一種用于動態(tài)重力儀的主動阻尼定位裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于動態(tài)重力儀的主動阻尼定位裝置，至少包括阻尼線圈、PID控制器和隔震機構，管狀質(zhì)量塊底部設有一個環(huán)形的定位槽，阻尼線圈固定于定位槽內(nèi)，阻尼線圈位于檢測線圈一側，PID控制器位于重力儀殼體外圍，PID控制器通過通信線路分別與電容位移傳感器和阻尼線圈相連，隔震機構包括陀螺穩(wěn)定平臺、第一超長彈簧、第二超長彈簧和基座框架，重力儀殼體固定安裝在陀螺穩(wěn)定平臺之上，重力儀殼體位于基座框架內(nèi)，陀螺穩(wěn)定平臺的上表面與基座框架的頂部通過第一超長彈簧、第二超長彈簧柔性連接。該裝置能夠獲得較大的阻尼系數(shù)，解決了傳統(tǒng)動態(tài)重力儀因采用空氣阻尼或液體阻尼帶來的諸多問題，提高了動態(tài)重力儀的測量精度，可改善其長期穩(wěn)定性。
【專利說明】-種用于動態(tài)重力儀的主動阻尼定位裝置

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及重力測量裝置，尤其是涉及一種用于動態(tài)重力儀的主動阻尼定位裝 置。

【背景技術】
[0002] 動態(tài)重力儀在工作過程中不可避免地會受到載體加速度的影響，擾動源為波浪、 艦船動力設備或飛機引擎，因此，重力儀的輸出值實際上是重力加速度和垂直擾動加速度 的疊加，而且后者的強度比前者要大幾萬倍甚至幾十萬倍，必須設法將垂直擾動加速度從 儀器的輸出信號中剔除。由于垂直擾動加速度具有周期性的特點，而且其周期遠小于重力 的異常周期，所以動態(tài)重力儀往往通過對采樣質(zhì)量施加強阻尼的方法大幅度壓縮由垂直擾 動加速度引起的采樣質(zhì)量的位移，進而減弱垂直擾動加速度對測量精度的影響。
[0003] 美國 Micr〇-g LaCoste Scintrex 公司（LRS)研制的 Air-Sea Gravity System II 型海洋重力儀采用空氣阻尼器實現(xiàn)對采樣質(zhì)量擾動位移的衰減，但空氣阻尼器難以獲得大 的阻尼系數(shù)，而且由于空氣的可壓縮性，當系統(tǒng)的振動周期較短時，空氣阻尼的工作就好比 一個附加的彈簧，不但沒有衰減振幅的作用，反而會對振幅進行放大。
[0004] 后來，人們研發(fā)了液體阻尼代替空氣阻尼應用于動態(tài)重力儀。如日本東京大學國 家極地研究所與海洋研究所共同研制的Nipzori-2型海洋重力儀以及中國科學院測量與 地球物理研究所于1985年研制成功的CHZ型海洋重力儀均采用液體阻尼。又如《海洋重力 儀敏感組件的溫度特性分析與補償》(李宏生、副教授、東南大學儀器科學與工程系210096) 公開了一種海洋重力儀的零長彈簧重力傳感結構，該零長彈簧重力傳感結構采用液體阻 尼，與空氣阻尼相比，前者更易于獲得大的阻尼系數(shù)，但由于液體與該海洋重力儀中采樣質(zhì) 量材料的熱膨脹系數(shù)相差很大，采用液體阻尼會增大儀器的溫度系數(shù)，進而降低儀器的測 量精度。該海洋重力儀的工作溫度與存儲溫度通常相差20°C以上，密封罐內(nèi)液體的體積會 隨著溫度的變化膨脹或收縮，必須設置體積補償裝置來補償液體體積的變化，增加了系統(tǒng) 的復雜性，且體積膨脹導致密封罐內(nèi)壓力增大，長期工作易出現(xiàn)阻尼液滲漏，影響儀器的長 期穩(wěn)定性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決上述現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明提供了一種動態(tài)相對重力儀減振定 位裝置，該裝置能夠獲得較大的阻尼系數(shù)，有效抑制運動載體的振動干擾以及一舉解決傳 統(tǒng)動態(tài)重力儀因采用空氣阻尼或液體阻尼帶來的諸多問題，進而提高動態(tài)重力儀的測量精 度，改善其長期穩(wěn)定性。
[0006] 實現(xiàn)本發(fā)明上述目的所采用的技術方案為： 一種用于動態(tài)重力儀的主動阻尼定位裝置，至少包括重力儀殼體、永久磁鋼、測量彈 簧、管狀質(zhì)量塊、纏繞在管狀質(zhì)量塊底部的檢測線圈、電容位移傳感器、阻尼線圈、控制阻尼 線圈的PID控制器和隔震機構，（電容位移傳感器是原重力儀的一部分，但是它的確對主動 阻尼起到作用，但對主動阻尼起作用的不止電容位移傳感器，還有測量彈簧、管狀質(zhì)量塊 等，因此為避免不準確，去掉主動阻尼機構，在說明書中進行說明）管狀質(zhì)量塊的底部設有 一個環(huán)形的定位槽，阻尼線圈固定于定位槽內(nèi)，阻尼線圈位于檢測線圈一側且靠近檢測線 圈，PID控制器位于重力儀殼體外圍，PID控制器通過通信線路分別與電容位移傳感器和阻 尼線圈相連，阻尼線圈和永久磁鋼構成阻尼執(zhí)行器，隔震機構包括陀螺穩(wěn)定平臺、第一超長 彈簧、第二超長彈簧和與運動載體剛性連接的基座框架，重力儀殼體固定安裝在陀螺穩(wěn)定 平臺之上，重力儀殼體位于基座框架內(nèi)，基座框架、重力儀殼體堅直方向的對稱軸與陀螺穩(wěn) 定平臺堅直方向的穩(wěn)定軸在同一條直線上，重力儀殼體堅直方向的對稱軸位于測量彈簧的 軸線上，陀螺穩(wěn)定平臺的上表面與基座框架的頂部通過第一超長彈簧、第二超長彈簧柔性 連接，第一超長彈簧、第二超長彈簧的軸線均位于同一通過基座框架堅直方向的對稱軸所 在的平面內(nèi)，第一超長彈簧、第二超長彈簧到基座框架堅直方向的對稱軸的距離相等。
[0007] 所述隔震機構還包括第一阻尼器和第二阻尼器，第一阻尼器、第二阻尼器對稱安 裝于陀螺穩(wěn)定平臺與基座框架的底部之間，第一阻尼器的上、下兩側對稱設有第一萬向節(jié) 和第二萬向節(jié)，第一萬向節(jié)位于第一阻尼器與陀螺穩(wěn)定平臺之間，第二萬向節(jié)位于第一阻 尼器與基座框架的底部之間，第二阻尼器的上、下兩側對稱設有第三萬向節(jié)和第四萬向節(jié)， 第三萬向節(jié)位于第二阻尼器與陀螺穩(wěn)定平臺之間，第四萬向節(jié)位于第二阻尼器與基座框架 的底部之間。
[0008] 基座框架和重力儀殼體呈圓柱狀，基座框架、重力儀殼體的旋轉軸與陀螺穩(wěn)定平 臺堅直方向的穩(wěn)定軸在同一條直線上。
[0009] 由重力儀的測量原理可知，重力敏感組件實質(zhì)上就是由電容位移傳感器、檢測彈 簧和質(zhì)量塊和阻尼機構構成的系統(tǒng)，其目的在于檢測因重力異常引起的質(zhì)量塊位移（即動 片相對于兩定片的位置變化)，同時將由垂直擾動加速度引起的質(zhì)量塊位移盡可能壓縮(理 想情況是在受擾動加速度作用時動片與定片之間的相對位置保持不變)。為了壓縮由垂直 擾動加速度引起的質(zhì)量塊的位移以及保證垂直擾動加速度作用于電容位移傳感器時保持 動片與定片的相對位置不變，該裝置在原有重力儀的管狀質(zhì)量塊底部上增加一個阻尼線 圈，再增加一個控制阻尼線圈的外圍設備PID控制器，阻尼線圈、PID控制器和重力儀原有 的部件共同構成主動阻尼機構，該主動阻尼機構代替液體阻尼或空氣阻尼。在來自運動載 體振動干擾時，會引起檢測彈簧伸長量的變化，從而引起管狀質(zhì)量塊相對位移的變化，進而 引起電容位移傳感器電容的變化，電容位移傳感器對獲得的管狀質(zhì)量塊的相對位移變化進 行處理后得到電容變化值Λ C，電容位移傳感器再將電容變化值Λ C輸送到PID控制器，經(jīng) PID控制器處理后將控制信號以電流的形式輸送給阻尼執(zhí)行器的阻尼線圈，該電流與感應 電流同向，使得阻尼線圈在永久磁鋼產(chǎn)生的磁場中受到與管狀質(zhì)量塊運動方向相反的安培 力的作用，該安培力即為主動阻尼力，該主動阻尼力用來抵消運動載體震動干擾產(chǎn)生的干 擾力，盡可能減小因干擾力引起測量彈簧伸長量的變化。
[0010] 當遇到運動載體的高頻振動干擾時，在高頻振動干擾傳遞至重力儀殼體之前必須 對其進行大幅度衰減，如不進行衰減，直接用主動阻尼機構進行阻尼會引起很大的誤差。本 發(fā)明采用隔震機構對來自運動載體的高頻振動干擾傳遞至重力儀殼體前對其進行大幅度 衰減，由于隔震機構中的基座框架與陀螺穩(wěn)定平臺之間通過超長彈簧和阻尼器柔性連接， 超長彈簧具有低剛度特性。阻尼器兩側均裝有萬向節(jié)，萬向節(jié)可以改變阻尼器的方向，使 陀螺穩(wěn)定平臺既能獲得垂向阻尼，又能獲得水平向阻尼。由此可見，隔振機構的作用機理類 似于低通濾波器，基于超長彈簧的低剛度特性，該隔振機構的垂向固有頻率可做到不大于 5Hz ;基于擺的水平向低剛度特性，該被動隔振機構的水平向固有頻率可做到不大于2Hz。 toon] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果與優(yōu)點在于： 1)該裝置機構相對簡單，所用的零部件均比較常見，且價格低廉，因而該裝置的成本較 低廉。
[0012] 2)該裝置充分利用動態(tài)重力儀已有的部件，在不增加重力儀系統(tǒng)結構復雜性的同 時，能較好地抑制或衰減垂直擾動加速度，克服了動態(tài)重力儀傳統(tǒng)阻尼方式的缺點，提高了 重力儀測量精度和長期穩(wěn)定性。
[0013] 3)該裝置的隔震機構能在運動載體高頻振動干擾傳遞至重力儀殼體前對其進行 大幅度哀減，進一步提1? 了動態(tài)重力儀測量的精度和穩(wěn)定性。
[0014] 4)該裝置使用方便，而且能避免液體阻尼因阻尼液滲透引起的重力儀的報廢，提 高了動態(tài)重力儀的使用壽命。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明提供的用于動態(tài)重力儀的主動阻尼定位裝置的結構示意圖。
[0016] 其中：管狀質(zhì)量塊1、電容動片2、電容定片組件3、上定片4、下定片5、重力儀殼體 6、張緊絲7、基座框架8、第一超長彈簧9、第二超長彈簧9、永久磁鋼10、陀螺穩(wěn)定平臺11、 第一阻尼器12、第二阻尼器12、阻尼線圈13、測量彈簧14、繃緊彈簧15、第一萬向節(jié)16、第 二萬向節(jié)16、第三萬向節(jié)16、第四萬向節(jié)16、控制器17、檢測線圈18。

【具體實施方式】
[0017] 下面結合附圖對本發(fā)明進行具體說明。
[0018] 本發(fā)明提供的用于動態(tài)重力儀的主動阻尼定位裝置的結構如圖1所示，至少包括 重力儀殼體6、永久磁鋼10、測量彈簧14、管狀質(zhì)量塊1、纏繞在管狀質(zhì)量塊1底部的檢測線 圈18和電容位移傳感器。電容位移傳感器包括電容定片組件3和與管狀質(zhì)量塊1上端固 定連接的電容動片2,電容定片組件3由上定片4和下定片5組成，上定片4和下定片5的 中心部位中空。上定片4和下定片5均與重力儀殼體6的頂部剛性連接，電容動片3位于 上定片4和下定片5之間。電容動片2材料是微晶玻璃，上定片4和下定片5材料為鉛黃 銅。管狀質(zhì)量塊1的底部通過垂直懸掛的測量彈簧14與重力儀殼體6的頂部柔性連接，測 量彈簧14穿過電容定片組件3中心部位，管狀質(zhì)量塊1通過兩側的繃緊彈簧15和張緊絲 7在水平方向上固定。
[0019] 該裝置包括阻尼線圈13和控制阻尼線圈的PID控制器17,阻尼線圈、PID控制器 和重力儀原有的部件共同構成主動阻尼機構，該主動阻尼機構所產(chǎn)生的主動阻尼與傳統(tǒng)重 力儀的液體阻尼或空氣阻尼的作用相同，用來消除由垂直擾動加速度引起的質(zhì)量塊的位移 以及保證垂直擾動加速度作用于電容位移傳感器時保持動片與定片的相對位置不變。管狀 質(zhì)量塊的底部設有一個環(huán)形的定位槽，阻尼線圈13固定于定位槽內(nèi)，阻尼線圈13位于檢測 線圈18的下側，且靠近檢測線圈18，PID控制器17位于動態(tài)重力儀外圍，PID控制器17通 過通信線路分別與電容位移傳感器和阻尼線圈13相連。阻尼線圈13和永久磁鋼構成阻尼 執(zhí)行器。阻尼線圈作為阻尼執(zhí)行器的動子，永久磁鋼則作為阻尼執(zhí)行器的定子，動子處于定 子的磁場中，二者共同構成阻尼執(zhí)行器。
[0020] 為實現(xiàn)運動載體高頻振動干擾傳遞至重力儀殼體前對其進行大幅度衰減，該裝置 還設置了隔震機構，隔震機構包括陀螺穩(wěn)定平臺11、第一超長彈簧9、第二超長彈簧9與運 動載體剛性連接的基座框架8和第一阻尼器12、第二阻尼器12。重力儀殼體6固定安裝在 陀螺穩(wěn)定平臺8之上，陀螺穩(wěn)定平臺伸出重力儀殼體6的邊緣外，重力儀殼體6位于基座框 架8內(nèi)。由于動態(tài)重力儀整體基本上都呈圓柱狀，因而重力儀殼體6和基座框架8均呈圓柱 狀?；蚣?、重力儀殼體6的旋轉軸與陀螺穩(wěn)定平臺11堅直方向的穩(wěn)定軸在同一條直 線上。陀螺穩(wěn)定平臺11的上表面與基座框架8的頂部通過第一超長彈簧9、第二超長彈簧 9柔性連接，第一超長彈簧9、第二超長彈簧9的軸線均位于同一通過基座框架8堅直方向 的對稱軸所在的平面內(nèi)，第一超長彈簧9、第二超長彈簧9到基座框架8堅直方向的對稱軸 的距離相等，第一阻尼器12、第二阻尼器12對稱安裝于陀螺穩(wěn)定平臺11與基座框架8的底 部之間，第一阻尼器12的上、下兩側對稱設有第一萬向節(jié)16和第二萬向節(jié)16,第一萬向節(jié) 16位于第一阻尼器與陀螺穩(wěn)定平臺11之間，第二萬向節(jié)16位于第一阻尼器與基座框架8 的底部之間，第二阻尼器12的上、下兩側對稱設有第三萬向節(jié)16和第四萬向節(jié)16,第三萬 向節(jié)16位于第二阻尼器12與陀螺穩(wěn)定平臺11之間，第四萬向節(jié)16位于第二阻尼器12與 基座框架8的底部之間。阻尼器與萬向節(jié)之間為剛性，萬向節(jié)與基座框架、萬向節(jié)與陀螺穩(wěn) 定平臺之間均為剛性連接。連接本實施例中阻尼器采用活塞式液壓阻尼桿，萬向節(jié)采用剛 性雙聯(lián)式萬向節(jié)。
[0021] 本發(fā)明提供的用于動態(tài)重力儀的主動阻尼定位裝置的工作原理如下： 在來自運動載體振動干擾時，運動載體的振動干擾經(jīng)陀螺穩(wěn)定平臺傳遞至重力儀殼 體，由于電容位移傳感器電容定片組件的上定片和下定片均與重力儀殼體的頂部剛性連 接，會使上定片和下定片產(chǎn)生與干擾源頻率及振幅相同的振動，而由于電容動片裝在管狀 質(zhì)量塊上，管狀質(zhì)量塊的底部通過垂直懸掛的測量彈簧與重力儀殼體的頂部柔性連接，檢 測彈簧受運動載體的振動干擾會引起伸長量的變化，從而導致電容動片產(chǎn)生相對于電容定 片組件的位移，進而引起電容位移傳感器電容的變化，電容位移傳感器對獲得的管狀質(zhì)量 塊的相對位移變化進行處理后得到電容變化值Λ C，電容位移傳感器再將電容變化值Λ C 輸送到PID控制器，經(jīng)PID控制器處理后將控制信號以電流的形式輸送給阻尼執(zhí)行器的阻 尼線圈，該電流與感應電流同向，使得阻尼線圈在永久磁鋼產(chǎn)生的磁場中受到與管狀質(zhì)量 塊運動方向相反的安培力的作用，該安培力即為主動阻尼力。該主動阻尼力用來抵消運動 載體震動干擾產(chǎn)生的干擾力，盡可能減小因干擾力引起測量彈簧伸長量的變化。與此同時， 檢測線圈也會受到與管狀質(zhì)量塊運動方向相反的安培力的作用，但是由于振動干擾源具有 幅度大(通常為所需測量重力加速度的幾萬倍甚至幾十萬倍)，周期短(相對于重力變化周 期而言）的特點，以船載動態(tài)重力儀為例，在風力為2-4級，浪高小于1米的情況下(一般海 況)，垂向擾動加速度可達到50-100伽；而在風力為4-7級，浪高小于5米時（惡劣海況)， 垂向擾動加速度竟達到200伽。在同等海況下，水平擾動加速度大小為以上各值的一半。而 重力儀的測量精度為1豪伽，分辨率為〇. 01豪伽，如果不采取適當?shù)拇胧┮种茢_動加速度， 則重力加速度異常信號會完全湮沒在干擾信號中，無法從檢測線圈測量的結果中提取有用 信號。因此，該裝置在原有重力儀的管狀質(zhì)量塊底部上增加一個阻尼線圈，使阻尼線圈產(chǎn)生 一個主動阻尼力來抑制擾動加速度，從而使該裝置能準確地測量重力加速度的變化值。
[0022] 當遇到運動載體的高頻振動干擾時，在高頻振動干擾傳遞至重力儀殼體之前必須 對其進行大幅度衰減，如不進行衰減，直接用主動阻尼機構進行阻尼會引起很大的誤差。該 裝置采用隔震機構對來自運動載體的高頻振動干擾傳遞至重力儀殼體前對其進行大幅度 衰減，由于隔震機構中的基座框架與陀螺穩(wěn)定平臺之間通過超長彈簧和阻尼器柔性連接， 超長彈簧具有低剛度特性，阻尼器兩側均裝有萬向節(jié)，萬向節(jié)可以改變阻尼器的方向，使陀 螺穩(wěn)定平臺既能獲得垂向阻尼，又能獲得水平向阻尼。由此可見，隔振機構的作用機理類 似于低通濾波器，基于超長彈簧的低剛度特性，該隔振機構的垂向固有頻率可做到不大于 5Hz ;基于擺的水平向低剛度特性，該被動隔振機構的水平向固有頻率可做到不大于2Hz。
【權利要求】
1. 一種用于動態(tài)重力儀的主動阻尼定位裝置，至少包括重力儀殼體（6)、永久磁鋼 (10) 、測量彈簧（14)、管狀質(zhì)量塊（1)、固定在管狀質(zhì)量塊（1)底部的檢測線圈（18)和電容 位移傳感器，其特征在于：還包括阻尼線圈（13)、控制阻尼線圈（13)的PID控制器（17)和 隔震機構，管狀質(zhì)量塊的底部設有一個環(huán)形的定位槽，阻尼線圈（13)固定于定位槽內(nèi)，阻尼 線圈（13)位于檢測線圈（18)-側且靠近檢測線圈（18)，PID控制器（17)位于重力儀殼體 (6)外圍，PID控制器（17)通過通信線路分別與電容位移傳感器和阻尼線圈（13)相連，阻尼 線圈（13)和永久磁鋼（10)構成阻尼執(zhí)行器，隔震機構包括陀螺穩(wěn)定平臺（11 )、第一超長彈 簧（9)、第二超長彈簧（9)和與運動載體剛性連接的基座框架（8)，重力儀殼體（6)固定安裝 在陀螺穩(wěn)定平臺（11)之上，重力儀殼體（6)位于基座框架內(nèi)，基座框架、重力儀殼體（6)堅 直方向的對稱軸與陀螺穩(wěn)定平臺（11)堅直方向的穩(wěn)定軸在同一條直線上，重力儀殼體（6) 堅直方向的對稱軸位于測量彈簧（14)的軸線上，陀螺穩(wěn)定平臺（11)的上表面與基座框架 (8)的頂部通過第一超長彈簧（9)、第二超長彈簧（9)柔性連接，第一超長彈簧（9)、第二超 長彈簧（9)的軸線均位于同一通過基座框架（8)堅直方向的對稱軸所在的平面內(nèi)，第一超 長彈簧（9)、第二超長彈簧（9)到基座框架（8)堅直方向的對稱軸的距離相等。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種用于動態(tài)重力儀的主動阻尼定位裝置，其特征在于：所 述隔震機構還包括第一阻尼器（12)和第二阻尼器（12)，第一阻尼器（12)、第二阻尼器（12) 對稱安裝于陀螺穩(wěn)定平臺（11)與基座框架（8)的底部之間，第一阻尼器（12)的上、下兩側 對稱設有第一萬向節(jié)（16)和第二萬向節(jié)（16)，第一萬向節(jié)（16)位于第一阻尼器（12)與陀 螺穩(wěn)定平臺之間，第二萬向節(jié)（16)位于第一阻尼器（12)與基座框架（8)的底部之間，第二 阻尼器（12)的上、下兩側對稱設有第三萬向節(jié)（16)和第四萬向節(jié)（16)，第三萬向節(jié)（16)位 于第二阻尼器（12)與陀螺穩(wěn)定平臺之間，第四萬向節(jié)（16)位于第二阻尼器（12)與基座框 架（8)的底部之間。
3. 根據(jù)權利要求1所述的用于動態(tài)重力儀的主動阻尼定位裝置，其特征在于：基座 框架和重力儀殼體（6)呈圓柱狀，基座框架（8)、重力儀殼體（6)的旋轉軸與陀螺穩(wěn)定平臺 (11) 堅直方向的穩(wěn)定軸在同一條直線上。
【文檔編號】G01V7/02GK104216024SQ201410511873
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月29日 優(yōu)先權日:2014年9月29日
【發(fā)明者】劉雷鈞, 何建剛 申請人:中國科學院測量與地球物理研究所