本發(fā)明基于超磁致伸縮與石英擺線復(fù)合機(jī)理的隔微振裝置屬于隔微振技術(shù)領(lǐng)域。

技術(shù)背景

在超精密測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域，如掃描探針顯微鏡(spm)、原子力顯微鏡(afm)、全息干涉儀和共焦顯微鏡等具有高測(cè)量靈敏度、重復(fù)性和測(cè)量不確定度的精密科學(xué)儀器，在各領(lǐng)域中的需求極大，但是在自然環(huán)境中即便是幅頻微小的振動(dòng)都會(huì)干擾此類(lèi)精密儀器的測(cè)量靈敏度、重復(fù)性和不確定度，即隨著儀器精度的日益提高，外部環(huán)境的振動(dòng)噪聲對(duì)儀器精度的影響越來(lái)越大，在抑制超低頻的振動(dòng)干擾信號(hào)方面，隔微振技術(shù)已經(jīng)成為限制儀器精度進(jìn)一步提升的瓶頸。在大科學(xué)工程中的若干系統(tǒng)，如引力波探測(cè)、暗物質(zhì)探測(cè)、強(qiáng)磁場(chǎng)和脈沖星形成研究等均需要一個(gè)良好的低振動(dòng)環(huán)境保障。其主要困難在于被測(cè)信號(hào)相對(duì)于環(huán)境振動(dòng)噪聲顯得特別微弱，因此對(duì)環(huán)境振動(dòng)的隔離提出了非常高的要求，特別是地面振動(dòng)的影響。如果缺少超低頻隔振系統(tǒng)，引力波探測(cè)儀所接受到的有用信號(hào)將會(huì)被湮沒(méi)在噪聲當(dāng)中，必須對(duì)地脈動(dòng)噪聲進(jìn)行有效的隔離。超低頻(0.1hz以下)隔微振技術(shù)成為以上領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

隨著超精密儀器對(duì)環(huán)境振動(dòng)噪聲的抑制要求越來(lái)越高，單擺作為最簡(jiǎn)單的水平隔振系統(tǒng)，增加擺長(zhǎng)l可以增加系統(tǒng)的隔振性能，但是由于單擺的懸線具有一定的質(zhì)量，在一定張力下如果受到橫向擾動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生所謂的弦模共振。弦模共振限制了單擺的長(zhǎng)度。為使其在低頻具有更好的隔振性能(tunableinversependulumvibrationisolationsystem.美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)：us7543791b2)。該方法將單擺與彈簧結(jié)合構(gòu)成倒擺擺組件，對(duì)稱(chēng)分布在方形隔振平臺(tái)的兩邊，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、不需要消耗外部能源提升了其隔振性能，該方法存在的問(wèn)題在于：僅僅采用被動(dòng)隔振系統(tǒng)，很難進(jìn)一步提高低頻隔振性能。

在引力波探測(cè)中，單擺作為最簡(jiǎn)單的水平隔振系統(tǒng)，是激光干涉引力波探測(cè)器(ligo)中不可缺少的部分。為使其在超低頻(0.1hz以下)方面具有更好的隔振性能，美國(guó)的advancedligo項(xiàng)目采用了四級(jí)復(fù)合擺隔振系統(tǒng)，參見(jiàn)文獻(xiàn)(advancedligo[j].classicalandquantumgravity)；意大利的virgo(臂長(zhǎng)為3km的激光干涉儀引力波探測(cè)器)研制了9級(jí)復(fù)合擺隔振系統(tǒng)sa(super-attenuator)，參見(jiàn)文獻(xiàn)(firstresultsontheelectroniccoolingofthepisaseismicnoisesuper-attenuatorforgravitationalwavedetection)、(firstresultsfromthepisaseis-micnoisesuper-attenuatorforlowfrequencygravitationalwavedetection)。以上方法通過(guò)使用多級(jí)單擺串聯(lián)和主動(dòng)隔振的原理，進(jìn)一步提升了低頻隔振性能。然而，這些方法還存在以下問(wèn)題：第一、致動(dòng)器和傳感器設(shè)備在懸掛擺第一級(jí)和第二級(jí)單擺的測(cè)試質(zhì)量上，很難對(duì)其底部測(cè)試質(zhì)量(被隔振元件)進(jìn)行快速有效緩沖隔振，且由于安裝多個(gè)傳感器和致動(dòng)器，結(jié)構(gòu)裝置復(fù)雜，對(duì)初步安裝調(diào)試依賴(lài)性很強(qiáng)。第二、在測(cè)試質(zhì)量上放置傳感器，同時(shí)會(huì)引入了熱噪聲等一些低頻噪聲。

綜上所述，主動(dòng)控制，提高系統(tǒng)集成度，并提高低頻振動(dòng)隔振效果是本領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)了一種基于超磁致伸縮與石英擺線復(fù)合機(jī)理的隔微振裝置，核心包括兩級(jí)擺結(jié)構(gòu)，集感知振動(dòng)與補(bǔ)償振動(dòng)于一身的復(fù)合擺絲，以及用于改變復(fù)合擺絲磁場(chǎng)環(huán)境的致動(dòng)器，在本發(fā)明結(jié)構(gòu)下，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)主動(dòng)隔振的技術(shù)目的，而且具有系統(tǒng)簡(jiǎn)化、高度集成的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)提高了對(duì)低頻振動(dòng)的振動(dòng)效果。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

基于超磁致伸縮與石英擺線復(fù)合機(jī)理的隔微振裝置，由第一級(jí)擺、第二級(jí)擺和致動(dòng)器組成；

所述第一級(jí)擺由外部支撐結(jié)構(gòu)、第一石英絲、第一測(cè)試質(zhì)量和上連接件構(gòu)成，外部支撐結(jié)構(gòu)與上連接件之間通過(guò)第一石英絲連接，上連接件對(duì)稱(chēng)分布在第一測(cè)試質(zhì)量的兩邊；

所述第二級(jí)擺由第一測(cè)試質(zhì)量、上連接件、復(fù)合擺絲、第二測(cè)試質(zhì)量和下連接件構(gòu)成，上連接件與下連接件之間通過(guò)復(fù)合擺絲連接，下連接件對(duì)稱(chēng)分布在第二測(cè)試質(zhì)量的兩邊，所述復(fù)合擺絲由第二石英絲和涂敷在第二石英絲外圍的超磁致伸縮材料涂層構(gòu)成；第二測(cè)試質(zhì)量作為被隔振元件，復(fù)合擺絲用于感知外界振動(dòng)，將振動(dòng)信號(hào)傳遞給控制器。

所述致動(dòng)器由上導(dǎo)磁體、永磁體、驅(qū)動(dòng)線圈、骨架和下導(dǎo)磁體構(gòu)成，所述骨架為中間具有通孔、剖面為“工”字形的結(jié)構(gòu)，上導(dǎo)磁體位于骨架頂部，下導(dǎo)磁體位于骨架底部，驅(qū)動(dòng)線圈嵌套在骨架的外環(huán)，驅(qū)動(dòng)線圈的通入電流根據(jù)控制器得到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，為復(fù)合擺絲提供驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)，永磁體嵌套在上導(dǎo)磁體、驅(qū)動(dòng)線圈、骨架和下導(dǎo)磁體的外環(huán)，為復(fù)合擺絲提供偏置磁場(chǎng)；

第一級(jí)擺和第二級(jí)擺串聯(lián)，共用第一測(cè)試質(zhì)量和上連接件；復(fù)合擺絲從致動(dòng)器的中心穿過(guò)。

上述基于超磁致伸縮與石英擺線復(fù)合機(jī)理的隔微振裝置，所述的第一石英絲共有四根，每個(gè)上連接件通過(guò)兩根第一石英絲與外部支撐結(jié)構(gòu)連接。

上述基于超磁致伸縮與石英擺線復(fù)合機(jī)理的隔微振裝置，所述的復(fù)合擺絲共有四根，每個(gè)下連接件通過(guò)兩根復(fù)合擺絲與上連接件連接。

有益效果：

第一、在復(fù)合擺絲中，由于在第二石英絲外圍設(shè)置有超磁致伸縮材料涂層，利用超磁致伸縮材料的超磁致伸縮效應(yīng)，即在磁場(chǎng)作用下尺寸發(fā)生變化的效應(yīng)，使復(fù)合擺絲集感知振動(dòng)和補(bǔ)償振動(dòng)于一身，在外界存在振動(dòng)干擾時(shí)，通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)線圈的通入電流，改變超磁致伸縮材料涂層所處磁場(chǎng)，進(jìn)而使超磁致伸縮材料涂層產(chǎn)生一個(gè)與外界振動(dòng)方向相反的應(yīng)變，補(bǔ)償外界振動(dòng)，從而減小外界振動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的干擾，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)隔振的技術(shù)目的。

第二、在本發(fā)明基于超磁致伸縮與石英擺線復(fù)合機(jī)理的隔微振裝置中，由于集感知振動(dòng)和補(bǔ)償振動(dòng)于一身的復(fù)合擺絲僅包括第二石英絲和涂敷在第二石英絲外圍的超磁致伸縮材料涂層，因此實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)簡(jiǎn)化、集自傳感與主動(dòng)致動(dòng)的高度集成。

第三、在本發(fā)明基于超磁致伸縮與石英擺線復(fù)合機(jī)理的隔微振裝置中，由于傳感器和致動(dòng)器不直接安裝在第一測(cè)試質(zhì)量和第二測(cè)試質(zhì)量上，因此能夠解決傳感器和致動(dòng)器安裝在測(cè)試質(zhì)量這種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)下引入低頻噪聲的問(wèn)題，通過(guò)減少噪聲源，使得本發(fā)明對(duì)于低頻振動(dòng)具有更好的隔振效果。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明基于超磁致伸縮與石英擺線復(fù)合機(jī)理的隔微振裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是致動(dòng)器的結(jié)構(gòu)以及與復(fù)合擺絲之間的位置關(guān)系圖。

圖中：1外部支撐結(jié)構(gòu)、2第一石英絲、3第一測(cè)試質(zhì)量、4上連接件、5復(fù)合擺絲、51第二石英絲、52超磁致伸縮材料涂層、6第二測(cè)試質(zhì)量、7下連接件、8致動(dòng)器、81上導(dǎo)磁體、82永磁體、83驅(qū)動(dòng)線圈、84骨架、85下導(dǎo)磁體。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

具體實(shí)施例一

本實(shí)施例的基于超磁致伸縮與石英擺線復(fù)合機(jī)理的隔微振裝置，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該基于超磁致伸縮與石英擺線復(fù)合機(jī)理的隔微振裝置由第一級(jí)擺、第二級(jí)擺和致動(dòng)器8組成；

所述第一級(jí)擺由外部支撐結(jié)構(gòu)1、第一石英絲2、第一測(cè)試質(zhì)量3和上連接件4構(gòu)成，外部支撐結(jié)構(gòu)1與上連接件4之間通過(guò)第一石英絲2連接，上連接件4對(duì)稱(chēng)分布在第一測(cè)試質(zhì)量3的兩邊；

所述第二級(jí)擺由第一測(cè)試質(zhì)量3、上連接件4、復(fù)合擺絲5、第二測(cè)試質(zhì)量6和下連接件7構(gòu)成，上連接件4與下連接件7之間通過(guò)復(fù)合擺絲5連接，下連接件7對(duì)稱(chēng)分布在第二測(cè)試質(zhì)量6的兩邊，所述復(fù)合擺絲5由第二石英絲51和涂敷在第二石英絲51外圍的超磁致伸縮材料涂層52構(gòu)成；第二測(cè)試質(zhì)量6作為被隔振元件，復(fù)合擺絲5用于測(cè)量外界振動(dòng)，將振動(dòng)信號(hào)傳遞給控制器；

所述致動(dòng)器8由上導(dǎo)磁體81、永磁體82、驅(qū)動(dòng)線圈83、骨架84和下導(dǎo)磁體85構(gòu)成，所述骨架84為中間具有通孔、剖面為“工”字形的結(jié)構(gòu)，上導(dǎo)磁體81位于骨架84頂部，下導(dǎo)磁體85位于骨架84底部，驅(qū)動(dòng)線圈83嵌套在骨架84的外環(huán)，驅(qū)動(dòng)線圈83的通入電流根據(jù)控制器得到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，為復(fù)合擺絲5提供驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)，永磁體82嵌套在上導(dǎo)磁體81、驅(qū)動(dòng)線圈83、骨架84和下導(dǎo)磁體85的外環(huán)，為復(fù)合擺絲5提供偏置磁場(chǎng)；致動(dòng)器8的結(jié)構(gòu)以及與復(fù)合擺絲5之間的位置關(guān)系如圖2所示；

第一級(jí)擺和第二級(jí)擺串聯(lián)，共用第一測(cè)試質(zhì)量3和上連接件4；復(fù)合擺絲5從致動(dòng)器8的中心穿過(guò)。

在本實(shí)施例中，所述的第一石英絲2共有四根，每個(gè)上連接件4通過(guò)兩根第一石英絲2與外部支撐結(jié)構(gòu)1連接；所述的復(fù)合擺絲5共有四根，每個(gè)下連接件7通過(guò)兩根復(fù)合擺絲5與上連接件4連接。

本發(fā)明基于超磁致伸縮與石英擺線復(fù)合機(jī)理的隔微振裝置的工作原理為：復(fù)合擺絲5感知外界振動(dòng)，將振動(dòng)信號(hào)傳遞給控制器，控制器根據(jù)采集到的振動(dòng)信號(hào)，主動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)線圈83的通入電流，改變超磁致伸縮材料涂層52周?chē)尿?qū)動(dòng)磁場(chǎng)，利用超磁致伸縮材料的超磁致伸縮效應(yīng)，使復(fù)合擺絲5產(chǎn)生一個(gè)與外界振動(dòng)方向相反的應(yīng)變，從而減小外界振動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的干擾，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)隔振的技術(shù)目的。