基于超磁致伸縮與石英擺線復合機理的隔微振裝置的制作方法

本發明基于超磁致伸縮與石英擺線復合機理的隔微振裝置屬于隔微振技術領域。

技術背景

在超精密測量儀器領域，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量靈敏度、重復性和測量不確定度的精密科學儀器，在各領域中的需求極大，但是在自然環境中即便是幅頻微小的振動都會干擾此類精密儀器的測量靈敏度、重復性和不確定度，即隨著儀器精度的日益提高，外部環境的振動噪聲對儀器精度的影響越來越大，在抑制超低頻的振動干擾信號方面，隔微振技術已經成為限制儀器精度進一步提升的瓶頸。在大科學工程中的若干系統，如引力波探測、暗物質探測、強磁場和脈沖星形成研究等均需要一個良好的低振動環境保障。其主要困難在于被測信號相對于環境振動噪聲顯得特別微弱，因此對環境振動的隔離提出了非常高的要求，特別是地面振動的影響。如果缺少超低頻隔振系統，引力波探測儀所接受到的有用信號將會被湮沒在噪聲當中，必須對地脈動噪聲進行有效的隔離。超低頻(0.1hz以下)隔微振技術成為以上領域的研究熱點和難點。

隨著超精密儀器對環境振動噪聲的抑制要求越來越高，單擺作為最簡單的水平隔振系統，增加擺長l可以增加系統的隔振性能，但是由于單擺的懸線具有一定的質量，在一定張力下如果受到橫向擾動，就會產生所謂的弦模共振。弦模共振限制了單擺的長度。為使其在低頻具有更好的隔振性能(tunableinversependulumvibrationisolationsystem.美國專利公開號：us7543791b2)。該方法將單擺與彈簧結合構成倒擺擺組件，對稱分布在方形隔振平臺的兩邊，結構簡單、工作可靠、不需要消耗外部能源提升了其隔振性能，該方法存在的問題在于：僅僅采用被動隔振系統，很難進一步提高低頻隔振性能。

在引力波探測中，單擺作為最簡單的水平隔振系統，是激光干涉引力波探測器(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，美國的advancedligo項目采用了四級復合擺隔振系統，參見文獻(advancedligo[j].classicalandquantumgravity)；意大利的virgo(臂長為3km的激光干涉儀引力波探測器)研制了9級復合擺隔振系統sa(super-attenuator)，參見文獻(firstresultsontheelectroniccoolingofthepisaseismicnoisesuper-attenuatorforgravitationalwavedetection)、(firstresultsfromthepisaseis-micnoisesuper-attenuatorforlowfrequencygravitationalwavedetection)。以上方法通過使用多級單擺串聯和主動隔振的原理，進一步提升了低頻隔振性能。然而，這些方法還存在以下問題：第一、致動器和傳感器設備在懸掛擺第一級和第二級單擺的測試質量上，很難對其底部測試質量(被隔振元件)進行快速有效緩沖隔振，且由于安裝多個傳感器和致動器，結構裝置復雜，對初步安裝調試依賴性很強。第二、在測試質量上放置傳感器，同時會引入了熱噪聲等一些低頻噪聲。

綜上所述，主動控制，提高系統集成度，并提高低頻振動隔振效果是本領域亟待解決的關鍵技術問題。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明公開了一種基于超磁致伸縮與石英擺線復合機理的隔微振裝置，核心包括兩級擺結構，集感知振動與補償振動于一身的復合擺絲，以及用于改變復合擺絲磁場環境的致動器，在本發明結構下，不僅能夠實現主動隔振的技術目的，而且具有系統簡化、高度集成的技術優勢，同時提高了對低頻振動的振動效果。

本發明的目的是這樣實現的：

基于超磁致伸縮與石英擺線復合機理的隔微振裝置，由第一級擺、第二級擺和致動器組成；

所述第一級擺由外部支撐結構、第一石英絲、第一測試質量和上連接件構成，外部支撐結構與上連接件之間通過第一石英絲連接，上連接件對稱分布在第一測試質量的兩邊；

所述第二級擺由第一測試質量、上連接件、復合擺絲、第二測試質量和下連接件構成，上連接件與下連接件之間通過復合擺絲連接，下連接件對稱分布在第二測試質量的兩邊，所述復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成；第二測試質量作為被隔振元件，復合擺絲用于感知外界振動，將振動信號傳遞給控制器。

所述致動器由上導磁體、永磁體、驅動線圈、骨架和下導磁體構成，所述骨架為中間具有通孔、剖面為“工”字形的結構，上導磁體位于骨架頂部，下導磁體位于骨架底部，驅動線圈嵌套在骨架的外環，驅動線圈的通入電流根據控制器得到的振動信號進行調整，為復合擺絲提供驅動磁場，永磁體嵌套在上導磁體、驅動線圈、骨架和下導磁體的外環，為復合擺絲提供偏置磁場；

第一級擺和第二級擺串聯，共用第一測試質量和上連接件；復合擺絲從致動器的中心穿過。

上述基于超磁致伸縮與石英擺線復合機理的隔微振裝置，所述的第一石英絲共有四根，每個上連接件通過兩根第一石英絲與外部支撐結構連接。

上述基于超磁致伸縮與石英擺線復合機理的隔微振裝置，所述的復合擺絲共有四根，每個下連接件通過兩根復合擺絲與上連接件連接。

有益效果：

第一、在復合擺絲中，由于在第二石英絲外圍設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，即在磁場作用下尺寸發生變化的效應，使復合擺絲集感知振動和補償振動于一身，在外界存在振動干擾時，通過改變驅動線圈的通入電流，改變超磁致伸縮材料涂層所處磁場，進而使超磁致伸縮材料涂層產生一個與外界振動方向相反的應變，補償外界振動，從而減小外界振動對系統的干擾，實現主動隔振的技術目的。

第二、在本發明基于超磁致伸縮與石英擺線復合機理的隔微振裝置中，由于集感知振動和補償振動于一身的復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，因此實現了系統簡化、集自傳感與主動致動的高度集成。

第三、在本發明基于超磁致伸縮與石英擺線復合機理的隔微振裝置中，由于傳感器和致動器不直接安裝在第一測試質量和第二測試質量上，因此能夠解決傳感器和致動器安裝在測試質量這種傳統結構下引入低頻噪聲的問題，通過減少噪聲源，使得本發明對于低頻振動具有更好的隔振效果。

附圖說明

圖1是本發明基于超磁致伸縮與石英擺線復合機理的隔微振裝置的結構示意圖。

圖2是致動器的結構以及與復合擺絲之間的位置關系圖。

圖中：1外部支撐結構、2第一石英絲、3第一測試質量、4上連接件、5復合擺絲、51第二石英絲、52超磁致伸縮材料涂層、6第二測試質量、7下連接件、8致動器、81上導磁體、82永磁體、83驅動線圈、84骨架、85下導磁體。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明具體實施方式作進一步詳細說明。

具體實施例一

本實施例的基于超磁致伸縮與石英擺線復合機理的隔微振裝置，結構示意圖如圖1所示。該基于超磁致伸縮與石英擺線復合機理的隔微振裝置由第一級擺、第二級擺和致動器8組成；

所述第一級擺由外部支撐結構1、第一石英絲2、第一測試質量3和上連接件4構成，外部支撐結構1與上連接件4之間通過第一石英絲2連接，上連接件4對稱分布在第一測試質量3的兩邊；

所述第二級擺由第一測試質量3、上連接件4、復合擺絲5、第二測試質量6和下連接件7構成，上連接件4與下連接件7之間通過復合擺絲5連接，下連接件7對稱分布在第二測試質量6的兩邊，所述復合擺絲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構成；第二測試質量6作為被隔振元件，復合擺絲5用于測量外界振動，將振動信號傳遞給控制器；

所述致動器8由上導磁體81、永磁體82、驅動線圈83、骨架84和下導磁體85構成，所述骨架84為中間具有通孔、剖面為“工”字形的結構，上導磁體81位于骨架84頂部，下導磁體85位于骨架84底部，驅動線圈83嵌套在骨架84的外環，驅動線圈83的通入電流根據控制器得到的振動信號進行調整，為復合擺絲5提供驅動磁場，永磁體82嵌套在上導磁體81、驅動線圈83、骨架84和下導磁體85的外環，為復合擺絲5提供偏置磁場；致動器8的結構以及與復合擺絲5之間的位置關系如圖2所示；

第一級擺和第二級擺串聯，共用第一測試質量3和上連接件4；復合擺絲5從致動器8的中心穿過。

在本實施例中，所述的第一石英絲2共有四根，每個上連接件4通過兩根第一石英絲2與外部支撐結構1連接；所述的復合擺絲5共有四根，每個下連接件7通過兩根復合擺絲5與上連接件4連接。

本發明基于超磁致伸縮與石英擺線復合機理的隔微振裝置的工作原理為：復合擺絲5感知外界振動，將振動信號傳遞給控制器，控制器根據采集到的振動信號，主動控制驅動線圈83的通入電流，改變超磁致伸縮材料涂層52周圍的驅動磁場，利用超磁致伸縮材料的超磁致伸縮效應，使復合擺絲5產生一個與外界振動方向相反的應變，從而減小外界振動對系統的干擾，實現主動隔振的技術目的。