CN204332577U - 一种基于比例电磁铁的隔振机构 - Google Patents
一种基于比例电磁铁的隔振机构 Download PDFInfo
- Publication number
- CN204332577U CN204332577U CN201420860477.2U CN201420860477U CN204332577U CN 204332577 U CN204332577 U CN 204332577U CN 201420860477 U CN201420860477 U CN 201420860477U CN 204332577 U CN204332577 U CN 204332577U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- magnet
- proportion electro
- load lever
- loop
- spacing ring
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 title claims abstract description 39
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 59
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims abstract description 22
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 8
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 claims description 9
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 4
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000002459 sustained effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000005484 gravity Effects 0.000 abstract description 17
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 12
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 8
- 238000013461 design Methods 0.000 description 7
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 6
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 6
- 230000006870 function Effects 0.000 description 5
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 5
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 5
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 230000005486 microgravity Effects 0.000 description 4
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000002153 concerted effect Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- FGRBYDKOBBBPOI-UHFFFAOYSA-N 10,10-dioxo-2-[4-(N-phenylanilino)phenyl]thioxanthen-9-one Chemical compound O=C1c2ccccc2S(=O)(=O)c2ccc(cc12)-c1ccc(cc1)N(c1ccccc1)c1ccccc1 FGRBYDKOBBBPOI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- TVEXGJYMHHTVKP-UHFFFAOYSA-N 6-oxabicyclo[3.2.1]oct-3-en-7-one Chemical compound C1C2C(=O)OC1C=CC2 TVEXGJYMHHTVKP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000906 Bronze Inorganic materials 0.000 description 1
- 240000002853 Nelumbo nucifera Species 0.000 description 1
- 235000006508 Nelumbo nucifera Nutrition 0.000 description 1
- 235000006510 Nelumbo pentapetala Nutrition 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000010974 bronze Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- KUNSUQLRTQLHQQ-UHFFFAOYSA-N copper tin Chemical compound [Cu].[Sn] KUNSUQLRTQLHQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 238000002715 modification method Methods 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000011664 signaling Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Vibration Prevention Devices (AREA)
Abstract
本实用新型公开了一种基于比例电磁铁的隔振机构，包括载荷杆、第一平衡机构、比例电磁铁、第二平衡机构、微位移传感器、第一导线、PID运算控制器和第二导线；载荷杆与比例电磁铁的纵中轴线重合，第一平衡机构和第二平衡机构提供能够限制载荷杆位于比例电磁铁的纵中轴线上的水平张力；微位移传感器的输出端通过第一导线与PID运算控制器连接；PID运算控制器的输出端通过第二导线与比例电磁铁连接；PID运算控制器对纵向相对位移进行PID运算后，输出闭环控制信号；比例电磁铁在闭环控制信号的作用下工作在线性工作区，输出与位移无关的力，并作用在载荷杆上使得载荷杆处于悬浮状态，实现低频的隔振。本实用新型能够满足高精度绝对重力测量的隔振需求。
Description
技术领域
本实用新型属于隔振技术领域，更具体地，涉及一种基于比例电磁铁的隔振机构。
背景技术
物体由于地球的吸引而受到的力叫重力。重力的施力物体是地球。重力的方向总是竖直向下。物体所受重力的大小与重力加速度g成正比。绝对重力仪是一种重力加速度g的仪器。隔振机构是绝对重力仪的关键部件之一。
美国Micro-g LaCoste公司生产的FG5绝对重力仪是目前精度最好的商品化生产的绝对重力之一，质量块有效测量下落距离约0.25m，测量结果总的不确定度可优于±5.0×-8ms-2。单次下落测量的离散度在±50×10-8ms-2。(邢乐林等，FG5绝对重力仪观测比对，测绘信息与工程，2008；33(1))。
美国Micro-g LaCoste公司生产的绝对重力仪所配备的“超级弹簧”(Superspring long period(30-60s)active isolation device)，它利用激光检测被隔振对象的相对运动，通过磁反馈补偿该运动，保持被隔振对象的相对静止，达到了高精度绝对重力测量的效果。Micro-g LaCoste公司的超级弹簧的机械结构和系统都非常复杂，需要精密的设计与加工，成本很高。
实用新型内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种基于比例电磁铁的绝对重力仪隔振机构，能够满足高精度绝对重力测量的隔振需求。
本实用新型提供了一种基于比例电磁铁的隔振机构，包括载荷杆、第一平衡机构、比例电磁铁、第二平衡机构、微位移传感器、第一导线、PID运算控制器和第二导线；所述载荷杆与所述比例电磁铁的纵中轴线重合，所述载荷杆的长度大于所述比例电磁铁的长度，所述载荷杆的一端用于承载待隔振系统；所述第一平衡机构与所述载荷杆的一端固定连接，所述第二平衡机构与所述载荷杆的另一端固定连接，所述第一平衡机构和所述第二平衡机构用于提供能够限制所述载荷杆位于所述比例电磁铁的纵中轴线上的水平张力；所述微位移传感器的输入端连接至所述载荷杆的另一端，所述微位移传感器用于测量所述载荷杆与所述比例电磁铁外壳的纵向相对位移；所述PID运算控制器的输入端通过第一导线连接至所述微位移传感器的输出端，所述PID运算控制器的输出端通过第二导线与所述比例电磁铁连接；所述PID运算控制器用于对所述纵向相对位移进行PID运算后，输出闭环控制信号；所述比例电磁铁在所述闭环控制信号的作用下工作在线性工作区，输出与位移无关的力，并作用在所述载荷杆上使得所述载荷杆处于悬浮状态，实现低频的隔振。
更进一步地，载荷杆为中空管结构；可以降低比例电磁铁的载荷，磁对铝材无吸引小，干扰力小。
更进一步地，所述第一平衡机构和所述第二平衡机构结构相同，均包括多组由轻质弹簧及弹簧张力调节器构成的平衡单元，多组平衡单元呈中心辐射对称均匀分布在同一高度，所述轻质弹簧的一端与所述载荷杆连接，所述轻质弹簧的另一端与所述弹簧张力调节器连接，所述弹簧张力调节器固定在所述比例电磁铁上。该分布方式具有使得载荷杆水平合力容易平衡、纵向力耦合小的优点。
更进一步地，所述比例电磁铁包括极靴、第一导磁环、隔磁环、第二导磁环、壳体、第二限位环、衔铁、励磁线圈、行程间隙和第一限位环；所述极靴与所述壳体固定连接；所述第一导磁环上端面与所述极靴固定连接，所述第一导磁环下端面与所述隔磁环上端面固定连接，且连接部位成第一斜角；所述隔磁环下端面与所述第二导磁环上端面固定连接，所述第二导磁环下端面与所述壳体固定连接；所述第一导磁环、所述隔磁环和所述第二导磁环组成一圆筒，圆筒纵中轴线与比例电磁铁纵中轴线重合，圆筒外壁的一部分与励磁线圈内圈紧密接触，圆筒外壁的多余部分与壳体相接触，圆筒内径大于衔铁外径，圆筒内设有衔铁，衔铁位于比例电磁铁的纵中轴线上，励磁线圈外壁与壳体内侧接触，励磁线圈下端面与壳体接触，励磁线圈上端口与极靴接触；所述极靴、所述第一导磁环、所述第二导磁环和所述壳体构成磁回路，所述衔铁上端面有所述第一限位环，所述第一限位环与所述极靴固定连接，所述衔铁下端面有所述第二限位环，所述第二限位环与所述壳体固定连接，所述第二限位环上端面与所述第一限位环的下端面间的空隙为行程间隙。
更进一步地，所述第一导磁环下端面与所述隔磁环上端面固定连接形成的所述第一斜角为15°～50°。
更进一步地，由所述第一导磁环、所述隔磁环和所述第二导磁环组成的所述圆筒内径与所述衔铁外径之差为0.1mm～1mm。
更进一步地，行程间隙的范围介于0.1mm～1mm。
更进一步地，所述第一限位环和所述第二限位环均由非磁材料制成，所述衔铁由磁材料制成，所述第一限位环和所述第二限位环将所述衔铁限定在所述电磁铁的线性工作区内。
更进一步地，所述衔铁为中空结构。
更进一步地，所述隔振机构还包括与所述比例电磁铁外壳下端相连的脚钉，所述脚钉用于支撑整个隔振机构，通过调节所述脚钉使得所述比例电磁铁竖直。
本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和突出性的效果：(1)零刚度系统为非自稳系统，需要适当的闭环控制使得系统稳定工作，本实用新型提供载荷悬浮的力为电磁力，方便调节。(2)能在±0.5mm范围内实现悬浮力与载荷位置基本无关，实现了地面振动与载荷耦合度很小，等效在±0.5mm振动范围内实现了准刚度，与传统弹簧隔振装置相比，对低频振动隔离效果更好。
附图说明
图1是本实用新型提供的隔振机构结构原理纵剖面示意图，
图2是本实用新型提供的比例电磁铁纵剖面示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1为载荷杆、2为第一平衡机构、3为比例电磁铁、4为第二平衡机构、5为脚钉、6为微位移传感器、7为第一导线、8为PID运算控制器、9为第二导线、3-1为极靴、3-2为第一导磁环、3-3为隔磁环、3-4为第二导磁环、3-5为壳体、3-6为第二限位环、3-7为衔铁、3-8为励磁线圈、3-9为行程间隙、3-10为第一限位环。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
本实用新型提供的一种基于比例电磁铁的隔振机构，可以应用于绝对重力仪中。绝对重力仪中隔振机构的待隔振对象通常为反射型光学器件，例如角锥棱镜，可将角锥棱镜安装在载荷杆1顶端。本实用新型提供的隔振机构在航空航天、光学、机械加工、医疗及制造业等领域也有广泛的应用。
图1示出了本实用新型提供的一种基于比例电磁铁的隔振机构的结构原理纵剖面示意图，图2示出了本实用新型提供的一种基于比例电磁铁的隔振机构的部件之一比例电磁铁的剖面示意图，仅仅示出了与本实用新型相关的部分，详述如下：
一种基于比例电磁铁的隔振机构包括载荷杆1、第一平衡机构2、比例电磁铁3、第二平衡机构4、脚钉5、微位移传感器6、第一导线7、PID运算控制器8、第二导线9；
其中，比例电磁铁3包括极靴3-1、第一导磁环3-2、隔磁环3-3、第二导磁环3-4、壳体3-5、第二限位环3-6、衔铁3-7、励磁线圈3-8、行程间隙3-9、第一限位环3-10。
其中，载荷杆1与比例电磁铁3的纵中轴线重合，载荷杆1的长度大于比例电磁铁3的长度，载荷杆1的两端伸出比例电磁铁3的两端一段长度，便于连接其它部件；载荷杆1与衔铁3-7的纵中轴线重合，载荷杆1与衔铁3-7的固定连接，便于载荷杆1与衔铁3-7的运动一致；载荷杆1下端与微位移传感器6的传感部位相连；载荷杆1伸出比例电磁铁3壳体外的上端与第一平衡机构2固定连接；载荷杆1伸出比例电磁铁3壳体外的下端与第二平衡机构4固定连接；载荷杆1选非磁性材料如铝制成，铝密度小，便于降低比例电磁铁3的载荷，同时，载荷杆1可以制成中空管，进一步降低比例电磁铁3的载荷，磁对铝材无吸引小，干扰力小。
第一平衡机构2另一端固定在比例电磁铁3外壳上端外部，第一平衡机构2由3组轻质弹簧及弹簧张力调节器组成，第一平衡机构2呈中心辐射对称均匀分布在同一高度，该分布方式具有使得载荷杆1水平合力容易平衡、纵向力耦合小的优点，对称中心与比例电磁铁3纵中轴线重合，调节第一平衡机构2的弹簧张力调节器使得载荷杆1的上端与比例电磁铁3的纵中轴线重合，第一平衡机构2由2组或3组以上轻质弹簧及弹簧张力调节器组成也可实现同样功能，但3组轻质弹簧及弹簧张力调节器组成的第一平衡机构2结构简单，调节容易；第一平衡机构2的张力以能限制住载荷杆1与比例电磁铁3的纵中轴线偏离在0.1mm以内为宜，较小的第一平衡机构2的张力可以降低第一平衡机构2对载荷杆1的扰动。
第二平衡机构4另一端固定在比例电磁铁3外壳下端外部，第二平衡机构4由3组以上轻质弹簧及弹簧张力调节器组成，第二平衡机构4呈中心辐射对称均匀分布在同一高度，该分布方式具有使得载荷杆1水平合力容易平衡、纵向力耦合小的优点，对称中心与比例电磁铁3纵中轴线重合，轻质弹簧可以降低第二平衡机构4对载荷杆1的扰动，调节第二平衡机构4的弹簧张力调节器使得载荷杆1的下端与比例电磁铁3的纵中轴线重合，第二平衡机构4由2组或3组以上轻质弹簧及弹簧张力调节器组成也可实现同样功能，但3组轻质弹簧及弹簧张力调节器组成的第二平衡机构4结构简单，调节容易；微位移传感器6留有足够空隙供载荷杆1与第二平衡机构4无碍连接；第二平衡机构4的张力以能限制住载荷杆1与比例电磁铁3的纵中轴线偏离在0.1mm以内为宜，较小的第二平衡机构4的张力可以降低第二平衡机构4对载荷杆1的扰动。
微位移传感器6固定在比例电磁铁3外壳下端外部，使得微位移传感器6能够测量出载荷杆1与比例电磁铁3外壳的纵向相对位移，微位移传感器6采用弱作用力测量方式，避免微位移传感器6对载荷杆1产生有害作用力。
微位移传感器6输出信号与第一导线7一端相连；第一导线7另一端与PID运算控制器8信号输入端相连；PID运算控制器8电压输出端与第二导线9一端相连，第二导线9另一端与励磁线圈3-8相连；PID运算控制器是将微位移传感器6输出的载荷杆1的位置信号作为PID调节的输入信号，经PID运算后，输出执行闭环调节的电压信号，励磁线圈3-8为PID调节所需的能量产生机构，励磁线圈3-8通电后的电能转化为磁能，衔铁3-7受磁力作用后，将磁能转化为机械能，机械能经载荷杆1输出载荷力。
脚钉5与比例电磁铁3外壳下端相连，脚钉5由3个或3个以上可调节螺钉组成，脚钉5由3个可调节螺钉能实现功能且容易调节，脚钉5由多于3个可调节螺钉能成也可以实现需要的功能，组成脚钉5的可调节螺钉均匀分布在比例电磁铁3外壳下端，脚钉5起到支撑整个隔振装置的作用，调节脚钉5使得比例电磁铁3竖直；
极靴3-1与壳体3-5固定连接；第一导磁环3-2上端面与极靴3-1固定连接，第一导磁环3-2下端面与隔磁环3-3上端面固定连接，且连接部位成15°～50°斜角，即图2中a角；隔磁环3-3下端面与第二导磁环3-4上端面固定连接，第二导磁环3-4下端面与壳体3-5固定连接，第一导磁环3-2、隔磁环3-3和第二导磁环3-4组成一圆筒，圆筒纵中轴线与比例电磁铁3纵中轴线重合，圆筒外壁的一部分与励磁线圈3-8内圈紧密接触，圆筒外壁的多余部分与壳体3-5相接触，圆筒内径大于衔铁3-7外径0.1mm～1mm，圆筒内设有衔铁3-7，衔铁3-7位于比例电磁铁3的纵中轴线上，励磁线圈3-8外壁与壳体3-5内侧接触，励磁线圈3-8下端面与壳体3-5接触，励磁线圈3-8上端口与极靴3-1接触，极靴3-1、第一导磁环3-2、第二导磁环3-4和壳体3-5为磁材料如铁粉制成构成磁回路，隔磁环3-3由非磁材料如青铜制成割断磁路；衔铁3-7上端面有第一限位环3-10，第一限位环3-10与极靴3-1固定连接，衔铁3-7下端面有第二限位环3-6，第二限位环3-6与壳体3-5固定连接，第二限位环3-6上端面与第一限位环3-10的下端面间的空隙为行程间隙3-9，行程间隙3-9的范围介于0.1mm～1mm，第二限位环3-6和第一限位环3-10由非磁材料制成，衔铁3-7由磁材料如纯铁制成，衔铁3-7，可制成中空，以降低比例电磁铁3载荷，第二限位环3-6和第一限位环3-10将衔铁3-7限定在比例电磁铁3的线性工作区内。
极靴3-1、壳体3-5、第二限位环3-6、第一限位环3-10在比例电磁铁3纵轴线位置开孔，孔径比载荷杆1的直径大0.1mm～1mm，荷杆1无触穿过极靴3-1、壳体3-5、第二限位环3-6、第一限位环3-10的中心孔。
本实用新型中所述的一种基于比例电磁铁的隔振机构，第二限位环3-6和第一限位环3-10将衔铁3-7限定在比例电磁铁3的线性工作区内，当衔铁3-7处于上下行程间隙相等时，微位移传感器6设定在适当位置，设此时微位移传感器6的读数为零点位置，第一平衡机构2与比例电磁铁3纵中轴线垂直，第二平衡机构4与比例电磁铁3纵中轴线垂直，当衔铁3-7在比例电磁铁3内上下运动到极限时，微位移传感器6不超量程。
在本实用新型中，比例电磁铁具有在线性工作区内输出力与输入电流成正比，输出力与衔铁位移无关的特性；具体可以参考以下公知文献，在此不再赘述。(文献①路甬祥.比例电磁铁的静特性与动特性.液压工业1982年01期)。另外，比例电磁铁作为电液比例控制元件的电-机械转换器件，其功能是将比例控制放大器输给的电流信号转换成力或位移。比例电磁铁的静特性和动特性工业上已经被广泛用于电液比例控制，具体可以参考以下文献(文献②路甬祥.电液比例控制技术[M].北京:机械工业出版社，1988；文献③许益民.电液比例控制系统分析与设计[M].北京:机械工业出版社，2005)。有大量公知文献公开了比例电磁铁的原理与设计，如(文献④Chung-oh Lee等，关于比例电磁铁的研究，低压电器，1986年01期；文献⑤张伦威，许益民.比例电磁铁的有限元磁力分析.机床与液压，2013年9月第17期；文献⑥吴根茂等编.实用电液比例技术.杭州:浙江大学出版社，1993；文献⑦费鸿俊，张冠生.电磁机构动态分析与计算.北京:机械工业出版社，1993；文献⑧张伦威，比例电磁铁电磁力数值计算与分析，武汉科技大学研究生毕业论文，2013)，本领域普通技术人员在没有创造性劳动的情况下可以根据公知文献设计生产出比例电磁铁。但是，尚未见利用比例电磁铁输出力与衔铁位移无关的关键特性用于隔振机构。
在本实用新型中，微位移传感器技术已经比较成熟，中国专利(申请号：201110275388.2)“纳米位移测量传感器”公布了一种位移测量范围：25mm，分辨率：≤10nm的微位移测量装置；另一种非接触微位移传感器是电容测微方法，李建文等(①李建文等，高精度电容测微仪关键技术，天津大学学报，2004年9月)介绍了非接触式高精度电容测微仪的基本工作原理及关键技术，给出了仪器的主要结构，对仪器电路进行了模块化设计，研究分析了实际测量过程中不可避免的各种误差，并提出了相应的消除或修正方法。研究结果表明，仪器的分辨率可达1nm，测量范围为±5μm。天津大学生产的JDC电容测微仪在传感器直径为Φ3.5mm，空气介质条件下的分辨率可达0.01μm，其测量范围为100μm；如英国ZCS1100超精密电容位移传感器，测量范围为0.24mm，分辨率最高为0.1nm；李立艳等研究了一种用于纳米测量的激光干涉仪，，并对其进行了振动测量实验研究，结果表明其静态位移测量误差小于0.3nm，集成的干涉仪具有光路尺寸小、测量精度高、稳定性好、受环境影响小及调节方便等优点，便于在实际测量中应用(②李立艳等，用于纳米测量的集成化单频激光干涉仪，中国激光、2011年4月)。本领域普通技术人员在没有创造性劳动的情况下可以根据公知文献设计生产出微位移传感器。
在本实用新型中，PID运算控制器(比例-积分-微分控制器)，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。PID运算控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。PID运算控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，使系统更加准确而稳定。PID运算控制器的比例单元P、积分单元I和微分单元D分别对应目前误差、过去累计误差及未来误差。若是不知道受控系统的特性，一般认为PID运算控制器是最适用的控制器。PID控制有大量公知文献，如(吴宏鑫等，PID控制的应用与理论依据，控制工程，2003年01期)，本行业普通技术人员在没有创造性劳动的情况下可以根据公知文献设计生产出PID控制器。
本实用新型所述的基于比例电磁铁的隔振机构工作过程如下：
调节可调节支撑脚钉5，使得比例电磁铁3呈中心轴线铅垂直，第一平衡机构2与第二平衡机构4使得载荷杆1与比例电磁铁3纵中轴线重合，此时载荷杆1与比例电磁铁3壳体间的径向间隙均匀。
依本实用新型提供的隔振机构应用于绝对重力仪中为例，绝对重力仪中隔振机构的待隔振对象通常为反射型光学器件，例如角锥棱镜，可将角锥棱镜安装在载荷杆1顶端，角锥棱镜的重心与载荷杆1的重心在同一竖线上，此时在重力的作用下，衔铁3-7被第二限位环3-6接触并支撑，设载荷杆1位移方向往下为负方向，向上为正方向，则微位移传感器6的读数为最大负数，微位移传感器6输出负位移信号通过第一导线7传递给PID运算控制器8，PID运算控制器8经运算后通过第二导线9输出电压给励磁线圈3-8，随着PID运算控制器8输出的电压加大，励磁线圈3-8获得的电流增大，励磁线圈3-8产生的磁场也增大，比例电磁铁3的出力增大，直至载荷杆1所受的合力为0，此时PID运算控制器8继续加大电压，载荷杆1所受合力大于0，载荷杆1向上运动，微位移传感器6离开最大负值位置，微位移传感器6的读数也往正方向移动，此时载荷杆1运动位置的信号经微位移传感器6测出，经第一导线7传递给PID运算控制器8，PID运算控制器8将运算结果通过第二导线9输出电流给比例电磁铁3的励磁线圈3-8，比例电磁铁3出力给载荷杆1，载荷杆1的运动位移由微位移传感器6读出，如此便形成了一个闭环控制系统，由现有公知PID控制算法及电压调节装置能将微位移传感器6的读数闭环调节在0附近，此时载荷杆1的位置也稳定在零位附近。
比例电磁铁3输出力与衔铁位移无关的过程分析：环绕由铁-磁材料制成的极靴3-1、壳体3-5、第一导磁环3-2、隔磁环3-3、第二导磁环3-4和衔铁3-7构成了磁回路。磁力线的路径有一部分被镶嵌在第一导磁环3-2和第二导磁环3-4中间的隔磁环3-3所切断，于是，强迫着磁力线绕道经过第二导磁环3-4，越过第二导磁环3-4和衔铁3-7间的径向气隙至衔铁3-7，继而穿过行程间隙3-9至极靴3-1，同时，衔铁3-7和隔磁环3-3之间的径向气隙的一部分被泄引到极靴3-1而不产生力的作用，衔铁3-7行程越小，这部分的磁通量就愈大，于是，衔铁3-7行程减小时，通常增长的磁力在一个范围内保持不变，即与行程无关(路甬祥.比例电磁铁的静特性与动特性.液压工业.1982年01期)。
本实用新型提供的基于比例电磁铁的隔振构，其力执行机构为一比例电磁铁，由公知文献可知：比例电磁铁具有在线性工作区内输出力与输入电流成正比，输出力与衔铁位移无关的特性(路甬祥.液压工业1982年01期比例电磁铁的静特性和动特性)，因此，本实用新型所述的基于比例电磁铁的隔振机构，当载荷杆1所受力达到平衡时，即载荷杆1处于悬浮状态，比例电磁铁3竖直位置的变化不改变载荷杆1受力平衡关系，即比例电磁铁3的振动位移与载荷杆1受力平衡无关，设比例电磁铁3的振动位移变化量为dx，由弹性系统特性：df＝k*dx，则k＝df/dx，其中df为弹性系统受力变化量，k为弹性系统的弹性系数，dx为弹性系统的形变量，本实用新型所述机构的载荷杆1所受合力变化量为df，若df为0，k＝df/dx也等于0，即系统的总刚度为0。由隔振理论可知，低刚度系统的固有频率f0非常低，能够实现低频的隔振。
如采用普通弹簧隔振，若要实现固有频率f0为0.1Hz的隔振系统,不难得到其形变量dx＝g/f0 2/(2*π)2约为24.8m，其中g为重力加速度，由此可见是实现起来是非常困难的。
美国Micro-g LaCoste公司生产的FG5绝对重力仪是目前精度最好的商品化生生的绝对重力之一，测量质量块有效下落距离约0.25m，自由落体时间约为0.23s。单次下落测量的离散度在±50×10-8ms-2以内(邢乐林等，FG5绝对重力仪观测比对，测绘信息与工程，2008；33(1))。绝对重力仪的噪声来源主要是振动噪声，设±50×10-8ms-2中的80％噪声来源于振动，则噪声的平均加速度数值要小于40×10-8ms-2，设隔振机构从0位开始运动，以此时间段的振动幅度＝±1/2*40×10-8*0.232m＝±1.01*10-8m，即约10nm，由上述可知道，要满足绝对重力仪单次下落测量时振动引起的加速度数值小于40×10-8ms-2，误差检出器微位移传感器6是的分辨率不得低于10ns，否则隔振系统的振动位置不能被检出，也就不能被闭环调节所控制，目前公知技术生产的位移传感器分辨率已能达到1ns，能够满足本隔振机构在高精度绝对重力中的应用；另外，载荷杆1所受的电磁力是由电磁力产生的，比例电磁铁的出力正比于励磁线圈的电流，励磁线圈的阻抗在励磁电压变化不大的情况下，其阻抗变化可以忽略不计，所以比例电磁铁3的出力噪声正比于PID运算控制器8的输出电压噪声，设工作时PID运算控制器8输出电压为1V，地表重力加速度约为9.8ms-2，PID运算控制器电压＝1V*(±40×10-8ms-2/9.8ms-2)，则电压噪声约为±4*10-8V，约±40nV，因PID属于闭环控制，输出电压不要求绝对值准确，因此，只要PID运算控制器输出的噪声小于40nV即可，美国Maxim公司客户应用工程师Kevin Frick(Kevin Frick，2007，降低电源的输出电压噪声)以MAX1857线性稳压器例(MAX1857，输出噪声电平不低于2000nV/√Hz，在1kHz以下时不低于1600nV/√Hz)，通过增加一个外部晶体管和简单的RC低通滤波器，可将电路的电源噪声降低46dB，并且在200Hz处能够获得7nV/√Hz的噪声电平，即噪声被衰减了200倍，因此，通过类似方法，低于40nV的噪声电源是能够实现的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于比例电磁铁的隔振机构，其特征在于，包括载荷杆(1)、第一平衡机构(2)、比例电磁铁(3)、第二平衡机构(4)、微位移传感器(6)、第一导线(7)、PID运算控制器(8)和第二导线(9)；
所述载荷杆(1)与所述比例电磁铁(3)的纵中轴线重合，所述载荷杆(1)的长度大于所述比例电磁铁(3)的长度，所述载荷杆(1)的一端用于承载待隔振系统；
所述第一平衡机构(2)与所述载荷杆(1)的一端固定连接，所述第二平衡机构(4)与所述载荷杆(1)的另一端固定连接，所述第一平衡机构(2)和所述第二平衡机构(4)用于提供能够限制所述载荷杆(1)位于所述比例电磁铁(3)的纵中轴线上的水平张力；
所述微位移传感器(6)的输入端连接至所述载荷杆(1)的另一端，所述微位移传感器(6)用于测量所述载荷杆(1)与所述比例电磁铁(3)外壳的纵向相对位移；
所述PID运算控制器(8)的输入端通过所述第一导线(7)连接至所述微位移传感器(6)的输出端，所述PID运算控制器(8)的输出端通过所述第二导线(9)与所述比例电磁铁(3)连接；所述PID运算控制器(8)用于对所述纵向相对位移进行PID运算后，输出闭环控制信号；
所述比例电磁铁(3)在所述闭环控制信号的作用下工作在线性工作区，输出与位移无关的力，并作用在所述载荷杆(1)上使得所述载荷杆(1)处于悬浮状态，实现低频的隔振。
2.如权利要求1所述的隔振机构，其特征在于，所述载荷杆(1)为中空管结构。
3.如权利要求1所述的隔振机构，其特征在于，所述第一平衡机构(2)和所述第二平衡机构(4)结构相同，均包括多组由轻质弹簧及弹簧张力调节器构成的平衡单元，多组平衡单元呈中心辐射对称均匀分布在同一高度，所述轻质弹簧的一端与所述载荷杆(1)连接，所述轻质弹簧的另一端与所述弹簧张力调节器连接，所述弹簧张力调节器固定在所述比例电磁铁(3)上。
4.如权利要求1所述的隔振机构，其特征在于，所述比例电磁铁(3)包括极靴(3-1)、第一导磁环(3-2)、隔磁环(3-3)、第二导磁环(3-4)、壳体(3-5)、第二限位环(3-6)、衔铁(3-7)、励磁线圈(3-8)、行程间隙(3-9)和第一限位环(3-10)；
所述极靴(3-1)与所述壳体(3-5)固定连接；所述第一导磁环(3-2)上端面与所述极靴(3-1)固定连接，所述第一导磁环(3-2)下端面与所述隔磁环(3-3)上端面固定连接，且连接部位成第一斜角；
所述隔磁环(3-3)下端面与所述第二导磁环(3-4)上端面固定连接，所述第二导磁环(3-4)下端面与所述壳体(3-5)固定连接；
所述第一导磁环(3-2)、所述隔磁环(3-3)和所述第二导磁环(3-4)组成一圆筒，圆筒纵中轴线与比例电磁铁(3)纵中轴线重合，圆筒外壁的一部分与励磁线圈(3-8)内圈紧密接触，圆筒外壁的多余部分与壳体(3-5)相接触，圆筒内径大于衔铁(3-7)外径，圆筒内设有衔铁(3-7)，衔铁(3-7)位于比例电磁铁(3)的纵中轴线上，励磁线圈(3-8)外壁与壳体(3-5)内侧接触，励磁线圈(3-8)下端面与壳体(3-5)接触，励磁线圈(3-8)上端口与极靴(3-1)接触；
所述极靴(3-1)、所述第一导磁环(3-2)、所述第二导磁环(3-4)和所述壳体(3-5)构成磁回路，所述衔铁(3-7)上端面有所述第一限位环(3-10)，所述第一限位环(3-10)与所述极靴(3-1)固定连接，所述衔铁(3-7)下端面有所述第二限位环(3-6)，所述第二限位环(3-6)与所述壳体(3-5)固定连接，所述第二限位环(3-6)上端面与所述第一限位环(3-10)的下端面间的空隙为行程间隙(3-9)。
5.如权利要求4所述的隔振机构，其特征在于，所述第一导磁环(3-2)下端面与所述隔磁环(3-3)上端面固定连接形成的所述第一斜角为15°～50°。
6.如权利要求4所述的隔振机构，其特征在于，由所述第一导磁环(3-2)、所述隔磁环(3-3)和所述第二导磁环(3-4)组成的所述圆筒内径与所述衔铁(3-7)外径之差为0.1mm～1mm。
7.如权利要求4所述的隔振机构，其特征在于，行程间隙(3-9)的范围介于0.1mm～1mm。
8.如权利要求4所述的隔振机构，其特征在于，所述第一限位环(3-10)和所述第二限位环(3-6)均由非磁材料制成，所述衔铁(3-7)由磁材料制成，所述第一限位环(3-10)和所述第二限位环(3-6)将所述衔铁(3-7)限定在所述电磁铁(3)的线性工作区内。
9.如权利要求8所述的隔振机构，其特征在于，所述衔铁(3-7)为中空结构。
10.如权利要求1所述的隔振机构，其特征在于，所述隔振机构还包括与所述比例电磁铁(3)外壳下端相连的脚钉(5)，所述脚钉(5)用于支撑整个隔振机构，通过调节所述脚钉(5)使得所述比例电磁铁(3)竖直。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201420860477.2U CN204332577U (zh) | 2014-12-30 | 2014-12-30 | 一种基于比例电磁铁的隔振机构 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201420860477.2U CN204332577U (zh) | 2014-12-30 | 2014-12-30 | 一种基于比例电磁铁的隔振机构 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN204332577U true CN204332577U (zh) | 2015-05-13 |
Family
ID=53168904
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201420860477.2U Expired - Fee Related CN204332577U (zh) | 2014-12-30 | 2014-12-30 | 一种基于比例电磁铁的隔振机构 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN204332577U (zh) |
-
2014
- 2014-12-30 CN CN201420860477.2U patent/CN204332577U/zh not_active Expired - Fee Related
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104637646A (zh) | 一种基于比例电磁铁的隔振机构 | |
| Pu et al. | Multi-layer electromagnetic spring with tunable negative stiffness for semi-active vibration isolation | |
| Li et al. | A diaphragm type fiber Bragg grating vibration sensor based on transverse property of optical fiber with temperature compensation | |
| CN102901556B (zh) | 一种磁悬浮式超低频振动传感器 | |
| Liu et al. | Design and modeling of a high sensitivity fiber Bragg grating-based accelerometer | |
| CN103775550A (zh) | 单自由度磁力隔振装置 | |
| CN103398138B (zh) | 一种阻尼刚度可控的双自由度振动主动控制平台 | |
| CN104179868B (zh) | 主被动一体式电磁隔振装置 | |
| Simmons | A servo-controlled rheometer for measurement of the dynamic modulus of viscoelastic liquids | |
| Li et al. | Ultra-low frequency vertical vibration isolator based on LaCoste spring linkage | |
| CN104330198A (zh) | 基于挠性支承的扭矩校准测量装置 | |
| Song et al. | Miniature FBG vibration sensor with high performance and low angle dependence for two-dimensional vibration measurement | |
| CN103941756B (zh) | 微推力测量系统振动的非接触式主动控制方法 | |
| CN106199749B (zh) | 基于斜拉弹簧和片簧系统的二级超低频隔振装置 | |
| CN204332577U (zh) | 一种基于比例电磁铁的隔振机构 | |
| CN104280571A (zh) | 电磁平衡式加速度传感器 | |
| Meng et al. | Controllable electromagnetic negative stiffness spring for vibration isolator: Design, analyses and experimental verification | |
| CN108507771A (zh) | 用于微小扭矩校准装置的被动式电磁阻尼器 | |
| CN105757155B (zh) | 一种质量可调式半主动吸振装置 | |
| CN208140249U (zh) | 可现场校准的振动传感器 | |
| Udalov et al. | Parametric Stability of Microscale Contactless Inductive Suspension with an Electrostatic Control Loop of Stiffness | |
| Xu et al. | Analysis of electromagnetic properties of superconducting suspension system for gravity measurement | |
| Raghunathan et al. | Position servo controller design and implementation using low cost eddy current sensor for single axis active magnetic bearing | |
| Xueshan et al. | Low-frequency characteristics extension for vibration sensors | |
| US2370073A (en) | Gauge head for electrical measuring apparatus |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20220715 Address after: 430071 small Hongshan, Wuhan, Hubei, Wuchang Patentee after: Institute of precision measurement science and technology innovation, Chinese Academy of Sciences Address before: 430077 No. 340, Xudong street, Wuhan, Hubei Province Patentee before: INSTITUTE OF GEODESY & GEOPHYSICS, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES Effective date of registration: 20220715 Address after: 361022 room 720, building 7, Xinglinwan business operation center, Jimei District, Xiamen City, Fujian Province Patentee after: Xiamen Zhongke hengsi Technology Co.,Ltd. Address before: 430071 small Hongshan, Wuhan, Hubei, Wuchang Patentee before: Institute of precision measurement science and technology innovation, Chinese Academy of Sciences |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150513 |