CN113042126A - 用于平台微小倾斜度调节的带油浴槽支撑脚装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于平台微小倾斜度调节的带油浴槽支撑脚装置,包括支撑单元(1)、加热线圈单元和油浴槽单元。支撑单元(1)位于支撑脚装置的中心,加热线圈单元位于支撑单元(1)的外侧,油浴槽单元位于加热线圈单元的外侧。加热线圈(10)均匀缠绕在加热线圈骨架(9)上。在支撑脚装置工作时,向油浴槽内灌入足量二甲基硅油,通过直流电源控制加热线圈的加热功率改变油浴的温度,进而改变支撑单元(1)的长度,实现对平台倾斜度的精细调节。本发明结构简单,操作方便,可实现μrad级平台倾斜度调节,满足高精度超导类型重力观测仪器精细调节倾斜度的需求,也可用于其他对倾斜度敏感的高精密测量仪器。

Description

用于平台微小倾斜度调节的带油浴槽支撑脚装置
技术领域
本发明涉及一种用于平台微小倾斜度调节的支撑脚装置。
背景技术
基于低温超导磁悬浮技术的高精度重力测量仪器,以超导小球作为重力加速度的敏感单元,通过两个超导线圈将超导小球悬浮起来,当重力加速度发生变化时,超导小球垂直方向上的悬浮位移会发生改变,通过检测该位移变化可以反映重力加速度的变化情况,实现对地球重力信号的高精度测量,测量灵敏度可达1n Gal,约为地球重力常数g的10-12,这样的优点使得其在高精度地球重力场测量领域具有特殊优势和广阔的应用前景。
但是只有在仪器完全垂直并且垂直状态保持不变的情况下,超导小球在垂直方向上的位移变化才能完全反映出重力加速度信号的变化,一旦仪器发生倾斜,超导小球垂直方向上的位移变化只能反映重力加速信号的分量。更为严重的是,当倾斜状态随着外界环境不断变化时,超导小球测得的重力加速度的分量值也不断变化,这会给超导重力测量仪器的输出信号带来严重的漂移,严重影响仪器的性能。而超导类型重力测量仪器相对其他类型重力测量仪器的核心优势之一正在于其极小漂移,因此必须要对仪器的倾斜状态进行高精度调节和控制。
当装置发生倾斜时,若倾斜角为θ,则超导小球测得的重力加速度值与真实重力加速度值之间的偏差为:
Δg=g(1-cosθ)≈1/2gθ2
根据上述公式可以计算得到,要想让倾斜变化对重力观测精度的影响降低到1nGal以下,装置的倾斜变化需要在倾斜零位附近,且倾斜变化要小于1.4μrad。要实现如此小的倾斜控制精度,前提之一是对装置倾斜状态的调节精度要达到1.4μrad。为了方便倾斜调节,通常将重力观测设备放置在三支撑脚平台上,三个支撑脚形成一个等边三角形。考虑常规超导类型重力观测设备的直径约为500mm,则相邻两个支撑脚形成等边三角形的边长约为430mm,在此情况下,要实现1.4μrad倾斜调节精度,支撑脚的有效高度变化要达到0.52μm。国内文献【苏华骏,胡新宁,崔春艳等,超导重力装置的调平及实验分析[J],大地测量与地球动力学,2019,39(04):111-114】采用电动缸作为支撑脚支撑高度的调节手段,其定位精度只能达到5μm,在控制系统满足要求的情况下,其对应的倾斜产生的重力信号噪声达到100nGal。此外,为了敏感到极微弱的重力信号的变化,超导类型重力观测设备的悬浮梯度一般都很小,接近0.01N/m,而且系统运行时阻尼很小,电动缸在调节时的冲击较大,也会影响超导小球的稳定悬浮。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足,本发明提出一种用于平台微小倾斜度调节的带油浴槽支撑脚装置。本发明可对平台实现μrad级的精确倾斜调节,从而满足重力观测等倾斜敏感仪器对高精度倾斜调节的需求。
本发明用于平台微小倾斜度调节的带油浴槽支撑脚装置包括支撑单元、加热线圈单元和油浴槽单元。支撑单元位于支撑脚装置整体结构的中心,加热线圈单元位于支撑单元的外侧,油浴槽单元位于加热线圈单元的外侧。
三个支撑脚装置位于平台下侧,呈等边三角形分布,分别通过支撑单元和平台连接固定。
所述支撑单元分为螺杆部分和台体部分,螺杆部分位于台体部分的上侧。台体上部为圆锥面,台体中部为圆柱面,台体下部为正六边形结构。通过扳手对台体下部加力可以旋转支撑单元,从而改变支撑单元相对于平台的有效支撑高度。台体上部的圆锥面上有一个斜向圆孔,温度计固定在所述斜向圆孔内。支撑单元由304不锈钢材料一体加工而成。
所述加热线圈单元包括加热线圈和加热线圈骨架,加热线圈均匀缠绕在加热线圈骨架上。加热线圈骨架上部有6根圆杆,下部为圆环状底盘。6根圆杆均匀分布,焊接在加热线圈骨架底盘上。每根圆杆的上部和下部各开有一个圆孔,加热线圈的加热丝线穿过上、下两端的圆孔,固定加热线圈的上下两端,防止加热线圈松散变形。加热线圈材料为锰铜电阻丝,加热线圈骨架由304不锈钢材料加工而成。
所述油浴槽单元包括油浴槽底盘、油浴槽侧壁和油浴槽上盖。油浴槽底盘位于油浴槽侧壁的下侧,两个油浴槽上盖位于油浴槽侧壁的上侧,两个油浴槽上盖固定片分别位于油浴槽上盖侧壁外侧,且油浴槽上盖固定片的平面与油浴槽上盖的直线切口对齐,油浴槽上盖固定片焊接在油浴槽上盖上。油浴槽底盘为圆环形中空结构,其内侧通过焊接与支撑单元台体下部连接。油浴槽侧壁为圆筒状,其内侧通过焊接与油浴槽底盘外侧连接。两个半圆形油浴槽上盖之间通过油浴槽上盖固定片和螺钉连接固定。油浴槽上盖直线切口上有三个半圆形孔,两侧的半圆形孔分别用于引出加热线圈引出线和温度计引出线,中间的半圆形孔用于支撑单元的螺杆部分穿出。
本发明支撑脚装置的工作过程是:温度计固定在支撑单元台体上部圆锥面上的斜向圆孔内,加热线圈单元放置在油浴槽单元和支撑单元之间,油浴槽单元内灌有足量二甲基硅油,二甲基硅油没过加热线圈上端。两个油浴槽上盖放置在油浴槽侧壁顶部,两个半圆形油浴槽上盖之间通过油浴槽上盖固定片和螺钉固定连接,加热线圈引出线和温度计引出线由油浴槽上盖直线切口上的半圆形孔引出。调整常规直流电源的输出电流改变加热线圈单元的加热功率,可以改变油浴槽内二甲基硅油的温度,进而改变支撑单元的温度。由于304不锈钢材料的热胀冷缩特性,支撑单元油浴浸没部分的长度随着温度的改变而改变,从而对平台的倾斜度实现精确微小调节。
三个支撑脚装置位于平台下侧,呈等边三角形分布,分别通过支撑单元的螺杆部分和平台连接固定。改变支撑单元长度对平台倾斜度进行调节的数学关系分析为:A、B、C三点,分别代表三个支撑脚装置,三个支撑脚装置呈等边三角形布置,共同支撑起一个平台。OA连线为BC连线的中垂线,以OA连线为平台平面的X轴,以BC连线为平台平面的Y轴,则平台平面倾斜度的变化可以由OA连线和BC连线倾斜度的变化确定。以A点支撑脚装置的长度变化带来的平台倾斜度变化为例进行说明。当A点支撑脚装置的支撑顶点由A点变化为A'点时,A点支撑脚装置的长度变化量为AA',引起平台平面Y轴倾斜度的变化量为0。在进行微小倾斜度调节时,由于AA'远小于OA,AA'引起平台平面X轴倾斜度的变化量可以表示为:
Δθ=AA'/OA
在0~100℃范围内,常规304不锈钢材料的线膨胀系数约为17.2×10-6/K,若支撑单元1的油浴浸没长度为10cm,则油浴温度变化1℃,引起支撑单元1长度的变化为1.72μm。若控制A点支撑脚装置的油浴温度变化0.3℃,则引起A点支撑脚长度的变化量AA'为0.516μm,对于相邻支撑脚间距为430mm的等边三角形支撑平台,AA'引起平台平面X轴倾斜度的变化量Δθ约为1.4μrad。将油浴温度变化控制在0.3℃以内可实现优于1.4μrad的倾斜调节精度,将该平台用于超导类型重力观测设备时,可令倾斜变化对重力观测精度的影响降低到1nGal以下。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明通过油浴加热方式改变支撑脚的有效支撑高度,可实现μrad级高精度平台倾斜度调节,从而抑制环境温度和机械蠕变等引起的倾斜度变化对超导类型重力观测仪器造成的噪声和漂移问题。本发明相对其他倾斜调节方式而言,结构简单,操作方便,成本较低,倾斜调节精度高。本发明也可用于其他对倾斜度敏感的高精密测量仪器。
附图说明
图1为本发明用于平台微小倾斜度调节的带油浴槽支撑脚装置的结构剖面图;
图2为本发明用于平台微小倾斜度调节的带油浴槽支撑脚装置的结构俯视图;
图3为本发明用于平台微小倾斜度调节的带油浴槽支撑脚装置的结构示意图;
图4为本发明的加热线圈单元的结构示意图;
图5为本发明的支撑单元的结构示意图;
图6a为本发明用于支撑平台时三个支撑脚装置的分布示意图,图6b为其中一个支撑脚装置长度变化引起平台倾斜度变化的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1、图2和图3所示,本发明用于平台微小倾斜度调节的带油浴槽支撑脚装置,主要包括支撑单元1、加热线圈单元和油浴槽单元。支撑单元1位于支撑脚装置整体结构的中心,加热线圈单元位于支撑单元1的外侧,油浴槽单元位于加热线圈单元的外侧。
如图1、图5所示,所述支撑单元1分为螺杆部分和台体部分,螺杆部分位于台体部分的上侧。台体上部为圆锥面,台体中部为圆柱面,台体下部为正六边形结构,通过扳手对台体下部加力可以旋转支撑单元1,从而改变支撑单元1相对于平台的有效支撑高度。台体上部的圆锥面上有一个斜向圆孔,温度计8固定在所述斜向圆孔内。支撑单元1由304不锈钢材料一体加工而成。
如图1、图4所示,所述加热线圈单元包括加热线圈10和加热线圈骨架9,加热线圈10均匀缠绕在加热线圈骨架9上。加热线圈骨架9上部有6根圆杆,下部为圆环状底盘。6根圆杆均匀分布,焊接在加热线圈骨架9的底盘上。每根圆杆的上部和下部各开有一个圆孔,加热线圈的加热丝线穿过两个所述圆孔,从而对加热线圈10的上下两端固定,防止加热线圈10松散变形。加热线圈10材料为锰铜电阻丝,加热线圈骨架9由304不锈钢材料加工而成。
如图1、图2、图3所示,所述油浴槽单元包括油浴槽底盘2、油浴槽侧壁3、油浴槽上盖5和和油浴槽上盖固定片4。油浴槽底盘2位于油浴槽侧壁3的下侧,两个油浴槽上盖5位于油浴槽侧壁3的上侧,两个油浴槽上盖固定片4分别位于油浴槽上盖5侧壁外侧,且其平面与油浴槽上盖5的直线切口对齐,油浴槽上盖固定片4焊接在油浴槽上盖5上。油浴槽底盘2为圆环形中空结构,油浴槽底盘2的内侧通过焊接与支撑单元1台体下部连接。油浴槽侧壁3为圆筒状,油浴槽侧壁3内侧通过焊接与油浴槽底盘2外侧连接。两个半圆形油浴槽上盖5之间通过油浴槽上盖固定片4和螺钉连接固定。油浴槽上盖5直线切口上有三个半圆形孔,两侧的半圆形孔分别用于引出加热线圈引出线6和温度计引出线7,中间的半圆形孔用于支撑单元1的螺杆部分穿出。
如图1、图2、图3所示,所述支撑脚装置的工作过程是:温度计8固定在支撑单元1台体的斜向圆孔内,加热线圈单元放置在油浴槽单元和支撑单元1之间,油浴槽单元内有足量二甲基硅油,二甲基硅油没过加热线圈10上端。两个油浴槽上盖5放置在油浴槽侧壁3顶部,通过油浴槽上盖固定片4和螺钉将两个油浴槽上盖5固定连接,并将加热线圈引出线6和温度计引出线7引出。通过改变常规直流电源的输出电流改变加热线圈单元的加热功率,可以改变油浴槽内二甲基硅油的温度,进而改变支撑单元1的温度。由于304不锈钢材料的热胀冷缩特性,支撑单元1油浴浸没部分的长度随着温度的改变而改变,从而对平台的倾斜度实现精确微小调节。
如图6a所示,三个支撑脚装置位于平台下侧,呈等边三角形分布,分别通过支撑单元的螺杆部分和平台固定连接。改变支撑单元长度对平台倾斜度进行调节的数学关系分析为:A、B、C三点,分别代表三个支撑脚装置,三个支撑脚装置呈等边三角形布置,共同支撑起一个平台。OA连线为BC连线的中垂线,以OA连线为平台平面的X轴,以BC连线为平台平面的Y轴,则平台平面倾斜度的变化可以由OA连线和BC连线倾斜度的变化确定。以A点支撑脚装置的长度变化带来的平台倾斜度变化为例进行说明。如图6b所示,当A点支撑脚装置的支撑顶点由A点变化为A'点时,A点支撑脚装置的长度变化量为AA',引起平台平面Y轴倾斜度的变化量为0。在进行微小倾斜度调节时,由于AA'远小于OA,AA'引起平台平面X轴倾斜度的变化量可以表示为:
Δθ=AA'/OA
在0~100℃范围内,常规304不锈钢材料的线膨胀系数约为17.2×10-6/K,若支撑单元1的油浴浸没长度为10cm,则油浴温度变化1℃,引起支撑单元1长度的变化为1.72μm。若控制A点支撑脚装置的油浴温度变化0.3℃,则引起A点支撑脚长度的变化量AA'为0.516μm,对于相邻支撑脚间距为430mm的等边三角形支撑平台,AA'引起平台平面X轴倾斜度的变化量Δθ约为1.4μrad。将油浴温度变化控制在0.3℃以内可实现1.4μrad的倾斜调节精度,将该平台用于超导类型重力观测设备时,可令倾斜变化对重力观测精度的影响降低到1nGal以下。

Claims (6)

1.一种用于平台微小倾斜度调节的带油浴槽支撑脚装置,其特征在于:所述的支撑脚装置包括支撑单元(1)、加热线圈单元和油浴槽单元;支撑单元(1)位于支撑脚装置的中心,加热线圈单元位于支撑单元(1)的外侧,油浴槽单元位于加热线圈单元的外侧。
2.如权利要求1所述的支撑脚装置,其特征在于:所述的支撑单元(1)分为螺杆部分和台体部分,螺杆部分位于台体部分的上侧;台体上部为圆锥面,台体中部为圆柱面,台体下部为正六边形结构,通过扳手对台体下部加力能够旋转支撑单元(1),从而改变支撑单元(1)相对于平台的有效支撑高度;台体上部的圆锥面上有一个斜向圆孔,温度计(8)固定在所述斜向圆孔内;支撑单元(1)由304不锈钢材料一体加工而成。
3.如权利要求1所述的支撑脚装置,其特征在于:所述的加热线圈单元包括加热线圈(10)和加热线圈骨架(9),加热线圈(10)均匀缠绕在加热线圈骨架(9)上;加热线圈骨架(9)上部有6根圆杆,下部为圆环状底盘;6根圆杆均匀分布,焊接在所述圆环状底盘上;每根圆杆的上部和下部各开有一个圆孔,加热线圈的加热丝线穿过上、下两端的圆孔,固定加热线圈的上下两端,防止加热线圈松散变形;加热线圈(10)材料为锰铜电阻丝,加热线圈骨架(9)由304不锈钢材料加工而成。
4.如权利要求1所述的支撑脚装置,其特征在于:所述的油浴槽单元包括油浴槽底盘(2)、油浴槽侧壁(3)、油浴槽上盖(5)和油浴槽上盖固定片(4);油浴槽底盘(2)位于油浴槽侧壁(3)的下侧,两个油浴槽上盖(5)位于油浴槽侧壁(3)的上侧,两个油浴槽上盖固定片(4)分别位于油浴槽上盖(5)侧壁外侧,油浴槽上盖固定片(4)的平面与油浴槽上盖(5)的直线切口对齐,油浴槽上盖固定片(4)焊接在油浴槽上盖(5)上;油浴槽底盘(2)为圆环形中空结构,其内侧与支撑单元(1)台体下部焊接连接;油浴槽侧壁(3)为圆筒状,其内侧与油浴槽底盘(2)的外侧焊接连接;两个半圆形油浴槽上盖(5)之间通过油浴槽上盖固定片(4)和螺钉连接固定。
5.如权利要求4所述的支撑脚装置,其特征在于:所述的油浴槽上盖(5)直线切口上有三个半圆形孔,两侧的半圆形孔分别用于引出加热线圈引出线(6)和温度计引出线(7),中间的半圆形孔用于支撑单元(1)的螺杆部分穿出。
6.如权利要求1-5的任一项所述的支撑脚装置,其特征在于,所述的油浴槽内灌有二甲基硅油,二甲基硅油没过加热线圈(10)上端;通过常规直流电源改变加热线圈单元的加热功率,改变油浴槽内二甲基硅油的温度,由于304不锈钢材料的热胀冷缩特性,支撑单元(1)油浴浸没部分的长度随着温度的改变而改变,实现对平台倾斜度的精确微小调节。
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