wj 型橡胶减震器和分子电子传感器在寻北仪系统中的应用

王 磊 范沛东 赵 威

（成都理工大学 核技术与自动化工程学院，四川 成都610059）

1 概述

随着科技的发展，地下作业也变得越来越普遍，由于私家车的增多，交通压力越来越大，城市对地铁的需求也会愈发剧烈。但是地下方向利用普通方法很难确认，城市地下线路又比较复杂，对方向的准确辨别就很重要，寻北仪成为了地下掘进方向确认的上上之选，但掘进机前进过程中产生的颠簸可能会对寻北仪的工作产生影响。结合现有研究应用情况，橡胶在减震方面的应用研究，王长迪等人研究了发动机橡胶减震器的制造及选用效果，介绍了几种橡胶的特点及功能，最终选用了wj 型橡胶减震器，即利用wj 型橡胶减震器的强大减震能力设计了一种高精度的寻北仪[1,2]。

2 寻北仪系统的组成

该寻北仪由减震底座、转台，分子电子传感器和石英加速度计各一个(前者寻北，后者水平补偿)，信号处理单元(A/D 转换器，放大滤波器，FPGA) 和电源组成。底座由wj 型橡胶减震器构成。转台部分由力矩电机、编码器组成。外接部分有USB 接口、RS442 接口以及电源接口组成，为各种上位机的方便连接。

3 寻北仪系统实现寻北原理

论文所研究的寻北仪采用是分子电子传感器来实现。实现寻北的原理可简单描述为:根据地球自转的具体情况，利用地球作为参考系，建立一个水平匀速旋转的转台，其中一个切点作为参考点，切向速度与地球自转时的北向分量角速度合成一个复合加速度,将分子电子传感器(MET 传感器)安装在转动平台上，使它们的灵敏度轴与平台转动轴相垂直，地球转动轴具有在角传感器的环形通道的平面上的投影。在平台转动中，地球转动向量的这种投影与平台转动的频率相应地按正弦变化[3]。通过对其进行滤波、放大、采集、信号处理,最终得到的正弦信号的峰值方向即为真北方向。

4 wj 型橡胶减震器

较为典型的wj 型橡胶减震器是由多层的wj 型橡胶减震垫组合而成，其基本构造如图1 所示[2]。

Wj 型橡胶减震器主要特点是利用四种不同直径、不同高度的小圆柱体两面交叉配置组成，可以承受多个方向的载荷，具有较好的减震性能[1]。由此我们寻北仪的底座下加一块这样wj型橡胶减震器，来保证寻北仪的内部器件不受震动的干扰，提高寻北仪的工作精度[2]。

根据隔震原理得知，当确定好振动源干扰频率ω 后，振动系统的固有频率可以定为[1]：

图1 wj 型橡胶减震器

当寻北仪的质量M确定后，就可以计算出隔震系统的总刚度：K=Mω0

得出该固有频率下的总刚度之后，再利用橡胶减震器的刚度公式来求解减震器的尺寸。下式便是橡胶减震器的动态刚度计算的公式：

式子中，Es代表的橡胶减震器的静态弹性模量，Ed是动态弹性模量，单位是kg/cm2；其中的d 是与橡胶的邵氏硬度有关的动态系数，不同的橡胶材料，不同的状态下，数值有着一定的差异，可以通过查阅资料来确认具体数值。对于丁腈橡胶Hs=55～70°时，d=1.5～2.5，对于天然橡胶邵氏硬度Hs=40～60°时，d=1.2～1.5；然后mi为i 方向形状系数，和橡胶减震器的具体结构有着密切的联系；λt为温度影响系数。

于是wj 型橡胶减震器总刚度计算为K=K1（一个小圆柱的刚度）*n（小圆柱个数），在利用固有频率计算出隔震系统总刚度K之后，再计算出每个小圆柱体的刚度K1，我们就可以计算出小圆柱体的个数，最终设计出所需减震器的尺寸。

5 分子电子传感器

在这部分我会给大家讲解一下分子电子传感器的实现原理以及优势所在。电子传感器(MET) 不像其它惯性传感器，它不包含任何精密机械零件或弹簧，并且制造比较简单和便宜[3,4]。MET传感器固有地具有低噪声和高信号放大率(在106 的量级上)，这使它们以小得多的形状系数而具有可与光纤陀螺仪(FOG)和环形激光陀螺仪(RLG)相匹敌的性能。它们也具有固有性质，对于地磁场或辐射的影响不敏感。

该分子电子传感器(MET)是一个类液体惯性质量的惯性传感器基于电化学机理，MET 捕获物理和化学现象这些物理和化学现象作为流体动力运动的结果发生在电化学单元中的电极表面[5]。转角遇到传感器的噪声性能与光纤陀螺(FOGs)和环形激光陀螺(RLGs)在一个较小的尺寸，低功耗和降低成本。它受噪声干扰小，精度更高，频带范围0.1-100Hz，符合寻北仪的要求。

除紧凑好、高性能及低成本之外，MET 角加速度仪与其它MET 传感器都具有固有坚固性和对于极端冲击的耐受度。MET角加速度仪的冲击强度已经在Picatinny Arsenal 的基本耐久性试验中在高达20kGs 下试验。

基于分子电子传感器(MET) 技术的寻北仪通过将电极之间的液体电解质转化为电流来来检测其运动[3,4]。如图3 所示，四个电极(Pt) 的配置为阳极- 阴极- 阴极- 阳极，由氮化硅绝缘介质隔离，通道中充满了含有碘离子的电解质，电解质可以通过电极和绝缘介质之间两面流通，通道两端被高弹性的橡胶膜覆盖，从而让液体遵循惯性定理。

图2 MET 角加速度仪的示意图

图3 MET 转换器的示意图

向左边为正值，当外部地面有向左的加速度时，惯性推动力会作用在电解液上，当推动力大于液面阻力时，电解液会向右边移动用u(t)表示沿着通道的地面运动，x(t)表示液体惯性质量相对于地面的位移，两者都是向右为正。有两个真正的作用力作用在物质上:a.弹性膜产生的恢复力，-KV(t)，由于它与流动方向相反而为负值，其中V(t)是流过通道的流体体积，k 是体积刚度系数，且仅取决于薄膜的特性。b.阻尼力，-RhSchdV(t)/dt,其与液体的体积流量成线性正比，并与流体动阻力Rh相关，由于Rh阻碍流体运动所以是负值。相对于惯性参考系的物质的加速度等于以地面为参照物的加速度d2x (t)/dt2和地面加速度a (t)=d2u(t)/dt2的和。由于物体受外力之和一定等于其质量乘以加速度，因此液体的运动方程可以表示为

和如下关系式:

式中m 是电解液的质量，ρ 是电解液的密度，Sch是通道的横截面面积，L 代表通道长度。由于在电解质相对于框架的运动中，除了扩散,还会在电极间产生离子对流，这将会产生非对称模式的离子浓度，并导致电极表面附近浓度梯度显著改变，从而改变通过电极的输出电流。

6 总结与讨论

通过研究wj 型橡胶减震器与分子电子传感器在寻北仪系统中的应用实践，根据橡胶减震的原理，筛选出一种可以承受任何方向载荷的wj 型橡胶减震器，可用于寻北仪减震器底座。相比较常规的寻北仪来说，减小了由于上位机工作带来的震动，保证了寻北仪以一个方向较稳定的状态下进行工作。由于加速度计与算法的优劣会对寻北精度产生较大的影响，通过对寻北仪进行仿真，来筛选出寻北精度更具优势的相互关算法[6]。经过初步实验，寻北精度已经初步满足地下方向的精准识别。在具体的实际情况下，减震器的减震程度，分子电子传感器的的安装精度，信号的处理情况都会影响寻北的准确性，还有待于进一步的试验研究与改进。