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)也變得越來越普遍，由于私家車的增多，交通壓力越來越大，城市對地鐵的需求也會愈發(fā)劇烈。但是地下方向利用普通方法很難確認，城市地下線路又比較復(fù)雜，對方向的準確辨別就很重要，尋北儀成為了地下掘進方向確認的上上之選，但掘進機前進過程中產(chǎn)生的顛簸可能會對尋北儀的工作產(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，王長迪等人研究了發(fā)動機橡膠減震器的制造及選用效果，介紹了幾種橡膠的特點及功能，最終選用了wj 型橡膠減震器，即利用wj 型橡膠減震器的強大減震能力設(shè)計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，分子電子傳感器和石英加速度計各一個(前者尋北，后者水平補償)，信號處理單元(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)臺部分由力矩電機、編碼器組成。外接部分有USB 接口、RS442 接口以及電源接口組成，為各種上位機的方便連接。

3 尋北儀系統(tǒng)實現(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實現(xiàn)。實現(xiàn)尋北的原理可簡單描述為:根據(jù)地球自轉(zhuǎn)的具體情況，利用地球作為參考系，建立一個水平勻速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺，其中一個切點作為參考點，切向速度與地球自轉(zhuǎn)時的北向分量角速度合成一個復(fù)合加速度,將分子電子傳感器(MET 傳感器)安裝在轉(zhuǎn)動平臺上，使它們的靈敏度軸與平臺轉(zhuǎn)動軸相垂直，地球轉(zhuǎn)動軸具有在角傳感器的環(huán)形通道的平面上的投影。在平臺轉(zhuǎn)動中，地球轉(zhuǎn)動向量的這種投影與平臺轉(zhuǎn)動的頻率相應(yīng)地按正弦變化[3]。通過對其進行濾波、放大、采集、信號處理,最終得到的正弦信號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，來保證尋北儀的內(nèi)部器件不受震動的干擾，提高尋北儀的工作精度[2]。

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

圖1 wj 型橡膠減震器

當尋北儀的質(zhì)量M確定后，就可以計算出隔震系統(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求解減震器的尺寸。下式便是橡膠減震器的動態(tài)剛度計算的公式：

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，可以通過查閱資料來確認具體數(shù)值。對于丁腈橡膠Hs=55～70°時，d=1.5～2.5，對于天然橡膠邵氏硬度Hs=40～60°時，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算為K=K1（一個小圓柱的剛度）*n（小圓柱個數(shù)），在利用固有頻率計算出隔震系統(tǒng)總剛度K之后，再計算出每個小圓柱體的剛度K1，我們就可以計算出小圓柱體的個數(shù)，最終設(shè)計出所需減震器的尺寸。

5 分子電子傳感器

在這部分我會給大家講解一下分子電子傳感器的實現(xiàn)原理以及優(yōu)勢所在。電子傳感器(MET) 不像其它慣性傳感器，它不包含任何精密機械零件或彈簧，并且制造比較簡單和便宜[3,4]。MET傳感器固有地具有低噪聲和高信號放大率(在106 的量級上)，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)，對于地磁場或輻射的影響不敏感。

該分子電子傳感器(MET)是一個類液體慣性質(zhì)量的慣性傳感器基于電化學(xué)機理，MET 捕獲物理和化學(xué)現(xiàn)象這些物理和化學(xué)現(xiàn)象作為流體動力運動的結(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固性和對于極端沖擊的耐受度。MET角加速度儀的沖擊強度已經(jīng)在Picatinny Arsenal 的基本耐久性試驗中在高達20kGs 下試驗。

基于分子電子傳感器(MET) 技術(shù)的尋北儀通過將電極之間的液體電解質(zhì)轉(zhuǎn)化為電流來來檢測其運動[3,4]。如圖3 所示，四個電極(Pt) 的配置為陽極- 陰極- 陰極- 陽極，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，當外部地面有向左的加速度時，慣性推動力會作用在電解液上，當推動力大于液面阻力時，電解液會向右邊移動用u(t)表示沿著通道的地面運動，x(t)表示液體慣性質(zhì)量相對于地面的位移，兩者都是向右為正。有兩個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)，由于它與流動方向相反而為負值，其中V(t)是流過通道的流體體積，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，并與流體動阻力Rh相關(guān)，由于Rh阻礙流體運動所以是負值。相對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，因此液體的運動方程可以表示為

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 代表通道長度。由于在電解質(zhì)相對于框架的運動中，除了擴散,還會在電極間產(chǎn)生離子對流，這將會產(chǎn)生非對稱模式的離子濃度，并導(dǎo)致電極表面附近濃度梯度顯著改變，從而改變通過電極的輸出電流。

6 總結(jié)與討論

通過研究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)的尋北儀來說，減小了由于上位機工作帶來的震動，保證了尋北儀以一個方向較穩(wěn)定的狀態(tài)下進行工作。由于加速度計與算法的優(yōu)劣會對尋北精度產(chǎn)生較大的影響，通過對尋北儀進行仿真，來篩選出尋北精度更具優(yōu)勢的相互關(guān)算法[6]。經(jīng)過初步實驗，尋北精度已經(jīng)初步滿足地下方向的精準識別。在具體的實際情況下，減震器的減震程度，分子電子傳感器的的安裝精度，信號的處理情況都會影響尋北的準確性，還有待于進一步的試驗研究與改進。