一種基于靜電負剛度的彈簧隔振系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于靜電負剛度的彈簧隔振系統(tǒng)，包括外框架、位于外框架底部的調平裝置、置于外框架內的機械彈簧、位于外框架的上端一定距離處的隔振平板、第一電容極板和第二電容極板固定設置于外框架的側壁上；在機械彈簧沿其徑向固定設置一中間電容極板，且使其位于第一電容極板和所述第二電容極板的中間位置；第一電容極板和中間電容極板構成第一電容C1，第二電容極板和中間電容極板構成第二電容C2，由此構成差分電容對；電源為第一電容極板、第二電容極板和中間電容極板分別供應適當電壓，則該差分電容對會產(chǎn)生等效的靜電負剛度，靜電負剛度抵消機械彈簧的機械剛度使得整個彈簧系統(tǒng)的總的剛度降低，從而實現(xiàn)對低頻振動的隔離效果。
【專利說明】-種基于靜電負剛度的彈簧隔振系統(tǒng)

【技術領域】
[0001] 本實用新型屬于重力儀【技術領域】，更具體地，涉及一種基于靜電負剛度的彈簧隔 振系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002] 隔振系統(tǒng)是絕對重力儀的核心部件之一，隔振系統(tǒng)的性能直接影響絕對重力儀的 精度水平，并且隔振系統(tǒng)在航空航天、光學、機械加工、醫(yī)療及制造業(yè)等領域也有廣泛的應 用。
[0003] 彈簧隔振系統(tǒng)是最常見的隔振系統(tǒng)之一，目前長周期彈簧隔振系統(tǒng)主要有主動隔 振系統(tǒng)和機械負剛度彈簧隔振系統(tǒng)，主動隔振系統(tǒng)典型代表是美國Mi Cr〇-g LaCoste公司 的超長彈簧系統(tǒng)，它利用激光檢測被隔振對象的相對運動，通過磁反饋補償該運動，保持 被隔振對象的相對靜止，達到隔離低頻振動的效果；機械負剛度彈簧隔振系統(tǒng)的典型代表 是美國MinusK隔振臺，它利用機械負剛度彈簧抵消主支撐彈簧的剛度，降低整個系統(tǒng)的剛 度，達到隔離低頻振動的效果。無論是超長彈簧還是MinusK隔振臺，它們的機械結構和系 統(tǒng)都非常復雜，需要精密的設計和加工機械系統(tǒng)等。
[0004] 若想隔離低頻振動噪聲，就需要彈簧的諧振周期越長越好。但是彈簧的諧振周期 越長，就需要彈簧的幾何尺寸越長，實際中彈簧的幾何尺寸有限，因此彈簧隔振系統(tǒng)的諧振 周期通常不會太長，達不到幾秒甚至幾十秒，無法實現(xiàn)更低頻率的隔振。 實用新型內容
[0005] 針對現(xiàn)有技術的以上缺陷或改進需求，本實用新型提供了一種基于靜電負剛度的 彈簧隔振系統(tǒng)，其目的在于克服普通機械彈簧幾何尺寸的限制，實現(xiàn)彈簧隔振系統(tǒng)在低頻 隔振中的應用；同時整個系統(tǒng)結構簡單，不需要主動反饋與精密的機械設計和加工就能達 到同樣的隔振效果。
[0006] 本實用新型提供了一種基于靜電負剛度的彈簧隔振系統(tǒng)，包括：外框架、位于所述 外框架底部的調平裝置、位于所述外框架上端的隔振平板、位于所述外框架內且一端與所 述外框架底面固定連接，另一端與所述隔振平板固定連接的機械彈簧、沿所述機械彈簧的 徑向并與其固定連接的中間電容極板、與所述外框架側壁固定連接且以所述中間電容極板 為中心對稱設置的第一電容極板和第二電容極板、以及用于給所述第一電容極板、第二電 容極板和所述中間電容極板施加電壓的電源；所述第一電容極板和所述第二電容極板均為 中心具有通孔的規(guī)則形狀；所述第一電容極板和所述中間電容極板構成第一電容C 1，所述 第二電容極板和所述中間電容極板構成第二電容C2，使得所述第一電容C1和所述第二電容 C 2構成差分電容對；通過給所述第一電容極板和第二電容極板施加極性相反大小相等的直 流電壓，給中間電容極板施加交流電壓，利用差分電容對中產(chǎn)生的靜電負剛度去抵消所述 機械彈簧的剛度，從而實現(xiàn)對低頻振動的隔離。
[0007] 更進一步地，所述第一電容極板和所述第二電容極板的結構相同，均為圓環(huán)狀薄 板結構；這種圓環(huán)狀結構能夠增大電容極板的正對面積，在施加電壓相同的情況下能夠獲 得更大的靜電負剛度，提升隔振效果。
[0008] 更進一步地，所述電源為所述中間電容極板施加交流電壓，所述電源為所述第一 電容極板和所述第二電容極板施加直流電壓。第一電容極板和第二電容極板會對中間電容 極板產(chǎn)生靜電力的作用，該靜電力中包含兩部分：與中間電容極板偏離其平衡位置位移有 關的力和與中間電容極板偏離其平衡位置位移無關的力。如果中間電容極板上僅施加交流 電壓（無直流電壓），則該靜電力就只剩下與中間電容極板偏離其平衡位置位移有關的力， 此時可以將施加電壓的差分電容對看成一個靜電彈簧，并且由于該靜電彈簧的作用效果與 機械彈簧的作用效果相反，因此該靜電彈簧的剛度可以稱為靜電負剛度。利用該靜電負剛 度去抵消機械彈簧的機械剛度，則整個彈簧隔振系統(tǒng)總的等效剛度降低了，即彈簧隔振系 統(tǒng)總的等效諧振頻率降低了，能夠對更低頻率的振動進行隔離。
[0009] 更進一步地，所述中間電容極板與所述機械彈簧沿其徑向固定設置并且與第一電 容極板和第二電容極板的距離相等。
[0010] 本實用新型在機械彈簧隔振系統(tǒng)的基礎上，增加差分電容對形成靜電負剛度抵消 部分機械彈簧的剛度，從而達到降低整個彈簧系統(tǒng)總剛度的效果，實現(xiàn)對低頻振動的隔離， 解決低頻隔振的難點問題。
[0011] 本實用新型提供了一種基于靜電負剛度的彈簧隔振系統(tǒng)。由于普通機械彈簧幾何 尺寸的限制，普通彈簧隔振系統(tǒng)的諧振頻率不可能做的太低，這就限制了普通彈簧隔振系 統(tǒng)在低頻隔振中的應用。本實用新型在普通彈簧隔振系統(tǒng)的基礎上，增加一對差分電容，在 電容極板上施加適當?shù)碾妷汉?，差分電容對中會產(chǎn)生適當?shù)碾妶隽Γ⑶以撾妶隽εc中間 電容極板偏離其平衡位置的大小成正比，該差分電容對可以等效為一個靜電彈簧，并且由 于其作用效果與機械彈簧相反，因此稱其剛度為靜電負剛度。利用差分電容對的靜電負剛 度去抵消機械彈簧的剛度，從而達到減小整個系統(tǒng)等效總剛度的效果，使系統(tǒng)的諧振頻率 降低，實現(xiàn)對低頻振動隔離的效果。
[0012] 總體而言，通過本實用新型所構思的以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，本實用新型 通過增加一對差分電容對以形成靜電負剛度，用于抵消原有機械彈簧隔振系統(tǒng)的機械剛 度，使整個隔振系統(tǒng)的總的等效剛度降低，相較于現(xiàn)有的彈簧隔振系統(tǒng)，在機械彈簧幾何尺 寸相同的前提下，本實用新型提出的基于靜電負剛度的低頻隔振系統(tǒng)，可適用于更低頻率 的振動隔離，并且具有結構簡單，方便使用的優(yōu)點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1是本實用新型的隔振系統(tǒng)結構原理示意圖；
[0014] 圖2是本實用新型的三個電容極板加電示意圖。
[0015] 在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中，1為外框架、2 為調平裝置、3為機械彈簧、4為隔振平板、5為第一電容極板、6為第二電容極板、7為中間電 容極板、8為電源。

【具體實施方式】
[0016] 為了使本實用新型的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施 例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本 實用新型，并不用于限定本實用新型。此外，下面所描述的本實用新型各個實施方式中所涉 及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0017] 圖1示出了本實用新型提供的低頻隔振系統(tǒng)的結構原理圖，為了便于說明，僅僅 示出了與本實用新型相關的部分，詳述如下：
[0018] 基于靜電負剛度的低頻隔振系統(tǒng)包括外框架1、調平裝置2、機械彈簧3、隔振平板 4、第一電容極板5、第二電容極板6、中間電容極板7以及電源8 ;其中，隔振平板4,其位于 外框架1的上端一定距離處，隔振平板4可選取石英玻璃、陶瓷等絕緣材料制成的平板；機 械彈簧3,其置于外框架1內，其下端與外框架1底面固定連接，上端與隔振平板固定連接， 用于支撐隔振平板4,隔振平板4用于支撐被隔振對象；外框架1可以為石英玻璃、陶瓷等 絕緣材料制作，機械彈簧3可選用鋼琴絲等溫度系數(shù)較小的材料制作；調平裝置2,其位于 所述外框架1的底部，用于調節(jié)隔振平板4的水平；第一電容極板5和第二電容極板6固定 設置于所述外框架1的側壁上；在所述機械彈簧3中心位置沿其徑向固定設置一中間電容 極板7,且使其位于所述第一電容極板5和所述第二電容極板6之間；第一電容極板5和所 述中間電容極板7構成電容C 1，第二電容極板6和中間電容極板7構成電容C2，由此構成差 分電容對；三個電容極板可選用石英玻璃鍍金或者金屬材料制作，其中第一電容極板5和 第二電容極板6均為中心具有通孔的規(guī)則形狀，機械彈簧3從通孔中穿過；第一電容極板5 和第二電容極板6可以為圓環(huán)狀，也可以為中間具有通孔的正方形或長方形；但是圓環(huán)狀 相比正方形和長方形結構能夠增大電容極板的正對面積，在施加電壓相同的情況下能夠獲 得更大的靜電負剛度，提升隔振效果。
[0019]在本實用新型中，電源模塊8為第一電容極板5、第二電容極板6以及中間電容極 板7施加合適的電壓后，第一電容極板5和第二電容極板6會對中間電容極板7產(chǎn)生靜電 力的作用，該靜電力中包含兩部分：與中間電容極板偏離其平衡位置位移有關的力和與中 間電容極板偏離其平衡位置位移無關的力。如果中間電容極板上僅施加交流電壓（無直流 電壓），則該靜電力就只剩下與中間電容極板偏離其平衡位置位移有關的力，此時可以將施 加電壓的差分電容對看成一個靜電彈簧，并且由于該靜電彈簧的作用效果與機械彈簧的作 用效果相反，因此該靜電彈簧的剛度可以稱為靜電負剛度。利用該靜電負剛度去抵消機械 彈簧的機械剛度，則整個彈簧隔振系統(tǒng)總的等效剛度降低了，即彈簧隔振系統(tǒng)總的等效諧 振頻率降低了，能夠對更低頻率的振動進行隔離。
[0020] 如圖2所示，在第一電容極板5、第二電容極板6上分別施加極性相反的直流電壓， 且在中間電容極板7上施加交流電壓后，三個電容極板各自帶有電荷，各個電容極板受到 電場力的作用，并且作用于中間電容極板7的電場力與中間電容極板7偏離其平衡位置的 大小成正比，該差分電容對可以等效為一個靜電彈簧，會對中間電容極板7產(chǎn)生靜電力的 作用。該靜電力的大小可以用公式表示為：

【權利要求】
1. 一種基于靜電負剛度的彈簧隔振系統(tǒng)，其特征在于，包括：外框架（I)、位于所述外 框架（1)底部的調平裝置（2)、位于所述外框架（1)上端的隔振平板（4)、位于所述外框架 (1)內且一端與所述外框架（1)底面固定連接，另一端與所述隔振平板（4)固定連接的機械 彈簧（3)、沿所述機械彈簧（3)的徑向并與其固定連接的中間電容極板（7)、與所述外框架 (1)側壁固定連接且以所述中間電容極板（7)為中心對稱設置的第一電容極板（5)和第二 電容極板￠)、以及用于給所述第一電容極板（5)、第二電容極板（6)和所述中間電容極板 (7)施加電壓的電源（8); 所述第一電容極板（5)和所述第二電容極板（6)均為中心具有通孔的規(guī)則形狀； 所述第一電容極板（5)和所述中間電容極板（7)構成第一電容C1，所述第二電容極板 (6)和所述中間電容極板（7)構成第二電容C2，使得所述第一電容C1和所述第二電容C 2構 成差分電容對；通過給所述第一電容極板（5)和第二電容極板（6)施加極性相反大小相等 的直流電壓，給中間電容極板（7)施加交流電壓，利用差分電容對中產(chǎn)生的靜電負剛度去 抵消所述機械彈簧（3)的剛度，從而實現(xiàn)對低頻振動的隔離。
2. 如權利要求1所述的彈簧隔振系統(tǒng)，其特征在于，所述第一電容極板（5)和所述第二 電容極板（6)的結構相同，均為圓環(huán)狀薄板結構。
3. 如權利要求1所述的彈簧隔振系統(tǒng)，其特征在于，所述中間電容極板（7)與所述機械 彈簧（3)沿其徑向固定設置并且與第一電容極板（5)和第二電容極板￠)的距離相等。
4. 如權利要求1-3任一項所述的彈簧隔振系統(tǒng)，其特征在于，所述電源（8)為所述中間 電容極板（7)施加交流電壓，所述電源（8)為所述第一電容極板（5)和所述第二電容極板 (6)施加直流電壓。
【文檔編號】F16F15/03GK204127199SQ201420577905
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年9月30日 優(yōu)先權日:2014年9月30日
【發(fā)明者】田蔚, 吳曉敏, 胡明 申請人:中國科學院測量與地球物理研究所