【摘要】：研究地球重力場(chǎng)及其變化對(duì)于地震預(yù)測(cè)、地球科學(xué)、資源勘測(cè)、導(dǎo)航制導(dǎo)等領(lǐng)域研究具有重要意義,重力加速度g是反映地球重力場(chǎng)信息的直接物理量。隨著穩(wěn)頻激光干涉測(cè)量技術(shù)、高精度數(shù)字化采集與控制、寬頻帶高精度震動(dòng)測(cè)量技術(shù)等技術(shù)手段的進(jìn)步,作為直接獲取重力加速度的重要儀器,高精度絕對(duì)重力儀的自主研制需求和在各領(lǐng)域的應(yīng)用需求日益提升。直線超聲電機(jī)是一種新型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),將之用于高精度絕對(duì)重力儀落體驅(qū)動(dòng)控制是絕對(duì)重力儀的一種新的驅(qū)動(dòng)方案。傳統(tǒng)高精度絕對(duì)重力儀利用測(cè)量自由落體運(yùn)動(dòng)軌跡的方法獲得重力加速度g值,其落體倉(cāng)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)影響g值測(cè)量的精度及穩(wěn)定性等參數(shù),成為絕對(duì)重力儀研制關(guān)鍵技術(shù)之一。傳統(tǒng)激光干涉絕對(duì)重力儀中對(duì)落體驅(qū)動(dòng)控制方式可分為鋼帶式、凸輪式和波紋管式。這些傳統(tǒng)絕對(duì)重力儀的落體驅(qū)動(dòng)控制都是將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為可控的豎直方向運(yùn)動(dòng),存在運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化精度、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)。直線超聲電機(jī)(LUSM)的驅(qū)動(dòng)力來(lái)源于壓電陶瓷,是一種利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng),通過(guò)分別施加在兩個(gè)壓電陶瓷塊上、頻率在超聲波頻段、兩列有相位差和幅度差的電壓,是一種能將微觀摩擦輸出宏觀運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。直線超聲電機(jī)是基于駐波傳播、質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)工作的,常見(jiàn)用于精密平臺(tái)控制等領(lǐng)域,具有具有抗電磁干擾、低速大轉(zhuǎn)矩、直接輸出推力、定位精度高、響應(yīng)速度快、斷電自鎖、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。由于超聲電機(jī)的原材料、制造工藝、工作非線性等特點(diǎn),直線超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制需要高性能的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。針對(duì)絕度重力儀落體倉(cāng)的工作特性和絕對(duì)重力儀對(duì)驅(qū)動(dòng)的性能要求,提出將直線超聲電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)控制絕對(duì)重力儀落體倉(cāng)方案。該方案設(shè)計(jì)并討論了以Cyclone IV系列的FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)芯片為核心、PC控制、采用DDS技術(shù)(直接數(shù)字頻率合成技術(shù))生成兩列正弦波,以此作為直線超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)源。這種方案直接輸出直線運(yùn)動(dòng),沒(méi)有運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu),有利于絕對(duì)重力儀的小型化和震動(dòng)減小。通過(guò)邏輯設(shè)計(jì)和模擬仿真,得到了時(shí)序圖及數(shù)字驅(qū)動(dòng)信號(hào),證明了方案的可行性。
【圖文】：

自由下落式絕對(duì)重力儀落體制技術(shù)2.1 絕對(duì)重力儀基本工作原理由處于高真空中落體倉(cāng)及落體驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、激光干涉理系統(tǒng)等組成。落體倉(cāng)處在高真空度真空室中，落在豎直導(dǎo)軌上由鋼帶帶動(dòng)上下運(yùn)動(dòng)，整個(gè)機(jī)構(gòu)由真泵負(fù)責(zé)將整個(gè)系統(tǒng)維持在高真空狀態(tài)。統(tǒng)利用邁克爾遜干涉儀原理產(chǎn)生干涉信號(hào)，參考棱鏡，工作棱鏡即落體倉(cāng)中落體棱鏡，所產(chǎn)生的干涉條統(tǒng)負(fù)責(zé)屏蔽該絕對(duì)重力儀最大的干擾因素即地表長(zhǎng)彈簧組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)將接收到的光信號(hào)統(tǒng)則負(fù)責(zé)進(jìn)行過(guò)零檢測(cè)，誤差計(jì)算處理等工作。

和向上）運(yùn)動(dòng)，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)拖車則保持靜止。對(duì)于直流伺服構(gòu)，因此電機(jī)必須提供轉(zhuǎn)矩克服落體倉(cāng)和落體重力轉(zhuǎn)矩才能維周期性重復(fù)運(yùn)動(dòng)，其工作周期如下。開(kāi)始測(cè)量電機(jī)正轉(zhuǎn)，落體后保持豎直向上運(yùn)動(dòng)至最高點(diǎn)停止；之后電機(jī)反向加速旋轉(zhuǎn)帶運(yùn)動(dòng)且加速度略大于重力加速度 g，此種情況才能保證落體與僅受重力作用做自由落體運(yùn)動(dòng)，在此期間落體與落體倉(cāng)最大間保證落體倉(cāng)承接落體時(shí)僅有較小的碰撞；在下降一定距離后減速并“溫和”承接落體；最后電機(jī)減速到零，落體倉(cāng)減速到控制中，，還存在落體質(zhì)心和光心重合的問(wèn)題。落體質(zhì)心由落體體光心由落體棱鏡光學(xué)結(jié)構(gòu)決定，如果落體光心與質(zhì)心不重合體光線就會(huì)導(dǎo)致工作光線光程改變，從而誤差。因此，對(duì)于精高精度絕對(duì)中立一種，在落體這一部分，往往會(huì)設(shè)計(jì)三個(gè)調(diào)節(jié)質(zhì)心重合度調(diào)節(jié)。力儀落體為光學(xué)棱鏡是易脆材料，因此落體控制還存在著落體在高精度絕度重力儀中，往往采用三點(diǎn)支撐方式，三點(diǎn)位置分勻承重。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)地震局地震研究所
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TH761.5

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本文編號(hào)：2561918