采用低摩擦缆绳隔离器的气动悬置与振动隔离系统的制作方法
【专利说明】采用低摩擦缆绳隔离器的气动悬置与振动隔离系统
[0001]本发明揭示一种包括缆绳隔离器的悬置与振动隔离系统。所述缆绳隔离器采用低摩擦空气轴承气动气缸及缆绳来将所悬置有效负载与载体的振动隔离或将所述载体与所述有效负载的振动隔离。使用此空气润滑的气缸到活塞界面事实上消除静摩擦，且因此改进隔离针对小的力及位移的有效性。气动气缸的使用还准许将系统调谐到所需谐振频率以将有效负载与所要频带中的振动隔离。本发明可部署于拖曳式空气载运载体中，且可用于将载体中的有效负载与高于特定截止频率的载体运动隔离。缆绳及低摩擦滑轮作为有效负载与载体之间的连结的使用允许布局的相当大的灵活性且允许空间的高效使用。本发明特定应用于从拖曳式空气载运平台获取高精确度、低频率电磁数据，但还可应用于其中需要有效低频率、高冲程隔离的其它拖曳式空气载运应用(例如空气载运重力测量或重力梯度测量)中。
【背景技术】
[0002]悬置与振动隔离系统是平凡的，且用于交通运输及工业中的各种各样的应用中。其目的可为将外界与有效负载(例如电机或其它振动装置)的振动隔离或将有效负载与其载体的振动隔离。通常，所述隔离是合意的，以便避免对设备的损坏或使人感到不舒适。振动还可为传感器的噪声源，且将传感器与振动隔离可显著改进所感测数据的质量。
[0003]在本发明的上下文中，载体是有效负载将安装、载运或运输于其上的任何物体。载体可包括固定或便携式框架，或其可为移动的交通工具、安装到交通工具的框架或所栓系物体。当载体是交通工具时，其可横贯陆地、水域或空中。在空气载运交通工具的情况中，载体可为固定或旋转翼飞行器、轻于空气的飞行器(例如小型飞船(blimp)、齐柏林飞艇(zeppelin)或浮升器(aerostat))或者所栓系空气载运物体。所栓系物体可包含风筝或者拖曳或悬挂于飞行器上的载体(例如以空气载运地球物理学的用语表达的吊舱、炸弹或探头)。
[0004]在本发明的上下文中，有效负载为可悬置于载体上的任何物体。有效负载可为待隔离的振动源，或其可为待屏蔽以免遭其载体的振动的仪器。有效负载可包括框架、仪器或仪器平台或者单独悬置与振动隔离系统。
[0005]当用于移动的载体交通工具上时，振动隔离系统的目标可为在有效负载以低于特定频率跟踪其载体的一般轨迹时以高于特定频率在有效负载上施加最小力。在本发明的上下文中，有效负载相对于载体的非恒定加速应理解为振动。
[0006]为了经振动隔离有效负载可跟踪其载体，必须在载体内提供空间以准许有效负载相对于载体移动。在其中空间有限的拖曳式空气载运载体中，使悬置系统避开有效负载运动以便最大化有效负载的可用横向运动同时最小化载体的尺寸为有利的。
[0007]当在移动载体上使用感测或指向仪器时，仪器的性能可受平台的运动影响。借助传感器(例如重力计、重力梯度计、磁强计、感应线圈、雷达、激光雷达、加速度计、旋转速率致动器及各种光学传感器)或指向装置(例如望远镜、激光跟踪器及测距器以及相机)获取的数据可因载体振动的存在而降级。仪器有效负载与其载体的运动的振动隔离可在仪器的性能方面具有关键重要性。此类效应在远程空气载运跟踪及指向应用、重力及重力梯度测量中以及在空气载运电磁测量中是非常重要的。
[0008]空气载运电磁(AEM)调查的上下文中的振动隔离是设计此调查设备中的重要考虑因素。测量磁场的向量分量的传感器在存在地球磁场的情况下对角度抖动极其敏感。认识到，在目前技术水平下，传感器与其载体的加速的有效隔离可帮助减轻此抖动。此抖动可因载体的横向及垂直运动引入，且因此仅可经由三个维度上的振动隔离而有效地抑制。
[0009]实际上，一种悬置与振动隔离系统牢固地安装到载体的刚性框架。所述悬置与振动隔离系统提供将有效负载悬置于此框架上同时将有效负载或载体与特定频带中的振动隔离的双重功能。在任何悬置与隔离系统中将考虑四个基本量:
[0010]1.1.静负载或承重能力，
[0011]1.2.柔软度或谐振频率，
[0012]1.3.动摩擦或损耗，及
[0013]1.4.静摩擦或起步阻力。
[0014]第一承重能力由有效负载表征。第二柔软度或谐振频率由待将有效负载与其隔离的频率确定。一般来说，有效隔离发生于为悬置与隔离系统的谐振频率的至少两倍的频率下。第三动摩擦或损耗指的是在隔离系统内对能量的阻尼，且理想地将在不经由悬置将振动传输到有效负载或传输来自有效负载的振动的情况下阻尼能量。第四静摩擦是在阻尼低频率振动时的特定损害，这是因为通过静摩擦固持的物体的释放导致对有效负载的步进加速。静摩擦的效应可因此经由步进的谐波谱延伸到高于悬置与隔离系统的谐振频率的频率。在AEM数据获取中必须尽可能多地最小化静摩擦，这是因为其防止将处于任何频率的小振幅振动与有效负载隔尚。
[0015]在AEM获取的所确立技术水平下，振动隔离仅针对处于高于20Hz的频率的磁测量有效地消除抖动噪声。目前技术水平AEM系统中的隔离方法通常依赖于弹力计(例如橡皮筋)，其实例提供于库兹明(Kuzmin)及莫里森(Morrison)的加拿大专利2，722，457 (“双悬置接收器线圈系统及装备(Double-suspens1n receiver Coil system and apparatus)，，)及多兹的美国专利2010/0237870( “使用自然电磁场的电组件及磁组件的地球物理勘探(Geophysical prospecting using electric and magnetic components of naturalelectromagnetic fields)”)中。特纳(Turner)等人的发明(美国专利 6，369，573)依赖于弹簧及阻尼流体，且从未在商业上可行。美国专利3，115，326中所揭示的巴林杰(Barringer)的发明使用平衡环来将磁性传感器线圈与旋转运动隔离。尽管巴林杰的装置可能已在1960年代用于获取AEM数据，但针对获取现代高精确度AEM数据已在很大程度上摒弃基于平衡环的装置。
[0016]尽管许多振动隔离装置在明显低于25Hz的范围内充分地操作，但AEM测量需要最小化由接近电流及移动金属或磁铁金属部件导致的电磁噪声的振动隔离解决方案。其必须对震动及热改变稳健，为轻量的、紧凑的且在低电力上操作。在其中传感器位于在飞行器下方在几十米的缆绳上拖曳的载体中的高精确度AEM测量的情况中，悬挂悬置是高度有利的，这是因为其最小化结构要求(因此减小重量)且最大化有效负载可在其中移动的载体内的体积。AEM调查设备必须经由硬着陆且在大的热变化内(通常介于从-20C到40C的范围内)起作用。由于这些约束，已针对其它应用开发的广泛系列的振动隔离技术不适于获取高精确度AEM数据。
[0017]因此，尽管已良好确立振动隔离的一般技术，但尚未找到用于在20Hz以下范围内获取高精确度AEM数据的适合解决方案。此原因在于在目前AEM技术水平下对弹性体的依赖及振动隔离系统的本质性质。振动隔离装置具有实质上低于待隔离的振动的较低频率的谐振频率。当此谐振频率降低时，振动隔离装置需要的运动范围将增加。此使得实施基于弹性体的低频率振动隔离实际上难以进行，这是因为可能需要长弹力计。因此，在获取高于20Hz的AEM数据中良好工作的基于弹性体的振动隔离方法针对20Hz以下的AEM数据获取并不良好工作。
[0018]高精确度AHM测量需要可悬置于移动载体中的低电力、紧凑、非磁性、非电性稳健且轻量振动隔离，使弹性体的使用吸引人的准则。尽管科林霍尔兹(Kleinholtz)的美国专利6，196，514 “大的空气载运稳定化振动隔离系统(Large airborne stabilizat1nvibrat1n isolat1n system) ”使用空气轴承气动座架，在拖曳式吊舱中获取低噪声AEM数据是不合适的:其太重且笨重而不能一个安装；其需要声音线圈致动器(电磁噪声源)，且其仅从底部沿一个方