绝对重力仪中直线超声电机驱动技术研究

发布时间：2019-11-16 16:52

【摘要】：研究地球重力场及其变化对于地震预测、地球科学、资源勘测、导航制导等领域研究具有重要意义,重力加速度g是反映地球重力场信息的直接物理量。随着稳频激光干涉测量技术、高精度数字化采集与控制、宽频带高精度震动测量技术等技术手段的进步,作为直接获取重力加速度的重要仪器,高精度绝对重力仪的自主研制需求和在各领域的应用需求日益提升。直线超声电机是一种新型驱动机构,将之用于高精度绝对重力仪落体驱动控制是绝对重力仪的一种新的驱动方案。传统高精度绝对重力仪利用测量自由落体运动轨迹的方法获得重力加速度g值,其落体仓驱动控制技术影响g值测量的精度及稳定性等参数,成为绝对重力仪研制关键技术之一。传统激光干涉绝对重力仪中对落体驱动控制方式可分为钢带式、凸轮式和波纹管式。这些传统绝对重力仪的落体驱动控制都是将伺服电机的旋转运动通过机械传动机构转化为可控的竖直方向运动,存在运动转化精度、机械结构复杂等特点。直线超声电机(LUSM)的驱动力来源于压电陶瓷,是一种利用压电陶瓷逆压电效应,通过分别施加在两个压电陶瓷块上、频率在超声波频段、两列有相位差和幅度差的电压,是一种能将微观摩擦输出宏观运动的机构。直线超声电机是基于驻波传播、质点作椭圆运动工作的,常见用于精密平台控制等领域,具有具有抗电磁干扰、低速大转矩、直接输出推力、定位精度高、响应速度快、断电自锁、结构简单等特点。由于超声电机的原材料、制造工艺、工作非线性等特点,直线超声电机驱动控制需要高性能的驱动信号。针对绝度重力仪落体仓的工作特性和绝对重力仪对驱动的性能要求,提出将直线超声电机用于驱动控制绝对重力仪落体仓方案。该方案设计并讨论了以Cyclone IV系列的FPGA(现场可编程门阵列)芯片为核心、PC控制、采用DDS技术(直接数字频率合成技术)生成两列正弦波,以此作为直线超声电机的驱动信号源。这种方案直接输出直线运动,没有运动转换机构,有利于绝对重力仪的小型化和震动减小。通过逻辑设计和模拟仿真,得到了时序图及数字驱动信号,证明了方案的可行性。
【图文】：

原理图,干涉测量,原理图,落体

自由下落式绝对重力仪落体制技术2.1 绝对重力仪基本工作原理由处于高真空中落体仓及落体驱动机构、激光干涉理系统等组成。落体仓处在高真空度真空室中，落在竖直导轨上由钢带带动上下运动，整个机构由真泵负责将整个系统维持在高真空状态。统利用迈克尔逊干涉仪原理产生干涉信号，参考棱镜，工作棱镜即落体仓中落体棱镜，所产生的干涉条统负责屏蔽该绝对重力仪最大的干扰因素即地表长弹簧组成。数据采集系统负责将接收到的光信号统则负责进行过零检测，误差计算处理等工作。

落体,闭环系统,钢带式,直流伺服电机

和向上）运动，电机停止运转拖车则保持静止。对于直流伺服构，因此电机必须提供转矩克服落体仓和落体重力转矩才能维周期性重复运动，其工作周期如下。开始测量电机正转，落体后保持竖直向上运动至最高点停止；之后电机反向加速旋转带运动且加速度略大于重力加速度 g，此种情况才能保证落体与仅受重力作用做自由落体运动，在此期间落体与落体仓最大间保证落体仓承接落体时仅有较小的碰撞；在下降一定距离后减速并“温和”承接落体；最后电机减速到零，落体仓减速到控制中，，还存在落体质心和光心重合的问题。落体质心由落体体光心由落体棱镜光学结构决定，如果落体光心与质心不重合体光线就会导致工作光线光程改变，从而误差。因此，对于精高精度绝对中立一种，在落体这一部分，往往会设计三个调节质心重合度调节。力仪落体为光学棱镜是易脆材料，因此落体控制还存在着落体在高精度绝度重力仪中，往往采用三点支撑方式，三点位置分匀承重。
【学位授予单位】：中国地震局地震研究所
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH761.5

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