基于压电陶瓷与石英摆线复合机理的隔微振装置

摘要

本发明基于压电陶瓷与石英摆线复合机理的隔微振装置属于隔微振技术领域；该装置由第一级单摆和第二级单摆串联构成；第一级单摆由外部支撑结构、第一石英丝、第一质量和上连接件构成；第二级单摆由第一质量、上连接件、复合摆丝、第二质量和下连接件构成，所述复合摆丝用于测量外界振动，将振动信号传递给控制器，复合摆丝由第二石英丝和涂敷在第二石英丝外围的压电陶瓷材料涂层构成，压电陶瓷材料涂层的通入电压根据控制器得到的振动信号进行调整；本发明不仅能够实现主动隔振的技术目的，而且具有系统简化、高度集成的技术优势，同时提高了对低频振动的振动效果。

说明书

背景技术

本发明基于压电陶瓷与石英摆线复合机理的隔微振装置属于隔微振技术领域。

技术领域

在超精密测量仪器领域，如扫描探针显微镜(SPM)、原子力显微镜(AFM)、全息干涉仪和共焦显微镜等具有高测量灵敏度、重复性和测量不确定度的精密科学仪器，在各领域中的需求极大，但是在自然环境中即便是幅频微小的振动都会干扰此类精密仪器的测量灵敏度、重复性和不确定度，即随着仪器精度的日益提高，外部环境的振动噪声对仪器精度的影响越来越大，在抑制超低频的振动干扰信号方面，隔微振技术已经成为限制仪器精度进一步提升的瓶颈。在大科学工程中的若干系统，如引力波探测、暗物质探测、强磁场和脉冲星形成研究等均需要一个良好的低振动环境保障。其主要困难在于被测信号相对于环境振动噪声显得特别微弱，因此对环境振动的隔离提出了非常高的要求，特别是地面振动的影响。如果缺少超低频隔振系统，引力波探测仪所接受到的有用信号将会被湮没在噪声当中，必须对地脉动噪声进行有效的隔离。超低频(0.1Hz以下)隔微振技术成为以上领域的研究热点和难点。

随着超精密仪器对环境振动噪声的抑制要求越来越高，单摆作为最简单的水平隔振系统，增加摆长L可以增加系统的隔振性能，但是由于单摆的悬线具有一定的质量，在一定张力下如果受到横向扰动，就会产生所谓的弦模共振。弦模共振限制了单摆的长度。为使其在低频具有更好的隔振性能(Tunable inverse pendulum vibration isolation system.美国专利公开号：US7543791B2)。该方法将单摆与弹簧结合构成倒摆摆组件，对称分布在方形隔振平台的两边，结构简单、工作可靠、不需要消耗外部能源提升了其隔振性能，该方法存在的问题在于：仅仅采用被动隔振系统，很难进一步提高低频隔振性能。

在引力波探测中，单摆作为最简单的水平隔振系统，是激光干涉引力波探测器(LIGO)中不可缺少的部分。为使其在超低频(0.1Hz以下)方面具有更好的隔振性能，美国的Advanced LIGO项目采用了四级复合摆隔振系统，参见文献(Advanced ligo[J].Classical and quantum gravity)；意大利的VIRGO(臂长为3km的激光干涉仪引力波探测器)研制了9级复合摆隔振系统SA(Super-Attenuator)，参见文献(First results on the electronic cooling of the Pisa seismic noise super-attenuator for gravitational wave detection)、(First results from the Pisa seis-mic noise super-attenuator for low frequency gravitational wave detection)。以上方法通过使用多级单摆串联和主动隔振的原理，进一步提升了低频隔振性能。然而，这些方法还存在以下问题：第一、致动器和传感器设备在悬挂摆第一级和第二级单摆的测试质量上，很难对其底部测试质量(被隔振元件)进行快速有效缓冲隔振，且由于安装多个传感器和致动器，结构装置复杂，对初步安装调试依赖性很强。第二、在测试质量上放置传感器，同时会引入了热噪声等一些低频噪声。

综上所述，主动控制，提高系统集成度，并提高低频振动隔振效果是本领域亟待解决的关键技术问题。

发明内容

针对上述问题，本发明公开了一种基于压电陶瓷与石英摆线复合机理的隔微振装置，核心包括两级摆结构，集感知振动与补偿振动于一身的复合摆丝，在本发明结构下，不仅能够实现主动隔振的技术目的，而且具有系统简化、高度集成的技术优势，同时提高了对低频振动的振动效果。

本发明的目的是这样实现的：

基于压电陶瓷与石英摆线复合机理的隔微振装置，由第一级单摆和第二级单摆串联构成；所述第一级单摆由外部支撑结构、第一石英丝、第一质量和上连接件构成，外部支撑结构与上连接件之间通过第一石英丝连接，上连接件对称分布在第一质量的两边；所述第二级单摆由第一质量、上连接件、复合摆丝、第二质量和下连接件构成，上连接件与下连接件之间通过复合摆丝连接，下连接件对称分布在第二质量的两边，所述复合摆丝用于测量外界振动，将振动信号传递给控制器，复合摆丝由第二石英丝和涂敷在第二石英丝外围的压电陶瓷材料涂层构成，压电陶瓷材料涂层的通入电压根据控制器得到的振动信号进行调整；第一级单摆和第二级单摆共用第一质量和上连接件。

上述基于压电陶瓷与石英摆线复合机理的隔微振装置，所述的第一石英丝共有四根，每个上连接件通过两根第一石英丝与外部支撑结构连接。

上述基于压电陶瓷与石英摆线复合机理的隔微振装置，所述的复合摆丝共有四根，每个下连接件通过两根复合摆丝与上连接件连接。

有益效果：

第一、在复合摆丝中，由于在第二石英丝外围涂敷有压电陶瓷材料涂层，利用压电陶瓷材料的压电效应，在外界存在振动干扰时，通过改变压电陶瓷材料的通入电压，使压电陶瓷材料涂层产生一个与外界振动方向相反的应变，补偿外界振动，从而减小外界振动对系统的干扰，实现主动隔振的技术目的。

第二、在本发明基于压电陶瓷与石英摆线复合机理的隔微振装置中，由于集感知振动和补偿振动于一身的复合摆丝仅包括第二石英丝和涂敷在第二石英丝外围的压电陶瓷材料涂层，因此实现了系统简化、集自传感与主动致动的高度集成。

第三、在本发明基于压电陶瓷与石英摆线复合机理的隔微振装置中，由于传感器和起致动作用的压电陶瓷材料涂层不直接安装在第一测试质量和第二测试质量上，因此能够解决传感器和致动器安装在测试质量这种传统结构下引入低频噪声的问题，通过减少噪声源，使得本发明对于低频振动具有更好的隔振效果。

附图说明

图1是本发明基于压电陶瓷与石英摆线复合机理的隔微振装置的结构示意图。

图中：1外部支撑结构、2第一石英丝、3第一质量、4上连接件、5复合摆丝、51第二石英丝、52压电陶瓷材料涂层、6第二质量、7下连接件。

具体实施例

下面结合附图对本发明具体实施例作进一步详细描述。

本实施例的基于压电陶瓷与石英摆线复合机理的隔微振装置，结构示意图如图1所示。该基于压电陶瓷与石英摆线复合机理的隔微振装置由第一级单摆和第二级单摆串联构成；所述第一级单摆由外部支撑结构1、第一石英丝2、第一质量3和上连接件4构成，外部支撑结构1与上连接件4之间通过第一石英丝2连接，上连接件4对称分布在第一质量3的两边；所述第二级单摆由第一质量3、上连接件4、复合摆丝5、第二质量6和下连接件7构成，上连接件4与下连接件7之间通过复合摆丝5连接，下连接件7对称分布在第二质量6的两边，所述复合摆丝5用于测量外界振动，将振动信号传递给控制器，复合摆丝5由第二石英丝51和涂敷在第二石英丝51外围的压电陶瓷材料涂层52构成，压电陶瓷材料涂层52的通入电压根据控制器得到的振动信号进行调整；第一级单摆和第二级单摆共用第一质量3和上连接件4。

在本实施例中，所述的第一石英丝2共有四根，每个上连接件4通过两根第一石英丝2与外部支撑结构1连接；所述的复合摆丝5共有四根，每个下连接件7通过两根复合摆丝5与上连接件4连接。

本发明基于压电陶瓷与石英摆线复合机理的隔微振装置的工作原理为：复合摆丝5感知外界振动，将振动信号传递给控制器，控制器根据采集到的振动信号，主动控制压电陶瓷材料涂层52的通入电压，利用压电陶瓷材料的压电效应，使复合摆丝5产生一个与外界振动方向相反的应变，从而减小外界振动对系统的干扰，实现主动隔振的技术目的。