应变片与压电陶瓷结合的磁噪声抑制主动隔振装置

本发明属于隔微振技术领域，主要涉及一种应变片与压电陶瓷结合的磁噪声抑制主动隔振装置。

背景技术：

空间引力波探测中，惯性传感器检验质量探头的残余加速度在1mhz～0.1hz频段达，需达到10^-15m/s²/hz^1/2量级的超高精度要求；然而研究表明，卫星自身导磁材料、星际磁场环境、星载设备等产生的复杂组合磁场都会对惯性传感器的测量精度产生影响；在地面对星载惯性传感器进行零磁标定，能极高程度的提高其测量使用过程中的精度水平；因此，需要一个没有磁噪声干扰的密闭空间，来实现星载超高灵敏度惯性传感器的地面标定；通常情况下，近零磁环境一般是由坡莫合金材料构成的多层屏蔽墙组成；磁屏蔽室内部为一个屋子大小的密闭空间，由高导磁材料的坡莫合金外墙和退磁线圈结合进而实现对外界磁场的屏蔽；相较于内部空间的大小而言，坡莫合金外墙的厚度非常薄，外界环境的振动非常容易导致坡莫合金外墙的轻微形变；然而这种轻微的形变会引起内部空间产生一定程度的磁场波动，其大小约为1.5pt/mm，这样的磁场波动对星载惯性传感器的标定而言影响巨大不能忽视；故而采取一定的措施对坡莫合金屏蔽墙振动形变进行抑制是极有必要的；

能够引起磁屏蔽室外墙轻微振动形变的干扰源主要为：实验室内部噪音、地基带来的大地振动、实验室人员走动时引起的地面随机振动、实验室环境随机振动等；德国联邦物理技术研究院的相关研究表明，虽然磁屏蔽室都进行了一定程度的大地微振隔离，但还有些微米级的残余振动没有办法被避免；同时，这些微米量级的残余振动会在磁屏蔽室内部空间内产生较强的磁噪声。同时，研究指出这些磁噪声对弱磁场的测量及超灵敏传感器的标定实验影响巨大。

日本的研究人员通过超导量子磁力仪来测量磁屏蔽室内部噪声大小，同时将振动噪声分为地基带入的机械噪声及声压引起的振动噪声；日本的研究人员通过测量磁屏蔽室外，研究人员走路时引起的振动和磁屏蔽室内部的磁噪声指出，当研究人员走路时引发的振动与磁屏蔽室内部磁噪声大小成正比。

由上述分析可知，引起磁屏蔽室屏蔽墙微振动的会引起磁屏蔽室内部磁噪声的畸变，为后续科研工作的进展带来干扰；对于由地基引入的微弱振动可以通过改进地基及底部隔振平台的优化来进行振动抑制，但对于环境中随机振动及噪声的声压引起的振动目前没有有效的手段来进行振动隔绝；故而需要寻找一种新的振动抑制的方法来消除振动引起的屏蔽墙微形变，进而降低磁屏蔽室内部由微形变引起的磁噪声。

技术实现要素：

本发明针对星载惯性传感器地面测试过程中由于微振动引起的近零磁环境中磁噪声，设计了一种基于压电陶瓷的主动隔微振装置，以减小星载惯性传感器测试过程中外界环境带来的干扰，该装置具体实现过程如下所述：

由于引力波探测过程中对星载惯性传感器受磁噪声影响严重，需要进行地面标定；标定过程在地面进行，需要一个近零磁的空间环境，这个近零磁的空间环境一般由磁屏蔽室提供；目前最为常见的磁屏蔽是由具有高导磁特性的坡莫合金材料薄板拼接的屏蔽墙组成，其内部为一个屋子大小的立方体空间；构成磁屏蔽室的坡莫合金薄板受振动影响会产生微弱的形变，这种形变会引起磁屏蔽室内部磁场的畸变，导致星载惯性传感器的标定结果产生严重偏差；因此本发明装置采用主动隔振的思路，利用压电陶瓷制动器抑制磁屏蔽室墙面的微振动，达到抑制磁噪声的目的，具体实施步骤如下：

为了合理的在磁屏蔽墙面上分布应变片故而将磁屏蔽室的最内层分为等面积的九片区域，在每片区域内合理分布四个应变片，用来测量环境微振对磁屏蔽墙产生的轻微形变量大小；将应变片需粘贴固定在最内层屏蔽墙面的外侧，这样一来测量电路电流所生成的电磁场可以由屏蔽室的主动退磁线圈以及坡莫合金屏蔽墙体进行屏蔽，测量电路产生的电磁场就不会影响到屏蔽室内部的弱磁环境了；同时，采用半桥式测量电路来增强应变片探测形变量的灵敏度，降低应变片测量过程中的非线性，通过信号采集和信号转换电路将测得的电压信号进行放大后转换成电流信号送到控制器；控制器对信号进行处理，并将处理后的信号送到压电陶瓷致动器，驱动压电陶瓷致动器动作，抑制磁屏蔽室墙面的振动，达到减小磁噪声的目的；压电陶瓷致动器是利用压电陶瓷所具有的施加电压发生变形(伸长、收缩)的特性，对磁屏蔽室墙面产生的变形施加一个反方向的作用力，抑制其振动，进而降低屏蔽室内部的磁噪声。

与现有技术相比，本发明的特点是：

磁屏蔽室的传统隔振方法为在将在地基上建立大型隔振装置或者直接在地基上考虑添加隔振效果；传统方法无法对环境随机微振动、噪声声波引起的屏蔽室屏蔽墙体振动、研究人员走路时引起的屏蔽墙微形变等；本发明的优点在于，以主动隔微振装置直接作用于发生微形变的屏蔽墙体，不仅能减小磁屏蔽室随大地一起做低频振动产生的磁噪声，而且能隔离上述传统方式无法隔绝的微振动；以墙体外侧固定的应变片来对形变量进行测量，以压电陶瓷主动隔微振装置对形变量进行抑制，在原有的被动隔振基础上添加这样的主动隔振方法，能够达到以往传统磁屏蔽室隔振方法没法达到的更优效果。

附图说明

图1是磁屏蔽室的整体结构示意图。

图2是磁屏蔽是墙面区域划分图。

图3是坡莫合金屏蔽墙面微形变量测量及压电陶瓷致动器主动隔振原理示意图。

图中件号：1—支撑柱墩，2—被动隔振部分，3—质量块，4—坡莫合金墙面，4a—坡莫合金墙面某一区域，5—压电陶瓷致动器，6—超导量子磁力仪squid。

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

一种近零磁空间中的基于应变片与压电陶瓷结合的磁噪声抑制主动隔振装置；该装置主要由微位移执行器、形变测量系统和相关驱动控制器组成：所述微位移执行器是指压电陶瓷致动器5，即压电陶瓷驱动器对压电陶瓷致动器5施加一个交变电场之后，压电陶瓷致动器5会使坡莫合金墙面产生一个形变，将压电陶瓷致动器5的一侧安装在坡莫合金屏蔽墙面4的骨架上，当对其施加交变电场时，压电陶瓷致动器的自由端产生的微小形变会直接作用在变形的坡莫合金屏蔽墙面4a上，以此种方式来抑制补偿坡莫合金屏蔽墙面因外界环境扰动而产生的形变。

所述形变量测量系统是指由应变片和超导量子磁力仪squid6共同组成的形变测量系统；利用压电陶瓷的正压电效应，即当坡莫合金墙面4a发生变形时，应变片即可测得屏蔽墙内壁的形变量；此外还可以通过磁屏蔽室内的磁传感器squid6来测量磁屏蔽室壁面的形变：当坡莫合金材料墙面4a发生形变时，由磁传感器6测得的磁屏蔽室内部磁场产生畸变，可通过磁场的畸变来反演出磁屏蔽室壁面的形变量。

所述驱动控制器主要是指控制器和压电陶瓷驱动器；控制器接收来自形变测量系统所测得的磁屏蔽室壁面4a的形变量信号，经信号处理后，对压电陶瓷驱动器输出一个控制信号，通过对压电陶瓷驱动器7输出电压的控制，进而将电压信号作用于压电陶瓷致动器5，进而控制磁屏蔽室壁面形变，达到隔微振的效果。

近零磁空间中磁噪声抑制的压电陶瓷主动隔微振装置是基于大型隔振装置基础之上的隔微振装置；大型隔振装置主要包括柱墩1、气浮隔振器2、混泥土质量块3、大型隔振装置作为多层磁屏蔽室的地基，隔绝了来自地面的大部分振动，在此基础上的压电陶瓷主动隔微振装置可以隔绝大型隔振装置无法抑制的微弱振动，以降低磁屏蔽室内部的磁噪声，提高星载惯性传感器标定的可靠性和精度。