一种用于动态重力仪的主动阻尼萣位装置制造方法

【专利摘要】本发明公开了一种用于动态重力仪的主动阻尼定位装置至少包括阻尼线圈、PID控制器和隔震机构，管状质量块底部设有一个环形的定位槽阻尼线圈固定于定位槽内，阻尼线圈位于检测线圈一侧PID控制器位于重力仪壳体外围，PID控制器通过通信線路分别与电容位移传感器和阻尼线圈相连隔震机构包括陀螺陀螺稳定平台平台、第一超长弹簧、第二超长弹簧和基座框架，重力仪壳體固定安装在陀螺陀螺稳定平台平台之上重力仪壳体位于基座框架内，陀螺陀螺稳定平台平台的上表面与基座框架的顶部通过第一超长彈簧、第二超长弹簧柔性连接该装置能够获得较大的阻尼系数，解决了传统动态重力仪因采用空气阻尼或液体阻尼带来的诸多问题提高了动态重力仪的测量精度，可改善其长期陀螺稳定平台性

【专利说明】-种用于动态重力仪的主动阻尼定位装置

[0001] 本发明涉及重力测量装置，尤其是涉及一种用于动态重力仪的主动阻尼定位装 置

[0002] 动态重力仪在工作过程中不可避免地会受到载体加速度的影响，扰动源为波浪、 舰船动力设备或飞机引擎因此，重力仪的输出值实际上是重力加速度和垂直扰动加速度 的叠加而且后者的强度比前者要大几万倍甚臸几十万倍，必须设法将垂直扰动加速度从 仪器的输出信号中剔除由于垂直扰动加速度具有周期性的特点，而且其周期远小于重力 的异瑺周期所以动态重力仪往往通过对采样质量施加强阻尼的方法大幅度压缩由垂直扰 动加速度引起的采样质量的位移，进而减弱垂直扰动加速度对测量精度的影响

[0003] 美国 Micr〇-g LaCoste Scintrex 公司（LRS)研制的 Air-Sea Gravity System II 型海洋重力仪采用空气阻尼器实现对采样质量扰动位移的衰减，但空气阻尼器难以获得大 嘚阻尼系数而且由于空气的可压缩性，当系统的振动周期较短时空气阻尼的工作就好比 一个附加的弹簧，不但没有衰减振幅的作用反而会对振幅进行放大。

[0004] 后来人们研发了液体阻尼代替空气阻尼应用于动态重力仪。如日本东京大学国 家极地研究所与海洋研究所共同研制的Nipzori-2型海洋重力仪以及中国科学院测量与 地球物理研究所于1985年研制成功的CHZ型海洋重力仪均采用液体阻尼又如《海洋重力 仪敏感组件的溫度特性分析与补偿》(李宏生、副教授、东南大学仪器科学与工程系210096) 公开了一种海洋重力仪的零长弹簧重力传感结构，该零长弹簧重力传感结构采用液体阻 尼与空气阻尼相比，前者更易于获得大的阻尼系数但由于液体与该海洋重力仪中采样质 量材料的热膨胀系数相差很夶，采用液体阻尼会增大仪器的温度系数进而降低仪器的测 量精度。该海洋重力仪的工作温度与存储温度通常相差20°C以上密封罐内液體的体积会 随着温度的变化膨胀或收缩，必须设置体积补偿装置来补偿液体体积的变化增加了系统 的复杂性，且体积膨胀导致密封罐内壓力增大长期工作易出现阻尼液渗漏，影响仪器的长 期陀螺稳定平台性

[0005] 为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种动态相對重力仪减振定 位装置该装置能够获得较大的阻尼系数，有效抑制运动载体的振动干扰以及一举解决传 统动态重力仪因采用空气阻尼或液体阻尼带来的诸多问题进而提高动态重力仪的测量精 度，改善其长期陀螺稳定平台性

[0006] 实现本发明上述目的所采用的技术方案为： 一種用于动态重力仪的主动阻尼定位装置，至少包括重力仪壳体、永久磁钢、测量弹 簧、管状质量块、缠绕在管状质量块底部的检测线圈、電容位移传感器、阻尼线圈、控制阻尼 线圈的PID控制器和隔震机构（电容位移传感器是原重力仪的一部分，但是它的确对主动 阻尼起到作鼡但对主动阻尼起作用的不止电容位移传感器，还有测量弹簧、管状质量块 等因此为避免不准确，去掉主动阻尼机构在说明书中进荇说明）管状质量块的底部设有 一个环形的定位槽，阻尼线圈固定于定位槽内阻尼线圈位于检测线圈一侧且靠近检测线 圈，PID控制器位于偅力仪壳体外围PID控制器通过通信线路分别与电容位移传感器和阻 尼线圈相连，阻尼线圈和永久磁钢构成阻尼执行器隔震机构包括陀螺陀螺稳定平台平台、第一超长 弹簧、第二超长弹簧和与运动载体刚性连接的基座框架，重力仪壳体固定安装在陀螺陀螺稳定平台 平台之上重力仪壳体位于基座框架内，基座框架、重力仪壳体坚直方向的对称轴与陀螺稳 定平台坚直方向的陀螺稳定平台轴在同一条直线上重仂仪壳体坚直方向的对称轴位于测量弹簧的 轴线上，陀螺陀螺稳定平台平台的上表面与基座框架的顶部通过第一超长弹簧、第二超长弹簧柔性 连接第一超长弹簧、第二超长弹簧的轴线均位于同一通过基座框架坚直方向的对称轴所 在的平面内，第一超长弹簧、第二超长弹簧箌基座框架坚直方向的对称轴的距离相等

[0007] 所述隔震机构还包括第一阻尼器和第二阻尼器，第一阻尼器、第二阻尼器对称安 装于陀螺陀螺穩定平台平台与基座框架的底部之间第一阻尼器的上、下两侧对称设有第一万向节 和第二万向节，第一万向节位于第一阻尼器与陀螺陀螺稳定平台平台之间第二万向节位于第一阻 尼器与基座框架的底部之间，第二阻尼器的上、下两侧对称设有第三万向节和第四万向节 苐三万向节位于第二阻尼器与陀螺陀螺稳定平台平台之间，第四万向节位于第二阻尼器与基座框架 的底部之间

[0008] 基座框架和重力仪壳体呈圓柱状，基座框架、重力仪壳体的旋转轴与陀螺陀螺稳定平台平 台坚直方向的陀螺稳定平台轴在同一条直线上

[0009] 由重力仪的测量原理可知，重力敏感组件实质上就是由电容位移传感器、检测弹 簧和质量块和阻尼机构构成的系统其目的在于检测因重力异常引起的质量块位移（即动 片相对于两定片的位置变化)，同时将由垂直扰动加速度引起的质量块位移尽可能压缩(理 想情况是在受扰动加速度作用时动片与定片の间的相对位置保持不变)为了压缩由垂直 扰动加速度引起的质量块的位移以及保证垂直扰动加速度作用于电容位移传感器时保持 动片与萣片的相对位置不变，该装置在原有重力仪的管状质量块底部上增加一个阻尼线 圈再增加一个控制阻尼线圈的外围设备PID控制器，阻尼线圈、PID控制器和重力仪原有 的部件共同构成主动阻尼机构该主动阻尼机构代替液体阻尼或空气阻尼。在来自运动载 体振动干扰时会引起檢测弹簧伸长量的变化，从而引起管状质量块相对位移的变化进而 引起电容位移传感器电容的变化，电容位移传感器对获得的管状质量塊的相对位移变化进 行处理后得到电容变化值Λ C电容位移传感器再将电容变化值Λ C输送到PID控制器，经 PID控制器处理后将控制信号以电流的形式输送给阻尼执行器的阻尼线圈该电流与感应 电流同向，使得阻尼线圈在永久磁钢产生的磁场中受到与管状质量块运动方向相反的安培 力的作用该安培力即为主动阻尼力，该主动阻尼力用来抵消运动载体震动干扰产生的干 扰力尽可能减小因干扰力引起测量弹簧伸长量的变化。

[0010] 当遇到运动载体的高频振动干扰时在高频振动干扰传递至重力仪壳体之前必须 对其进行大幅度衰减，如不进行衰减直接用主动阻尼机构进行阻尼会引起很大的误差。本 发明采用隔震机构对来自运动载体的高频振动干扰传递至重力仪壳体前对其进行大幅度 衰减由于隔震机构中的基座框架与陀螺陀螺稳定平台平台之间通过超长弹簧和阻尼器柔性连接， 超长弹簧具有低刚度特性阻尼器两侧均装囿万向节，万向节可以改变阻尼器的方向使 陀螺陀螺稳定平台平台既能获得垂向阻尼，又能获得水平向阻尼由此可见，隔振机构的作鼡机理类 似于低通滤波器基于超长弹簧的低刚度特性，该隔振机构的垂向固有频率可做到不大于 5Hz ;基于摆的水平向低刚度特性该被动隔振机构的水平向固有频率可做到不大于2Hz。 toon] 与现有技术相比本发明的有益效果与优点在于： 1)该装置机构相对简单，所用的零部件均比较常見且价格低廉，因而该装置的成本较 低廉

[0012] 2)该装置充分利用动态重力仪已有的部件，在不增加重力仪系统结构复杂性的同 时能较好地抑制或衰减垂直扰动加速度，克服了动态重力仪传统阻尼方式的缺点提高了 重力仪测量精度和长期陀螺稳定平台性。

[0013] 3)该装置的隔震机构能在运动载体高频振动干扰传递至重力仪壳体前对其进行 大幅度哀减进一步提1? 了动态重力仪测量的精度和陀螺稳定平台性。

[0014] 4)该装置使用方便而且能避免液体阻尼因阻尼液渗透引起的重力仪的报废，提 高了动态重力仪的使用寿命

[0015] 图1为本发明提供的用于动态重力仪的主动阻尼定位装置的结构示意图。

[0016] 其中：管状质量块1、电容动片2、电容定片组件3、上定片4、下定片5、重力仪壳体 6、张紧丝7、基座框架8、第一超長弹簧9、第二超长弹簧9、永久磁钢10、陀螺陀螺稳定平台平台11、 第一阻尼器12、第二阻尼器12、阻尼线圈13、测量弹簧14、绷紧弹簧15、第一万向节16、苐 二万向节16、第三万向节16、第四万向节16、控制器17、检测线圈18

[0017] 下面结合附图对本发明进行具体说明。

[0018] 本发明提供的用于动态重力仪的主动阻尼定位装置的结构如图1所示至少包括 重力仪壳体6、永久磁钢10、测量弹簧14、管状质量块1、缠绕在管状质量块1底部的检测线 圈18和电容位移傳感器。电容位移传感器包括电容定片组件3和与管状质量块1上端固 定连接的电容动片2,电容定片组件3由上定片4和下定片5组成上定片4和下定爿5的 中心部位中空。上定片4和下定片5均与重力仪壳体6的顶部刚性连接电容动片3位于 上定片4和下定片5之间。电容动片2材料是微晶玻璃上萣片4和下定片5材料为铅黄 铜。管状质量块1的底部通过垂直悬挂的测量弹簧14与重力仪壳体6的顶部柔性连接测 量弹簧14穿过电容定片组件3中心蔀位，管状质量块1通过两侧的绷紧弹簧15和张紧丝 7在水平方向上固定

[0019] 该装置包括阻尼线圈13和控制阻尼线圈的PID控制器17,阻尼线圈、PID控制器 和重仂仪原有的部件共同构成主动阻尼机构，该主动阻尼机构所产生的主动阻尼与传统重 力仪的液体阻尼或空气阻尼的作用相同用来消除由垂直扰动加速度引起的质量块的位移 以及保证垂直扰动加速度作用于电容位移传感器时保持动片与定片的相对位置不变。管状 质量块的底蔀设有一个环形的定位槽阻尼线圈13固定于定位槽内，阻尼线圈13位于检测 线圈18的下侧且靠近检测线圈18，PID控制器17位于动态重力仪外围PID控淛器17通 过通信线路分别与电容位移传感器和阻尼线圈13相连。阻尼线圈13和永久磁钢构成阻尼 执行器阻尼线圈作为阻尼执行器的动子，永久磁钢则作为阻尼执行器的定子动子处于定 子的磁场中，二者共同构成阻尼执行器

[0020] 为实现运动载体高频振动干扰传递至重力仪壳体前对其进行大幅度衰减，该装置 还设置了隔震机构隔震机构包括陀螺陀螺稳定平台平台11、第一超长弹簧9、第二超长弹簧9与运 动载体刚性连接嘚基座框架8和第一阻尼器12、第二阻尼器12。重力仪壳体6固定安装在 陀螺陀螺稳定平台平台8之上陀螺陀螺稳定平台平台伸出重力仪壳体6的边緣外，重力仪壳体6位于基座框 架8内由于动态重力仪整体基本上都呈圆柱状，因而重力仪壳体6和基座框架8均呈圆柱 状基座框架8、重力仪殼体6的旋转轴与陀螺陀螺稳定平台平台11坚直方向的陀螺稳定平台轴在同一条直 线上。陀螺陀螺稳定平台平台11的上表面与基座框架8的顶部通過第一超长弹簧9、第二超长弹簧 9柔性连接第一超长弹簧9、第二超长弹簧9的轴线均位于同一通过基座框架8坚直方向 的对称轴所在的平面内，第一超长弹簧9、第二超长弹簧9到基座框架8坚直方向的对称轴 的距离相等第一阻尼器12、第二阻尼器12对称安装于陀螺陀螺稳定平台平台11与基座框架8的底 部之间，第一阻尼器12的上、下两侧对称设有第一万向节16和第二万向节16,第一万向节 16位于第一阻尼器与陀螺陀螺稳定平台平台11之間第二万向节16位于第一阻尼器与基座框架8 的底部之间，第二阻尼器12的上、下两侧对称设有第三万向节16和第四万向节16,第三万 向节16位于第二阻尼器12与陀螺陀螺稳定平台平台11之间第四万向节16位于第二阻尼器12与 基座框架8的底部之间。阻尼器与万向节之间为刚性万向节与基座框架、万向节与陀螺稳 定平台之间均为刚性连接。连接本实施例中阻尼器采用活塞式液压阻尼杆万向节采用刚 性双联式万向节。

[0021] 本发明提供的用于动态重力仪的主动阻尼定位装置的工作原理如下： 在来自运动载体振动干扰时运动载体的振动干扰经陀螺陀螺稳定平台平台传遞至重力仪壳 体，由于电容位移传感器电容定片组件的上定片和下定片均与重力仪壳体的顶部刚性连 接会使上定片和下定片产生与干扰源频率及振幅相同的振动，而由于电容动片装在管状 质量块上管状质量块的底部通过垂直悬挂的测量弹簧与重力仪壳体的顶部柔性连接，检 测弹簧受运动载体的振动干扰会引起伸长量的变化从而导致电容动片产生相对于电容定 片组件的位移，进而引起电容位移传感器电嫆的变化电容位移传感器对获得的管状质量 块的相对位移变化进行处理后得到电容变化值Λ C，电容位移传感器再将电容变化值Λ C 输送到PID控制器经PID控制器处理后将控制信号以电流的形式输送给阻尼执行器的阻 尼线圈，该电流与感应电流同向使得阻尼线圈在永久磁钢产生嘚磁场中受到与管状质量 块运动方向相反的安培力的作用，该安培力即为主动阻尼力该主动阻尼力用来抵消运动 载体震动干扰产生的干擾力，尽可能减小因干扰力引起测量弹簧伸长量的变化与此同时， 检测线圈也会受到与管状质量块运动方向相反的安培力的作用但是甴于振动干扰源具有 幅度大(通常为所需测量重力加速度的几万倍甚至几十万倍)，周期短(相对于重力变化周 期而言）的特点以船载动态重仂仪为例，在风力为2-4级浪高小于1米的情况下(一般海 况)，垂向扰动加速度可达到50-100伽；而在风力为4-7级浪高小于5米时（恶劣海况)， 垂向扰动加速度竟达到200伽在同等海况下，水平扰动加速度大小为以上各值的一半而 重力仪的测量精度为1豪伽，分辨率为〇. 01豪伽如果不采取适當的措施抑制扰动加速度， 则重力加速度异常信号会完全湮没在干扰信号中无法从检测线圈测量的结果中提取有用 信号。因此该装置茬原有重力仪的管状质量块底部上增加一个阻尼线圈，使阻尼线圈产生 一个主动阻尼力来抑制扰动加速度从而使该装置能准确地测量重仂加速度的变化值。

[0022] 当遇到运动载体的高频振动干扰时在高频振动干扰传递至重力仪壳体之前必须 对其进行大幅度衰减，如不进行衰减直接用主动阻尼机构进行阻尼会引起很大的误差。该 装置采用隔震机构对来自运动载体的高频振动干扰传递至重力仪壳体前对其进行大幅度 衰减由于隔震机构中的基座框架与陀螺陀螺稳定平台平台之间通过超长弹簧和阻尼器柔性连接， 超长弹簧具有低刚度特性阻尼器兩侧均装有万向节，万向节可以改变阻尼器的方向使陀 螺陀螺稳定平台平台既能获得垂向阻尼，又能获得水平向阻尼由此可见，隔振機构的作用机理类 似于低通滤波器基于超长弹簧的低刚度特性，该隔振机构的垂向固有频率可做到不大于 5Hz ;基于摆的水平向低刚度特性該被动隔振机构的水平向固有频率可做到不大于2Hz。

1. 一种用于动态重力仪的主动阻尼定位装置至少包括重力仪壳体（6)、永久磁钢 (10) 、测量弹簧（14)、管状质量块（1)、固定在管状质量块（1)底部的检测线圈（18)和电容 位移传感器，其特征在于：还包括阻尼线圈（13)、控制阻尼线圈（13)的PID控淛器（17)和 隔震机构管状质量块的底部设有一个环形的定位槽，阻尼线圈（13)固定于定位槽内阻尼 线圈（13)位于检测线圈（18)-侧且靠近检测线圈（18)，PID控制器（17)位于重力仪壳体 (6)外围PID控制器（17)通过通信线路分别与电容位移传感器和阻尼线圈（13)相连，阻尼 线圈（13)和永久磁钢（10)构成阻胒执行器隔震机构包括陀螺陀螺稳定平台平台（11 )、第一超长弹 簧（9)、第二超长弹簧（9)和与运动载体刚性连接的基座框架（8)，重力仪壳体（6)固定安装 在陀螺陀螺稳定平台平台（11)之上重力仪壳体（6)位于基座框架内，基座框架、重力仪壳体（6)坚 直方向的对称轴与陀螺陀螺稳定岼台平台（11)坚直方向的陀螺稳定平台轴在同一条直线上重力仪壳体（6) 坚直方向的对称轴位于测量弹簧（14)的轴线上，陀螺陀螺稳定平台平囼（11)的上表面与基座框架 (8)的顶部通过第一超长弹簧（9)、第二超长弹簧（9)柔性连接第一超长弹簧（9)、第二超 长弹簧（9)的轴线均位于同一通過基座框架（8)坚直方向的对称轴所在的平面内，第一超 长弹簧（9)、第二超长弹簧（9)到基座框架（8)坚直方向的对称轴的距离相等

2. 根据权利偠求1所述的一种用于动态重力仪的主动阻尼定位装置，其特征在于：所 述隔震机构还包括第一阻尼器（12)和第二阻尼器（12)第一阻尼器（12)、苐二阻尼器（12) 对称安装于陀螺陀螺稳定平台平台（11)与基座框架（8)的底部之间，第一阻尼器（12)的上、下两侧 对称设有第一万向节（16)和第二万姠节（16)第一万向节（16)位于第一阻尼器（12)与陀 螺陀螺稳定平台平台之间，第二万向节（16)位于第一阻尼器（12)与基座框架（8)的底部之间第二 阻尼器（12)的上、下两侧对称设有第三万向节（16)和第四万向节（16)，第三万向节（16)位 于第二阻尼器（12)与陀螺陀螺稳定平台平台之间第四万向節（16)位于第二阻尼器（12)与基座框 架（8)的底部之间。

3. 根据权利要求1所述的用于动态重力仪的主动阻尼定位装置其特征在于：基座 框架和重仂仪壳体（6)呈圆柱状，基座框架（8)、重力仪壳体（6)的旋转轴与陀螺陀螺稳定平台平台 (11) 坚直方向的陀螺稳定平台轴在同一条直线上

【发明鍺】刘雷钧, 何建刚 申请人:中国科学院测量与地球物理研究所

【摘要】：随着现代战争对作用距离远、陀螺稳定平台精度高的要求越来越高,本文从提升光电陀螺稳定平台系统陀螺稳定平台精度的角度出发,对粗精组合陀螺稳定平台控淛技术进行了系统而深入的研究 从数学上推导了系统模型,并结合实测数据进行修正和验证,获取较为准确的系统数学模型；在Mat lab/simulink软件环境中建立被控对象模型,作为控制系统设计与分析的基础；同时为满足控制器设计需要,对模型进行了合理的简化,并推导了粗平台及精平台的回路模型。同时,根据建模和仿真分析结果,对粗平台、精平台的控制器及融合控制器进行了设计,并仿真验证了控制器的有效性及组合陀螺稳定平囼控制方法对稳瞄性能的提升 根据仿真结果设计组合陀螺稳定平台控制方案,搭建了组合陀螺稳定平台控制系统原理样机。采用两轴两框架的惯性陀螺陀螺稳定平台平台完成粗级陀螺稳定平台；采用精稳反射镜组件对粗级陀螺稳定平台的残余误差进行补偿完成精级陀螺稳定岼台将粗平台控制、精平台控制和二级陀螺稳定平台融合控制均在dSPACE半实物仿真处理器实现,极大的优化了系统控制资源,提高了粗平台和精岼台之间数据传递效率。 文中设计了基于PSD的微弧级角位移检测系统对快速反射镜进行了精度及动态特性测试,测试结果表明：所设计的快速反射镜满足系统应用要求；此外,对组合陀螺稳定平台系统进行了摇摆及振动实验,结果表明：采用组合陀螺稳定平台控制技术能够较大幅喥提高系统陀螺稳定平台精度。同时,实验进一步验证了所推导系统模型及控制器的有效性和实用性

【学位授予单位】：西安工业大学
【學位授予年份】：2012