CN203838353U - 一种基于电容传感的二维复合摆地倾斜低频隔振装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型具体涉及到一种基于电容传感的二维复合摆地倾斜低频隔振装置。本实用新型包括圆筒形框架、二维圆柱对称复合摆、电容位移检测系统、两个二维弹性簧片、圆筒形电容极板、两个相同的电磁线圈、四块圆盘形压电陶瓷，二维圆柱对称复合摆设置于圆筒形框架内，由位于上方的圆柱杆正摆和位于下方的具有圆柱对称性的U型倒摆组成。本实用新型中角位移测量采用高灵敏度电容传感器，克服角度传感器中激光光源角漂移引起的测量误差；反馈驱动执行机采用压电陶瓷，压电陶瓷能承载较大的负载，具有出力大、响应快、分辨率高及控制简单等优点，有利于装置小型化和长期稳定性。

Description

一种基于电容传感的二维复合摆地倾斜低频隔振装置

技术领域

本实用新型具体涉及到一种基于电容传感的二维复合摆地倾斜低频隔振装置。

背景技术

引力波的直接探测对甄别各种引力理论、检验广义相对论、研究引力场量子化及宇宙起源与演化具有重要意义。激光干涉式引力波探测器是引力波探测的主流设备，引力波信号极其微弱，为了能在几赫兹到几千赫兹的宽频带范围内探测到引力波，必须抑制各种噪声对高灵敏度干涉仪的干扰。优化光路设计、提高检测电路器件性能及低温屏蔽等手段可极大减少光子散粒噪声和热噪声等对探测器的影响，而低频段的地脉动噪声必须采用隔振系统加以有效抑制。引力波探测中的水平和垂直方向上隔振系统都取得了丰富研究的成果。各种摆系在10Hz以上提供很好的水平隔振效果，而折叠摆、X摆和锥摆等构思巧妙、结构新颖的新型水平隔振系统实现了几十秒的共振周期。隔振系统的隔振效果很大程度上取决于隔振装置的固有频率，固有频率越低，Q值越高，隔振频带越宽，隔振效果越好。但摆系共振频率越低，其Q值也越低。在垂向隔振方面，西澳大学的AIGO小组采用弯曲悬臂弹簧作为垂直方向隔振元件，制作了四级弯曲悬臂弹簧垂直被动隔振系统[Abramovici A.，Abbott R.，Adhikari R.,et al.LIGO:the laser interferometer gravitation-wave observatory，Rep.Prog.Phys.，Volume72,July2009,Pages076901-25]，华中科技大学对这种模型进行了改进，制作了带有附加质量的扭杆弹簧隔振系统，在10Hz处隔振系统的检验质量对地脉动噪声的响应达到在6Hz处隔振系统的隔振率为-60dB[赵鹏飞，罗俊，周泽兵等.超低频被动垂直隔振系统研究，中国科学A，Volume42,Issue3,1999，Pages283-288]。近年来，AIGO小组设计了包含二级水平预隔振和一级垂直预隔振的先进检验质量隔振与悬挂系统，共振频率为0.1Hz，实验表明3Hz处的检质量残余运动抑制到1nm以下，72m长激光干涉仪的精细度达到700[Barriga P.，Dumas J.C.，Wolley A.A.，et al.Compact vibration isolationand suspension for Australian International Gravitational Observatory:Performancein a72m Fabry Perot Cavity，Rev.Sci.Instrum.，Volume80,Issue11,2009，Pages114501-12]。与地面水平或垂直振动不同，微幅地倾斜精密隔振难以采用被动式，一则被动隔振很难隔离低频振动，二则阻尼降低隔振效率。主动隔振特别适用于低频隔振和高精度隔振，主动式倾斜隔振根据检测到低频地面（支撑框架）倾斜振动信号，应用一定的控制策略驱动作动器对控制对象施加作用，抑制或消除振动。AIGO小组制作了一种基于光束来回反射行走角度传感器（WOS）和一维的倾斜摆倾斜仪，给出了初步实验结果[Cheng Y.,WinterfloodJ.,Ju L.,et al.Tilt sensor and servo control system for gravitational wave detection,Classical and Quantum Gravity,Volume19,Issue7,January2002,Pages1723-1729],随后该小组进一步研制了基于WOS的倾斜隔振系统，测量在2～10Hz范围内的两个正交方向上的地面倾斜振动谱,然而角度传感器中激光光源的角漂移直接影响角度测量的灵敏度；高性能的激光器体积较大，不易小型化；也没有充分考虑伺服控制环节中压电陶瓷的迟滞及温度特性。

地倾斜振动噪声的抑制对激光干涉式引力波探测至关重要，但高精度地倾斜低频隔振装置还为数不多。本发明采用电容传感与压电陶瓷驱动控制方案构建一种二维复合摆地倾斜低频隔振装置，通过电容位移检测系统测量地倾斜振动引起的复合摆相对框架的角度偏转，A/D模块将电容传感器输出的模拟信号转换成数字信号送给现场可编辑逻辑门阵列FPGA（FPGA：Field Programmable Gate Array），经数字信号处理后由D/A模块转换成控制电压，送给压电陶瓷的驱动电路引起压电陶瓷伸缩，调节框架的倾斜，消除地倾斜振动对支撑框架的影响。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种消除地倾斜振动对引力波探测的干扰，用于激光干涉仪式引力波探测器的地倾斜隔振和地倾斜振动噪声谱的测量装置。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种基于电容传感的二维复合摆地倾斜低频隔振装置，包括圆筒形框架、二维圆柱对称复合摆、电容位移检测系统、两个二维弹性簧片、圆筒形电容极板、两个相同的电磁线圈、四块圆盘形压电陶瓷;二维圆柱对称复合摆设置于圆筒形框架内，由位于上方的圆柱杆正摆和位于下方的具有圆柱对称性的U型倒摆组成；圆柱杆正摆在U型倒摆对称轴线上，通过二维弹性簧片相连，圆柱杆正摆下端通过二维弹性簧片与U型倒摆正中央的悬挂点相连；圆柱杆正摆上端通过另一个弹性簧片与圆筒形框架上顶板中心悬挂点相连；在U型倒摆上对称设置有位置可调的两个相同质量块，在U型倒摆下底盘距离倒摆底盘中心四分之一半径处对称竖直安装有两个比U型倒摆高的金属杆，两个金属杆的上端弯成直角,质量块安装在金属杆水平端；圆筒形电容极板将U型倒摆包容在中间，圆筒形电容极板下底边与圆筒形框架的底盘同轴胶合在一起；筒形电容极板内壁镀有银膜；银膜通过间隙沿竖直方向平均分成4份；银膜与筒形电容极板的下底边留有间隙；每份银膜所在区域的筒形电容极板外壁镀有一个圆形银电极，通过银膜线与银膜连接；圆形银膜电极连接电容位移检测系统；U型倒摆底部对称安装两个金属杆，金属杆各连接一个电磁线圈；U型倒摆底部沿轴线方向连接有一块铝板，铝板上有长方形缝隙，铝板的两侧分别设置装有LED灯的支撑杆和装有LED光接收器的支撑杆；两对圆盘状压电陶瓷分别放置于圆筒形框架下的两个支撑杆上；圆筒形框架底盘还安装有调节支撑杆。

本实用新型的有益效果在于：

反馈驱动执行机采用压电陶瓷，压电陶瓷能承载较大的负载，具有出力大、响应快、分辨率高及控制简单等优点；在机械结构上采用圆柱对称性设计和一体化制作技术，克服环境温度波动的影响，有利于装置小型化和长期稳定性。

附图说明

图1是复合摆地倾斜隔振系统的总体结构；

图2是复合摆地倾斜隔振系统的工作流程图；

图3是复合摆对地面振动的响应示意图；

图4是复合摆倾斜振动响应曲线；

图5是复合摆地倾斜隔振系统的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步描述。

本实用新型的基于电容传感的二维复合摆地倾斜低频隔振装置主体包括：圆筒形框架、二维圆柱对称复合摆、电容位移检测系统、两个足够软的二维弹性簧片、微晶玻璃制作成的高光洁度圆筒形电容极板、两个相同的电磁线圈、四块圆盘形压电陶瓷。外部设备由A/D模块、FPGA、D/A模块和压电陶瓷驱动电路组成。

基于电容传感的二维复合摆地倾斜低频隔振装置中的圆筒形支架、圆筒形电容极板及二维圆柱对称复合摆共轴。二维圆柱对称复合摆由位于上方的圆柱杆正摆和位于下方的具有圆柱对称性的U型倒摆组成，上方的圆柱杆正摆在U型倒摆对称轴线上，二者通过二维弹性簧片相连，即圆柱杆正摆下端通过二维弹性簧片与U型倒摆正中央的悬挂点相连。圆柱杆正摆上端通过另一个弹性簧片与圆筒形框架上顶板中心悬挂点相连。为调节复合摆的平衡点、保证复合摆的稳定性，在U型倒摆上附加位置可调的两个相同质量块，在U型倒摆下底盘距离倒摆底盘中心四分之一半径处对称设计了两个比U型倒摆高的金属杆，两个金属杆的上端完成直角，两个金属杆呈竖直态。两个质量块分别穿入上端弯成直角的两个金属杆的水平端，U型倒摆与金属杆采用整体加工技术，减少螺钉紧固连接，提高隔振系统机械本体稳定性。微晶玻璃高光洁度圆筒形电容极板包容位于中间的U型倒摆，圆筒形电容极板下底边与同轴圆筒形框架底盘用胶胶合，为检测水平和垂直两个方向上的地倾斜信号，圆筒形电容极板被平均分成四份，微晶玻璃圆筒形电容极板内壁沿竖直方向平均分成4份镀银膜，银膜之间留有微小间隔，每片银膜与圆筒下底边不接触。每部分与U型倒摆形成电容，这样形成了两对相互垂直的两对电容。微晶玻璃高光洁度圆筒形电容极板还包括：每份银膜所在区域的外壁镀有一个小圆形银电极，用银膜线连接内壁银膜与相应筒外壁上的圆形银膜电极。U型倒摆与两侧的电容极板组成差动电容，圆形银膜电极连接电容位移检测系统，利用电容位移检测系统检测U型倒摆的偏转角度。

由于二维弹性簧片宽度有限，复合摆存在扭转方向上运动，华中科技大学采用硅油阻尼了垂直摆的扭转运动，但硅油等被动阻尼方式始终施加阻尼于对象，倾斜测量的滞后效应明显。本实用新型采取主动电磁阻尼抑制复合摆的扭转模式，在U型倒摆底部对称安装两个完全相同的细金属杆，两个金属杆各连接一个电磁线圈，同时在U型倒摆底部沿轴线方向焊接一块铝板，铝板上设计上下长、前后两边窄的细长条缝隙，使接收到的光强对转动敏感而对倾斜摆动不敏感。根据LED光的被遮挡程度，决定是否给电磁线圈通电，施加阻尼于复合摆，减小了倾斜测量的滞后效应。阻尼使复合摆快速稳定下来，降低了倾斜振动测量系统的高频噪声。二维圆柱对称复合摆地倾斜低频隔振装置还包括：两对性能相同的圆盘状压电陶瓷分别放置于圆筒形框架下的两个支撑杆上。通过外部设备输出的控制电压驱动压电陶瓷伸缩，调节框架的倾斜，进而消除地倾斜振动对支撑框架的影响。

本实用新型的核心内容是如何实现对地倾斜低频振动进行隔振，由控制电压调节压电陶瓷伸缩，进而调节框架的倾斜，消除地倾斜振动对支撑框架的影响。要求装置结构简单、响应速度快、分辨率高。

如图1所示，本实用新型的基于电容传感的二维复合摆地倾斜低频隔振装置包括圆筒形框架、圆柱形正摆及U形倒摆，U形倒摆上附位置可调的质量块1，两个足够软的二维弹性簧片2，开有狭缝3的铝板，微晶玻璃制作成的高光洁度圆筒形电容极板4，两对圆盘形压电陶瓷片5，2个与U形倒摆底盘上两个细金属杆6相连的电磁线圈7，调节支撑杆8,装有LED灯的支撑杆9，装有LED光接收器的支撑杆10。所述的基于电容传感的二维复合摆地倾斜低频隔振装置中的圆筒形框架、圆筒形电容极板及二维圆柱对称复合摆共轴；

圆柱杆正摆上端通过二维弹性簧片2与圆筒形支架顶板中心悬挂点相连，圆柱杆正摆下端通过二维弹性簧片与U型倒摆正中央的悬挂点相连；

为调节复合摆的平衡点、保证复合摆的稳定性，在U型倒摆上附加位置可调的两个相同质量块1，所述的质量块是这样附在倒摆上的：在U型倒摆下底盘距离倒摆底盘中心四分之一半径处对称设计了两个比U型倒摆高的金属杆，两个金属杆的上端完成直角，两个金属杆呈竖直态。两个质量块分别穿入上端弯成直角的两个金属杆的水平端，U型倒摆与金属杆采用整体加工技术，减少螺钉紧固连接，提高隔振系统机械本体稳定性；

U型倒摆下底盘轴线方向上焊接开有上下长、前后两边窄的细长条缝隙3的薄铝板；

微晶玻璃高光洁度圆筒形电容极板4包容位于中间的U型倒摆，圆筒形电容极板下底边与同轴圆筒形框架底盘用胶胶合，为检测水平和垂直两个方向上的地倾斜信号，圆筒形电容极板被平均分成四份，微晶玻璃圆筒形电容极板内壁沿竖直方向平均分成4份镀银膜，银膜之间留有微小间隔，每片银膜与圆筒下底边不接触。每部分与U型倒摆形成电容，这样形成了两对相互垂直的两对电容；

所述的微晶玻璃高光洁度圆筒形电容极板还包括：每份银膜所在区域的外壁镀有一个小圆形银电极，用银膜线连接内壁银膜与相应筒外壁上的圆形银膜电极；

U型倒摆与两侧的电容极板组成差动电容，圆形银膜电极连接电容检测系统，利用电容检测系统检测U型倒摆的偏转角度。在理想情况下，当U型倒摆位于两个正对的检测电容极板中间时，两个检测电容相等，电容桥路处于平衡状态。当U型倒摆在外界倾斜变化的作用下偏离中间位置时，电容检测系统中的电容桥路中的两个检测电容不相等，破坏电桥平衡。桥路的不平衡输出经前置放大和信号调理后输入锁相放大电路，锁相放大的参考信号来自信号源。信号调理电路的输出与信号源的输出存在相位差，在锁相放大的参考回路中添加移相电路，调节两路输出信号在相位上一致，获得最大的电容检测灵敏度；

圆筒形框架底板上相对铝板狭缝对称安装装有LED光源的金属杆9和装有接收LED光接收器的金属杆10。由于二维弹性簧片宽度有限，复合摆存在扭转方向上运动，当复合摆转动时，LED光被遮挡，此时与LED光接收器相连的电磁线圈控制开关打开，电磁线圈通电产生阻碍复合摆转动的磁场。阻尼使复合摆快速稳定下来，降低了倾斜振动测量系统的高频噪声；

两对性能相同的圆盘状压电陶瓷分别叠放于圆筒形框架下的两个支撑杆上；

复合摆主体及其微位移检测电路放置在支撑框架中，为表达简洁起见，仅考虑一个方向上的地倾斜振动。设地面倾斜运动为θ，水平和垂向振动位移分别为x_g和y_g，选取固定坐标系XOY，如图2所示。复合摆由长为l1的圆柱杆组成的正摆和U型圆柱筒组成的倒摆构成。U型圆柱筒高为l₂，底边长为l₃，侧边宽为w₂，底盘宽为w₃。簧片O′A与垂向的夹角为φ₁，簧片BC与垂向的夹角为φ₂。地面倾斜振动引起支架发生倾斜，倒摆相对支架也就发生偏转，偏转角为φ＝φ₂-θ。

计算整个复合摆的系统总动能T和总势能V，得出系统的拉格朗日函数L=T-V，相应的拉格朗日方程为

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(\frac{\∂L}{\∂{\stackrel{\·}{x}}_i}\right)-\frac{\∂L}{\∂x_i}=0---\left(1\right)$

式中，x_i为广义坐标，即为φ₁和φ₂。

由式（1）得到关于广义坐标的2个方程为

$\left\{\begin{array}{c}2B{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\φ}}}_1+(F-{\mathrm{Fl}}_1)\cos ({\mathrm{\φ}}_2-{\mathrm{\φ}}_1){\stackrel{\·\·}{\mathrm{\φ}}}_2-(F-{\mathrm{Fl}}_1){\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}^2\sin ({\mathrm{\φ}}_2-{\mathrm{\φ}}_1)\\ +C({\stackrel{\·\·}{x}}_g\cos {\mathrm{\φ}}_1-{\stackrel{\·\·}{y}}_g\sin {\mathrm{\φ}}_1)+I\sin {\mathrm{\φ}}_1+k_{S1}({\mathrm{\φ}}_1-\mathrm{\θ})-k_{S2}({\mathrm{\φ}}_2-{\mathrm{\φ}}_1)=0\\ 2D{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\φ}}}_2+(E-G)({\stackrel{\·\·}{x}}_g\cos {\mathrm{\φ}}_2-{\stackrel{\·\·}{y}}_g\sin {\mathrm{\φ}}_2)+({\mathrm{El}}_1-F)({\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}_2-{\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}_1){\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}_1\sin ({\mathrm{\φ}}_2-{\mathrm{\φ}}_1)\\ +(F-{\mathrm{El}}_1){\stackrel{\·\·}{\mathrm{\φ}}}_1\cos ({\mathrm{\φ}}_2-{\mathrm{\φ}}_1)+J\sin {\mathrm{\φ}}_2+k_{S2}({\mathrm{\φ}}_2-{\mathrm{\φ}}_1)-{\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}_1{\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}_2({\mathrm{El}}_1-F)\sin ({\mathrm{\φ}}_2-{\mathrm{\φ}}_1)=0\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中， $B=\frac{1}{32}{m}_1{w}_1^2+\frac{1}{6}{m}_1{l}_1^2+\frac{1}{2}{m}_2{l}_1^2+\frac{1}{2}{m}_3{l}_1^2,C=l_1(\frac{m_1}{2}-m_2-m_3),$

$D=[\frac{m_2+m_3}{8}{(\frac{l_3}{2}-w_2)}^2+\frac{(m_2+3m_3)}{6}{w}_3^2-\frac{m_3}{2}{l}_2{w}_3+\frac{m_3}{32}{l}_3^2+\frac{m_3}{6}{l}_2^2],$

$E=\frac{m_2{w}_3+m_3{l}_2}{2},F=m_3{l}_1{w}_3,G=m_3{w}_3,I=(m_2+m_3-\frac{m_1}{2}){\mathrm{gl}}_1,$

m₁为正摆质量，m₃为U型摆底盘部分的质量，m₂为余下部分的质量，k_S1和k_S2为上下簧片的弹性系数。

由式（2）可知，垂向振动存在sinφ₁或sinφ₂，而φ₁和φ₂均为小角度，因此复合摆对垂向振动几乎没有响应，对地倾斜振动和水平方向振动有响应。在忽略二阶及以上小量的情况下，求解式（2）所示的二阶常微分方程组，得到复合摆对地面倾斜和水平振动的响应特性。

在Matlab仿真条件下，对该装置对地倾斜响应进行仿真实验：

仿真实验参数如下：

正摆长l₁=10.0mm，U型圆柱筒筒高为l₂=10.0mm，底边长为l₃=60.0mm，簧片的厚度为0.5mm，宽为7.2mm，长为8mm，正摆圆柱直径w₁=10.0mm，倒摆壁厚w₂=10.0mm，倒摆底盘宽为w₃=10.0mm。

图3和4分别给出复合摆对地面倾斜和水平振动的响应特性。由图3可知复合摆对低频倾斜振动响应灵敏，对高频倾斜振动有抑制作用；由图4可知复合摆对高频水平振动约0dB传递，对低频水平振动有很强抑制作用，适合于监测地面微小倾斜运动。

仿真实验结果表明该装置完全可以检测10^-9rad的倾斜信号，可满足地倾斜振动监测水平达到量级的要求。

实际利用该装置进行地倾斜隔振的流程图如图5所示，地面倾斜引起圆筒形框架倾斜，电容位移检测系统测量地倾斜振动引起的复合摆相对圆筒形框架的角度偏转，外部设备中的A/D模块将电容传感器输出的模拟信号转换成数字信号送给FPGA，经数字信号处理后由D/A模块转换成控制电压，送给压电陶瓷的驱动电路引起压电陶瓷伸缩，调节框架的倾斜，消除地倾斜振动对支撑框架的影响，达到隔振的目的。

Claims (1)

1.一种基于电容传感的二维复合摆地倾斜低频隔振装置，包括圆筒形框架、二维圆柱对称复合摆、电容位移检测系统、两个二维弹性簧片(2)、圆筒形电容极板(4)、两个相同的电磁线圈（7）、四块圆盘形压电陶瓷（5），其特征在于；二维圆柱对称复合摆设置于圆筒形框架内，由位于上方的圆柱杆正摆和位于下方的具有圆柱对称性的U型倒摆组成；圆柱杆正摆在U型倒摆对称轴线上，通过二维弹性簧片相连，圆柱杆正摆下端通过二维弹性簧片与U型倒摆正中央的悬挂点相连；圆柱杆正摆上端通过另一个弹性簧片与圆筒形框架上顶板中心悬挂点相连；在U型倒摆上对称设置有位置可调的两个相同质量块(1)，在U型倒摆下底盘距离倒摆底盘中心四分之一半径处对称竖直安装有两个比U型倒摆高的金属杆，两个金属杆的上端弯成直角,质量块安装在金属杆水平端；圆筒形电容极板将U型倒摆包容在中间，圆筒形电容极板下底边与圆筒形框架的底盘同轴胶合在一起；筒形电容极板内壁镀有银膜；银膜通过间隙沿竖直方向平均分成4份；银膜与筒形电容极板的下底边留有间隙；每份银膜所在区域的筒形电容极板外壁镀有一个圆形银电极，通过银膜线与银膜连接；圆形银膜电极连接电容位移检测系统；U型倒摆底部对称安装两个金属杆（6），金属杆各连接一个电磁线圈；U型倒摆底部沿轴线方向连接有一块铝板，铝板上有长方形缝隙(3)，铝板的两侧分别设置装有LED灯的支撑杆(9)和装有LED光接收器的支撑杆(10)；两对圆盘状压电陶瓷分别放置于圆筒形框架下的两个支撑杆上；圆筒形框架底盘还安装有调节支撑杆（8）。