[发明专利]一种零长弹簧的制造方法及零长弹簧

说明书

本发明提供了一种零长弹簧的制造方法及零长弹簧，涉及海空重力仪领域。其中零长弹簧的制造方法包括：通过固溶强化处理工艺调整丝材的微观组织结构，其中，丝材为恒弹性丝材；对固溶丝材进行成型处理；采用反向旋转方式对第一弹簧施加预拉力；对第二弹簧进行回火处理。本发明提供的零长弹簧的制造方法更系统、更科学、高精度，能够使零长弹簧的零长误差：Δl≤1毫米，日漂移量：δ≤10^‑2μ/日，刚度误差:K≤0.01克力/毫米，克服传统工艺无法解决的物理零长的难题。

技术领域

本发明涉及海空重力仪领域，具体而言，涉及一种零长弹簧的制造方法及零长弹簧。

背景技术

重力加速度是一个基本的物理学常数，准确测量重力加速度在地球科学、资源勘探等领域都具有重要意义。

随着现代化科技的飞速发展，弹簧作为重要的弹性元件被广泛的用于精密科学仪器中。但是普通的正长弹簧灵敏度低、作为动态测量敏感元件难以克服横向加速度扰动的能力、蠕变松弛量大等缺点，限制了其在微重力测量领域的应用。而金属零长弹簧作为微位移测量的敏感核心元件，具有结构简单、可靠，相对尺寸小、灵敏度高等优势，通过分析零长弹簧受重力加速度变化引起弹性变形量(直观表现为弹簧的伸缩量)，从而可以间接的计算出重力变化。而弹簧式重力仪则是零长弹簧的典型和特殊应用，鉴于该种零长弹簧的特殊性和高精度要求，采用一般的研制工艺是难以实现，研究和探索一种特殊的、基于理论指导的、满足仪器精度设计指标的科学工艺显得至关重要，至少目前在我国该工艺的研究对于发展自研弹簧式海空重力仪及便携式重力仪有重要意义，因为对于我国这样一个有着大量勘探、军事及科研需求的国家，不能单纯的依靠进口价格昂贵的海空重力仪来满足需求，这对我国国防建设、资源勘探和地球物理研究都有重要意义。

金属零长弹簧是一根具有特殊预拉力且密排并圈的拉伸弹簧。像普通弹簧一样，同样满足几何尺寸与弹性特性关系：

其中：K－弹簧刚度，d－弹簧丝径，D₂－弹簧中径，n－有效圈数，G－剪切弹性模量。

此外，具有预拉力的弹簧，其受力与伸长之间的对应关系为：

P－P_O＝KL－KL_O

其中P为施加于弹簧的外力，P₀为预应力，L为P作用下弹簧的总长，L₀为初始长度。将(2)式改为：

P－KL＝P_O－KL_O

若Po－KLo＝0则P－KL＝0。其物理意义：若P＝0，即不施加外力时，弹簧长度为零，此时没有初始长度。这是一种理想，实际上弹簧总是有一定长度，根据重力仪的精度要求其零长误差小于1mm。

因此，零长弹簧就是能同时满足弹簧特性关系及力与变形关系的拉伸弹簧，也即其弹性特性关系线通过坐标原点。

由于海空重力仪设计对零长弹簧提出了0.1微米/毫伽(1微伽＝10－6伽，1伽＝1cm/s－2)，Δl≤1毫米，日漂移量：δ≤10^-2μ/日，刚度误差:K≤0.01克力/毫米，因此对加工工艺的高要求也使得众多研究者望而却步。国内仅有的研究也限于国家地震局地震研究所陈志远等人于1990年前后，研究用于其研制的DZW型静态台站式重力仪的等效零长弹簧(本质为负长弹簧，两端连接拉丝等效为零长状态，非真正意义上的零长弹簧)，其研制工艺中采用的弹簧材料是高弹模量的弹性合金(代号为3J53)，该合金材料的弹性模量温度系数较窄，限制了重力仪使用的环境温度，显然这是动态海空重力仪所不能容忍的。同时其翻簧工艺后得到的弹簧是负长弹簧，不具有克服横向扰动的能力(横向扰动加速度会引起弹簧偏离垂向位置一定角度，造成垂直方向的长度改变，从而引入重力测量误差，该误差远大于海空重力仪1毫伽的精度设计)，因此也无法在动态重力仪及便携式重力仪中得到实际应用。

发明内容