【摘要】：重力加速度g的準確測量具有特別重要的實用價值和科學意義。高精度原子重力儀可用于礦產(chǎn)資源勘探、地質構造研究、油氣普查、科學領域普識性常量確定、物質間引力等精密工程測量領域。高精度冷原子重力儀的特點為可以長時間的連續(xù)高精度測量,但是要提高測量重力加速度的實驗精度,需要解決一系列復雜的技術問題。在實際測量中原子重力測量的精度受到如地面振動噪聲、拉曼光相位噪聲和探測噪聲等影響。其中地面振動噪聲是影響原子重力儀最重要的因素。冷原子重力儀利用在重力場中自由下落的冷原子團作為檢測的質量,通過測量冷原子相對于拉曼光反射鏡的加速度來獲取當?shù)氐闹亓铀俣取５怯捎谕饨绲挠绊懛瓷溏R本身存在豎直方向上的振動加速度,反射鏡是慣性加速度為a的非慣性系,在實際的操作中無法區(qū)分反射鏡的振動加速度和測量信號中的重力加速度。在冷原子重力儀的工作過程中,因地面振動引起拉曼反射鏡的振動會影響激光與原子相互作用的相位大小,因而地面振動噪聲極大限制了原子重力儀精度的進一步提高。原子重力儀的一個關鍵技術和難點是對地面振動噪聲的有效隔離。本論文以降低地面振動對原子重力儀測量影響為目標,設計了主動隔振的機械裝置,并設計了相關電路,采用頻率響應等實驗方法驗證系統(tǒng)的數(shù)學模型,設計超前滯后算法、滑模控制算法、線性自抗擾控制算法,實現(xiàn)超低頻主動隔振實驗系統(tǒng)的性能,并且通過測量振動噪聲功率譜檢驗隔振效果。本論文主要的研究內容和創(chuàng)新點為以下幾個方面:(1)設計并實現(xiàn)原子重力儀的主動隔振系統(tǒng),詳細闡述了主動隔振的原理和設計方法,包括主動隔振系統(tǒng)的數(shù)學模型、機械結構設計、電路設計和音圈電機線圈磁場對地震儀影響測試等。系統(tǒng)包括被動隔振平臺、控制器平臺和振動數(shù)據(jù)處理平臺等。對主動隔振平臺進行了仿真和實驗測試,將其運用到原子重力儀測量中,改善了測量精度。(2)將超前滯后控制算法應用到原子重力儀超低頻隔振系統(tǒng),目的是降低地面振動對拉曼光反射鏡的影響。超前滯后控制算法設計的難點在于設計的控制器可以讓隔振系統(tǒng)在一定的相位裕度的前提下,讓系統(tǒng)的增益或帶寬達到最大。在該算法中先設計反饋濾波器參數(shù),然后輸入到FPGA的反饋執(zhí)行程序,主動隔振控制系統(tǒng)閉環(huán)后,分析殘余振動噪聲功率譜密度,這樣可以直觀看到主動反饋的效果。與單純被動隔振平臺相比,在0.8 Hz頻段的振動噪聲抑制100倍以上,1-2 Hz頻段的振動噪聲抑制3倍以上,0.3-0.6 Hz頻段的振動噪聲抑制大約6倍。與被動隔振效果相比,超前滯后補償主動隔振性能更加優(yōu)越。(3)設計與實現(xiàn)基于滑模魯棒控制的原子重力儀超低頻主動隔振系統(tǒng)�？刂平Y構由保證系統(tǒng)在有限時間內到達滑模面的指數(shù)趨近律和保證系統(tǒng)狀態(tài)在滑模面上的等效控制項構成,為了減少系統(tǒng)的抖振,用飽和函數(shù)代替符號函數(shù)。通過仿真和實驗,結果表明該算法對振動具有較好的控制效果。與被動隔振平臺相比,系統(tǒng)在共振頻率點0.8 Hz能達到1000倍的振動抑制水平,在0.4-0.6 Hz范圍內能達到50倍的振動抑制水平,在2-3 Hz范圍內能達到10倍的振動抑制水平,與在本文的隔振平臺上實施的超前滯后補償控制方法相比振動噪聲功率譜密度最大降低了6倍�；ｔ敯艨刂扑惴ㄟ�具有整定參數(shù)少,抗干擾能力強等特點。(4)設計與實現(xiàn)基于線性自抗擾控制的原子重力儀超低頻主動隔振系統(tǒng)。基于對線性自抗擾技術的研究,通過擴張狀態(tài)觀測器對地面隨機擾動進行估計,并且在控制器設計中通過線性化的方法,有效降低控制器的復雜程度,方便工程實現(xiàn)。當反饋閉合后,豎直方向的等效共振周期為66 s。與平臺上實施的超前滯后補償控制方法相比,在0.1-0.3 Hz頻段內振動噪聲功率譜最大下降了7倍,與在平臺上實施的滑模魯棒控制方法相比,在4-6 Hz頻段內振動噪聲功率譜最大下降了2倍。最后對原子重力儀主動隔振技術作了總結,指出目前隔振系統(tǒng)不完善之處,并對未來若干改進的方向作了展望。
【學位授予單位】：浙江工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TH761.5;TB535
【圖文】：

需要在重力的測量過程中通過絕對重力儀修正和校正，因此相對重力儀的測量精度依賴于絕對重力儀的精度。相對重力儀和絕對重力儀如圖 1-1 所示。圖1-1 （a）相對重力儀及（b）絕對重力儀Figure 1-1. (a) Relative Gravimeter, and (b) Absolute gravimeter十九世紀末期的單擺實驗測量的是重力加速度絕對值，可以看成最早的絕對重力測量，由于當時實驗設備限制該實驗重力測量精度只能達到-510 g 的水準，1960年第一臺激光器面世，逐漸成熟的激光干涉技術促進了 FG-5 重力儀和國產(chǎn)的 NIM型重力儀的迅速發(fā)展，兩種重力儀測量的精度為-910 g ，但是長時間觀測的穩(wěn)定性不好。二十世紀九十年代新一代采用物質波干涉技術的絕對重力儀開始出現(xiàn)[13]，該重力儀優(yōu)點為靈敏度高和長時間連續(xù)測量。Borde[10]采用四束行波激光操作原子內態(tài)得到 Ramsey 條紋

國內外重力測量方法和進度對比如表 1-1 所示。圖1-2 我們小組設計的第二套原子重力儀Figure 1-2. The second atomic gravimeter designed by our group

圖1-3 Stewart主動隔振平臺[36]Figure 1-3. Stewart active vibration isolation platform[36]一步提高隔振性能，特別是低頻(0-10 Hz)隔振性能，更好隔振技術被應用，它是解決此類振動控制問題的必要手段隔振要求越來越高，主動隔振方法得到越來越大學者關注示，Nashawati[36]利用 Stewart 平臺的 RUS 結構(回轉關節(jié)、行了主動隔振研究。與 PSS（棱柱節(jié)點、球形節(jié)點、球形 結構造價低、施工方便，在該領域得到了廣泛的應用。S目標多層次優(yōu)化方法來設計主動振動隔離系統(tǒng)，如圖 1-4 所技術，采用統(tǒng)一公式設計了連續(xù)介質（即支撐結構）的布個該模型同時考慮了靜、動、振動的隔離特性。由于它們處理作為不同目標的不同子問題的連續(xù)體布局，將隔振器提出并實現(xiàn)了將支撐結構和隔振器軌跡的優(yōu)化結合到閉環(huán)而完成了該系統(tǒng)的優(yōu)化設計。Zhou[38]設計了新的主動振動，如圖 1-5 所示，它可以克服了傳統(tǒng)被動隔振系統(tǒng)在低頻率

【參考文獻】

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本文編號：2783141