基于超磁致伸缩微应变与石英摆线复合机理的多级隔微振方法

For the traditional multi-level pendulum vibration isolation system of gravitational wave detection apparatus, there are some weak points, such as complex actuators, high power consumption and low vibration isolation efficiency. In the air spring and the quartz pendulum combination of multi-level vibration isolation principle and system, the gaint magnetostrictive material and quartz cycloid are combined, and gaint magnetostrictive materials is coated on the surface of the elongated quartz thread. So the active and passive components are integrated. A method of multi level active and passive vibration isolation is proposed, based on Composite micro strain of the giant Magnetostrictive with slender quartz cycloid. And construct ultra low frequency extension technique of vibration signal based on the giant magnetostrictive effect, relying on the giant magnetostrictive thin filament. Through designing the giant magnetostrictive delay line using magneto mechanical coupling characteristics of the giant magnetostriction, achieve the electrical noise suppression, and vibration signal less than 0.1Hz is extracted and amplified. Based on the above work mechanisms of multilevel active and passive control methods of vibration isolation, ultra low natural frequency (vertical and horizontal natural frequency <0.1Hz) can achieved. To meet high precision scientific instruments demand, such as gravitational wave detection.

针对引力波探测系统中传统多级单摆隔振系统，存在主动单元复杂，功耗大，效率低的问题。在空气弹簧与石英单摆组合的多级隔振原理和系统上, 将超磁致伸缩材料与石英摆线复合，即在细长石英丝表面涂覆超磁致伸缩材料，实现主动与被动元件一体化。提出一种基于超磁致伸缩微应变与细长石英丝摆线复合的主被动多级隔微振方法。同时依靠超磁致伸缩细长丝构建基于磁致伸缩效应的超低频振动信号扩展技术。设计超磁致伸缩延迟线，利用超磁致伸缩磁-机耦合特性，实现对电噪声抑制，对0.1Hz以下振动信号提取放大。基于以上工作机理的多级主被动控制的隔振方法可实现隔振系统超低固有频率（垂直、水平固有频率<0.1Hz），从而满足如引力波探测等高精度科学仪器隔微振需求。

本课题依据我国大型高端/尖端超精密装备制造领域对隔微振技术及装置的迫切需求，特别是针对引力波探测仪对环境振动减弱或隔离的迫切需求，研究一种基于超磁致伸缩微应变与石英材料复合多级摆悬挂式减振系统。课题旨在解决我国大型高端/尖端超精密装备加工、装配、测试和使用过程中亟待解决的环境振动减弱与隔离问题，继而促进我国大型高端/尖端超精密装备技术水平的迅速提升和产业的快速发展。主要研究内容包括两方面，重点以复合摆丝为主要研究内容。 第一，基于超磁致伸缩微应变与石英材料复合多级摆悬挂式减振系统。研究复合摆丝的镀膜工艺，复合摆丝发生主动微应变的工作性能。建立一种集摆丝与主动执行器一体化的三级悬挂系统，其中一级悬挂为罗伯茨摆负刚度系统；构建超磁致伸缩材料微应变外界扰动力的力闭环随动系统。使系统等效刚度可趋向于∞。两者复合的隔振 方法即可利用超低固有频率特性对外界振动进行衰减和隔离，又可依据高刚度抵抗高频、大幅度冲击。第二、提出一种微振动信号低频扩展技术。利用磁致伸缩延迟线对低频振动信号（0.1Hz 以下信号）筛选并滤除噪声。研究并实现磁致伸缩延迟线低通滤波原理。建立基于磁致伸缩延迟线的低频信号提取、放大原理。基于超磁致伸缩材料的微位移执行器具有定位时间<5ms、最大加、减速度达 2g 的特性。在此基础上复合石英材料主动微应变原理，可进一步降低隔振系统固有频率（<0.1Hz）。 . 课题最终通过实验验证上述复合式多级悬挂系统在1Hz以下具有六自由度减振能力。该成果可以在纳米技术、超精密微电子技术、光信息技术、微型光机电系统和超精密加工技术等领域应用。