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一種雙真空腔式落體控制絕對重力儀及應(yīng)用方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雙真空腔式落體控制絕對重力儀及應(yīng)用方法。一種雙真空腔式落體控制絕對重力儀，包括水平基座、雙真空腔落體控制系統(tǒng)、激光干涉系統(tǒng)、振動隔離系統(tǒng)、銣原子鐘和上位機，雙真空腔落體控制系統(tǒng)位于水平基座上，激光干涉系統(tǒng)位于水平基座的下方，振動隔離系統(tǒng)位于激光干涉系統(tǒng)的下方。本發(fā)明的落體棱鏡位于一小真空腔中真空度可保持在10-6Pa以下，減小殘余分子的阻力，降低了測量誤差。落體控制的動力源直線超聲電機，體積小、定位精確、振動小，能有效減小真空腔的體積，降低了真空腔設(shè)計難度和真空度維持成本，并且直線超聲電機向上托運和向下釋放落體時只產(chǎn)生較小振動，能有效減小由于振動所帶來的測量誤差。
【專利說明】一種雙真空腔式落體控制絕對重力儀及應(yīng)用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及測試裝置，尤其涉及一種雙真空腔式落體控制絕對重力測試裝置及應(yīng)用方法。
【背景技術(shù)】
[0002]重力場是反映地球內(nèi)部物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其變遷的地球物理基本場，高精度絕對重力觀測資料是地震監(jiān)測預(yù)報、地球科學(xué)研究、資源勘探等領(lǐng)域的基礎(chǔ)，也是國家精密計量、飛行器導(dǎo)航和導(dǎo)彈制導(dǎo)等不可或缺的戰(zhàn)略數(shù)據(jù)。絕對重力儀是用來直接測量重力加速度值及其變化的主要精密計量儀器，其研究深受國內(nèi)外科研人員重視。 [0003]目前，國際上成熟的絕對重力儀主要利用激光干涉技術(shù)，精確測量落體棱鏡在真空環(huán)境中自由下落的運動軌跡，再將測量的位移時間對O^ti)帶入自由落體運動方程
K = W, + lAgt1;，最終利用多項式擬合的方式得到重力加速度的最佳估值。
[0004]絕對重力儀一般包括激光干涉系統(tǒng)、真空自由落體控制系統(tǒng)、超長彈簧隔振系統(tǒng)、高速信號采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理及儀器控制系統(tǒng)這五個部分。其中真空自由落體控制系統(tǒng)一般由電機、導(dǎo)軌、托架等組成，真空腔中落體棱鏡放置在一個支撐托盤上，支撐托盤固定在豎直方向安裝的直線導(dǎo)軌的滑塊上，其通過機械傳動系統(tǒng)與真空腔外的馬達連接，可實現(xiàn)上下運動。為了實現(xiàn)落體棱鏡的自由落體運動，首先通過控制馬達，將支撐托盤和放置在其上面的落體棱鏡運送到真空腔頂部；然后反向快速轉(zhuǎn)動馬達，使支撐托盤開始加速向下運動，其加速度略大于重力加速度，此時下落物體與支撐托盤分離，從而實現(xiàn)下落物體的自由落體運動。目前絕對重力儀中真空腔一般為一圓柱型密封腔體，利用功率較大的離子泵可將其真空度保持在10_4Pa量級，基本滿足絕對重力測量要求。但由于真空度不夠高，殘余分子阻力會降低落體自由下落速度，使測量結(jié)果偏小。落體控制系統(tǒng)的動力源馬達一般處于真空腔外，需要磁流體密封傳動才能帶動真空腔內(nèi)部的托架一起運動，這增加了真空腔維持的難度和成本。電機高速運轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)也會產(chǎn)生較強的振動，通過地面?zhèn)魅霚y量系統(tǒng)，對測量結(jié)果精度帶來較大的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服上述不足，本發(fā)明提供了一種雙真空腔式落體控制絕對重力儀及應(yīng)用方法。
[0006]一種雙真空腔式落體控制絕對重力儀，其特征在于，它包括水平基座、雙真空腔落體控制系統(tǒng)、激光干涉系統(tǒng)、振動隔離系統(tǒng)、銣原子鐘和上位機，雙真空腔落體控制系統(tǒng)位于水平基座上，激光干涉系統(tǒng)位于水平基座的下方，振動隔離系統(tǒng)位于激光干涉系統(tǒng)的下方，銣原子鐘提供測試時間基準(zhǔn)，上位機控制重力儀以及提供數(shù)據(jù)處理。
[0007]所述的雙真空腔落體控制系統(tǒng)包括大真空腔、小真空腔，大真空腔具有大真空腔外殼，大真空腔外殼的下部設(shè)有透視窗鏡，大真空腔外殼的外部設(shè)有離子泵，維持真空度，大真空腔內(nèi)設(shè)有豎直導(dǎo)軌，為小真空腔提供運動定位，直線超聲電機結(jié)合豎直導(dǎo)軌使小真空腔上下豎直運動。
[0008]所述的小真空腔內(nèi)設(shè)有圓形支架、落體，圓形支架上部設(shè)有錐形孔，落體具有落體外殼，內(nèi)部設(shè)有角錐棱鏡，落體外殼的中部設(shè)有剛性定位球，剛性定位球與錐形孔匹配，有助于落體在運動中的定位。
[0009]所述的大真空腔的真空度低于KT1帕斯卡，小真空腔的真空度低于10 _6帕斯卡。
[0010]所述的豎直導(dǎo)軌為兩根，所述的直線超聲電機與豎直導(dǎo)軌的間距相等，且位于小真空腔與大真空腔之間。 [0011]所述的振動隔離系統(tǒng)由雙級彈簧構(gòu)成，其中第一級彈簧由數(shù)根對稱分布的彈簧并聯(lián)組成，然后再與二級彈簧串聯(lián)，二級彈簧底部懸掛有參考棱鏡，所述的振動隔離系統(tǒng)的本征振動頻率小于0.05Hz，能有效隔離地面大部分振動，給參考棱鏡提供了一個偽慣性系統(tǒng)。
[0012]所述的激光干涉系統(tǒng)包括穩(wěn)頻激光器、反射鏡、準(zhǔn)直擴束鏡、第一分束器、反射鏡、第二分束器、反射鏡、聚焦透鏡、反射鏡及探測器，配合角錐棱鏡及參考棱鏡，共同構(gòu)成邁克爾遜干涉儀。其中反射鏡、準(zhǔn)直擴束鏡、第一分束器、反射鏡位于同一水平直線上；反射鏡、第二分束器、聚焦透鏡、反射鏡也位于同一水平直線上。
[0013]一種雙真空腔式落體控制絕對重力儀的應(yīng)用方法，測試開始時，直線超聲電機帶動小真空腔沿著豎直導(dǎo)軌作加速度大于重力加速度向下加速運動，落體
[0014]與小真空腔內(nèi)的圓形支架分離，作自由落體運動，落體的下落距離由邁克爾遜干涉儀測量，外部的銣原子鐘測量其位移時間，將所測的位移時間對O^ti)代入自由落體運
動方程Λ, 說2，然后利用上位機求解重力加速度的最佳估值。
[0015]本發(fā)明m有益效果:
[0016]1.本發(fā)明絕對重力儀采用雙真空腔式落體控制，落體棱鏡位于一小真空腔中，由于其采用靜密封方式，真空度可保持在10_6Pa以下，減小殘余分子的阻力，降低了測量誤差。同時大真空腔真空度只需要保持在10.1Pa,降低了真空度維持的難度和成本。
[0017]2.本發(fā)明中落體控制的動力源為大真空腔中的直線超聲電機，他擁有體積小、定位精確、振動小等優(yōu)點，能有效減小真空腔的體積。同時由于其位于真空腔內(nèi)部，不需要磁流體密封傳動裝置，降低了真空腔設(shè)計難度和真空度維持成本。直線超聲電機向上托運和向下釋放落體時相對于現(xiàn)有技術(shù)中所采用的馬達均只產(chǎn)生較小振動，能有效減小由于振動所帶來的測量誤差。
[0018]3.本發(fā)明中激光干涉系統(tǒng)采用了更加緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在完成原有功能的基礎(chǔ)上能有效得減小整個重力儀的體積。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明一種雙真空腔式落體控制絕對重力儀的具體結(jié)構(gòu)圖；
[0020]圖中，水平基座1、雙真空腔落體控制系統(tǒng)2、激光干涉系統(tǒng)3、振動隔離系統(tǒng)4、銣原子鐘5、上位機6、支撐平臺10、支柱11、水平調(diào)節(jié)器12、大真空腔20、小真空腔21、大真空腔外殼22、透視窗鏡23、離子泵24、豎直導(dǎo)軌25、直線超聲電機26、圓形支架27、錐形孔28、落體29、落體外殼210、角錐棱鏡211、剛性定位球212、穩(wěn)頻激光器30、反射鏡31、準(zhǔn)直擴束鏡32、第一分束器33、反射鏡34、第二分束器35、反射鏡36、聚焦透鏡37、反射鏡38、探測器39、彈簧40、
[0021]二級彈簧41、參考棱鏡42。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。
[0023]如圖1所示，本發(fā)明包括水平基座1、雙真空腔落體控制系統(tǒng)2、激光干涉系統(tǒng)3、振動隔尚系統(tǒng)4、銣原子鐘5和上位機6。
[0024]水平基座I包括支撐平臺10、3根相同的支柱11以及設(shè)置在每根支柱下的水平調(diào)節(jié)器12。
[0025]雙真空腔落體控制系統(tǒng)2放置在支撐平臺10上，它包括大真空腔20及小真空腔21，均為采用非磁性材料制造的圓柱型空腔，能有效屏蔽測量過程中的電磁干擾。在大真空腔外殼22下部設(shè)置一透視窗鏡23，使測量激光束能上下通過。離子泵24位于大真空腔外殼22外側(cè)，通過真空氣密插件與大真空腔20內(nèi)部連接，維持其真空度為KT1Pa以下。
[0026]大真空腔20底部設(shè)置兩根對稱分布的豎直導(dǎo)軌25, —直線超聲電機26與豎直導(dǎo)軌25的間距相等，且位于小真空腔21與大真空腔20之間?？蓭有≌婵涨?1沿著導(dǎo)軌25作低摩擦運動，并保證其在豎直方向上精準(zhǔn)定位。
[0027]小真空腔21采用金屬鈦制造，其底部有一透視窗鏡，類似于透視窗鏡23，
[0028]便于測試光束上下通過。為了減少慢性解吸和體出氣，真空密封前采用高溫烘烤，使其密封后真空度保持在10_6Pa以下，相較于目前絕對重力儀中0_4Pa真空度，能有效減小真空腔中殘余分子阻力所引起的測量誤差。一中空的圓形支架27設(shè)于小真空腔21底部，圓形支架27上表面設(shè)有相互對稱分布的錐形孔28。高精度落體29由落體外殼210及位于內(nèi)部的角錐棱鏡211組成，經(jīng)過精密設(shè)計，使落體29的質(zhì)心和光心重合，能避免落體自由下落過程中旋轉(zhuǎn)所引起的測量誤差。落體外殼210中部設(shè)有對稱分布的剛性定位球212，其可以與錐形孔28相匹配，完成落體29在小真空腔21中的精確定位。
[0029]激光干涉系統(tǒng)3位于支撐平臺10正下方，包括穩(wěn)頻激光器30、反射鏡31、準(zhǔn)直擴束鏡32、第一分束器33、反射鏡34、第二分束器35、反射鏡36、聚焦透鏡37、反射鏡38及探測器39。其配合角錐棱鏡211及振動隔離系統(tǒng)4中參考棱鏡42，共同構(gòu)成邁克爾遜干涉儀。其中反射鏡31、準(zhǔn)直擴束鏡32、第一分束器33、反射鏡34位于同一水平直線上；反射鏡36、第二分束器35、聚焦透鏡37、反射鏡38也位于同一水平直線上。
[0030]振動隔離系統(tǒng)4由雙級彈簧構(gòu)成，其中第一級彈簧由數(shù)根對稱分布的彈簧40并聯(lián)組成，然后再與二級彈簧41串聯(lián)。二級彈簧41底部懸掛有參考棱鏡42，此隔振系統(tǒng)的本征振動頻率小于0.05Hz，能有效隔離地面大部分振動，給參考棱鏡提供了一個偽慣性系統(tǒng)。
[0031]以下對本發(fā)明的工作過程作進一步說明:
[0032]激光干涉系統(tǒng)3配合角錐棱鏡211及參考棱鏡42，共同構(gòu)成邁克爾遜干涉儀。穩(wěn)頻激光器30發(fā)出的激光經(jīng)過反射鏡31及準(zhǔn)直擴束鏡32后被第一分束器33分為傳播方向垂直的兩束光，豎直向上傳播的測量光束經(jīng)過透視窗鏡23后被角錐棱鏡211反射，向下傳播的激光束再一次通過透視窗鏡23后被參考棱鏡42反射后向上通過反射鏡36反射后與被反射鏡34反射的參考光束相交于第二分束器35處，形成干涉，干涉光束再通過聚焦透鏡37及反射鏡38后入射探測器39中。[0033]測試開始時，直線超聲電機26帶動小真空腔21沿著導(dǎo)軌25作加速度大于g的向下加速運動，落體29與小真空腔21內(nèi)的圓形支架27分離，作自由落體運動。經(jīng)過一段距離后，直線超聲電機26帶動小真空腔21作相對于落體29的減速運動，落體29與圓形支架27再次重合，其中剛性定位球212與相應(yīng)的錐形孔28相匹配，完成落體29的定位。然后直線超聲電機26帶動小真空腔21向上運動到初始位置，一次測試結(jié)束。小真空腔21向下運動時會引起其下方空氣分子劇烈擾動而導(dǎo)致折射率變化，測量光束經(jīng)過這一區(qū)域，其光程會隨之變化，這會給測量帶來較大誤差。由于采用了雙真空腔式設(shè)計，大真空腔20內(nèi)真空度保持在10 -1Pa以下，基本消除了這個誤差。[0034]落體29自由下落階段的下落距離由邁克爾遜干涉儀測量，外部銣原子鐘5通過電子系統(tǒng)測量其下落時間。將所測的位移時間對O^ti)代入自由落體運動方程
K = /7,, + VJi +KgC，利用上位機求解重力加速度的最佳估值。
[0035]上位機6為一般電腦，探測器所測量的原始數(shù)據(jù)傳入上位機6，上位機6上安裝有利用matlab軟件所寫的測試軟件，可將原始數(shù)據(jù)代入落體運動方程，并利用最小二乘法擬合得出重力加速度的最佳估值。
【權(quán)利要求】
1.一種雙真空腔式落體控制絕對重力儀，其特征在于，它包括水平基座(1)、雙真空腔落體控制系統(tǒng)(2)、激光干涉系統(tǒng)(3)、振動隔離系統(tǒng)(4)、銣原子鐘(5)和上位機(6)，雙真空腔落體控制系統(tǒng)(2)位于水平基座(1)上，激光干涉系統(tǒng)(3)位于水平基座(1)的下方，振動隔離系統(tǒng)(4)位于激光干涉系統(tǒng)(3)的下方，銣原子鐘(5)提供測試時間基準(zhǔn)，上位機(6)控制重力儀以及提供數(shù)據(jù)處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙真空腔式落體控制絕對重力儀，其特征在于，所述的雙真空腔落體控制系統(tǒng)(2)包括大真空腔(20)、小真空腔(21)，大真空腔(20)具有大真空腔外殼(22),大真空腔外殼(22)的下部設(shè)有透視窗鏡(23),大真空腔外殼(22)的外部設(shè)有離子泵(24)，維持真空度，大真空腔(20)內(nèi)設(shè)有豎直導(dǎo)軌(25)，為小真空腔(21)提供運動定位，直線超聲電機(26)結(jié)合豎直導(dǎo)軌(25)使小真空腔(21)上下豎直運動。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙真空腔式落體控制絕對重力儀，其特征在于，所述的小真空腔(21)內(nèi)設(shè)有圓形支架(27)、落體(29)，圓形支架(27)上部設(shè)有錐形孔(28)，落體(29)具有落體外殼(210)，內(nèi)部設(shè)有角錐棱鏡(211)，落體外殼(210)的中部設(shè)有剛性定位球(212)，剛性定位球(212)與錐形孔(28)匹配，有助于落體(29)在運動中的定位。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙真空腔式落體控制絕對重力儀，其特征在于，所述的大真空腔(20)的真空度低于10 -1帕斯卡，小真空腔(21)的真空度低于10 - 6帕斯卡。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙真空腔式落體控制絕對重力儀，其特征在于，所述的豎直導(dǎo)軌(25)為兩根，所述的 直線超聲電機(26)與豎直導(dǎo)軌(25)的間距相等，且位于小真空腔(21)與大真空腔(20)之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的雙真空腔式落體控制絕對重力儀，其特征在于，所述的振動隔離系統(tǒng)(4)由雙級彈簧構(gòu)成，其中第一級彈簧由數(shù)根對稱分布的彈簧(40)并聯(lián)組成，然后再與二級彈簧(41)串聯(lián)，二級彈簧(41)底部懸掛有參考棱鏡(42)，所述的振動隔離系統(tǒng)(4)的本征振動頻率小于0.05Hz，能有效隔離地面大部分振動，給參考棱鏡(42)提供了一個偽慣性系統(tǒng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙真空腔式落體控制絕對重力儀，其特征在于，所述的激光干涉系統(tǒng)(3)包括穩(wěn)頻激光器(30)、反射鏡(31)、準(zhǔn)直擴束鏡(32)、第一分束器(33)、反射鏡(34)、第二分束器(35)、反射鏡(36)、聚焦透鏡(37)、反射鏡(38)及探測器(39)，配合角錐棱鏡(211)及參考棱鏡(42)，共同構(gòu)成邁克爾遜干涉儀。其中反射鏡(31)、準(zhǔn)直擴束鏡(32)、第一分束器(33)、反射鏡(34)位于同一水平直線上；反射鏡(36)、第二分束器(35)、聚焦透鏡(37)、反射鏡(38)也位于同一水平直線上。
8.一種雙真空腔式落體控制絕對重力儀的應(yīng)用方法，其特征在于，測試開始時，直線超聲電機(26)帶動小真空腔(21)沿著豎直導(dǎo)軌(25)作加速度大于重力加速度向下加速運動，落體(29)與小真空腔(21)內(nèi)的圓形支架(27)分離，作自由落體運動，落體(29)的下落距離由邁克爾遜干涉儀測量，外部的銣原子鐘(5)測量其位移時間，將所測的位移時間對O^ti)代入自由落體運動方程坑2，然后利用上位機(6)求解重力加速度的最佳估值。
【文檔編號】G01V7/14GK103941302SQ201410207049
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年5月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月15日
【發(fā)明者】黃騰超, 龐斌, 賀青, 舒曉武, 劉承 申請人:浙江大學(xué)