CN115685362A

CN115685362A - 一种一级主动式超低频垂直隔振系统

Info

Publication number: CN115685362A
Application number: CN202211452707.7A
Authority: CN
Inventors: 要佳敏; 庄伟�; 田秦; 吴书清
Original assignee: National Institute of Metrology
Current assignee: National Institute of Metrology
Priority date: 2022-11-21
Filing date: 2022-11-21
Publication date: 2023-02-03

Abstract

本发明公开了一种一级主动式超低频垂直隔振系统，包括被动式隔振平台、负载、振动传感器、驱动器、控制电路，被动式隔振平台内设有水平限位机构，水平限位机构为任意能够限制物体的三个旋转自由度和在水平面内平移的两个自由度的机构，保证其仅具有垂直方向平移的单自由度。本发明系统具有复杂度较低、长期稳定性好的特点，通过机械设计实现水平限位的方案更为简单，且有助于提升主动隔振系统的稳定性。与现有技术相比，本发明无需更多成本，效率无明显降低。

Description

一种一级主动式超低频垂直隔振系统

技术领域

本发明属于绝对重力测量技术领域，具体涉及一种一级主动式超低频垂直隔振系统。

背景技术

绝对重力测量，即对重力加速度绝对值的精确测量，在计量学、地球物理、资源勘探、辅助导航、军事、海洋监测等领域有着重要意义和广泛应用，同时也为相对重力测量提供参考基准。测量绝对重力值的仪器称为绝对重力仪。经过两百多年的发展，目前绝对重力仪普遍通过测量真空中的自由落体轨迹来间接求解重力加速度，其测量精度最高可达微伽(μGal，1μGal＝1×10^-8m·s^-2)量级。对下落轨迹的测量普遍采用激光干涉或原子干涉的测量方法，二者都需要使用稳定的参考镜。实际情况中，地面振动噪声会对参考镜产生极大的影响，严重制约绝对重力仪的测量精度。目前常用的解决地面振动噪声的方法包括隔振系统和振动补偿方法这两大类，二者在各种光学重力仪和原子重力仪中均有所应用。隔振系统从物理上构建一个针对振动的低通滤波器，减少地面高频振动对参考镜的影响。

超低频垂直隔振系统可以从原理上分为被动式(无源)和主动式(有源)，其中主动式又可以分为一级主动式和二级主动式。一级主动式垂直隔振系统可以简化为利用反馈控制实现长周期的一级弹簧-振子结构。系统使用加速度计测量被隔振物体的绝对加速度，反馈控制电路根据加速度信号控制直线电机驱动被隔振物体，使其加速度保持不变，从而消除地面振动噪声的影响。斯坦福大学研制的原子干涉式绝对重力仪采用的Hensley等人研制的垂直隔振系统。系统中的振子内部安装加速度计，由垂直弹簧支撑，在空气轴承的限制下做严格的直线运动，其振动受到直线电机施加的反馈力的抑制，周期达到30s。除加速度计外，地震计也可以作为测量被隔振物体运动的传感器。汤彪等人基于Minus KTechnology公司的被动隔振平台研制出的一级主动式垂直隔振系统即采用这种构造，周期达到66s。周敏康等人基于类似结构实现了三轴主动隔振系统，垂直方向上的周期可达100s。

虽然理想情况下绝对值重力仪中参考镜的水平振动与垂直振动互不相关，但实际情况中任何机械结构都无法彻底消除水平振动与垂直振动之间的交叉耦合。现有的一级隔振技术中，构建水平方向上的主动反馈环节来抑制水平方向振动的方案增加了系统的复杂性，增益选择不当会引起系统的不稳定。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明的目的在于提供一种一级主动式超低频垂直隔振系统。本发明解决了现有一级主动式垂直隔振系统的水平限位结构方案较为复杂，且抑制参考镜水平振动时可能造成隔振系统稳定性下降的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种一级主动式超低频垂直隔振系统，包括被动式隔振平台、负载、振动传感器、驱动器、控制电路，被动式隔振平台内设有水平限位机构，水平限位机构为任意能够限制物体的三个旋转自由度和在水平面内平移的两个自由度的机构。

进一步地，被动式隔振平台包括基座、顶部平台，顶部平台水平设置在基座内，基座与顶部平台之间设有弹簧。

进一步地，负载包括参考镜、镜架、配重。

进一步地，水平限位机构为限位杆，限位杆设有若干根，其中一部分呈旋转对称分布在上层水平面内，另一部分呈旋转对称分布在下层水平面内；每根限位杆的两端分别与顶部平板和基座连接。

进一步地，限位杆为钢丝或采用形状记忆合金制成的杆。

进一步地，限位机构为直线轴承组件，直线轴承组件包括光轴、轴承、连接件，光轴与基座连接，连接件的下端与顶部平台连接，连接件的上端通过轴承与光轴连接。

进一步地，振动传感器为地震计或加速度型传感器。

进一步地，驱动器为音圈电机或其他直流电机。

进一步地，控制电路为模拟电路或数字电路。

进一步地，控制电路包括放大模块、调偏模块、滤波模块、PID模块、驱动模块五大部分，以及电源整流模块、基准模块、电机开关辅助环节。

本发明的有益效果为：

本发明一级主动式超低频垂直隔振系统具有复杂度较低、长期稳定性好的特点，通过机械设计实现水平限位的方案更为简单，且有助于提升主动隔振系统的稳定性。与现有技术相比，本发明无需更多成本，效率无明显降低。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的被动式隔振平台的结构示意图；其中，(a)垂直隔振，(b)水平隔振；

图2为本发明实施例1提供的隔振系统结构示意图；其中，(a)整体机械结构，(b)上层水平限位机构，(c)下层水平限位机构；

图3为本发明实施例1中采用的模拟控制电路示意图；

图4为本发明实施例1提供的隔振系统示意图；其中，(a)物理模型，(b)方框图；

图5为本发明实施例2提供的隔振系统结构示意图；

图6为本发明实施例3提供的隔振系统结构示意图；

图7为本发明实施例4提供的隔振系统结构示意图；

图8为本发明实施例5提供的隔振系统结构示意图；

图9为本发明实施例6提供的隔振系统结构示意图。

其中：1、基座；2、顶部平台；3、弹簧；4、振动传感器；5、驱动器；6、参考镜；7、配重；8、限位杆；9、轴承组件；10、光轴；11、轴承；12、连接件；13、镜架；14、外壳；15、调平平台。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1

本实施例申请以Minus K公司生产的25-BM10型商用被动式隔振平台为弹性结构构建一级主动式超低频垂直隔振系统。该隔振平台同时具有垂直隔振和水平隔振的功能，如图1(a)所示，垂直隔振结构主要由负载(包括用户负载和顶部平台)、螺旋弹簧和一对通过铰链连接的对称布置的水平杆组成，此水平杆组的名称为“负刚度机构”(NegativeStiffness Mechanism，简称NSM)。螺旋弹簧的正刚度为k_s，自由状态下NSM在垂直方向上刚度为0，但受到对称的水平压力F_h时，NSM在垂直方向上具有等效的负刚度k_n。当系统承受垂直向下、大小为mg的负载力时(m为负载质量)，该结构在垂直方向上的总刚度为k＝k_s-k_n。因此，负载处于静态平衡位置附近时该结构可以等效为简单的由一个刚度为k的螺旋弹簧和质量为m的质点组成的弹簧-质量结构。当负载质量在一定范围内时，可以通过调节施加在NSM上的水平压力F_h来改变负刚度k_n，进而改变整个结构的刚度k。因此该垂直隔振结构具有可调的动态刚度，其等效的弹簧-质量结构具有1Hz左右的可变谐振频率。

如图1(b)所示，水平隔振结构主要由其负载(即上述垂直隔振结构)和若干对称布置的细长杆件组成，每根杆的一段固支在基座上，另一端固支在负载上。通过设计杆件的几何及结构参数，可以使其上的负载质量与其屈曲载荷接近。此时该杆组及其负载在水平方向上等效于具有较小正刚度弹簧-质量结构，具有1Hz左右的谐振频率。

参照图2，本实施例提供一种一级主动式超低频垂直隔振系统，包括被动式隔振平台、负载和控制电路，被动式隔振平台包括基座1、顶部平台2，顶部平台2水平设置在基座1内，基座1与顶部平台2之间设有竖向弹簧3；负载包括设置在顶部平台2上的振动传感器4、驱动器5、参考镜6、配重7，振动传感器4设置在顶部平台2的正中且位于弹簧3的正上方，驱动器5为两个，对称分布在振动传感器4的两侧，参考镜6、配重7分别设置在振动传感器4与驱动器5之间。在本实施例中，振动传感器4为地震计，驱动器5为两个音圈电机，称分布在振动传感器4的两侧。

基座1内还设有水平限位机构，水平限位机构为由既能承受拉应力又能承受压应力的限位杆8，限位杆8为钢丝或采用形状记忆合金制成的杆。限位杆8设有5根，其中3根限位杆8呈旋转对称分布在上层水平面内，另2根呈旋转对称分布在下层水平面内；每根限位杆8的两端分别与顶部平板2和基座1连接。这5根限位杆可以限制顶部平板及其上所有组件的其他5个自由度，保证其仅具有垂直方向平移的单自由度。

控制电路包括放大模块、调偏模块、滤波模块、PID模块、驱动模块五大部分，以及电源整流模块、基准模块、电机开关辅助环节。控制电路的部分模块如放大模块、调偏模块、滤波模块、PID模块等可以转换为数字电路，采集地震计信号U_s，经数字电路处理得到输出电流I，输出至驱动模块。

参照图3，地震计的输出信号U_s经过偏值调节模块，成为无直流分量的误差信号U_i，被反相放大电路放大后，再经过用于去除地震计自身高频电路噪声的低通滤波电路后，进入PID控制模块，最终得到的控制信号U_c。最后，控制信号U_c经压控电流源模块后转换成驱动器的电流，执行反馈力。

水平限位机构安装完成后，可以使用分辨率为20角秒/2mm格的精密水准仪考察其限位效果。结果表明，当顶部平台的垂直振幅为1cm时，其水平偏转角度不超过1/4格，即5角秒，而无水平限位机构时，其水平偏转角度为1至2度，对比表明水平方向振动得到了很好的抑制，说明该限位结构能够满足隔振系统的控制要求。

工作原理：

存在水平限位机构时，原被动式隔振平台等效为垂直方向上的弹簧-质量结构，此时主动隔振系统整体的物理模型可以简化为图4(a)。其中地面输入的振动位移为z_in(t)，顶部平板及放置在其上的所有部件的位移为z_out(t)、总质量为M₁，被动式隔振平台的等效刚度为k₁(即上文中的总刚度k)、等效阻尼为β₁。放置在顶部平板上的速度型地震计(即振动传感器)对平台相对于惯性系的绝对速度信号v_out(t)进行探测，输出的电压信号进入控制器中，音圈电机根据该控制器的输出对顶部平台施加作用力f(t)，抑制其绝对位移z_out(t)。图4(b)为系统的方框图，其中G_seis(s)为地震计自身的传递函数，满足G_seis(s)＝N(s)/D(s)·K_s(即地震计的灵敏度为K_s，归一化后传递函数的分子项和分母项分别为N(s)和D(s))，H(s)为控制器的传递函数，K_vc为音圈电机的力常数。

负载的运动方程为：

对上式进行拉普拉斯变换，可得

M₁s²Z_out(s)+β₁sZ_out(s)+k₁Z_out(s)＝β₁sZ_in(s)+k₁Z_in(s)+F(s).

在不施加反馈力F的情况下，系统等效于原被动式隔振系统，相应的开环传递函数为

选择PID比例-积分-微分，proportion integration differentiation控制器作为系统的控制环节，即有

其中比例环节、积分环节和微分环节的参数分别为K_P、K_I和K_D。记电机驱动环节的系数为K_drive该环节用于将PID控制器输出的电压信号转换为音圈电机的驱动电流，此时系统内的反馈力为

F(s)＝G_seis(s)H(s)K_driveK_vc·sZ_out(s).

将上式代入式M₁s²Z_out(s)+β₁sZ_out(s)+k₁Z_out(s)＝β₁sZ_in(s)+k₁Z_in(s)+F(s)，可得系统的闭环传递函数为

代入G_seiss的表达式和式

最终可得

实施例2

参照图5，本实施例水平限位机构为设置在振动传感器4两侧的直线轴承组件9，直线轴承组件9包括光轴10、轴承11、连接件12，光轴10与基座1连接，连接件12的下端与顶部平台2连接，连接件12的上端通过轴承11与光轴10连接。此时顶部平板2可以通过轴承11沿光轴20在垂直方向上平移。使用分辨率为20角秒/2mm格的精密水准仪考察其限位效果，保证其仅具有垂直方向平移的单自由度。

实施例3

参照图6，本实施例将反射镜6及镜架13设置在振动传感器4正上方，反射镜6设置在镜架13上，镜架13与振动传感器4顶部连接。在实际应用中，参考镜6及镜架13的放置位置不唯一，可以设置在振动传感器4正上方或其他合理位置。

实施例4

参照图7，本实施例将驱动器5放置在被动式隔振平台基座1和顶部平台2之间，根据控制器输出对顶部平台2施加反馈力。每根限位杆8的两端分别与顶部平板2和隔振平台内部延伸的基座1连接。在实际应用中，驱动器5放置位置不唯一，可以设置在其他合理位置。并且驱动器5的数量不唯一，只需要对称分布在振动传感器4两侧。

实施例5

参照图8，本实施例将基座1设计为方形，基座1内还设有水平限位机构，水平限位机构为由既能承受拉应力又能承受压应力的限位杆8，每根限位杆8的两端分别与顶部平板2和基座1连接。

实施例6

参照图9，本实施例将隔振系统放置在调平平台15上，调整平台底角使得系统放置在水平面上，消除了地面不平对系统的影响。在实际应用中，隔振系统放置位置不唯一，可以放置在公共底板或调平平台等其他结构上。隔振系统也可设有外壳14。

在本发明中，被动隔振平台结构不唯一，可以采用任何具有竖向弹簧、能够实现衰减垂直方向振动的隔振结构。

限位杆8数量不唯一，可以采用任意数量限位杆限制顶部平板2及其上所有组件的其他5个自由度，保证其仅具有垂直方向平移的单自由度。

限位杆8材质不唯一，可以采用其他既能承受拉应力又能承受压应力的材料替换。

轴承组件可为直线轴承组件也可为滑动轴承组件。

地震计测量振动信号的方式不唯一，可用加速度计等其他振动传感器代替。

音圈电机提供反馈力的方式不唯一，可用电压驱动等其他驱动器代替。

于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种一级主动式超低频垂直隔振系统，包括被动式隔振平台、负载、振动传感器(4)、驱动器(5)、控制电路，其特征在于，所述被动式隔振平台内设有水平限位机构，所述水平限位机构为任意能够限制物体的三个旋转自由度和在水平面内平移的两个自由度的机构。

2.根据权利要求1所述的一级主动式超低频垂直隔振系统，其特征在于，所述被动式隔振平台包括基座(1)、顶部平台(2)，所述顶部平台(2)水平设置在基座(1)内，所述基座(1)与顶部平台(2)之间设有弹簧(3)。

3.根据权利要求1所述的一级主动式超低频垂直隔振系统，其特征在于，所述负载包括参考镜(6)、镜架(13)、配重(7)。

4.根据权利要求2所述的一级主动式超低频垂直隔振系统，其特征在于，所述水平限位机构为限位杆(8)，所述限位杆(8)设有若干根，其中一部分呈旋转对称分布在上层水平面内，另一部分呈旋转对称分布在下层水平面内；每根限位杆(8)的两端分别与顶部平板(2)和基座(1)连接。

5.根据权利要求4所述的一级主动式超低频垂直隔振系统，其特征在于，所述限位杆(8)为钢丝或采用形状记忆合金制成的杆。

6.根据权利要求2所述的一级主动式超低频垂直隔振系统，其特征在于，所述限位机构为直线轴承组件(9)，所述直线轴承组件(9)包括光轴(10)、轴承(11)、连接件(12)，所述光轴(10)与基座(1)连接，所述连接件(12)的下端与顶部平台(2)连接，所述连接件(12)的上端通过轴承(11)与光轴(10)连接。

7.根据权利要求1所述的一级主动式超低频垂直隔振系统，其特征在于，所述振动传感器(4)为地震计或加速度型传感器。

8.根据权利要求1所述的一级主动式超低频垂直隔振系统，其特征在于，所述驱动器(5)为音圈电机或其他直流电机。

9.根据权利要求1所述的一级主动式超低频垂直隔振系统，其特征在于，所述控制电路为模拟电路或数字电路。

10.根据权利要求9所述的一级主动式超低频垂直隔振系统，其特征在于，所述控制电路包括放大模块、调偏模块、滤波模块、PID模块、驱动模块五大部分，以及电源整流模块、基准模块、电机开关辅助环节。