悬浮摆隔振装置、万有引力常数的测量装置及其测量方法

技术领域

本申请涉及力探测技术领域，尤其涉及一种悬浮摆隔振装置、万有引力常数的测量装置及其测量方法。

背景技术

对于极弱加速度的高精度绝对测量非常困难，在目前的各种基本物理常数测量中，尤其万有引力常数(G值)的精度是相对较低的，这除了与万有引力信号非常微弱、不可屏蔽以及在实验上极大程度地受到机械测量精度的限制外，还因为外界的干扰如温度波动，地面振动等也在很大程度上限制了极弱加速度测量精度的提高。

微纳机械振子已经被证实是一种有效的力探测器，常见的微纳机械振子包括原子力显微镜中常用到的悬臂梁、测万有引力用到的扭秤、测地球自转用到的傅科摆等等，它们都是利用机械振子放大待测信号，从而可以测得很微弱的信号。通过测量机械振子的运动可用来感知机械振子的受力，然而，由于环境与机械振子接触，机械振子的运动不可避免地包含了环境的干扰，这限制了力探测精度。为了减少环境因素的干扰，真空悬浮机械振子应运而生，这样就最大限度地减少了环境与机械振子的接触，提高了机械振子的力探测灵敏度。常见的悬浮机制包括：光悬浮、保罗势阱悬浮、抗磁悬浮、超导磁悬浮、磁光混合悬浮等等。悬浮的物体包括：磁体、金属、NV色心、石墨烯、液滴、二氧化硅等等，这些物体被悬浮于势阱中，受束缚力作用具备一定的振动模式，因此称之为悬浮机械振子。悬浮机械振子作为力探测器具备很高的力探测灵敏度，可以进行一些极弱力的探测。

对于极弱加速度的测试，传统上采用精密扭秤进行测试，目前面临的问题是：精密扭秤结构对静态引力实验中一直扮演着重要的角色，而影响扭秤实验精度的干扰除了本征热噪声外，外部的干扰包括静电力、环境温度的变化、背景引力场的附加引力效应和地面振动等。扭秤的悬点通过真空导引和地面刚性连接，当地面振动时将会激励起扭秤各种固有模式的运动给待测的实验信号中引入噪声。

中国专利申请CN 112965129 A公开了一种基于电磁力平衡的卡文迪许扭秤，可以实现万有引力及万有引力常数G的测量。但是，该专利申请存在以下问题：(1)电磁力平衡的卡文迪许扭秤仍然属于机械测试，其采用的弹性扭丝，难免受温度、外部振动噪声的影响，环境的扰动会引入更大的误差；(2)弹性扭丝测量误差相对误差较大。

中国专利申请CN115493726A公开了一种真空抗磁悬浮力探测器及其应用方法，利用磁悬浮摆对极弱力进行探测。但是，该专利申请存在以下问题：(1)该结构采用磁阱探测，由于受磁阱磁性材料的限制，磁阱的磁力大小必然会受到材料的限制，目前磁性最强的钕铁硼磁铁一般充磁不超过N90，因此磁阱探测的悬浮力比较有限，悬浮不了较大质量的微球；(2)对于超高真空度的探测，往往需要加热，而钕铁硼磁铁当温度达到居里点，往往会失去磁性，从而失去悬浮力；(3)真空抗磁悬浮力探测器的磁性往往不可调，因此，在后期需要对力场进行调制时，会存在不便。

中国专利申请CN115223430A公开一种基于悬浮纳米微粒的真空光镊实验教学装置，该装置通过对悬浮纳米微粒的稳定捕获及观测，并可调节微粒所处的气压状态，实现对极弱力的探测。但是，该专利申请存在以下问题：(1)光悬浮微粒相对来说，悬浮颗粒尺寸相对较小，外部环境的扰动下，捕获微粒容易掉落，相对来说其抗环境稳定性较差；(2)悬浮微粒在抗震性能方面较差。

发明内容

本申请的目的在于提供一种悬浮摆隔振装置、万有引力常数的测量装置及其测量方法，旨在解决现有技术中所提到的至少一个技术问题。

本申请的一个方面提供一种悬浮摆隔振装置。所述悬浮摆隔振装置包括两个同心线圈、金属板、质量源及引力源，所述金属板放置在所述两个同心线圈上，所述两个同心线圈具有一中空腔，所述质量源通过穿过所述中空腔的连接件而连接到所述金属板的中心，所述引力源邻近所述质量源设置。其中，当在所述两个同心线圈中分别通有相反的时谐交变电流时，在所述两个同心线圈中产生时变电场，所述时变电场在所述两个同心线圈中产生时变磁场，所述时变磁场在所述金属板中感应产生涡流，所述涡流进而对所述金属板产生预定的悬浮力以使所述金属板悬浮于所述两个同心线圈的上方预定高度。

进一步地，所述悬浮摆隔振装置还包括质量块，所述连接件包括第一连接件和第二连接件，所述金属板的中心通过穿过所述中空腔的所述第一连接件连接所述质量块，所述质量块通过所述第二连接件连接所述质量源。

进一步地，所述第一连接件和所述第二连接件均为柔性连接件。

进一步地，所述质量块包括铅块。

进一步地，所述两个同心线圈为两个圆柱形同心线圈，所述金属板为圆形金属板。

进一步地，所述金属板包括铝板。

本申请实施例的悬浮摆隔振装置能够解决极弱加速度的探测问题。

本申请实施例的悬浮摆隔振装置在一定频率下具有优良的隔振性能，且通过调节电场频率的变化，可改变所隔振的频段范围，大大提高了使用的灵活性，在精密量的测量上具有较高的使用价值。

本申请的另一个方面提供一种万有引力常数的测量装置。所述测量装置包括如上描述所述的悬浮摆隔振装置、拾取模块及信号处理模块。其中，所述拾取模块用于基于所述引力源的运动改变来拾取所述质量源的振动信号，并将所述质量源的振动信号发送给所述信号处理模块；及所述信号处理模块用于基于所述质量源的振动信号确定所述质量源与所述引力源相互之间的万有引力，进而推算出万有引力常数。

进一步地，所述的测量装置还包括真空腔，所述悬浮摆隔振装置位于所述真空腔中。

本申请的又一个方面提供一种万有引力常数的测量方法。所述测量方法包括：在两个同心线圈中分别通入相反的时谐交变电流，所述时谐交变电流在所述两个同心线圈中产生时变电场，所述时变电场产生时变磁场，所述两个同心线圈具有一中空腔；所述时变磁场在放置于所述两个同心线圈上的金属板中感应产生涡流，其中，所述金属板的中心通过穿过所述中空腔的连接件连接一质量源；所述涡流对所述金属板产生预定的悬浮力以使所述金属板悬浮于所述两个同心线圈的上方预定高度；将一引力源靠近所述质量源放置；通过改变所述引力源的运动来拾取所述质量源的振动信号；及基于所述质量源的振动信号确定所述质量源与所述引力源相互之间的万有引力，进而推算出万有引力常数。

进一步地，所述连接件包括第一连接件和第二连接件，所述金属板的中心通过穿过所述中空腔的所述第一连接件连接一质量块，所述质量块通过所述第二连接件连接所述质量源，以形成二级隔振的悬浮摆。

进一步地，通过调节所述时谐交变电流的频率和幅值来调节产生的所述悬浮力的大小以及隔振频带的大小。

本申请一个或多个实施例的万有引力常数的测量装置及其测量方法能够减小外界环境对于测量过程的干扰，能够提高万有引力常数的测量精度。

附图说明

图1为本申请一个实施例的悬浮摆隔振装置的结构示意图。

图2为本申请一个实施例的万有引力常数的测量装置的示意性简化框图。

图3为本申请一个实施例的万有引力常数的测量方法的流程图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施例并不代表与本申请相一致的所有实施例。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置的例子。

在本申请实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。在本申请的说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

本申请提供了一种悬浮摆隔振装置。图1揭示了本申请一个实施例的悬浮摆隔振装置100的结构示意图。该悬浮摆隔振装置100例如可以应用于万有引力测量中。如图1所示，本申请一个实施例的悬浮摆隔振装置100包括两个同心线圈11、12、金属板20、质量源30及引力源40。金属板20放置在两个同心线圈11、12上，两个同心线圈11、12具有一中空腔13，质量源30通过穿过中空腔13的连接件50而连接到金属板20的中心，引力源40邻近质量源30设置。

在一个实施例中，本申请的两个同心线圈11、12为两个圆柱形同心线圈。

其中，当在两个同心线圈11、12中分别通有相反的时谐交变电流时，可以在两个同心线圈11、12中产生时变电场，时变电场在两个同心线圈11、12中产生时变磁场，时变磁场在金属板20中进一步感应产生涡流，涡流又会产生一个排斥力，进而对金属板20产生预定的悬浮力，从而可以使金属板20悬浮于两个同心线圈11、12的上方预定高度。

本申请的悬浮摆隔振装置100利用涡流对金属板20产生的悬浮力可以将金属板20以及金属板20通过连接件50所连接的质量源30悬浮起来，从而可以形成一悬浮摆。该悬浮摆能够抑制一定频带的振动信号，进而实现很好的隔振性能。

通过采用本申请的悬浮摆隔振装置100，可以为万有引力常数的测量提供一个稳定安静的测量环境。

而且，本申请的悬浮摆隔振装置100可以通过调节时谐交变电流的频率和幅值来调节产生的悬浮力的大小以及隔振频带的大小。因此，在后期如果需要对力场进行调制时，只需调节交变电流的频率和幅值即可，调节非常方便。

在一个实施例中，金属板20可以由轻质金属材料制成，例如金属板20可以包括但不限于铝板，从而可以具有较轻的质量，可以更加方便地使得金属板20在涡流产生的排斥力的作用下悬浮起来，可以减小悬浮力的大小。

可选地，金属板20可以为圆形金属板20，从而可以在涡流产生时有效利用金属板20的面积，减小涡流无关区域的面积使用。

在一些实施例中，本申请的悬浮摆隔振装置100还可以包括质量块60。在一个实施例中，质量块60例如可以包括但不限于铅块等。

连接件50可以包括第一连接件51和第二连接件52，其中，金属板20的中心可以通过穿过中空腔13的第一连接件51连接质量块60，质量块60可以通过第二连接件52连接质量源30。在一个实施例中，第一连接件51和第二连接件52均为柔性连接件50，例如细绳等。

在金属板20与质量块60之间形成一级隔振，在质量块60与质量源30之间形成二级隔振，从而，在涡流产生的排斥力的作用下，金属板20带动质量块60和质量源30悬浮起来之后，可以形成一个二级隔振的悬浮摆，起到了良好的隔振效果。

本申请的悬浮摆隔振装置100能够隔离某些频段外部环境的扰动，进而可实现对万有引力常数的精密测量。

而且，本申请的悬浮摆隔振装置100不仅仅应用于万有引力常数的精密测量，该方法也可用于军事、土木、人工智能、生物医学、介入诊断等精密测量领域的各种不同物理参量精准的测量或检测，通过其对外部振动噪声的抑制，为不同物理量的测量提供了安静的测量环境。

此外，本申请的悬浮摆隔振装置100可以通过调节交流谐变的频率和幅值将能够方便、容易地实现可调的悬浮力、以及可调的隔振频带。

本申请还提供了一种万有引力常数的测量装置200。图2揭示了本申请一个实施例的万有引力常数的测量装置200的示意性简化框图。如图2所示，本申请一个实施例的万有引力常数的测量装置200可以包括如上各个实施例所述的悬浮摆隔振装置100、拾取模块210及信号处理模块220。

拾取模块210可以基于悬浮摆隔振装置100中引力源40的运动改变来拾取质量源30的振动信号，并可以将质量源30的振动信号发送给信号处理模块220。

信号处理模块220在接收到该质量源30的振动信号之后，可以基于质量源30的振动信号确定质量源30与引力源40相互之间的万有引力，进而推算出万有引力常数。

在获得质量源30与引力源40相互之间的万有引力之后，可以根据以下公式来推算出万有引力常数：

其中，F为质量源30与引力源40相互之间的万有引力，m

在一些实施例中，本申请的万有引力常数的测量装置200还可以包括真空腔13。其中，悬浮摆隔振装置100可以位于真空腔13中。从而，可以更好地隔绝质量源30的振动信号所受到的外界环境的影响。

本申请的万有引力常数的测量装置200能够极大地减少外界环境因素对于测量过程的干扰，可以提高万有引力常数的测量精度。

本申请还提供了一种万有引力常数的测量方法。图3揭示了本申请一个实施例的万有引力常数的测量方法的流程图。如图3所示，本申请一个实施例的万有引力常数的测量方法可以包括步骤S1至步骤S6。

在步骤S1中，在两个同心线圈11、12中分别通入相反的时谐交变电流，时谐交变电流在两个同心线圈11、12中产生时变电场，时变电场产生时变磁场。两个同心线圈11、12具有一中空腔13。

在步骤S2中，时变磁场可以在放置于两个同心线圈11、12上的金属板20中感应产生涡流。其中，金属板20的中心通过穿过中空腔13的连接件50连接一质量源30。

在步骤S3中，涡流可以对金属板20产生预定的悬浮力以使金属板20悬浮于两个同心线圈11、12的上方预定高度。

在步骤S4中，将一引力源40靠近质量源30放置。

在步骤S5中，可以通过改变引力源40的运动来拾取质量源30的振动信号。

在步骤S6中，可以基于质量源30的振动信号确定质量源30与引力源40相互之间的万有引力，进而推算出万有引力常数。

可以通过调节时谐交变电流的频率和幅值来调节产生的悬浮力的大小以及隔振频带的大小。

在一些实施例中，连接件50包括第一连接件51和第二连接件52，金属板20的中心通过穿过中空腔13的第一连接件51连接一质量块60，质量块60通过第二连接件52连接质量源30，以形成二级隔振的悬浮摆。

本申请的万有引力常数的测量方法能够极大地减少外界环境因素对于测量过程的干扰，可以提高万有引力常数的测量精度。

以上对本申请实施例所提供的悬浮摆隔振装置、万有引力常数的测量装置及其测量方法进行了详细的介绍。本文中应用了具体个例对本申请实施例的悬浮摆隔振装置、万有引力常数的测量装置及其测量方法进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的核心思想，并不用以限制本申请。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请的精神和原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也均应落入本申请所附权利要求书的保护范围内。