一种球体支撑方式的稳定性检测装置

1.本发明属于精密测量技术领域，更具体地，涉及一种球体支撑方式的稳定性检测装置。


背景技术：

2.随着现代机械工业、航空航天工业的飞速发展，对作为基础部件的性能和精度要求越来越高。标准球是圆度仪、陀螺、三坐标、影像仪和精密测量中的重要元件，并常作为精密测量的基准，可见，标准球无论是在现代工业领域还是精密工程领域都占有重要地位。在测g(重力加速度)实验中标准球不可避免的会受到外界地面振动和地震等的影响，经过实验证明标准球的定位支撑在测g实验中提供了3ppm的误差，这个误差主要是球体受到系统振动产生位置变化贡献的。
3.因此，亟需一种能对测g实验中球体稳定性检测的装置。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种球体支撑方式的稳定性检测装置，能实现对测g实验中球体稳定性的检测，为进一步优化精密球的工艺提供依据。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种球体支撑方式的稳定性检测装置，用于测g实验中球体的稳定性检测，包括：
6.球体支撑机构，包括微晶盘及设置在微晶盘上的支撑环，被测球体放置在支撑环上，所述被测球体、微晶盘和支撑环构成了被检测单元；
7.振动信号监测机构，包括设置在微晶盘上的振动台和微震仪，振动台用于给微晶盘施加振动信号，微震仪用于对该振动信号进行实时监测；
8.振动方向测量机构，包括两组相互垂直的第一电容极板对、两个第二电容极板和电容位移传感系统，其中，四个第一电容极板对应悬挂设置在被测球体的四周，与被测球体的高度一致，用于配合电容位移传感系统，测量被检测单元受振动影响下在垂直两方向上的位置变化；两个第二电容极板设置在微晶盘上，对应与设置在垂直方向上的两第一电容极板正对设置，用于配合电容位移传感系统，测量第一电容极板受振动影响下在垂直两方向上的位置变化；
9.处理机构，用于获取所述振动方向测量机构测量得到的被检测单元受振动影响下在垂直两方向上的位置变化、及第一电容极板受振动影响下在垂直两方向上的位置变化；然后将两者位置变化做差分处理，得到被测球体受振动影响引起的位置变化；接着根据被测球体受振动影响引起的位置变化及所述振动信号监测机构测量得到的振动信号，计算被测球体的位移变化情况，从而实现被测球体稳定性的检测。
10.本发明提供的球体支撑方式的稳定性检测装置，将电容位移传感系统与振动信号监测机构结合，可实现球体支撑方式在振动干扰下的稳定性检测，其优点主要体现在：(1)通过两级电容极板与电容位移传感系统相连做差分，可实现高灵敏度的球体位置变化在两
方向上的测量；(2)采用悬挂的方式将两组第一电容极板设置在被测球体的四周，可避免施加振动信号时实现两组第一电容极板不受振动影响；(3)使用振动台对微晶盘施加振动信号并结合微震仪，可实现对振动信号的实时监测。
11.在其中一个实施例中，所述电容位移传感系统包括四个电容位移传感电路，其中两个电容位移传感电路对应与两组第一电容极板对相连，另外两个电容位移传感电路对应与2组正对设置的第一电容极板和第二电容极板相连。
12.在其中一个实施例中，所述其中两个电容位移传感电路的系数标定方法分别为：在组装本装置前，将支撑环安装在平移台上，并置于微晶盘上；之后将被测球体放于支撑环上，通过调节平移台上的千分筒，使被测球体沿处于与该电容位移传感电路相连的第一电容极板对连线方向移动1～10μm，然后停留到电容极板状态相对平衡，从而得到该电容位移传感电路输出的电压与移动距离的关系；接着再对其进行最小二乘法拟合，得到该电容位移传感电路的标定系数。
13.在其中一个实施例中，所述另外两个电容位移传感电路的系数标定方法分别为：在组装本装置前，将平移台安装在悬挂的第一电容极板下；之后通过调节平移台上的千分筒，使与该电容位移传感电路相连的第一级电容极板沿处于其正对位置的第二电容极板连线方向移动1～10μm，然后停留到电容极板状态相对平衡，从而得到该电容位移传感电路输出的电压与移动距离的关系；接着再对其进行最小二乘法拟合，得到该电容位移传感系统的标定系数。
14.在其中一个实施例中，四个第一电容极板通过电容极板支架悬挂在被测球体的四周，所述电容极板支架的底座固定在两个隔振台上，两个隔振台设置在微晶盘相对的两侧。
15.在其中一个实施例中，所述支撑环上粘连三个殷钢支撑柱，所述殷钢支撑柱的上端是一个45
°
的切面，所述切面与被测球体通过三个特定的点接触。
16.在其中一个实施例中，所述微晶盘放置于支撑台上。
附图说明
17.图1是本发明一实施例提供的球体支撑方式的稳定性检测装置的结构示意图；
18.图2是本发明一实施例提供的电容极板a和b的位置关系图；
19.图3是本发明一实施例提供的变间距电容传感原理图；
20.图4是本发明一实施例提供的球体支撑方式的结构示意图。
具体实施方式
21.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
22.为提高标准球在使用过程中的质量并减少实验误差，本发明通过对球体支撑盘施加振动信号并对球体位置变化做实时监测，可及时了解标准球的状态，分析球体位置在振动干扰下的稳定性，为进一步优化精密球的工艺提供依据。
23.图1是本发明一实施例提供的球体支撑方式的稳定性检测装置的结构示意图，如图1所示，该稳定性检测装置主要包括球体支撑机构、振动信号监测机构、振动方向测量机
构和处理机构。
24.在本实施例中，球体支撑机构包括微晶盘30及设置在微晶盘30上的支撑环20，被测球体10放置在支撑环20上，被测球体10、微晶盘30和支撑环20构成了被检测单元。优选地，微晶盘30可采用微晶玻璃盘，微晶玻璃盘置于支撑台60上，可减少地面振动等对被监测单元的影响。
25.振动信号监测机构包括设置在微晶盘30上的振动台40和微震仪50，振动台40用于给微晶盘30施加振动信号，微震仪50用于对该振动信号进行实时监测。
26.振动方向测量机构包括4个电容极板a、2个电容极板b和电容位移传感系统。参见图2，其中，4个电容极板a悬挂设置在被测球体10的四周，构成2组相互垂直的电容极板对72a和72b，保证电容极板a与被测球体10的高度一致，可实现对微晶盘30施加振动信号时电容极板对72a和72b不受振动影响。2个电容极板b则设置在微晶盘30上，并对应与设置在垂直方向上的两电容极板a正对设置，组成两组正对设置的电容极板对74a和74b。
27.电容位移传感系统可采用四个电容位移传感电路构成，四个电容位移传感电路分别与电容极板对72a和72b、电容极板对74a和74b电相连，分别用于实现监测在振动下被监测单元整体在垂直两方向上的位置变化情况、及实现监测在振动下电容极板a在垂直两方向上的位置变化。具体地，本实施例提供的电容位移传感电路可采用本领域常用的电容位移传感电路架构，即采用由高压放大器、倍频器、滤波器和模数转换器组成的架构。
28.具体地，本实施例提供的电容位移传感电路配合电容极板对72a和72b，实现监测在振动下被监测单元整体在垂直两方向上的位置变化情况的工作原理为：
29.电容极板对72a和72b采用的是两组互相垂直的差动结构，每个电容极板对用于实现一个方向上的监测。由于电容极板对中的两个电容极板a在相互靠近时相对于球体产生了电容c1与c2，当球体位置变化时，一个电容增大，一个电容减小，两电容的差(c
1-c2)将发生改变，继而导致电容位移传感电路的输出电压vd变化。在一个小的移动范围内，电路输出vd与两电容极板a靠近的位移
△
d成线性关系，即：vd＝α
△
d，其中α是线性比例系数，该线性比例系数α可在装置组装前通过电容位移传感电路的系数标定得到。由此，通过电容位移传感电路配合电容极板对72a和72b，可以得到被监测单元在垂直两个方向上的位置变化情况。
30.本实施例提供的电容位移传感电路配合电容极板对74a和74b，实现监测在振动下电容极板a在垂直两方向上的位置变化的工作原理为：
31.电容极板对74a和74b采用的是两组互相垂直的变间距的结构，每个电容极板对用于实现一个方向上的监测。如图3所示，一个方向上的电容变化量
△
c随间距变化量
△
d的变化为其中ε为介电常数，s为电容极板a和电容极板b的正对面积，d0为平衡间距，本装置采用变间距结构可以实现垂直两方向上的电容极板a由于振动引起的位置变化情况。当电容极板a感受到振动时发生位移变化
△
d，与其正对的电容极板b产生电容差
△
c，导致电容位移传感电路的输出电压vd发生变化。在一个小的移动范围内，电路输出vd与位移
△
d成线性关系，即：vd＝β
△
d，其中β是线性比例系数，线性比例系数β可通过电容位移传感电路的系数标定得到。由此，通过电容位移传感电路配合电容极板对74a和74b，可以得到电容极板a在垂直两方向上的位置变化情况。
32.处理机构可采用dsp或单片机控制电路，用于执行如下流程：步骤一，获取振动方向测量机构测量得到的被检测单元受振动影响下在垂直两方向上的位置变化、及电容极板a受振动影响下在垂直两方向上的位置变化；步骤二，将两者位置变化做差分处理，得到被测球体受振动影响引起的位置变化；步骤三，根据被测球体受振动影响引起的位置变化及振动信号监测机构测量得到的振动信号大小，计算被测球体的位移变化情况，从而实现被测球体稳定性的检测。
33.本实施例提供的球体支撑方式的稳定性检测装置，将电容位移传感系统与振动信号监测机构结合，可实现球体支撑方式在振动干扰下的稳定性检测，其优点主要体现在：(1)通过两级电容极板与电容位移传感系统相连做差分，可实现高灵敏度的球体位置变化在两方向上的测量；(2)采用悬挂的方式将两组第一电容极板设置在被测球体的四周，可避免施加振动信号时实现两组第一电容极板不受振动影响；(3)使用振动台对微晶盘施加振动信号并结合微震仪，可实现对振动信号的实时监测。
34.在一个实施例中，与电容极板对72a和72b分别相连的两电容位移传感电路的系数标定方法均可为：在组装装置前，将支撑环安装在平移台上，并置于微晶盘上；之后将被测球体放于支撑环上，通过调节平移台上的千分筒，使被测球体沿处于与该电容位移传感电路相连的电容极板对连线方向移动1～10μm，优选为5μm，然后停留到电容极板状态相对平衡，约200s；从而得到该电容位移传感电路输出的电压与移动距离的关系；接着再对其进行最小二乘法拟合，得到该电容位移传感电路的标定系数。
35.与电容极板对74a和74b分别相连的两电容位移传感电路的系数标定方法均可为：在组装装置前，将平移台安装在悬挂的电容极板a下；之后通过调节平移台上的千分筒，使与该电容位移传感电路相连的电容极板a沿处于其正对位置的电容极板b连线方向移动1～10μm，优选为5μm，然后停留到电容极板状态相对平衡，从而得到该电容位移传感电路输出的电压与移动距离的关系；接着再对其进行最小二乘法拟合，得到该电容位移传感电路的标定系数。
36.在一个实施例中，如图1所示，四个电容极板a可通过电容极板支架80，并使用小板子悬挂在被测球体的四周，构成两组互相垂直的差动结构电容极板。其中，电容极板支架80的底座固定在两个隔振台90上，两个隔振台90设置在微晶盘30相对的两侧，可保证球体与电容极板a的高度一致的同时,避免当振动台40施加振动信号时电容位移传感系统受到影响。
37.在一个实施例中，如图4所示，可在支撑环上粘连三个殷钢支撑柱，殷钢具有非常低的热膨胀系数，约为1.6x10-6/℃，可有效降低温度波动对球体位置的影响。每个殷钢支撑柱的上端是一个45
°
的切面，经过打磨和抛光后，其表面平面度好于λ/6，λ为测g实验中采用的干涉仪所使用的氦氖激光器的波长632.8nm，将三个殷钢支撑柱粘于支撑环上，球体与切面通过三个特定的点接触。本实施例提供的球体支撑机构采用三点支撑方式，可有效提高球体支撑方式的稳定性。
38.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种球体支撑方式的稳定性检测装置，用于测g实验中球体的稳定性检测，其特征在于，包括：球体支撑机构，包括微晶盘及设置在微晶盘上的支撑环，被测球体放置在支撑环上，所述被测球体、微晶盘和支撑环构成了被检测单元；振动信号监测机构，包括设置在微晶盘上的振动台和微震仪，振动台用于给微晶盘施加振动信号，微震仪用于对该振动信号进行实时监测；振动方向测量机构，包括两组相互垂直的第一电容极板对、两个第二电容极板和电容位移传感系统，其中，四个第一电容极板对应悬挂设置在被测球体的四周，与被测球体的高度一致，用于配合电容位移传感系统，测量被检测单元受振动影响下在垂直两方向上的位置变化；两个第二电容极板设置在微晶盘上，对应与设置在垂直方向上的两第一电容极板正对设置，用于配合电容位移传感系统，测量第一电容极板受振动影响下在垂直两方向上的位置变化；处理机构，用于获取所述振动方向测量机构测量得到的被检测单元受振动影响下在垂直两方向上的位置变化、及第一电容极板受振动影响下在垂直两方向上的位置变化；然后将两者位置变化做差分处理，得到被测球体受振动影响引起的位置变化；接着根据被测球体受振动影响引起的位置变化及所述振动信号监测机构测量得到的振动信号，计算被测球体的位移变化情况，从而实现被测球体稳定性的检测。2.根据权利要求1所述的球体支撑方式的稳定性检测装置，其特征在于，所述电容位移传感系统包括四个电容位移传感电路，其中两个电容位移传感电路对应与两组第一电容极板对相连，另外两个电容位移传感电路对应与2组正对设置的第一电容极板和第二电容极板相连。3.根据权利要求2所述的球体支撑方式的稳定性检测装置，其特征在于，所述其中两个电容位移传感电路的系数标定方法分别为：在组装本装置前，将支撑环安装在平移台上，并置于微晶盘上；之后将被测球体放于支撑环上，通过调节平移台上的千分筒，使被测球体沿处于与该电容位移传感电路相连的第一电容极板对连线方向移动1～10μm，然后停留到电容极板状态相对平衡，从而得到该电容位移传感电路输出的电压与移动距离的关系；接着再对其进行最小二乘法拟合，得到该电容位移传感电路的标定系数。4.根据权利要求2所述的球体支撑方式的稳定性检测装置，其特征在于，所述另外两个电容位移传感电路的系数标定方法分别为：在组装本装置前，将平移台安装在悬挂的第一电容极板下；之后通过调节平移台上的千分筒，使与该电容位移传感电路相连的第一级电容极板沿处于其正对位置的第二电容极板连线方向移动1～10μm，然后停留到电容极板状态相对平衡，从而得到该电容位移传感电路输出的电压与移动距离的关系；接着再对其进行最小二乘法拟合，得到该电容位移传感系统的标定系数。5.根据权利要求1所述的球体支撑方式的稳定性检测装置，其特征在于，四个第一电容极板通过电容极板支架悬挂在被测球体的四周，所述电容极板支架的底座固定在两个隔振台上，两个隔振台设置在微晶盘相对的两侧。6.根据权利要求1所述的球体支撑方式的稳定性检测装置，其特征在于，所述支撑环上粘连三个殷钢支撑柱，所述殷钢支撑柱的上端是一个45
°
的切面，所述切面与被测球体通过三个特定的点接触。
7.根据权利要求1所述的球体支撑方式的稳定性检测装置，其特征在于，所述微晶盘放置于支撑台上。

技术总结
本发明公开了一种球体支撑方式的稳定性检测装置，包括：振动方向测量机构，包括两组相互垂直的第一电容极板对、两个第二电容极板和电容位移传感系统，其中，四个第一电容极板对应悬挂设置在球体的四周，用于测量被检测单元受振动影响下在垂直两方向上的位置变化，两个第二电容极板对应与设置在垂直方向上的两第一电容极板正对设置，用于测量第一电容极板受振动影响下在垂直两方向上的位置变化；处理机构，用于将两者位置变化做差分处理，得到球体受振动影响引起的位置变化，然后结合振动信号监测机构测量得到的振动信号，实现球体稳定性的检测。本发明能实现对测G实验中球体稳定性的检测，为进一步优化精密球的工艺提供依据。为进一步优化精密球的工艺提供依据。为进一步优化精密球的工艺提供依据。


技术研发人员：杨玲玲 黎卿 毛强兵 黄通 刘睿琦 邹雨彤
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.06.06
技术公布日：2023/8/14