CN113008155A - 光纤光栅与压电陶瓷结合的磁噪声抑制主动隔振装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了光纤光栅与压电陶瓷结合的磁噪声抑制主动隔振装置，主要包括以下几部分，包括：大型隔振装置由柱墩、气浮隔振器、混泥土质量块共同构成；零磁室，构成一个近零磁环境；形变测量系统，主要由应变片和弱磁信号探测装置——超导量子干涉仪共同组成；微位移驱动控制与执行系统，主要由控制器和压电陶瓷驱动器，压电陶瓷致动器组成。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压电陶瓷主动隔微振装置直接作用于振动物体，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。

Description

光纤光栅与压电陶瓷结合的磁噪声抑制主动隔振装置
技术领域
本发明属于隔微振技术领域，主要涉及一种光纤光栅与压电陶瓷结合的磁噪声抑制主动隔振装置。
背景技术
磁场作为物质存在的重要方式之一，是信息和能量传递的一种重要方式；生物磁是指生物所表现出的磁现象；可以通过研究生物磁进而研究生命的信息，同时也可以进一步研究外界电磁场对生命的影响、调理和干预；组成生命体的原子、分子、细胞、组织、器官等物质都会表现出强度不同的电磁能量信息，但是都非常微弱；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)；因此生物磁信号需要在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；磁屏蔽室内部是一个房间大小的空间，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；坡莫合金材料相较于磁屏蔽室内部空间而言非常薄，外界环境极易引起磁屏蔽室墙面材料变形或者产生微弱的振动；这些变形和振动等干扰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；对于生物磁的测量而言，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。
对于磁屏蔽室而言，环境振动干扰源主要有：城市环境噪音的声波带来的振动、大地的低频振动、周围环境变化引起的振动等；为了避免由于机械振动引起的大振幅干扰，需要对磁屏蔽室做一些隔振处理：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
本发明针对在脑磁、心磁等生物磁测量过程中由于微振动引起的近零磁环境中磁噪声，设计了一种基于压电陶瓷的主动隔微振装置，以减小生物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：
由于生物磁都特别微弱，其大小在皮特级(1pT＝10-12T)，远低于地磁场强度(50μT)；因此生物磁信号必须在弱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；常见的磁屏蔽室是立方体形状的，其墙面由高导磁材料坡莫合金拼接而成；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，利用压电陶瓷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：
将磁屏蔽室的最内层的屏蔽墙划分为面积相等的九块区域，在每块区域上合理分布光纤光栅，用以测量坡莫合金墙面是否产生形变以及形变量的大小；光纤光栅需要粘贴在最内层屏蔽室墙面的外侧，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压电陶瓷致动器，驱动压电陶瓷致动器动作，抑制磁屏蔽室墙面的振动，达到减小磁噪声的目的；压电陶瓷致动器是利用压电陶瓷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：
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压电陶瓷主动隔微振装置直接作用于振动物体，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零磁室示意图。
图2是零磁室壁面形变测量及压电陶瓷致动器主动隔振原理示意图。
图中件号：1—柱墩，2—隔振装置，3—质量块，4—磁屏蔽室壁面，4a—磁屏蔽室最内层墙面某一区域，5—压电陶瓷致动器，6—磁传感器SQUID。
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
一种近零磁空间中的基于形变测量的压电陶瓷主动隔微振装置；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压电陶瓷致动器5，即压电陶瓷驱动器对压电陶瓷致动器5施加一个交变电场之后，压电陶瓷致动器5会产生一个形变，将压电陶瓷致动器5的一端固定在磁屏蔽室4的骨架上，当对其施加交变电场时，压电陶瓷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4a，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 6共同组成的形变测量系统；当屏蔽室墙面4a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 6来测量MSR壁面的形变：当屏蔽室墙面4a发生形变时，由磁传感器6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压电陶瓷驱动器；控制器接收来自形变测量系统所测得的MSR壁面4a的形变量信号，经信号处理后，对压电陶瓷驱动器输出一个控制信号，通过对压电陶瓷驱动器7输出电压的控制，进而将电压信号作用于压电陶瓷致动器5，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压电陶瓷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；大型隔振装置主要包括柱墩1、气浮隔振器2、混泥土质量块3；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，在此基础上的压电陶瓷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 (5)

1.一种光纤光栅与压电陶瓷结合的磁噪声抑制主动隔振装置，主要包括以下几部分，其特征在于：
大型隔振装置，由柱墩、气浮隔振器、混泥土质量块共同构成；
零磁室，构成一个近零磁环境；
形变测量系统，主要由应变片和弱磁信号探测装置——超导量子干涉仪共同组成；
微位移驱动控制与执行系统，主要由控制器和压电陶瓷驱动器，压电陶瓷致动器组成。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅与压电陶瓷结合的磁噪声抑制主动隔振装置，其特征在于，磁屏蔽室，构成近零磁空间，外部有多层屏蔽墙面，将磁屏蔽室的最内层屏蔽墙划分成九个等面积区域，在每个区域排布五片应变片。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅与压电陶瓷结合的磁噪声抑制主动隔振装置，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。
4.根据权利要求3所述的光纤光栅与压电陶瓷结合的磁噪声抑制主动隔振装置，其特征在于，形变量测试系统中以应变片对墙面的形变量进行采集，转换放大后送入控制器，驱动压电陶瓷致动器动作，抑制墙面的振动，最终达到减弱磁噪声的目的。
5.根据权利要求1所述的光纤光栅与压电陶瓷结合的磁噪声抑制主动隔振装置，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以电信号的形式输入到控制器中，经过信号的加工处理后，对压电陶瓷驱动器输出一个控制信号，通过对压电陶瓷驱动器输出电压的控制，进而将电压信号作用于压电陶瓷致动器，进而控制最内层壁面形变，最终实现主动隔微振的效果。
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