wj 型橡膠減震器和分子電子傳感器在尋北儀系統(tǒng)中的應(yīng)用

王 磊 范沛東 趙 威

（成都理工大學(xué) 核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院，四川 成都610059）

1 概述

隨著科技的發(fā)展，地下作業(yè)也變得越來(lái)越普遍，由于私家車(chē)的增多，交通壓力越來(lái)越大，城市對(duì)地鐵的需求也會(huì)愈發(fā)劇烈。但是地下方向利用普通方法很難確認(rèn)，城市地下線路又比較復(fù)雜，對(duì)方向的準(zhǔn)確辨別就很重要，尋北儀成為了地下掘進(jìn)方向確認(rèn)的上上之選，但掘進(jìn)機(jī)前進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的顛簸可能會(huì)對(duì)尋北儀的工作產(chǎn)生影響。結(jié)合現(xiàn)有研究應(yīng)用情況，橡膠在減震方面的應(yīng)用研究，王長(zhǎng)迪等人研究了發(fā)動(dòng)機(jī)橡膠減震器的制造及選用效果，介紹了幾種橡膠的特點(diǎn)及功能，最終選用了wj 型橡膠減震器，即利用wj 型橡膠減震器的強(qiáng)大減震能力設(shè)計(jì)了一種高精度的尋北儀[1,2]。

2 尋北儀系統(tǒng)的組成

該尋北儀由減震底座、轉(zhuǎn)臺(tái)，分子電子傳感器和石英加速度計(jì)各一個(gè)(前者尋北，后者水平補(bǔ)償)，信號(hào)處理單元(A/D 轉(zhuǎn)換器，放大濾波器，F(xiàn)PGA) 和電源組成。底座由wj 型橡膠減震器構(gòu)成。轉(zhuǎn)臺(tái)部分由力矩電機(jī)、編碼器組成。外接部分有USB 接口、RS442 接口以及電源接口組成，為各種上位機(jī)的方便連接。

3 尋北儀系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)尋北原理

論文所研究的尋北儀采用是分子電子傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)尋北的原理可簡(jiǎn)單描述為:根據(jù)地球自轉(zhuǎn)的具體情況，利用地球作為參考系，建立一個(gè)水平勻速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺(tái)，其中一個(gè)切點(diǎn)作為參考點(diǎn)，切向速度與地球自轉(zhuǎn)時(shí)的北向分量角速度合成一個(gè)復(fù)合加速度,將分子電子傳感器(MET 傳感器)安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)上，使它們的靈敏度軸與平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)軸相垂直，地球轉(zhuǎn)動(dòng)軸具有在角傳感器的環(huán)形通道的平面上的投影。在平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)中，地球轉(zhuǎn)動(dòng)向量的這種投影與平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率相應(yīng)地按正弦變化[3]。通過(guò)對(duì)其進(jìn)行濾波、放大、采集、信號(hào)處理,最終得到的正弦信號(hào)的峰值方向即為真北方向。

4 wj 型橡膠減震器

較為典型的wj 型橡膠減震器是由多層的wj 型橡膠減震墊組合而成，其基本構(gòu)造如圖1 所示[2]。

Wj 型橡膠減震器主要特點(diǎn)是利用四種不同直徑、不同高度的小圓柱體兩面交叉配置組成，可以承受多個(gè)方向的載荷，具有較好的減震性能[1]。由此我們尋北儀的底座下加一塊這樣wj型橡膠減震器，來(lái)保證尋北儀的內(nèi)部器件不受震動(dòng)的干擾，提高尋北儀的工作精度[2]。

根據(jù)隔震原理得知，當(dāng)確定好振動(dòng)源干擾頻率ω 后，振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率可以定為[1]：

圖1 wj 型橡膠減震器

當(dāng)尋北儀的質(zhì)量M確定后，就可以計(jì)算出隔震系統(tǒng)的總剛度：K=Mω0

得出該固有頻率下的總剛度之后，再利用橡膠減震器的剛度公式來(lái)求解減震器的尺寸。下式便是橡膠減震器的動(dòng)態(tài)剛度計(jì)算的公式：

式子中，Es代表的橡膠減震器的靜態(tài)彈性模量，Ed是動(dòng)態(tài)彈性模量，單位是kg/cm2；其中的d 是與橡膠的邵氏硬度有關(guān)的動(dòng)態(tài)系數(shù)，不同的橡膠材料，不同的狀態(tài)下，數(shù)值有著一定的差異，可以通過(guò)查閱資料來(lái)確認(rèn)具體數(shù)值。對(duì)于丁腈橡膠Hs=55～70°時(shí)，d=1.5～2.5，對(duì)于天然橡膠邵氏硬度Hs=40～60°時(shí)，d=1.2～1.5；然后mi為i 方向形狀系數(shù)，和橡膠減震器的具體結(jié)構(gòu)有著密切的聯(lián)系；λt為溫度影響系數(shù)。

于是wj 型橡膠減震器總剛度計(jì)算為K=K1（一個(gè)小圓柱的剛度）*n（小圓柱個(gè)數(shù)），在利用固有頻率計(jì)算出隔震系統(tǒng)總剛度K之后，再計(jì)算出每個(gè)小圓柱體的剛度K1，我們就可以計(jì)算出小圓柱體的個(gè)數(shù)，最終設(shè)計(jì)出所需減震器的尺寸。

5 分子電子傳感器

在這部分我會(huì)給大家講解一下分子電子傳感器的實(shí)現(xiàn)原理以及優(yōu)勢(shì)所在。電子傳感器(MET) 不像其它慣性傳感器，它不包含任何精密機(jī)械零件或彈簧，并且制造比較簡(jiǎn)單和便宜[3,4]。MET傳感器固有地具有低噪聲和高信號(hào)放大率(在106 的量級(jí)上)，這使它們以小得多的形狀系數(shù)而具有可與光纖陀螺儀(FOG)和環(huán)形激光陀螺儀(RLG)相匹敵的性能。它們也具有固有性質(zhì)，對(duì)于地磁場(chǎng)或輻射的影響不敏感。

該分子電子傳感器(MET)是一個(gè)類(lèi)液體慣性質(zhì)量的慣性傳感器基于電化學(xué)機(jī)理，MET 捕獲物理和化學(xué)現(xiàn)象這些物理和化學(xué)現(xiàn)象作為流體動(dòng)力運(yùn)動(dòng)的結(jié)果發(fā)生在電化學(xué)單元中的電極表面[5]。轉(zhuǎn)角遇到傳感器的噪聲性能與光纖陀螺(FOGs)和環(huán)形激光陀螺(RLGs)在一個(gè)較小的尺寸，低功耗和降低成本。它受噪聲干擾小，精度更高，頻帶范圍0.1-100Hz，符合尋北儀的要求。

除緊湊好、高性能及低成本之外，MET 角加速度儀與其它MET 傳感器都具有固有堅(jiān)固性和對(duì)于極端沖擊的耐受度。MET角加速度儀的沖擊強(qiáng)度已經(jīng)在Picatinny Arsenal 的基本耐久性試驗(yàn)中在高達(dá)20kGs 下試驗(yàn)。

基于分子電子傳感器(MET) 技術(shù)的尋北儀通過(guò)將電極之間的液體電解質(zhì)轉(zhuǎn)化為電流來(lái)來(lái)檢測(cè)其運(yùn)動(dòng)[3,4]。如圖3 所示，四個(gè)電極(Pt) 的配置為陽(yáng)極- 陰極- 陰極- 陽(yáng)極，由氮化硅絕緣介質(zhì)隔離，通道中充滿了含有碘離子的電解質(zhì)，電解質(zhì)可以通過(guò)電極和絕緣介質(zhì)之間兩面流通，通道兩端被高彈性的橡膠膜覆蓋，從而讓液體遵循慣性定理。

圖2 MET 角加速度儀的示意圖

圖3 MET 轉(zhuǎn)換器的示意圖

向左邊為正值，當(dāng)外部地面有向左的加速度時(shí)，慣性推動(dòng)力會(huì)作用在電解液上，當(dāng)推動(dòng)力大于液面阻力時(shí)，電解液會(huì)向右邊移動(dòng)用u(t)表示沿著通道的地面運(yùn)動(dòng)，x(t)表示液體慣性質(zhì)量相對(duì)于地面的位移，兩者都是向右為正。有兩個(gè)真正的作用力作用在物質(zhì)上:a.彈性膜產(chǎn)生的恢復(fù)力，-KV(t)，由于它與流動(dòng)方向相反而為負(fù)值，其中V(t)是流過(guò)通道的流體體積，k 是體積剛度系數(shù)，且僅取決于薄膜的特性。b.阻尼力，-RhSchdV(t)/dt,其與液體的體積流量成線性正比，并與流體動(dòng)阻力Rh相關(guān)，由于Rh阻礙流體運(yùn)動(dòng)所以是負(fù)值。相對(duì)于慣性參考系的物質(zhì)的加速度等于以地面為參照物的加速度d2x (t)/dt2和地面加速度a (t)=d2u(t)/dt2的和。由于物體受外力之和一定等于其質(zhì)量乘以加速度，因此液體的運(yùn)動(dòng)方程可以表示為

和如下關(guān)系式:

式中m 是電解液的質(zhì)量，ρ 是電解液的密度，Sch是通道的橫截面面積，L 代表通道長(zhǎng)度。由于在電解質(zhì)相對(duì)于框架的運(yùn)動(dòng)中，除了擴(kuò)散,還會(huì)在電極間產(chǎn)生離子對(duì)流，這將會(huì)產(chǎn)生非對(duì)稱(chēng)模式的離子濃度，并導(dǎo)致電極表面附近濃度梯度顯著改變，從而改變通過(guò)電極的輸出電流。

6 總結(jié)與討論

通過(guò)研究wj 型橡膠減震器與分子電子傳感器在尋北儀系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)踐，根據(jù)橡膠減震的原理，篩選出一種可以承受任何方向載荷的wj 型橡膠減震器，可用于尋北儀減震器底座。相比較常規(guī)的尋北儀來(lái)說(shuō)，減小了由于上位機(jī)工作帶來(lái)的震動(dòng)，保證了尋北儀以一個(gè)方向較穩(wěn)定的狀態(tài)下進(jìn)行工作。由于加速度計(jì)與算法的優(yōu)劣會(huì)對(duì)尋北精度產(chǎn)生較大的影響，通過(guò)對(duì)尋北儀進(jìn)行仿真，來(lái)篩選出尋北精度更具優(yōu)勢(shì)的相互關(guān)算法[6]。經(jīng)過(guò)初步實(shí)驗(yàn)，尋北精度已經(jīng)初步滿足地下方向的精準(zhǔn)識(shí)別。在具體的實(shí)際情況下，減震器的減震程度，分子電子傳感器的的安裝精度，信號(hào)的處理情況都會(huì)影響尋北的準(zhǔn)確性，還有待于進(jìn)一步的試驗(yàn)研究與改進(jìn)。