CN103941302A - 一种双真空腔式落体控制绝对重力仪及应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双真空腔式落体控制绝对重力仪及应用方法。一种双真空腔式落体控制绝对重力仪，包括水平基座、双真空腔落体控制系统、激光干涉系统、振动隔离系统、铷原子钟和上位机，双真空腔落体控制系统位于水平基座上，激光干涉系统位于水平基座的下方，振动隔离系统位于激光干涉系统的下方。本发明的落体棱镜位于一小真空腔中真空度可保持在10^-6Pa以下，减小残余分子的阻力，降低了测量误差。落体控制的动力源直线超声电机，体积小、定位精确、振动小，能有效减小真空腔的体积，降低了真空腔设计难度和真空度维持成本，并且直线超声电机向上托运和向下释放落体时只产生较小振动，能有效减小由于振动所带来的测量误差。

Description

一种双真空腔式落体控制绝对重力仪及应用方法

技术领域

本发明涉及测试装置，尤其涉及一种双真空腔式落体控制绝对重力测试装置及应用方法。

背景技术

重力场是反映地球内部物质结构及其变迁的地球物理基本场，高精度绝对重力观测资料是地震监测预报、地球科学研究、资源勘探等领域的基础，也是国家精密计量、飞行器导航和导弹制导等不可或缺的战略数据。绝对重力仪是用来直接测量重力加速度值及其变化的主要精密计量仪器，其研究深受国内外科研人员重视。

目前，国际上成熟的绝对重力仪主要利用激光干涉技术，精确测量落体棱镜在真空环境中自由下落的运动轨迹，再将测量的位移时间对(h_i,t_i)带入自由落体运动方程最终利用多项式拟合的方式得到重力加速度的最佳估值。

绝对重力仪一般包括激光干涉系统、真空自由落体控制系统、超长弹簧隔振系统、高速信号采集系统和数据处理及仪器控制系统这五个部分。其中真空自由落体控制系统一般由电机、导轨、托架等组成，真空腔中落体棱镜放置在一个支撑托盘上，支撑托盘固定在竖直方向安装的直线导轨的滑块上，其通过机械传动系统与真空腔外的马达连接，可实现上下运动。为了实现落体棱镜的自由落体运动，首先通过控制马达，将支撑托盘和放置在其上面的落体棱镜运送到真空腔顶部；然后反向快速转动马达，使支撑托盘开始加速向下运动，其加速度略大于重力加速度，此时下落物体与支撑托盘分离，从而实现下落物体的自由落体运动。目前绝对重力仪中真空腔一般为一圆柱型密封腔体，利用功率较大的离子泵可将其真空度保持在10^‐4Pa量级，基本满足绝对重力测量要求。但由于真空度不够高，残余分子阻力会降低落体自由下落速度，使测量结果偏小。落体控制系统的动力源马达一般处于真空腔外，需要磁流体密封传动才能带动真空腔内部的托架一起运动，这增加了真空腔维持的难度和成本。电机高速运转和反转也会产生较强的振动，通过地面传入测量系统，对测量结果精度带来较大的影响。

发明内容

为了克服上述不足，本发明提供了一种双真空腔式落体控制绝对重力仪及应用方法。

一种双真空腔式落体控制绝对重力仪，其特征在于，它包括水平基座、双真空腔落体控制系统、激光干涉系统、振动隔离系统、铷原子钟和上位机，双真空腔落体控制系统位于水平基座上，激光干涉系统位于水平基座的下方，振动隔离系统位于激光干涉系统的下方，铷原子钟提供测试时间基准，上位机控制重力仪以及提供数据处理。

所述的双真空腔落体控制系统包括大真空腔、小真空腔，大真空腔具有大真空腔外壳，大真空腔外壳的下部设有透视窗镜，大真空腔外壳的外部设有离子泵，维持真空度，大真空腔内设有竖直导轨，为小真空腔提供运动定位，直线超声电机结合竖直导轨使小真空腔上下竖直运动。

所述的小真空腔内设有圆形支架、落体，圆形支架上部设有锥形孔，落体具有落体外壳，内部设有角锥棱镜，落体外壳的中部设有刚性定位球，刚性定位球与锥形孔匹配，有助于落体在运动中的定位。

所述的大真空腔的真空度低于10^‐1帕斯卡，小真空腔的真空度低于10^‐6帕斯卡。

所述的竖直导轨为两根，所述的直线超声电机与竖直导轨的间距相等，且位于小真空腔与大真空腔之间。

所述的振动隔离系统由双级弹簧构成，其中第一级弹簧由数根对称分布的弹簧并联组成，然后再与二级弹簧串联，二级弹簧底部悬挂有参考棱镜，所述的振动隔离系统的本征振动频率小于0.05Hz，能有效隔离地面大部分振动，给参考棱镜提供了一个伪惯性系统。

所述的激光干涉系统包括稳频激光器、反射镜、准直扩束镜、第一分束器、反射镜、第二分束器、反射镜、聚焦透镜、反射镜及探测器，配合角锥棱镜及参考棱镜，共同构成迈克尔逊干涉仪。其中反射镜、准直扩束镜、第一分束器、反射镜位于同一水平直线上；反射镜、第二分束器、聚焦透镜、反射镜也位于同一水平直线上。

一种双真空腔式落体控制绝对重力仪的应用方法，测试开始时，直线超声电机带动小真空腔沿着竖直导轨作加速度大于重力加速度向下加速运动，落体

与小真空腔内的圆形支架分离，作自由落体运动，落体的下落距离由迈克尔逊干涉仪测量，外部的铷原子钟测量其位移时间，将所测的位移时间对(h_i,t_i)代入自由落体运动方程然后利用上位机求解重力加速度的最佳估值。

本发明的有益效果：

1.本发明绝对重力仪采用双真空腔式落体控制，落体棱镜位于一小真空腔中，由于其采用静密封方式，真空度可保持在10^‐6Pa以下，减小残余分子的阻力，降低了测量误差。同时大真空腔真空度只需要保持在10^‐1Pa，降低了真空度维持的难度和成本。

2.本发明中落体控制的动力源为大真空腔中的直线超声电机，他拥有体积小、定位精确、振动小等优点，能有效减小真空腔的体积。同时由于其位于真空腔内部，不需要磁流体密封传动装置，降低了真空腔设计难度和真空度维持成本。直线超声电机向上托运和向下释放落体时相对于现有技术中所采用的马达均只产生较小振动，能有效减小由于振动所带来的测量误差。

3.本发明中激光干涉系统采用了更加紧凑的结构设计，在完成原有功能的基础上能有效得减小整个重力仪的体积。

附图说明

图1为本发明一种双真空腔式落体控制绝对重力仪的具体结构图；

图中，水平基座1、双真空腔落体控制系统2、激光干涉系统3、振动隔离系统4、铷原子钟5、上位机6、支撑平台10、支柱11、水平调节器12、大真空腔20、小真空腔21、大真空腔外壳22、透视窗镜23、离子泵24、竖直导轨25、直线超声电机26、圆形支架27、锥形孔28、落体29、落体外壳210、角锥棱镜211、刚性定位球212、稳频激光器30、反射镜31、准直扩束镜32、第一分束器33、反射镜34、第二分束器35、反射镜36、聚焦透镜37、反射镜38、探测器39、弹簧40、

二级弹簧41、参考棱镜42。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明包括水平基座1、双真空腔落体控制系统2、激光干涉系统3、振动隔离系统4、铷原子钟5和上位机6。

水平基座1包括支撑平台10、3根相同的支柱11以及设置在每根支柱下的水平调节器12。

双真空腔落体控制系统2放置在支撑平台10上，它包括大真空腔20及小真空腔21，均为采用非磁性材料制造的圆柱型空腔，能有效屏蔽测量过程中的电磁干扰。在大真空腔外壳22下部设置一透视窗镜23，使测量激光束能上下通过。离子泵24位于大真空腔外壳22外侧，通过真空气密插件与大真空腔20内部连接，维持其真空度为10^‐1Pa以下。

大真空腔20底部设置两根对称分布的竖直导轨25，一直线超声电机26与竖直导轨25的间距相等，且位于小真空腔21与大真空腔20之间。可带动小真空腔21沿着导轨25作低摩擦运动，并保证其在竖直方向上精准定位。

小真空腔21采用金属钛制造，其底部有一透视窗镜，类似于透视窗镜23，

便于测试光束上下通过。为了减少慢性解吸和体出气，真空密封前采用高温烘烤，使其密封后真空度保持在10^‐6Pa以下，相较于目前绝对重力仪中0^‐4Pa真空度，能有效减小真空腔中残余分子阻力所引起的测量误差。一中空的圆形支架27设于小真空腔21底部，圆形支架27上表面设有相互对称分布的锥形孔28。高精度落体29由落体外壳210及位于内部的角锥棱镜211组成，经过精密设计，使落体29的质心和光心重合，能避免落体自由下落过程中旋转所引起的测量误差。落体外壳210中部设有对称分布的刚性定位球212，其可以与锥形孔28相匹配，完成落体29在小真空腔21中的精确定位。

激光干涉系统3位于支撑平台10正下方，包括稳频激光器30、反射镜31、准直扩束镜32、第一分束器33、反射镜34、第二分束器35、反射镜36、聚焦透镜37、反射镜38及探测器39。其配合角锥棱镜211及振动隔离系统4中参考棱镜42，共同构成迈克尔逊干涉仪。其中反射镜31、准直扩束镜32、第一分束器33、反射镜34位于同一水平直线上；反射镜36、第二分束器35、聚焦透镜37、反射镜38也位于同一水平直线上。

振动隔离系统4由双级弹簧构成，其中第一级弹簧由数根对称分布的弹簧40并联组成，然后再与二级弹簧41串联。二级弹簧41底部悬挂有参考棱镜42，此隔振系统的本征振动频率小于0.05Hz，能有效隔离地面大部分振动，给参考棱镜提供了一个伪惯性系统。

以下对本发明的工作过程作进一步说明：

激光干涉系统3配合角锥棱镜211及参考棱镜42，共同构成迈克尔逊干涉仪。稳频激光器30发出的激光经过反射镜31及准直扩束镜32后被第一分束器33分为传播方向垂直的两束光，竖直向上传播的测量光束经过透视窗镜23后被角锥棱镜211反射，向下传播的激光束再一次通过透视窗镜23后被参考棱镜42反射后向上通过反射镜36反射后与被反射镜34反射的参考光束相交于第二分束器35处，形成干涉，干涉光束再通过聚焦透镜37及反射镜38后入射探测器39中。

测试开始时，直线超声电机26带动小真空腔21沿着导轨25作加速度大于g的向下加速运动，落体29与小真空腔21内的圆形支架27分离，作自由落体运动。经过一段距离后，直线超声电机26带动小真空腔21作相对于落体29的减速运动，落体29与圆形支架27再次重合，其中刚性定位球212与相应的锥形孔28相匹配，完成落体29的定位。然后直线超声电机26带动小真空腔21向上运动到初始位置，一次测试结束。小真空腔21向下运动时会引起其下方空气分子剧烈扰动而导致折射率变化，测量光束经过这一区域，其光程会随之变化，这会给测量带来较大误差。由于采用了双真空腔式设计，大真空腔20内真空度保持在10‐1Pa以下，基本消除了这个误差。

落体29自由下落阶段的下落距离由迈克尔逊干涉仪测量，外部铷原子钟5通过电子系统测量其下落时间。将所测的位移时间对(h_i,t_i)代入自由落体运动方程利用上位机求解重力加速度的最佳估值。

上位机6为一般电脑，探测器所测量的原始数据传入上位机6，上位机6上安装有利用matlab软件所写的测试软件，可将原始数据代入落体运动方程，并利用最小二乘法拟合得出重力加速度的最佳估值。

Claims (8)

1.一种双真空腔式落体控制绝对重力仪，其特征在于，它包括水平基座(1)、双真空腔落体控制系统(2)、激光干涉系统(3)、振动隔离系统(4)、铷原子钟(5)和上位机(6)，双真空腔落体控制系统(2)位于水平基座(1)上，激光干涉系统(3)位于水平基座(1)的下方，振动隔离系统(4)位于激光干涉系统(3)的下方，铷原子钟(5)提供测试时间基准，上位机(6)控制重力仪以及提供数据处理。

2.根据权利要求1所述的双真空腔式落体控制绝对重力仪，其特征在于，所述的双真空腔落体控制系统(2)包括大真空腔(20)、小真空腔(21)，大真空腔(20)具有大真空腔外壳(22)，大真空腔外壳(22)的下部设有透视窗镜(23)，大真空腔外壳(22)的外部设有离子泵(24)，维持真空度，大真空腔(20)内设有竖直导轨(25)，为小真空腔(21)提供运动定位，直线超声电机(26)结合竖直导轨(25)使小真空腔(21)上下竖直运动。

3.根据权利要求2所述的双真空腔式落体控制绝对重力仪，其特征在于，所述的小真空腔(21)内设有圆形支架(27)、落体(29)，圆形支架(27)上部设有锥形孔(28)，落体(29)具有落体外壳(210)，内部设有角锥棱镜(211)，落体外壳(210)的中部设有刚性定位球(212)，刚性定位球(212)与锥形孔(28)匹配，有助于落体(29)在运动中的定位。

4.根据权利要求2所述的双真空腔式落体控制绝对重力仪，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.根据权利要求2所述的双真空腔式落体控制绝对重力仪，其特征在于，所述的竖直导轨(25)为两根，所述的直线超声电机(26)与竖直导轨(25)的间距相等，且位于小真空腔(21)与大真空腔(20)之间。

6.根据权利要求1或3所述的双真空腔式落体控制绝对重力仪，其特征在于，所述的振动隔离系统(4)由双级弹簧构成，其中第一级弹簧由数根对称分布的弹簧(40)并联组成，然后再与二级弹簧(41)串联，二级弹簧(41)底部悬挂有参考棱镜(42)，所述的振动隔离系统(4)的本征振动频率小于0.05Hz，能有效隔离地面大部分振动，给参考棱镜(42)提供了一个伪惯性系统。

7.根据权利要求6所述的双真空腔式落体控制绝对重力仪，其特征在于，所述的激光干涉系统(3)包括稳频激光器(30)、反射镜(31)、准直扩束镜(32)、第一分束器(33)、反射镜(34)、第二分束器(35)、反射镜(36)、聚焦透镜(37)、反射镜(38)及探测器(39)，配合角锥棱镜(211)及参考棱镜(42)，共同构成迈克尔逊干涉仪。其中反射镜(31)、准直扩束镜(32)、第一分束器(33)、反射镜(34)位于同一水平直线上；反射镜(36)、第二分束器(35)、聚焦透镜(37)、反射镜(38)也位于同一水平直线上。

8.一种双真空腔式落体控制绝对重力仪的应用方法，其特征在于，测试开始时，直线超声电机(26)带动小真空腔(21)沿着竖直导轨(25)作加速度大于重力加速度向下加速运动，落体(29)与小真空腔(21)内的圆形支架(27)分离，作自由落体运动，落体(29)的下落距离由迈克尔逊干涉仪测量，外部的铷原子钟(5)测量其位移时间，将所测的位移时间对(h_i,t_i)代入自由落体运动方程然后利用上位机(6)求解重力加速度的最佳估值。