[發(fā)明專(zhuān)利]一種實(shí)現(xiàn)杜瓦萬(wàn)向穩(wěn)定的無(wú)動(dòng)力方法及相應(yīng)的裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310190333.0
• 申請(qǐng)日: 2013-05-21
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103322117A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-09-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 伍俊;榮亮亮;王會(huì)武;邱隆清;常凱;侍文;蔣坤;徐婷;謝曉明
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所
• 主分類(lèi)號(hào): F16F15/02
• 分類(lèi)號(hào): F16F15/02
• 代理公司: 上海智信專(zhuān)利代理有限公司 31002
• 代理人: 潘振甦

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)杜瓦萬(wàn)向穩(wěn)定的無(wú)動(dòng)力方法及相應(yīng)的裝置，尤其是在飛行狀態(tài)下利用杜瓦及其輔助設(shè)備的自身重力實(shí)現(xiàn)萬(wàn)向穩(wěn)定的一種方法及相應(yīng)的裝置。屬于機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID：Superconducting?QUantum?Interference?Device）是目前已知靈敏度最高的磁傳感器，在靜態(tài)工作環(huán)境下已有眾多應(yīng)用，但在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，尤其是在飛行平臺(tái)上，SQUID由于切割地球磁力線從而極容易導(dǎo)致其高靈敏度的讀出電路因量程不足而溢出或者因擺率不足而失鎖，例如測(cè)量分辨率為100fT,在地球磁場(chǎng)普遍為幾十uT的環(huán)境，當(dāng)波動(dòng)范圍為10uT時(shí),動(dòng)態(tài)范圍即為160dB，當(dāng)前的電路技術(shù)幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)。此外，SQUID必須工作在裝有液氦或者液氮的低溫容器（杜瓦）中，劇烈的晃動(dòng)不但增加低溫液體的揮發(fā)率，從而減少系統(tǒng)的有效工作時(shí)間，而且存在嚴(yán)重的安全性問(wèn)題。

現(xiàn)有的電路電子技術(shù)，比如磁通量子計(jì)數(shù)方法，可以解決量程不足，甚至可解決擺率不足的問(wèn)題，但需要犧牲SQUID讀出電路的穩(wěn)定性，而且還無(wú)法解決杜瓦中低溫液體液面晃動(dòng)的問(wèn)題。這就是磁通量子計(jì)數(shù)方法無(wú)法大規(guī)模推廣的原因。

考慮到SQUID正常工作時(shí)必須遠(yuǎn)離強(qiáng)磁性物質(zhì)，尤其是電機(jī)，因此如能找到一種實(shí)現(xiàn)杜瓦在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下萬(wàn)向穩(wěn)定的無(wú)動(dòng)力方法就可完美地解決上述所有問(wèn)題。遺憾的是目前沒(méi)有任何有關(guān)杜瓦的無(wú)動(dòng)力萬(wàn)向穩(wěn)定裝置見(jiàn)諸報(bào)道，僅有一些相關(guān)的技術(shù)資料公布。

公開(kāi)號(hào)為CN2114082U的專(zhuān)利公布了一種由主架、內(nèi)穩(wěn)定環(huán)、外穩(wěn)定環(huán)、連接軸以及底托架組成的萬(wàn)向穩(wěn)定架。該裝置是典型的機(jī)械陀螺儀機(jī)構(gòu)，要實(shí)現(xiàn)萬(wàn)向穩(wěn)定需要高速旋轉(zhuǎn)，這在無(wú)動(dòng)力的條件下是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。因此無(wú)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的該裝置雖然能在靜止或者勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下依靠重力保持萬(wàn)向穩(wěn)定，但在變速運(yùn)動(dòng)中無(wú)法克服由需萬(wàn)向穩(wěn)定的物體產(chǎn)生的慣性所引起的擺動(dòng)。

專(zhuān)利CN2881219公布了一種由正圓球體、環(huán)形珠槽和珠體組成的萬(wàn)向平衡運(yùn)行裝置，其特征是珠體置于相應(yīng)配合的環(huán)形珠槽內(nèi)，環(huán)形珠槽設(shè)置在正圓球體的外部或內(nèi)部并與正圓球體連接為一體，珠體與正圓球體為滾動(dòng)配合。首先，該裝置的主要設(shè)計(jì)目的不是用于萬(wàn)向穩(wěn)定；其次，即使按照其工作原理進(jìn)行改裝，考慮到作為被穩(wěn)定對(duì)象的正圓球體重心和外部框架結(jié)構(gòu)的幾何中心重合，該裝置也無(wú)法有效地對(duì)位于正圓球體內(nèi)的物體進(jìn)行萬(wàn)向穩(wěn)定。此外，在飛行狀態(tài)下，機(jī)艙內(nèi)的物體均會(huì)同時(shí)承受高頻的振動(dòng)和低頻的晃動(dòng)，沒(méi)有合適的阻尼減震系統(tǒng)輔助，需萬(wàn)向穩(wěn)定的物體極其容易形成振蕩，如同用細(xì)線懸掛的小球在重力狀態(tài)下受到外部干擾由晃動(dòng)到靜止的過(guò)程。

綜上所述，現(xiàn)有可用于杜瓦的無(wú)動(dòng)力萬(wàn)向穩(wěn)定方法不但存在響應(yīng)不及時(shí)的問(wèn)題，還存在穩(wěn)定過(guò)程中容易振蕩的問(wèn)題，從而極大地影響了超導(dǎo)量子干涉儀在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中的廣泛應(yīng)用和推廣。本發(fā)明擬解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，從而引導(dǎo)出本發(fā)明的構(gòu)思。

發(fā)明內(nèi)容

現(xiàn)有杜瓦萬(wàn)向穩(wěn)定方法在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下要么存在電機(jī)等強(qiáng)磁性干擾，要么存在響應(yīng)不及時(shí)和容易振蕩等問(wèn)題,為了克服上述不足，本發(fā)明提供一種實(shí)現(xiàn)杜瓦萬(wàn)向穩(wěn)定的無(wú)動(dòng)力方法及相應(yīng)的裝置，所述方法不僅能有效地響應(yīng)飛行器的振動(dòng)和晃動(dòng)，而且能方便地根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)，減弱甚至消除杜瓦在穩(wěn)定過(guò)程中的振蕩。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：無(wú)動(dòng)力萬(wàn)向穩(wěn)定裝置幾乎毫無(wú)例外地是通過(guò)重力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)被穩(wěn)定物體受外界影響導(dǎo)致其重心發(fā)生偏離時(shí)，其自身重力即刻以扭矩的方式迫使被穩(wěn)定物體克服摩擦力阻礙狀態(tài)的改變，并始終努力使重力方向的延長(zhǎng)線通過(guò)其旋轉(zhuǎn)中心。按照此原理，可獲知如下幾個(gè)結(jié)論：首先，被穩(wěn)定物體的重心和其旋轉(zhuǎn)中心不能重合，否則其自身重力將無(wú)法發(fā)揮其應(yīng)有的作用；其次，被穩(wěn)定物體的重心離其旋轉(zhuǎn)中心越遠(yuǎn)，在相同外界條件下由重力形成的回歸扭矩越大，但由慣性形成的扭矩也越大；最后，被穩(wěn)定物體與穩(wěn)定裝置間的摩擦系數(shù)越小，則阻礙穩(wěn)定的摩擦力越小，但也越容易振蕩。

鑒于上述認(rèn)知，所提供的設(shè)計(jì)方案似乎只有對(duì)被穩(wěn)定物體的重心位置和它與穩(wěn)定裝置間的摩擦系數(shù)進(jìn)行折衷，但如果跳出這個(gè)思維框架，在被穩(wěn)定物體和穩(wěn)定裝置間加入一種物質(zhì)，使其在萬(wàn)向穩(wěn)定過(guò)程中既能動(dòng)態(tài)增加回歸扭矩，又能防止振蕩。此外，必須考慮到在寬頻段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)萬(wàn)向穩(wěn)定的難度很大，因此借鑒電路中濾波器的設(shè)計(jì)，將飛行器的振動(dòng)和晃動(dòng)分為低頻和高頻兩部分，通過(guò)減震系統(tǒng)消除高頻部分的影響，再利用萬(wàn)向穩(wěn)定裝置濾除低頻部分，從而有效提高裝置的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。

本發(fā)明所述的實(shí)現(xiàn)杜瓦萬(wàn)向穩(wěn)定的無(wú)動(dòng)力方法，其特征在于：