一种用于海洋重力仪的垂向扰动模拟装置

本发明涉及重力测量技术领域，具体涉及一种用于海洋重力仪的垂向扰动模拟装置。

背景技术：

海洋重力仪是一种安装在测量船等运动载体上进行不间断连续观测的一种动态重力测量仪器，可实现高效率、大范围的海洋重力测量，为重力辅助惯性导航、资源勘探等提供高精度的重力数据。海洋重力仪工作时，除受到重力加速度(有用信号)的作用之外，还受到海浪引起的垂直扰动加速度(噪声)的作用。海浪引起的垂直扰动加速度周期通常为6-10秒，在平静海况下的幅值大约15伽；在风力2-3级，浪高小于1米的一般海况下，幅值大约为80-100伽；而在风力4-7级，浪高数米的恶劣海况下幅值能达到200伽[7]。而海洋重力测量的精度通常为1毫伽，因此，在海洋重力仪需要采用强阻尼等技术手段克服垂向扰动加速度对仪器测量精度的不利影响。为了获得最佳效果，重力仪研制过程中往往通过垂向扰动模拟装置来模拟重力仪动态测量的环境对仪器进行测试。

现有的垂向扰动模拟装置主要有两类。一类是摇摆升降台，利用多个直驱电机加上丝杠组合支撑一个平台，通过电机之前的协同实现平台在垂向的直线运动。此类装置的缺点是行程非常有限，只能对海洋重力仪工作时幅值较小的垂向扰动进行模拟，此外，该类装置往往需要8台直驱电机及丝杠协同动作，成本高昂。

另一类是早期开发的利用三相电机提供动力，通过变速箱实现转速调节，再利用曲柄滑块机构将电机的旋转运动转变成往复直线运动。此类装置的缺点如下：1、需要配备两级变速箱及曲柄滑块机构，结构复杂；且只能依靠变速箱的几档齿比模拟数量非常有限的几种扰动特征(幅值及频率)，应用范围较窄；2、简易的常平架安装方式导致重力仪在往复直线运动过程中易发生倾斜从而引入误差；3、实验室环境温度的在垂直方向的梯度较大，直线往复运动幅值较大时重力仪的输出结果受温度影响较明显。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于海洋重力仪的垂向扰动模拟装置，该装置结构简单，成本低廉，行程大，应用范围广，可在实验室内进行模拟海洋重力仪在海浪垂向扰动的动态测试，对重力仪的标定及相关参数的调试具有重要意义。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

一种用于海洋重力仪的垂向扰动模拟装置，包括驱动机构、绳索组件、滑动组件、重力仪支架、调平机构和温度采集单元，温度采集单元安装于调平机构上，海洋重力仪通过调平机构和重力仪支架连接，重力仪支架相对的两侧对称滑动连接于滑动组件上，绳索组件包括绳索，绳索的两端分别与驱动机构和重力仪支架连接，驱动机构通过绳索驱动重力仪支架在竖直方向作往复直线运动。

所述的重力仪支架包括支撑外框，调平机构包括调平电机控制器、外平衡框、外调平电机、外环轴承、内平衡台、内调平电机和内环轴承，支撑外框相对的两侧分别与滑动组件滑动连接，外平衡框位于支撑外框内，外调平电机安装于支撑外框内侧上，外调平电机的输出轴与外平衡框的一侧连接，外调平电机的输出轴上套设有第一旋转编码器，外环轴承分别与外平衡框和支撑外框连接，外平衡框在外调平电机的驱动下可绕着外调平电机输出轴的轴线旋转，内平衡台位于外平衡框内，内调平电机安装于外平衡框内侧上，内调平电机的输出轴与内平衡台的一侧连接，内调平电机的输出轴上套设有第二旋转编码器，内环轴承分别与外平衡框和内平衡台连接，内平衡台在内调平电机的驱动下可绕着内调平电机输出轴的轴线旋转，外调平电机输出轴的轴线和内调平电机输出轴的轴线相互垂直，调平电机控制器安装于支撑外框上，调平电机控制器分别与外调平电机、内调平电机、第一旋转编码器和第二旋转编码器电连接。

所述的内平衡台上设有用于安装海洋重力仪探头的安装孔，温度采集单元安装于内平衡台上。

所述的重力仪支架还包括悬挂杆，悬挂杆呈u型，悬挂杆开口朝下，悬挂杆的两端与支撑外框相对的两侧连接，绳索的一端与悬挂杆的正中间连接。

所述的滑动组件为对称结构，滑动组件包括第一导轨、第二导轨、第一导向轮组件和第二导向轮组件，第一导轨和第二导轨竖直设置，且第一导轨和第二导轨对称设置于重力仪支架的外侧，第一导向轮组件包括第一导向轮支架和第一导向轮，第二导向轮组件包括第二导向轮支架和第二导向轮，第一导向轮和第二导向轮均有一个以上，第一导向轮和第二导向轮的个数相等，各第一导向轮安装于第一导向轮支架上，各第一导向轮与第一导轨滑动连接，各第二导向轮安装于第二导向轮支架上，各第二导向轮与第二导轨滑动连接，第一导向轮支架和第二导向轮支架与重力仪支架相对的两侧对称连接。

所述的第一导向轮组件还包括第一压紧弹簧，第二导向轮组件还包括第二压紧弹簧，第一导向轮支架和第二导向轮支架均呈u型，第一导向轮和第二导向轮均有两个，第一导向滑轮支架的开口朝向第一导轨，两第一导向轮分别安装于第一导向轮支架的两端上，第二导向滑轮支架的开口朝向第二导轨，两第二导向轮分别安装于第二导向轮支架的两端上，第一压紧弹簧和第二压紧弹簧的一端分别与支撑外框外壁连接，第一压紧弹簧的另一端与第一导向轮支架的中间部位连接，第二压紧弹簧的另一端与第二导向轮支架的中间部位连接。

所述的第一导轨和第二导轨的横截面均呈圆形，第一导向轮和第二导向轮均为v型槽轮。

所述的驱动机构包括驱动电机控制器和驱动电机，驱动电机控制器与驱动电机连接，绳索组件还包括卷线盘，驱动电机驱动卷线盘旋转，绳索的另一端与卷线盘固定连接，且绳索缠绕在卷线盘上。

所述的驱动机构还包括减速器和电磁制动器，驱动电机与减速器连接，驱动电机的输出轴上套设有第三旋转编码器，电磁制动器安装于减速器上，卷线盘套设于减速器的输出轴上。

还包括定滑轮组件，定滑轮组件包括滑轮支架和定滑轮，定滑轮有多个，多个定滑轮分别安装于滑轮支架上，绳索依次绕过多个定滑轮。

与现有技术相比，本发明的优点与有益效果在于：

1、该装置的直线往复运动的行程可达数米，能实现包括恶劣海况在内的所有海况下海浪高度的模拟。

2、与摇摆升降台相比，该装置只用一台伺服电机提供动力即可实现垂向扰动模拟，成本相对较低。

3、与三相电机+曲柄滑块机构组成的装置相比，该装置用伺服电机即可实现不同频率和幅值的垂向扰动，不需要曲柄滑块机构来实现旋转运动向往复直线运动的转换，结构简单，且方便实现多种频率和幅值的垂向扰动模拟。

4、该装置设置了调平机构，可使海洋重力仪的轴线可与铅垂线重合，可消除在往复运动过程中因重力仪发生倾斜引起的测量误差。

5、在做大幅度(全波幅2米以上)垂向扰动模拟时，实验室环境温度在垂直方向上存在较大的温度梯度，而重力仪的测量值易受环境温度影响，该装置在内平衡台上设置了温度采集单元，可实时测量该点附近的温度值，该温度值实时被数据处理系统采集，可实现温度改正，消除垂向扰动模拟实验中温度梯度对实验结果的影响。

附图说明

图1为用于海洋重力仪的垂向扰动模拟装置的结构示意图。

图2为图1中a-a向的剖视图。

其中，1-海洋重力仪探头、2-绳索、3-温度采集单元、4-支撑外框、5-悬挂杆、6-调平电机控制器、7-外平衡框、8-外调平电机、9-外环轴承、10-内平衡台、11-内调平电机、12-内环轴承、13-安装孔、14-紧固螺栓、15-第一导轨、16-第一导向轮支架、17-第一导向轮、18-第一压紧弹簧、20-驱动电机控制器、21-驱动电机、22-卷线盘、23-减速器、24-电磁制动器、25-滑轮支架、26-定滑轮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本实施例提供的用于海洋重力仪的垂向扰动模拟装置包括驱动机构、绳索组件、滑动组件、重力仪支架、调平机构、温度采集单元和定滑轮组件。

驱动机构包括驱动电机控制器20、驱动电机21、减速器23和电磁制动器24，驱动电机可采用伺服电机，驱动电机22分别与驱动电机控制器20和减速器23连接。驱动电机21的输出轴上套设有第三旋转编码器，第三旋转编码器与驱动电机控制器20电连接，旋转编码器的作用在于用于识别驱动电机的转动角度和圈数。电磁制动器安装于减速器上，电磁制动器的作用在于使驱动电机在未通电的情况下不会发生旋转，在安装时确保驱动电机和操作人员的安全。

绳索组件包括绳索2和卷线盘22，绳索2的一端与卷线盘22固定连接，且绳索2缠绕在卷线盘22上，卷线盘22套设于减速器23的输出轴上。

定滑轮组件包括滑轮支架25和定滑轮26，定滑轮26有三个，三个定滑轮26分别安装于滑轮支架25上，三个定滑轮26位于同一水平高度上，三个定滑轮26等间距分布，绳索2依次绕过多个定滑轮26。

重力仪支架包括支撑外框4和悬挂杆5，支撑外框4为方形框。悬挂杆5呈u型，悬挂杆5开口朝下，悬挂杆5的两端与支撑外框4相对的两侧连接，绳索2的另一端与悬挂杆5的正中间连接。

调平机构包括调平电机控制器6、外平衡框7、外调平电机8、外环轴承9、内平衡台10、内调平电机11和内环轴承12。外平衡框7呈方形，外平衡框7位于支撑外框4内。外调平电机8安装于支撑外框4内侧上，外调平电机8的输出轴与外平衡框7的一侧连接，外调平电机8的输出轴上套设有第一旋转编码器，外环轴承9分别与外平衡框7和支撑外框4连接，外平衡框7在外调平电机8的驱动下可绕着外调平电机8输出轴的轴线旋转。

内平衡台10上设有用于安装海洋重力仪的安装孔13。温度采集单元3安装于内平衡台10的上表面上，温度采集单元3可实时采集海洋重力仪所处环境的温度，且可通过数据接口将所测得的温度数据传输给数据采集系统。

内平衡台10位于外平衡框7内，内调平电机11安装于外平衡框7内侧上，内调平电机11的输出轴与内平衡台10的一侧连接，内调平电机11的输出轴上套设有第二旋转编码器，内环轴承12分别与外平衡框7和内平衡台10连接，内平衡台10在内调平电机11的驱动下可绕着内调平电机11输出轴的轴线旋转。调平电机控制器6安装于支撑外框4上，调平电机控制器6分别与外调平电机8、内调平电机11、第一旋转编码器和第二旋转编码器电连接。

滑动组件为对称结构，滑动组件包括第一导轨15、第一导向轮组件、第二导轨和第二导向轮组件。第一导轨15和第二导轨的横截面均呈圆形，第一导轨15和第二导轨竖直设置，第一导轨15和第二导轨对称分布于支撑外框的外侧。

第一导向轮组件包括第一导向轮支架16、第一导向轮17和第一压紧弹簧18。第一导向轮17为v型槽轮，第一导向轮17有两个。第一导向轮支架16呈u型，第一导向滑轮支架16的开口朝向第一导轨15，两第一导向轮17分别安装于第一导向轮支架16的两端上，两第一导向轮17分别与第一导轨15滑动连接。

第二导向轮组件包括第二导向轮支架、第二导向轮和第二压紧弹簧。第二导向轮为v型槽轮，第二导向轮有两个。第二导向轮支架呈u型，第二导向滑轮支架的开口朝向第二导轨，两第二导向轮分别安装于第二导向轮支架的两端上，两第二导向轮分别与第一导轨滑动连接。将第一导向轮和第二导向轮设计成v型槽轮，其目的是限制支撑外框在水平方向上发生移动，确保支撑外框只能在竖直方向作直线往复运动，从而确保海洋重力仪只能在竖直方向作直线往复运动。

第一压紧弹簧18和第二压紧弹簧对称分布于支撑外框4的两侧，第一压紧弹簧18和第二压紧弹簧的一端分别与支撑外框4外壁连接，第一压紧弹簧18的另一端与第一导向轮支架16的正中间连接，第二压紧弹簧的另一端与第二导向轮支架的正中间连接。设置第一压紧弹簧18和第二压紧弹簧，其作用是使支撑外框在竖直方向上运动时始终与第一导轨和第二导轨紧密接触，限制支撑外框在水平方向上发生移动，确保支撑外框只能在竖直方向作直线往复运动，从而确保海洋重力仪只能在竖直方向作直线往复运动。

上述的用于海洋重力仪的垂向扰动模拟装置的工作方法如下：

1、如图1和图2所示，将海洋重力仪探头1贯穿安装孔13，海洋重力仪探头1通过均匀分布在同一圆周的多个紧固螺栓14固定在内平衡台上，通过海洋重力仪探头1顶部的调平水泡将其调平，即使海洋重力仪探头1的轴线在竖直方向上，此时，海洋重力仪探头1的轴线、外调平电机8输出轴的轴线和内调平电机11输出轴的轴线两两相互垂直，且海洋重力仪探头1的轴线、外调平电机输出轴的轴线和内调平电机输出轴的轴线相交于内平衡台的中心点；

2、开启调平电机控制器6、外调平电机8、第一旋转编码器、内调平电机11和第二旋转编码器，调平电机控制器6将第一旋转编码器和第二旋转编码器置零；

3、开启驱动电机控制器20、驱动电机21、第三旋转编码器和减速器23，在驱动电机控制器20上预设驱动电机旋转的圈数、转速和旋转方向，通过设置驱动电机的参数使驱动电机按照某一设定特性(幅值和周期)作正弦规律运动，从而模拟海洋重力仪受到的垂直扰动，驱动电机21开始旋转，驱动电机21旋转带动减速器23旋转，减速器23旋转带动卷线盘22收线或放线，收线盘22收线或放线的过程中，绳索2在竖直方向上向上或向下移动，绳索2带动重力仪支架在竖直方向上向上或向下移动，重力仪支架带动海洋重力仪探头1在竖直方向上向上或向下移动，若海洋重力仪探头1在竖直方向上向上或向下移动的过程中，其轴线发生了偏移，海洋重力仪探头发生偏移时，海洋重力仪会带动内平衡台10和外平衡框7发生旋转，内平衡台10旋转时第二旋转编码器会感应到，外平衡框7旋转时第一旋转编码器会感应到，第一旋转编码器和第二旋转编码器分别将信号传输给调平电机控制器6，调平电机控制器6控制外调平电机8和内调平电机11旋转，使第一旋转编码器和第二旋转编码器重新置零，从而使海洋重力仪探头1的轴线始终在竖直方向上，海洋重力仪探头1的轴线通过调平机构调节，使其始终在竖直方向上，不发生偏移。