CN112982501B - 近零磁空间中的基于形变测量的介电弹性体主动隔微振装置 - Google Patents

近零磁空间中的基于形变测量的介电弹性体主动隔微振装置 Download PDF

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Abstract

一种近零磁空间中的基于形变测量的介电弹性体主动隔微振装置；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。本发明考虑了外界环境引起的屏蔽墙面产生的振动，并对这种微型振动进行主动隔绝。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振动墙面上，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噪声、气体流动、人走路等因素作用到屏蔽墙面带来的振动引发的微弱磁噪声，本发明所提出的主动隔振方法可以在以往隔振方法的基础上取得更好的隔振效果。

Description

近零磁空间中的基于形变测量的介电弹性体主动隔微振装置
技术领域
本发明属于隔微振技术领域，主要涉及一种近零磁空间中的基于形变测量的介电弹性体主动隔微振装置。
背景技术
磁场会在使用过程中为超精密传感器引入噪声，因此超精密传感器需要在零磁环境中进行标定；零磁室能够为超精密传感器的标定提供一个近零磁的环境，零磁室一般由多层高导磁坡莫合金作为墙体，内部为一个近似房屋的封闭空间；零磁室主要由高导磁材料坡莫合金和退磁线圈实现对外界磁场的屏蔽；然而，坡莫合金材料造价高昂，故此坡莫合金薄板相较于零磁室内部的空间来说较薄，坡莫合金薄板构成的屏蔽墙很容易因为外部扰动振动等造成轻微的形变；这些轻微形变会在一定程度上影响磁屏蔽室的屏蔽效果，引入磁噪声为超精密传感器的标定带来影响；坡莫合金薄板构成屏蔽墙的形变会引起大小趋近于1.5pT/mm的磁场波动，这种磁噪声的影响对超精密传感器的标定而言影响巨大，无法忽略不计；因此，需要对磁屏蔽室进行隔振以减小振动对磁屏蔽室内部磁场的扰动；
能够造成坡莫合金薄板构成屏蔽墙墙面振动的干扰源主要包括：城市中环境噪声引起的振动，屏蔽室地基低频振动，工作人员行走踏步等引起的随机振动等；为了屏蔽这些振动对屏蔽墙引起的振动干扰，需要对屏蔽室进行隔振处理：通过一种大型隔振装置将磁屏蔽室与大地隔离，以减小大地的低频振动对磁屏蔽效果的影响；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。
日本相关研究人员K.Yamazaki，T.Abe，Y.Terazono等在研究磁屏蔽室外人作用于木地板发出的脚步声引起的磁噪声时指出，磁噪声与人走在木地板上发出的声音的声压带来的振动以及木地板自身产生的机械振动有关；他们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，将上述脚步声引起的磁噪声来源分为两类：一类是由磁屏蔽室的混泥土地基传递的机械振动(频率为10～25Hz)；另一类是直接由声压带来的微振动(频率为25～50Hz)。
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
本发明针对在超精密传感器标定过程中，零磁室屏蔽墙微振动引起磁噪声的屏蔽，设计了一种基于介电弹性体的主动隔微振装置，以减小超精密传感器标定过程中外界环境带来的磁噪声干扰，该装置具体实现过程如下所述：
由于超精密传感器的标定需要一个近零磁空间，故而一般在零磁室内进行超精密传感器的标定，常见的零磁室由多层坡莫合金材料外墙构成；环境中轻微振动都会引起屏蔽墙的形变；屏蔽墙的轻微形变会在很大程度上影响磁屏蔽室的磁屏蔽效果，有外界振动引入磁噪声为超精密传感器的标定带来影响；屏蔽墙的形变会引起大小趋近于1.5pT/mm的磁场波动，这种磁噪声的影响对超精密传感器的标定而言影响巨大，无法忽略不计；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：
把零磁室的最内层分成面积相同的十二个区间，每一个区间相对合理的安装五片应变片，用应变片作为传感器来测量内层屏蔽墙墙体的形变量大小，将应变片粘贴在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，这样的屏蔽方式不打扰零磁室内部的屏蔽效果；同时为了提高灵敏度降低非线性，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。与此同时，将处理后的信号传递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微形变，达到减小振动以抑制磁噪声的目的；介电弹性体致动器是利用介电弹性体所具有的施加电压发生变形(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：
一直以来零磁室的隔振方式都是在地基上建大型隔振装置来进行振动隔绝的；本发明不同于以往的地方在于，本发明考虑了外界环境引起的屏蔽墙面产生的振动，并对这种微型振动进行主动隔绝。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振动墙面上，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噪声、气体流动、人走路等因素作用到屏蔽墙面带来的振动引发的微弱磁噪声，本发明所提出的主动隔振方法可以在以往隔振方法的基础上取得更好的隔振效果。
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3是最内侧磁屏蔽墙外部区域划分图。
图中件号：1—底层大型隔震装置，2—磁屏蔽室壁面，2a—内层墙面区域，3—介电弹性体致动器，4—磁传感器SERF原子磁力仪。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
一种近零磁空间中的基于形变测量的介电弹性体主动隔微振装置；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内层墙面区域2a，从而抑制其振动；
所述形变测量系统是指由应变片和磁传感器SERF原子磁力仪4共同组成的形变测量系统；当内层墙面区域2a发生变形时，应变片即可测得内壁的形变量；此外还可以通过MSR内的磁传感器SERF原子磁力仪4来测量内层墙面区域的形变：当内层墙面区域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内层墙面区域的形变量。
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内层墙面区域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，进而控制内层墙面区域形变，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；底层大型隔振装置1；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 (2)

1.一种近零磁空间中的基于形变测量的介电弹性体主动隔微振装置，主要包括以下几部分，其特征在于：
形变测量系统，主要由应变片和弱磁信号探测装置——SERF原子磁力仪共同组成；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；
磁屏蔽室提供一个近零磁环境，外部有多层屏蔽墙面，将磁屏蔽室的最内层屏蔽墙划分成横向三个等长段纵向四个等长段，共十二个等面积区域，在每个区域排布五片应变片；
形变量测试系统以测量电路对墙面的形变量进行采集，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，最终达到减弱磁噪声的目的；
微位移驱动控制与执行系统，当形变量通过测量电路后以电信号的形式被控制器接收，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，进而控制最内层壁面形变，最终实现主动隔微振的效果。
2.根据权利要求1所述的近零磁空间中的基于形变测量的介电弹性体主动隔微振装置，其特征在于，形变测量系统主要由应变片与超导量子干涉仪组合而成，应变片测得的应变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。
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