本發(fā)明涉及隔振技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于傳感器懸置測量的通用彈性隔振裝置及設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

在使用各類傳感器進(jìn)行測聲(如聲探頭)、測距(如激光測距儀)等測量過程時，測量結(jié)果對傳感器的放置穩(wěn)定性具有很高的要求，若外界的振動干擾通過傳感器的安裝基座、支架等機(jī)構(gòu)傳遞給傳感元件，將會造成較大的測量誤差，降低測量精度。因此需要使用隔振裝置對傳感器進(jìn)行懸置固定來降低外部環(huán)境振動對測量的影響，而隔振裝置中的彈性元件剛度匹配設(shè)計(jì)、隔振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是調(diào)校隔振性能的主要環(huán)節(jié)，對增大適用頻率范圍、提高隔振系數(shù)具有重要的作用。

由于不同傳感器的結(jié)構(gòu)、固定方式和使用環(huán)境存在差別，因此目前尚無針對傳感器懸置測量的通用隔振裝置與設(shè)計(jì)方法。現(xiàn)有的裝置主要是針對某一種特定傳感器而設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)方法一般是對被隔振物體進(jìn)行模擬外界環(huán)境振動激勵下響應(yīng)的仿真分析來優(yōu)化調(diào)整隔振系統(tǒng)的參數(shù)，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證來反復(fù)調(diào)試以滿足隔振性能要求。此類隔振裝置的適用范圍較窄，其設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)過程中需要反復(fù)進(jìn)行仿真與試驗(yàn)的調(diào)試驗(yàn)證，在工程應(yīng)用上效率較低。因此，針對此類懸置測量傳感器的測量過程穩(wěn)定性要求提出通用彈性隔振裝置及設(shè)計(jì)方法是很有必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

提供一種橡膠彈性元件通用隔振裝置進(jìn)行隔振懸置固定，以隔振裝置的固有頻率為設(shè)計(jì)目標(biāo)，以橡膠彈性元件的剛度、懸掛長度、伸長量及懸掛結(jié)構(gòu)的尺寸為設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到為測量傳感器提供最大振動衰減效果的目的。

一種用于傳感器懸置測量的通用彈性隔振裝置，其特征在于：包括底座、固定在底座上的梯形支架、傳感器和連接傳感器與梯形支架的彈性元件，所述的彈性元件有四個，分別將梯形支架的四個角點(diǎn)與傳感器相連。

優(yōu)選地，所述的彈性元件是橡膠彈性元件。

一種用于傳感器懸置測量的通用彈性隔振裝置的設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

(1)在傳感器的質(zhì)量需要在橡膠彈性元件的承重范圍內(nèi)的條件下，選取若干原長相同、橫截面積不同的橡膠彈性元件樣本進(jìn)行拉伸剛度測量，通過回歸分析得出伸長量為ΔL_min時的最小剛度K_min與橫截面積S間的對應(yīng)關(guān)系K_min＝F₁(S)；

(2)在傳感器的質(zhì)量需要在橡膠彈性元件的承重范圍內(nèi)的條件下，選取若干橫截面積相同、原長不同的橡膠彈性元件樣本進(jìn)行拉伸剛度測量，通過回歸分析得出伸長量為ΔL_min時的最小剛度K_min與原長L₀間的對應(yīng)關(guān)系K_min＝F₂(L₀)；

(3)f₀＝F(W₁，W₂，H，M，α，β，L₀，S)式中，W₁為橡膠彈性元件上部兩個固定點(diǎn)的間距、W₂為橡膠彈性元件下部兩個固定點(diǎn)的間距、H為上部固定點(diǎn)連線與下部固定點(diǎn)間連線的距離、α為上部橡膠彈性元件與水平方向的夾角、β為下部橡膠彈性元件與水平方向的夾角、M為傳感器的質(zhì)量、L₀為橡膠彈性元件原長、S為橡膠彈性元件橫截面積，為使垂直、水平兩個方向上的隔振系統(tǒng)固有頻率都達(dá)到最低，因此將上部橡膠彈性元件與水平方向的夾角α設(shè)置為45°，且橡膠彈性元件的伸長后長度有L₁＝L₂和L₃＝L₄，L_i＝L₀+ΔL_imin；式中，L₁和L₂為上部兩橡膠彈性元件的伸長后長度，L₃和L₄為下部兩橡膠彈性元件的伸長后長度；

(4)將傳感器固定到隔振裝置上后，令上部、下部橡膠彈性元件所受的拉力分別為F₁、F₃，傳感器的重力為G，根據(jù)傳感器在垂向受力平衡關(guān)系可得到2sinα·F₁＝G+2sinβ·F₃；

(5)將其伸長后長度L₁和L₃均按照剛度達(dá)到最小時的伸長量來設(shè)置，相應(yīng)可以得出上、下部橡膠彈性元件所受的拉力為F₁＝K_1minΔL_1min，F(xiàn)₃＝K_3minΔL_3min，因此有L₁＝L₀₁+ΔL_1min，L₃＝L₀₃+ΔL_3min，這里K_1min和K_3min為上、下部橡膠彈性元件的最小剛度，L₀₁和L₀₃為其原長，ΔL_1min和ΔL_3min為其在剛度達(dá)到最小時的伸長量；

(6)設(shè)定上部橡膠彈性元件原長L₀₁的初始值，并計(jì)算得出L₁值，由W₁＝2cosα·L₁、計(jì)算得出W1、W2、H、β隨L₃值變化時的數(shù)值，得到隔振系統(tǒng)在水平、垂直方向上的整體剛度，由得出該系統(tǒng)在水平、垂直方向上的固有頻率；

(7)根據(jù)傳感器的質(zhì)量、隔振裝置結(jié)構(gòu)尺寸等因素選出隔振系統(tǒng)固有頻率最低時對應(yīng)的W₁、W₂、H、β、S、L₀參數(shù)數(shù)值。

將傳感器用橡膠彈性元件進(jìn)行如圖1所示的四點(diǎn)彈性懸掛。橡膠彈性元件的上、下四個固定點(diǎn)分別設(shè)置在一個四邊形框架的四個角點(diǎn)上，其中W₁為橡膠彈性元件上部固定點(diǎn)間距，W₂為下部間距，H為上、下部固定點(diǎn)間高度，α為上部橡膠彈性元件與水平方向的夾角，β為下部橡膠彈性元件與水平方向的夾角，M為傳感器的質(zhì)量，K₁、K₂、K₃、K₄為四個彈性橡膠元件的剛度，L₁、L₂、L₃、L₄為四個彈性橡膠元件的伸長后長度。在測量之前，根據(jù)待測傳感器的質(zhì)量、適用頻率范圍等技術(shù)特征來調(diào)整上述各參數(shù)，以降低整個隔振裝置的固有頻率，增大有效隔振范圍。在測試中，將該框架固定在待測位置，通過橡膠彈性元件來隔離外界環(huán)境的振動干擾。

該傳感器懸置隔振裝置的隔振原理如圖3中力學(xué)模型所示。橡膠彈性元件K₁和K₂間、K₃和K₄間為并聯(lián)方式，K₁、K₂與K₃、K₄間也為并聯(lián)方式，則整個懸掛系統(tǒng)在垂直方向上的剛度Kv＝Kv₁+Kv₂＝sinα(K₁+K₂)+sinβ(K₃+K₄)，在水平方向上的剛度K_H＝K_H1+K_H2＝cosα(K₁+K₂)+cosβ(K₃+K₄)。

對于隔振系統(tǒng)，在不考慮阻尼的前提下，其隔振系數(shù)η可以表示為式(1)。

式(1)中為f為外部激勵頻率，f₀為隔振系統(tǒng)固有頻率，且f₀與系統(tǒng)質(zhì)量、剛度間的關(guān)系如式(2)所示。

當(dāng)f/f₀＝1時，隔振系統(tǒng)發(fā)生共振，當(dāng)f/f₀＞√2時，隔振系統(tǒng)可以起到隔振效果，在實(shí)際應(yīng)用中，一般取f/f₀＝2.5～5。若要提高隔振系統(tǒng)的隔振性能，則需要降低隔振系數(shù)。由于外部激勵頻率f為已知，因此可以通過降低隔振系統(tǒng)固有頻率f₀來降低隔振系數(shù)，則應(yīng)減小隔振系統(tǒng)的剛度或增加系統(tǒng)質(zhì)量。

由于系統(tǒng)質(zhì)量主要為傳感器的質(zhì)量，而傳感器在確定后其質(zhì)量不會改變，并且通過附加質(zhì)量塊的方式來增加傳感器質(zhì)量會影響其測量精度，因此這里主要通過減小隔振系統(tǒng)剛度的方式來降低其固有頻率。

根據(jù)橡膠的剛度非線性特點(diǎn)，其剛度隨伸長量的增加會出現(xiàn)一個最小值，并且剛度會隨著橫截面積的減小和原長的增大而減小，因此這里可以在滿足橡膠承重、裝置結(jié)構(gòu)尺寸要求的前提下，通過調(diào)節(jié)橡膠彈性元件的材料組分、橫截面積、原長、伸長量等參數(shù)來降低其剛度，最終實(shí)現(xiàn)降低隔振系統(tǒng)固有頻率的目的：

材料組分：這里不針對橡膠的材料組分展開分析，假定該橡膠材料經(jīng)過前期篩選已確定為剛度最??；

伸長量：在橡膠材料確定的前提下，選取若干原長和橫截面積均不同的橡膠彈性元件樣本進(jìn)行拉伸剛度測量，得出每種樣本的剛度隨其伸長量ΔL的變化情況，并確定出剛度最小時對應(yīng)的伸長量ΔL_min；

橫截面積：選取若干原長相同、橫截面積不同的橡膠彈性元件樣本進(jìn)行拉伸剛度測量，通過回歸分析得出伸長量為ΔL_min時的最小剛度K_min與橫截面積S間的對應(yīng)關(guān)系K_min＝F₁(S)；

原長：選取若干橫截面積相同、原長不同的橡膠彈性元件樣本進(jìn)行拉伸剛度測量，通過回歸分析得出伸長量為ΔL_min時的最小剛度K_min與原長L₀間的對應(yīng)關(guān)系K_min＝F₂(L₀)。

在進(jìn)行剛度參數(shù)調(diào)節(jié)時，應(yīng)首先考慮傳感器的質(zhì)量需要在橡膠彈性元件的承重范圍內(nèi)，確保其在剛度最小時對應(yīng)的拉力大于傳感器自身的重力。

在進(jìn)行隔振系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)時，以隔振系統(tǒng)固有頻率f₀為目標(biāo)函數(shù)，以橡膠彈性元件上部固定點(diǎn)間距W₁、下部間距W₂、上、下部固定點(diǎn)間高度H、上部橡膠彈性元件與水平方向的夾角α、下部橡膠彈性元件與水平方向的夾角β、傳感器的質(zhì)量M、橡膠彈性元件原長L₀、橡膠彈性元件橫截面積S為優(yōu)化參數(shù)，可以得到優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)方程如式(3)。

f₀＝F(W₁,W₂,H,M,α,β,L₀,S) (3)

針對圖2中所示的隔振系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)參數(shù)，由于需要盡量保證垂直、水平兩個方向上的隔振系統(tǒng)固有頻率都達(dá)到最低，因此將上部橡膠彈性元件與水平方向的夾角α設(shè)置為45°，且橡膠彈性元件的伸長后長度有L₁＝L₂和L₃＝L₄，其與原長的關(guān)系如式(4)所示。

L_i＝L₀+ΔL_imin (4)

另外傳感器的質(zhì)量M也為定值。

對于式(3)中的其他優(yōu)化參數(shù)，W₁、W₂、H受裝置結(jié)構(gòu)尺寸的限制存在約束條件，如式(5)所示。

式(4)中，W_1min、W_1max、W_2min、W_2max分別為上下懸掛點(diǎn)間距的上下限值，H_min、H_max為懸掛點(diǎn)間高度的上下限值。

同時根據(jù)圖2中所示的結(jié)構(gòu)，有如式(6)、(7)、(8)所示的約束條件。

W₁＝2cosα·L₁ (6)

W₂＝2cosβ·L₃ (7)

在將傳感器固定到隔振裝置上后，令上部、下部橡膠彈性元件所受的拉力分別為F₁、F₃，傳感器的重力為G，根據(jù)傳感器在垂向受力平衡關(guān)系可得到約束條件如式(9)。

2sinα·F₁＝G+2sinβ·F₃ (9)

根據(jù)待測傳感器的重量和橡膠彈性元件的承重能力，挑選出剛度盡量小的橡膠彈性元件材料，通過拉伸剛度測試得出其剛度最小時對應(yīng)的伸長量ΔL_min，并進(jìn)行回歸計(jì)算分析得出其最小剛度K_min與原長L₀、橫截面積S間的對應(yīng)關(guān)系K_min＝F₂(L₀)和Kmin＝F₁(S)；

為使傳感器隔振系統(tǒng)整體剛度達(dá)到最小，需要通過參數(shù)調(diào)節(jié)來盡量降低橡膠彈性元件的工作剛度，因此在優(yōu)化前將其伸長后長度L₁和L₃均按照剛度達(dá)到最小時的伸長量來設(shè)置，相應(yīng)可以得出上、下部橡膠彈性元件所受的拉力為F₁＝K_1minΔL_1min，F(xiàn)₃＝K_3minΔL_3min，因此有L₁＝L₀₁+ΔL_1min，L₃＝L₀₃+ΔL_3min，這里K_1min和K_3min為上、下部橡膠彈性元件的最小剛度，L₀₁和L₀₃為其原長，ΔL_1min和ΔL_3min為其在剛度達(dá)到最小時的伸長量；

在優(yōu)化之處先設(shè)定上部橡膠彈性元件原長L₀₁的初始值，并計(jì)算得出L₁值，然后在保證約束條件(5)的前提下，由式(6)、(7)、(8)計(jì)算得出W₁、W₂、H、β隨L₃值變化時的數(shù)值，由此可以得到隔振系統(tǒng)在水平、垂直方向上的整體剛度，并由式(2)得出該系統(tǒng)在水平、垂直方向上的固有頻率；

整理上述優(yōu)化計(jì)算數(shù)據(jù)，從中可以根據(jù)傳感器的質(zhì)量、隔振裝置結(jié)構(gòu)尺寸等因素優(yōu)化篩選出隔振系統(tǒng)固有頻率最低時對應(yīng)的W₁、W₂、H、β、S、L₀參數(shù)數(shù)值。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請?zhí)峁┑募夹g(shù)方案結(jié)構(gòu)簡單，便于工程應(yīng)用設(shè)計(jì)，可以根據(jù)傳感器的改變對裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)修正，以使隔振效果滿足指標(biāo)要求，能為提高傳感器測量精度提供一種高效、可行的隔振裝置與方法。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所提供的一種用于傳感器懸置測量的通用彈性隔振裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明所提供的一種用于傳感器懸置測量的通用彈性隔振裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖。

圖3為本發(fā)明所提供的一種用于傳感器懸置測量的通用彈性隔振裝置的力學(xué)模型示意圖。

圖中：1.底座；2.梯形支架；3.彈性元件；4.傳感器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明：

一種用于傳感器懸置測量的通用彈性隔振裝置，包括底座1、固定在底座1上的梯形支架2、傳感器4和連接傳感器4與梯形支架2的彈性元件3，所述的彈性元件3有四個，分別將梯形支架2的四個角點(diǎn)與傳感器4相連，彈性元件3是橡膠彈性元件。

通過對比材料組分和軟硬度，選用一種剛度較小的橡膠彈性元件3，對其在橫截面積S為S₁、S₂、S₃時進(jìn)行原長L₀為A、B、C的拉伸剛度測試，得到該橡膠彈性元件3在不同伸長比下的剛度數(shù)值，進(jìn)行分析得出剛度最小時對應(yīng)的伸長量ΔL_min。同時測量圖1中待用傳感器4及其連線的總重量M，需保證該彈性橡膠元件3在剛度最小時對應(yīng)的拉力大于傳感器4的重力；

根據(jù)以上測得數(shù)據(jù)，以橡膠彈性元件3的原長L₀和橫截面積S為變量，經(jīng)過回歸分析計(jì)算得出其與最小剛度間的函數(shù)關(guān)系K_min＝F₂(L₀)和K_min＝F₁(S)；

將圖2中隔振裝置上安裝的上部橡膠彈性元件3的伸長后長度L₁和下部橡膠彈性元件3的伸長后長度L₃均按照剛度達(dá)到最小時的伸長量來設(shè)置，分別為L₁＝L₀₁+ΔL_1min，L₃＝L₀₃+ΔL_3min，這里的L₀₁和L₀₃需要在優(yōu)化計(jì)算前分別設(shè)置初始值，ΔL_1min和ΔL_3min則需要根據(jù)L₀₁和L₀₃的取值并結(jié)合表2中的數(shù)據(jù)來定，相應(yīng)可以得出上、下部橡膠彈性元件3所受的拉力為F₁＝K_1minΔL_1min，F(xiàn)₃＝K_3minΔL_3min，這里的K_1min和K_3min需要根據(jù)L₀₁和L₀₃的取值以及1中得到的函數(shù)關(guān)系K_min＝F₂(L₀)和K_min＝F₁(S)來設(shè)置；

針對需要進(jìn)行優(yōu)化的參數(shù)W₁(梯形支架2的上底長)、W₂(梯形支架2的下底長)、H(梯形支架2的高)、α、β、S、L₀，其中α根據(jù)需要同時降低水平、垂直方向隔振系統(tǒng)固有頻率的目的而設(shè)定為45°；L₀₁和L₀₃需要分別設(shè)置初始值，在優(yōu)化計(jì)算時采用先固定一個L₀₁的值來分析L₀₃在不同初始值變化時對優(yōu)化結(jié)果的影響，然后改變L₀₁的值重復(fù)L₀₃的值變化時的優(yōu)化計(jì)算；W₁、W₂、H、β的值可根據(jù)式(6)、(7)、(8)、(9)分別可計(jì)算得出；

優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)f₀根據(jù)水平、垂直兩個方向設(shè)置為f_0H和f_0v，由式(2)、回歸分析模型K_min＝F₂(L₀)和K_min＝F₁(S)以及整個隔振系統(tǒng)在垂直方向上的剛度分量Kv＝Kv₁+Kv₂＝sinα(K₁+K₂)+sinβ(K₃+K₄)和在水平方向上的剛度分量K_H＝K_H1+K_H2＝cosα(K₁+K₂)+cosβ(K₃+K₄)可計(jì)算得出；

經(jīng)過上述優(yōu)化計(jì)算過程可以得出優(yōu)化參數(shù)W₁、W₂、H、α、β、S、L₀和目標(biāo)函數(shù)f_0H、f_0v。對于同一種傳感器4，α與M的值是確定的，L₀₁和W₁的值在一次優(yōu)化計(jì)算中需要根據(jù)初始值的設(shè)置而變化，對應(yīng)每一次L₀₁和W₁數(shù)值的設(shè)置變化，L₀₃的值變化后會帶動S、β、W₂、H的值相應(yīng)變化，并且對應(yīng)得出f_0H和f_0v；

根據(jù)式(5)中的裝置結(jié)構(gòu)尺寸約束條件可以從上述得出的結(jié)果數(shù)據(jù)中篩選出滿足約束條件下的最低隔振系統(tǒng)固有頻率，并能得出對應(yīng)的隔振裝置結(jié)構(gòu)尺寸。

上述說明并非是對本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不僅限于上述舉例，本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍內(nèi)所做出的變化、改型、添加或替換，也應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。