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。

技術(shù)特征：

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：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開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，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，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。本發(fā)明設(shè)計合理，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。

技術(shù)研發(fā)人員：王啟宇,馮金揚,胡若,李春劍,王廣飛,要佳敏,吳書清,粟多武
受保護的技術(shù)使用者：中國計量科學(xué)研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21