1与IB2，保持IS1＝IS2，调整IB1与IB2可实现在任意频率下
Figure BSA0000193148490000034
均成立，即实现了一定频率宽带内共模抑制调平。
C型为华中科技大学超导重力梯度仪研究团队所给出的一种调平方案，该调平方案在本质上与B型一致，将IL电流回路与IB电流回路合并成了一个电流回路，相较B型更为简化，通过Ra调整IL1-IL2的大小，进行微小补偿，可实现一定频率宽带内的共模抑制调平。
以上3种共模抑制调平方式均为从电路结构内部进行调平，通过改变初始电流参数、调整内部能量分布实现调平，然而在一定频率宽带内，由于加工精度等原因，调平条件无法避免随频率变化发生漂移，因此我们思考了一种从外部进行调节，不改变内部初始电流参数及能量分布的“清洁”调平方式。
发明内容
本发明的目的是通过一种附加结构调整超导重力梯度仪内部结构配对，实现共模抑制。该调平结构不改变内部初始电流及能量分布，“清洁高效”，适配于多种类型超导重力梯度仪。
理想加工条件下，超导重力梯度仪内部结构应完全配对，以图1超导重力梯度仪基本结构A型为例，完全配对的情况下应有ω1c＝ω2c、L1a＝L2a、L1b＝L2b、L1p＝L2p，此时只需设置初始电流-I′1＝I′2，便可以满足(3)式，实现了一定频率宽带内共模抑制调平。在实际加工条件下，主要由于平面线圈的制作偏差、悬浮质量块的质量分布不严格中心对称，造成L1a≠L2a、L1b≠L2b、L1p≠L2p，已有的调平方式均不改变各线圈电感量，通过初始电流设置或增加小电流回路补偿不配平的偏差，然而随着频率变化，所需要的补偿也产生变化，这给在一定宽带内调平带来巨大的难度。
本发明通过延伸悬浮质量块结构，引入两翼调平线圈，两翼线圈产生与测量方向正交的调平磁场，通过控制两翼线圈组中的电流，微调悬浮质量块的姿态，实现微调测量方向各线圈电感量，使得ω1c＝ω2c、L1p＝L2p，从而调平条件不随频率发生漂移，调平只需维持-I′1＝I′2，通过调节在两个频率下的共模传递函数
Figure BSA0000193148490000041
便可实现在一定频率宽带内
Figure BSA0000193148490000042
避免了调平条件随频率发生漂移，简洁高效。
附图说明
图1是超导重力梯度仪基本结构A型示意图
图2是超导重力梯度仪基本结构B型示意图
图3是超导重力梯度仪基本结构C型示意图
图4是本发明中的延伸改进的悬浮质量块结构示意图。
图5是本单轴重力梯度仪整体结构组成三维示意图。
图6是质量块两翼悬浮线圈分布示意图。
图7是本发明的电气连接示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
图4为延伸的带有两翼的悬浮质量块结构，整个质量块由4种结构组成，普通的悬浮质量块只由2号结构和3结构组成，即没有两翼结构。其中，2号、3号和4号结构的表面都覆盖绝缘漆，使得各超导结构不直接接触，各零部件能够独立稳定的实现自己的功能。两翼的端面安装高精度的M2螺栓，调节螺栓拧入深度，能够微调4号结构的质心位置，使得4号结构的质心和2号结构的质心重合，进一步使得整个质量块结构呈中心对称分布。
图5为单轴重力梯度仪结构组成示意图，其中质量块A与质量块B上下同轴套在中心铌管上，中心铌管中固定有一定数量的通过恒定大小电流的导线，在液氦温区时，由于超导体的完全抗磁性，质量块A、质量块B与中心铌管三者保持高精度同轴。悬浮线圈与感应线圈采用机械固定的方式与中心铌管同轴，且线圈表面接近质量块表面，悬浮线圈、感应线圈与重力共同约束质量块沿铌管轴向的运动，同时上下感应线圈构成差分电流回路，差分电流对应上下质量块加速度之差，即重力梯度。实际情况下由于加工误差、装配精度等原因，获得的差分电流中会携带少量的共模加速度信息，实现共模抑制调平的目的便是使差分电流中携带的共模加速度信息为零。相关理论与实验已证明，质量块姿态的变化会造成悬浮线圈和感应线圈的电感量变化，本发明的思路便是通过微调质量块的姿态，微调悬浮线圈和感应线圈的电感量，对实际的信号传递函数进行修正，达到共模加速度信息不输出。
实际中获得的差分电流之所以会携带少量的共模加速度信息，是因为上下的质量块、悬浮线圈、感应线圈的不完美匹配，即结构不完全相同。结构不相同主要存在于平面线圈的绕制误差，中心铌管加工误差造成的同轴悬浮的倾斜等，通过微调质量块的姿态可以耦合补偿这些偏差，但是引入的调整姿态的结构不能影响测量方向(轴向)的运动特性，如图5所示，在质量块的两翼结构两侧安装了两翼线圈组，两翼线圈产生与测量方向正交的磁场，可以控制质量块姿态的两个自由度，在同一加工尺寸下各两翼线圈不需要完全相同。以质量块A为例，两翼线圈的分布安装如图6所示，一共有八个两翼线圈，安装位置对应长方体的八个顶点，各个两翼线圈回路中设置高精度可控电流源，通过控制各个线圈中电流大小，可以使得质量块沿着Y方向和Z方向旋转。整个系统的电气连接如图7所示。
参照图7，这个系统的操作调平过程如下：
1)打开热开关H1、H2和H3，分别给悬浮线圈回路和感应线圈回路注入合适大小的电流，先关闭H1和H2，再关闭H3；
2)设置实验平台的作动器以远小于系统固有共模频率的频率振动；
3)观察SQUID输出是否在目标范围内，如果在，转(6)，反之转(4)；
4)设置A1-A7回路、A3-A5回路、A2-A8回路、A4-A6回路、B1-B7回路、B3-B5回路、B2-B8回路和B4-B6回路中通入相同大小的电流；
5)使A1-A7回路的电流和A2-A8回路的电流以相同的大小缓慢增加，使A3-A5回路的电流和A4-A6回路的电流以相同的大小缓慢减小，使B1-B7回路的电流和B2-B8回路的电流以相同的大小缓慢减小，使B3-B5回路的电流和B4-B6回路的电流以相同的大小缓慢增大，同时观察SQUID输出，当共模输出比例达到最小时转(6)；
6)设置实验平台的作动器以远大于系统固有共模频率的频率振动；
7)使A1-A7回路的电流和A4-A6回路的电流以相同的大小缓慢增加，使A3-A5回路的电流和A2-A8回路的电流以相同的大小缓慢减小，使B1-B7回路的电流和B4-B6回路的电流以相同的大小缓慢减小，使B3-B5回路的电流和B2-B8回路的电流以相同的大小缓慢增大，同时观察SQUID输出，当共模输出比例达到最小时转(8)；
8)观察SQUID输出信号的共模信号比例是否在目标范围内，如果在，转(9)，反之转(2)；
9)调平结束。

Claims (4)

1.一种通过控制超导重力梯度仪中悬浮质量块的姿态，达到共模抑制调平的两翼线圈组结构，其特征在于：悬浮质量块的两侧延伸出两翼结构，为两翼线圈组提供了空间；两翼线圈组中的各线圈在空间中的位置呈长方体顶点排列，通过各线圈中的电流大小不同产生控制力与控制力矩，实现共模抑制调平。
2.根据权利要求1所述的一种两侧延伸出翼状结构的悬浮质量块结构，其特征在于：中心为圆筒形铌管，上下圆盘结构与两翼结构通过同轴配合方式套住铌管上，用低温胶固定；各部件表面镀有绝缘漆实现相互绝缘；两翼结构两端安装有高精度调平螺栓，通过微调螺栓拧入的深度，调节两翼结构的质心位置。
3.根据权利要求1所述的两翼线圈组结构，其特征在于：一个两翼线圈组由8个平面线圈组成，各平面线圈的尺寸相同，各平面线圈相互平行，各平面线圈的中心在在空间中的位置呈长方体顶点排列，对应长方体对角线的两个平面线圈在同一个电流回路中。
4.一种基于两翼线圈组结构的超导重力梯度仪共模抑制调平方式，其特征在于：通过两翼线圈组中通入电流可控制悬浮质量块的两个姿态自由度，实现共模信号不输出的全宽带调平可分为两个步骤，第一步为在低频下同时调节上下质量块的Y方向姿态实现低频下共模信号不输出，第二步为在高频下同时调节上下质量块的Z方向姿态实现高频下共模信号不输出，重复操作第一步和第二步直至质量块的X方向和Y方向姿态都不要调平，即实现了全宽带调平。
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