[发明专利]一种实现杜瓦万向稳定的无动力方法及相应的装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种实现杜瓦万向稳定的无动力方法及相应的装置，尤其是在飞行状态下利用杜瓦及其辅助设备的自身重力实现万向稳定的一种方法及相应的装置。属于机械传动领域。

背景技术

超导量子干涉仪（SQUID：Superconducting QUantum Interference Device）是目前已知灵敏度最高的磁传感器，在静态工作环境下已有众多应用，但在运动状态下，尤其是在飞行平台上，SQUID由于切割地球磁力线从而极容易导致其高灵敏度的读出电路因量程不足而溢出或者因摆率不足而失锁，例如测量分辨率为100fT,在地球磁场普遍为几十uT的环境，当波动范围为10uT时,动态范围即为160dB，当前的电路技术几乎无法实现。此外，SQUID必须工作在装有液氦或者液氮的低温容器（杜瓦）中，剧烈的晃动不但增加低温液体的挥发率，从而减少系统的有效工作时间，而且存在严重的安全性问题。

现有的电路电子技术，比如磁通量子计数方法，可以解决量程不足，甚至可解决摆率不足的问题，但需要牺牲SQUID读出电路的稳定性，而且还无法解决杜瓦中低温液体液面晃动的问题。这就是磁通量子计数方法无法大规模推广的原因。

考虑到SQUID正常工作时必须远离强磁性物质，尤其是电机，因此如能找到一种实现杜瓦在运动状态下万向稳定的无动力方法就可完美地解决上述所有问题。遗憾的是目前没有任何有关杜瓦的无动力万向稳定装置见诸报道，仅有一些相关的技术资料公布。

公开号为CN2114082U的专利公布了一种由主架、内稳定环、外稳定环、连接轴以及底托架组成的万向稳定架。该装置是典型的机械陀螺仪机构，要实现万向稳定需要高速旋转，这在无动力的条件下是无法实现的。因此无动力驱动的该装置虽然能在静止或者匀速运动状态下依靠重力保持万向稳定，但在变速运动中无法克服由需万向稳定的物体产生的惯性所引起的摆动。

专利CN2881219公布了一种由正圆球体、环形珠槽和珠体组成的万向平衡运行装置，其特征是珠体置于相应配合的环形珠槽内，环形珠槽设置在正圆球体的外部或内部并与正圆球体连接为一体，珠体与正圆球体为滚动配合。首先，该装置的主要设计目的不是用于万向稳定；其次，即使按照其工作原理进行改装，考虑到作为被稳定对象的正圆球体重心和外部框架结构的几何中心重合，该装置也无法有效地对位于正圆球体内的物体进行万向稳定。此外，在飞行状态下，机舱内的物体均会同时承受高频的振动和低频的晃动，没有合适的阻尼减震系统辅助，需万向稳定的物体极其容易形成振荡，如同用细线悬挂的小球在重力状态下受到外部干扰由晃动到静止的过程。

综上所述，现有可用于杜瓦的无动力万向稳定方法不但存在响应不及时的问题，还存在稳定过程中容易振荡的问题，从而极大地影响了超导量子干涉仪在运动平台中的广泛应用和推广。本发明拟解决现有技术存在的问题，从而引导出本发明的构思。

发明内容

现有杜瓦万向稳定方法在运动状态下要么存在电机等强磁性干扰，要么存在响应不及时和容易振荡等问题,为了克服上述不足，本发明提供一种实现杜瓦万向稳定的无动力方法及相应的装置，所述方法不仅能有效地响应飞行器的振动和晃动，而且能方便地根据现场实际情况调节阻尼系数，减弱甚至消除杜瓦在稳定过程中的振荡。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：无动力万向稳定装置几乎毫无例外地是通过重力来实现的。当被稳定物体受外界影响导致其重心发生偏离时，其自身重力即刻以扭矩的方式迫使被稳定物体克服摩擦力阻碍状态的改变，并始终努力使重力方向的延长线通过其旋转中心。按照此原理，可获知如下几个结论：首先，被稳定物体的重心和其旋转中心不能重合，否则其自身重力将无法发挥其应有的作用；其次，被稳定物体的重心离其旋转中心越远，在相同外界条件下由重力形成的回归扭矩越大，但由惯性形成的扭矩也越大；最后，被稳定物体与稳定装置间的摩擦系数越小，则阻碍稳定的摩擦力越小，但也越容易振荡。

鉴于上述认知，所提供的设计方案似乎只有对被稳定物体的重心位置和它与稳定装置间的摩擦系数进行折衷，但如果跳出这个思维框架，在被稳定物体和稳定装置间加入一种物质，使其在万向稳定过程中既能动态增加回归扭矩，又能防止振荡。此外，必须考虑到在宽频段范围内实现万向稳定的难度很大，因此借鉴电路中滤波器的设计，将飞行器的振动和晃动分为低频和高频两部分，通过减震系统消除高频部分的影响，再利用万向稳定装置滤除低频部分，从而有效提高装置的响应速度和稳定性。

本发明所述的实现杜瓦万向稳定的无动力方法，其特征在于：