CN112942614A - 光纤光栅与介电弹性体结合的近零磁空间的主动隔振装置 - Google Patents
光纤光栅与介电弹性体结合的近零磁空间的主动隔振装置 Download PDFInfo
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Abstract
一种光纤光栅与介电弹性体结合的近零磁空间的主动隔振装置；主要包括以下几部分，磁屏蔽室，由多层屏蔽墙面组成，屏蔽外界磁信号；形变测量系统，光纤光栅接测量最内侧屏蔽墙形变量，超导量子干涉仪通过磁噪声反演得出屏蔽墙形变量；微位移驱动控制与执行系统，主要由控制器和介电弹性体驱动器，介电弹性体致动器组成。本发明近零磁空间中磁噪声抑制的介电弹性体主动隔微振装置直接作用于坡莫合金材料制成的磁屏蔽墙最内侧，既能减小磁屏蔽室随大地一起做低频振动产生的磁噪声，又能较小由于环境中的声音、空气对流等因素直接作用于屏蔽墙面引起的振动带来的磁噪声，在原有隔振基础上达到更好的隔振效果。
Description
技术领域
本发明属于微振隔绝技术领域，主要涉及一种光纤光栅与介电弹性体结合的近零磁空间的主动隔振装置。
背景技术
磁场是一种没法看见也没法摸到的特殊作用力场，磁场能够承载信息也能够传递能量；同时，生物体内也存在着不同的生物磁场，生物磁场可以用来研究生命活动中的不同信息，不仅如此外界施加的电磁场也可以用来对生物施加影响，干预生化反应进行速率，也有研究表明磁场可以调节遗传进程；所有物质皆由质子、中子、电子、原子、分子等基本粒子组成，而这些基本粒子因本身存在的自旋等性质就带有一定磁性，故而有基本粒子组成的细胞、组织、器官均带有一定程度的磁特性。但是生物组织的磁场都非常微弱，如心磁在皮肤表面最大磁场强度约几十皮特斯拉(即10-12T)，远小于地磁场强度(地磁场强度一般认为是50μT)；因此，生物磁信号等相对地磁及环境磁场而言更弱的磁场，需要在近零磁环境下才能被提取到；零磁环境通常由多层磁屏蔽室提供；主要由高导磁材料坡莫合金和退磁线圈实现对磁场的屏蔽；
由于坡莫合金材料价格昂贵，故而由坡莫合金材料构筑的墙面相对于屏蔽室内部空间的大小而言非常薄，磁屏蔽室所处的外界环境如果产生振动会导致坡莫合金墙面产生轻微的形变；这些变形会影响屏蔽室的屏蔽效果，导致其内部磁场波动，大小趋近于1.5pT/mm，这种干扰与生物磁场的大小相近；对于弱磁场的测量而言，这是无法忽略的影响；因此有必要对屏蔽室采取一些隔振措施，减小因振动带来的磁场扰动对测量造成的影响。
引起坡莫合金墙壁形变的环境振动主要包括：城市环境中各种噪音带来的振动、屏蔽室地基的低频振动、周围环境变化引起的振动等；为了这些屏蔽引起的磁屏蔽室内磁噪声，需要对磁屏蔽室进行隔振处理；德国PTB相关研究人员Jens Voigt，Silvia Knappe-Grüneberg等指出，尽管对大地的微弱振动采取了一定的隔振措施，但仍然无法避免一些微米级范围内的残余振动，这些残余振动在一些为弱磁场测量和标定实验中仍然会产生很强的磁噪声。
日本学者K.Yamazaki，T.Abe等在研究中指出，当人在磁屏蔽室附近走动踏步时，产生的机械能会对坡莫合金墙面产生轻微的振动，墙体振动形变会引发屏蔽室内部磁噪声，磁屏蔽室外人走路时产生的机械振动和屏蔽室内部的磁噪声大小有较强的正相关性，同时，利用超导量子干涉仪(SQUID)通过测量主动微振动隔离系统(ACMI)打开或关闭工作状态下的磁噪声。
针对目前振动引起磁噪声的两个主要干扰源：地基的微弱低频机械振动和环境声压带来的振动，前者可以通过增加或者改进隔振平台来降低磁噪声；但对于声压引起的振动，无法通过地基隔振设施来降低磁噪声；只能通过阻止或减小环境噪声在传播过程中声压引起的磁屏蔽室墙面的振动，进而达到抑制磁噪声的效果。
发明内容
本发明针对引起零磁室墙壁坡莫合金材料形变的微振动隔绝技术，设计了一种基于介电弹性体的主动隔微振装置，以减小微弱磁测量过程中外界环境带来的干扰，该装置具体实现过程如下所述：
由于许多磁信号都特别微弱，为了探测大小在皮特级(1pT＝10-12T)左右的若此信号，就必须对环境磁场进行屏蔽，如地磁场强度接近50μT；因此如生物磁信号等较为微弱的磁信号必须在近零磁环境中才能被识别到，目前常用的弱磁环境由磁屏蔽室提供；常见的磁屏蔽室墙面由高导磁材料坡莫合金拼接而成；由于墙面的轻微变形都会引起屏蔽室内磁场的畸变，导致测量结果产生严重的误差；因此本发明装置采用主动隔振的思路，利用介电弹性体制动器抑制磁屏蔽室墙面的微振动，达到抑制磁噪声的目的，具体实施步骤如下：
首先将磁屏蔽是最内层由坡莫合金材料制成的屏蔽墙的墙面划分为面积相等的九个区域，在每个区域中以合理的密度分布光纤光栅，以光纤光栅作为测量内层磁屏蔽墙的形变传感器，将光纤光栅粘在坡莫合金材料制成的最内层屏蔽墙的外侧，这样测量电路电流产生的磁场可以由屏蔽室的主动退磁线圈和坡莫合金屏蔽层屏蔽，不会影响到屏蔽室内部的弱磁环境；为了提高光纤光栅的灵敏度，磁屏蔽墙面的测量电路采用半桥式测量电路，通过信号采集和信号转换电路将测得的电压信号进行放大后转换成电流信号送到控制器。控制器对信号进行处理，并将处理后的信号送到介电弹性体致动器，驱动介电弹性体致动器动作，抑制磁屏蔽室墙面的振动，从而达到减小零磁室内磁噪声的目的；介电弹性体致动器是利用介电弹性体所具有的发生变形(伸长、收缩)的特性，对磁屏蔽室墙面产生的变形施加一个反方向的作用力，抑制其振动，进而降低屏蔽室内部的磁噪声。
与现有技术相比，本发明的特点是：
传统的隔振方法是将磁屏蔽室建在大型隔振装置或者隔振地基上来隔振的；本发明则直接针对外界环境引起的磁屏蔽室墙面产生的振动进行隔振。近零磁空间中磁噪声抑制的介电弹性体主动隔微振装置直接作用于坡莫合金材料制成的磁屏蔽墙最内侧，既能减小磁屏蔽室随大地一起做低频振动产生的磁噪声，又能较小由于环境中的声音、空气对流等因素直接作用于屏蔽墙面引起的振动带来的磁噪声，在原有隔振基础上达到更好的隔振效果。
附图说明
图1是提供近零磁环境的MSR示意图。
图2是MSR壁面形变测量及介电弹性体致动器主动隔振原理示意图。
图中件号：1—大型底层隔振装置，2—磁屏蔽室壁面，2a—磁屏蔽室最内层墙面某一区域，3—介电弹性体致动器，4—磁传感器SQUID。
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
一种光纤光栅与介电弹性体结合的近零磁空间的主动隔振装置；该装置主要由微位移执行器、形变测量系统和相关驱动控制器组成：所述微位移执行器是指介电弹性体致动器3，即介电弹性体驱动器对介电弹性体致动器3施加一个交变电场之后，介电弹性体致动器3会产生一个形变，将介电弹性体致动器3的一端固定在磁屏蔽室2的骨架上，当对其施加交变电场时，介电弹性体致动器的自由端产生的机械形变将作用于变形的磁屏蔽室壁面2a，从而抑制其振动；
所述形变测量系统是指由光纤光栅和磁传感器SQUID 4共同组成的形变测量系统；当屏蔽室墙面2a发生变形时，光纤光栅即可测得内壁的形变量；此外还可以通过MSR内的磁传感器SQUID 4来测量MSR壁面的形变：当屏蔽室墙面2a发生形变时，由磁传感器4测得的磁场将产生畸变，可通过磁场的畸变来反演出MSR壁面的形变量。
所述驱动控制器主要是指控制器和介电弹性体驱动器；控制器接收来自形变测量系统所测得的MSR壁面2a的形变量信号，经信号处理后，对介电弹性体驱动器输出一个控制信号，通过对介电弹性体驱动器7输出电压的控制，进而将电压信号作用于介电弹性体致动器3，进而控制MSR壁面形变，达到隔微振的效果。
近零磁空间中磁噪声抑制的介电弹性体主动隔微振装置是基于大型隔振装置基础之上的隔微振装置；大型隔振装置作为多层磁屏蔽室的地基，隔绝了来自地面的大部分振动，在此基础上的介电弹性体主动隔微振装置可以隔绝大型隔振装置无法抑制的微弱振动，以降低磁MSR的磁噪声，提高磁实验的可靠性和精度。
Claims (4)
1.一种光纤光栅与介电弹性体结合的近零磁空间的主动隔振装置，主要包括以下几部分，其特征在于：
磁屏蔽室，由多层屏蔽墙面组成，屏蔽外界磁信号；
形变测量系统，光纤光栅直接测量最内侧屏蔽墙形变量，超导量子干涉仪通过磁噪声反演得出屏蔽墙形变量；
微位移驱动控制与执行系统，主要由控制器和介电弹性体驱动器，介电弹性体致动器组成。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅与介电弹性体结合的近零磁空间的主动隔振装置，其特征在于，形变测量系统，主要由光纤光栅与超导量子干涉仪组合而成，光纤光栅测得的墙壁形变量值与超导量子干涉仪探测到的空间内弱磁信号变化量相结合，用以测量墙面形变量的大小；基于所测形变量进行主动抑制达到隔振效果。
3.根据权利要求2所述的光纤光栅与介电弹性体结合的近零磁空间的主动隔振装置，其特征在于，形变量测试系统，以光纤光栅对形变量进行采集，形变量信号转换放大后送入控制器，驱动介电弹性体致动器动作，抑制墙面的振动，最终达到减弱磁屏蔽室内磁噪声的目的。
4.根据权利要求1所述的光纤光栅与介电弹性体结合的近零磁空间的主动隔振装置，其特征在于，微位移驱动控制与执行系统，当形变量通过测量电路后被控制器接收并进行处理，而后对介电弹性体驱动器输出一个控制信号，通过对介电弹性体驱动器输出电压的控制，进而将电压信号作用于介电弹性体致动器，通过介电弹性体控制最内层壁面形变，最终实现主动隔微振的效果。
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