本發(fā)明涉及重力精密測量,尤其涉及一種絕對重力儀落體與托車分離距離測量系統(tǒng)及測量方法。
背景技術(shù):
1、重力加速度是一個隨著時間和空間不斷變化的地球物理參量,在大地測量、精密計量、輔助導(dǎo)航和軍事國防等領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。目前光學(xué)干涉式絕對重力儀是測量重力加速度的主要儀器之一,其測量原理是落體在高真空環(huán)境下自由下落,測量落體在下落過程中沿重力方向的位移和時間,利用多項式擬合得到重力加速度值。
2、光學(xué)干涉絕對重力儀(以下簡稱絕對重力儀)通常使用電機驅(qū)動牽引托車沿導(dǎo)向桿向下運動,當托車運動加速度大于重力加速度g時落體與托車分離,從而保證落體自由下落,這是目前應(yīng)用較為普遍的一種落體運動控制系統(tǒng)。理想情況下,落體將按照運動設(shè)計曲線運動,托車與落體快速分離并維持設(shè)定的分離距離不變,落體自由下落;當自由下落結(jié)束后,托車與落體的分離距離逐漸減小并在接觸瞬間二者的瞬時速度相同,即“軟著陸”,最后一起減速至靜止。但在絕對重力儀實際裝調(diào)時,由于導(dǎo)向桿的加工精度及托車裝置裝調(diào)精度等因素的限制,不同套儀器間的負載不同,進而導(dǎo)致同一條落體運動設(shè)計曲線在不同套絕對重力儀中,落體的下落運動情況具有較大的差異性。為了提高不同套絕對重力儀落體下落時的運動準確性和重復(fù)性,需要對下落過程中落體和托車之間的分離距離進行測量,并利用測量結(jié)果對落體運動進行優(yōu)化。
3、目前,美國microg公司生產(chǎn)的fg5型絕對重力儀采用的技術(shù)是在托車上安裝led光源和一維位置探測器,落體上安裝一個玻璃球,led發(fā)出的光經(jīng)過玻璃球折射后匯聚到一維位置探測器上。當落體與托車開始分離時,玻璃球相對于托車向上移動,光線經(jīng)過玻璃球折射后打在一維位置探測器上的位置會發(fā)生變化,一維位置探測器將接收到的光信號轉(zhuǎn)化為位移信號,該位移信號就是下落過程中落體和托車之間的分離距離。除此之外,暫未發(fā)現(xiàn)其它文獻對該問題進行研究。
4、現(xiàn)有技術(shù)需要在空間狹窄的托車上安裝led光源,一維位置探測器及配套電線,在落體上加裝玻璃球還需要改變落體的結(jié)構(gòu),且以上器件均要在高真空環(huán)境下工作,對器件的放氣率有較高要求。該技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,安裝與后續(xù)維護困難,使用時具有一定的局限性,為此我們設(shè)計了一種絕對重力儀落體與托車分離距離測量系統(tǒng)及測量方法來解決以上問題。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題,而提出的一種絕對重力儀落體與托車分離距離測量系統(tǒng)及測量方法,其能夠在幾乎不改變原有絕對重力儀機械結(jié)構(gòu)的情況下,實現(xiàn)非接觸式的落體托車之間分離距離的測量,具有安裝簡單,操作便捷,適用性廣的效果。
2、為了實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:
3、一種絕對重力儀落體與托車分離距離測量系統(tǒng)及測量方法,包括絕對重力儀真空腔、絕對重力儀真空腔內(nèi)的落體和托車外罩以及上、下兩套干涉儀,所述上干涉儀和下干涉儀分別設(shè)置在絕對重力儀真空腔的頂部與底部,所述落體設(shè)置在托車外罩的內(nèi)部。
4、優(yōu)選地,所述托車外罩包括金屬外殼和托車外罩角錐棱鏡,所述托車外罩角錐棱鏡位于金屬外殼內(nèi)并以底面朝上的方式與金屬外殼固定,所述托車外罩固定在托車上,跟隨托車一起運動。
5、優(yōu)選地,所述落體主要部件為底面朝下的落體角錐棱鏡,所述落體放在托車上,當托車加速向下運動時,所述落體與托車分離。
6、優(yōu)選地,所述上干涉儀包括上激光光源、上分光鏡、上光電探測器和上固定棱鏡,所述上干涉儀的上固定棱鏡在上分光鏡的上方。
7、優(yōu)選地,所述下干涉儀包括下激光光源、下分光鏡、下光電探測器和下固定棱鏡,所述下干涉儀的下固定棱鏡在下分光鏡的下方,且所述上固定棱鏡、上分光鏡、下分光鏡、下固定棱鏡的中心與落體角錐棱鏡在同一軸線上。
8、優(yōu)選地,所述上光電探測器及下光電探測器將光信號轉(zhuǎn)化為電信號進行輸出。
9、優(yōu)選地,所述下干涉儀可以使用重力儀自身的激光干涉儀。
10、一種絕對重力儀落體與托車分離距離測量方法,包括以下步驟:
11、s1、調(diào)節(jié)下干涉儀下激光光源、下分光鏡的角度,使測量光向上垂直進入落體角錐棱鏡底部,從落體出射后,經(jīng)下固定棱鏡和下分光鏡反射后與參考光合束發(fā)生干涉,干涉信號被下光電探測器接收;
12、s2、調(diào)節(jié)上干涉儀上激光光源、上分光鏡的角度,使測量光向下垂直進入托車外罩角錐棱鏡底面,出射后經(jīng)上固定棱鏡和上分光鏡合束后與參考光發(fā)生干涉,干涉信號被上光電探測器接收;
13、s3、當絕對重力儀的電控柜控制落體做自由下落運動時,上光電探測器同步進行干涉信號采集,經(jīng)過計算得到托車在下落過程中的位移-時間變化數(shù)據(jù)l1=f1(t),下干涉儀中下光電探測器同步進行干涉信號采集,經(jīng)過計算得到落體在下落過程中的位移-時間變化數(shù)據(jù)l2=f2(t);
14、s4、將得到的托車位移曲線與落體位移曲線相減,得到下落過程中落體托車之間的分離距離曲線δl,δl=f1(t)-f2(t);
15、進一步,上干涉儀與下干涉儀的起始采集時間在測量過程中需要保證同步;
16、進一步,干涉儀測量的位移為其中λ為激光光源的波長,n為干涉條紋中過零點的個數(shù),結(jié)合每個過零點對應(yīng)的時間,得到被測物體的位移-時間曲線。
17、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比,其有益效果為:
18、1、本發(fā)明采用雙干涉儀測量落體托車之間的分離距離,由于絕對重力儀本身攜帶測量落體運動的激光干涉儀,因此僅需要在真空腔頂部搭建一套干涉儀測量托車運動,同時使用攜帶角錐棱鏡的托車外罩,上干涉儀測量托車的位移,下干涉儀測量落體的位移,將上下兩部分位移進行差分處理,得到落體和托車之間的分離距離,即可完成對落體托車之間分離距離的測量,整個測量系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)相比,具有結(jié)構(gòu)簡單、使用快捷、適用性廣等優(yōu)點。
19、2、該測量裝置可以在不干擾絕對重力儀正常工作的情況下,完成落體和托車之間分離距離的測量,既可以用于絕對重力儀裝調(diào)過程中對落體運動進行精確調(diào)節(jié),也可以用于實驗時的長期監(jiān)測,觀察落體下落的情況。
1.一種絕對重力儀落體與托車分離距離測量系統(tǒng),包括絕對重力儀真空腔(5)、絕對重力儀真空腔(5)內(nèi)的落體(4)和托車外罩(3)以及上、下兩套干涉儀,其特征在于,所述上干涉儀和下干涉儀分別設(shè)置在絕對重力儀真空腔(5)的頂部與底部,所述落體(4)設(shè)置在托車外罩(3)的內(nèi)部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種絕對重力儀落體與托車分離距離測量系統(tǒng),其特征在于,所述托車外罩(3)包括金屬外殼(1)和托車外罩角錐棱鏡(2),所述托車外罩角錐棱鏡(2)位于金屬外殼(1)內(nèi)并以底面朝上的方式與金屬外殼(1)固定,所述托車外罩(3)固定在托車上,跟隨托車一起運動。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種絕對重力儀落體與托車分離距離測量系統(tǒng),其特征在于,所述落體(4)主要部件為底面朝下的落體角錐棱鏡,所述落體(4)放在托車上,當托車加速向下運動時,所述落體(4)與托車分離。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種絕對重力儀落體與托車分離距離測量系統(tǒng),其特征在于,所述上干涉儀包括上激光光源(6)、上分光鏡(8)、上光電探測器(12)和上固定棱鏡(10),所述上干涉儀的上固定棱鏡(10)在上分光鏡(8)的上方。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種絕對重力儀落體與托車分離距離測量系統(tǒng),其特征在于,所述下干涉儀包括下激光光源(7)、下分光鏡(9)、下光電探測器(13)和下固定棱鏡(11),所述下干涉儀的下固定棱鏡(11)在下分光鏡(9)的下方,且所述上固定棱鏡(10)、上分光鏡(8)、下分光鏡(9)、下固定棱鏡(11)的中心與落體角錐棱鏡在同一軸線上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種絕對重力儀落體與托車分離距離測量系統(tǒng),其特征在于,所述上光電探測器(12)及下光電探測器(13)將光信號轉(zhuǎn)化為電信號進行輸出。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種絕對重力儀落體與托車分離距離測量系統(tǒng),其特征在于,所述下干涉儀可以使用重力儀自身的激光干涉儀。
8.一種絕對重力儀落體與托車分離距離測量方法,其特征在于,包括以下步驟: