CN105910758A - 落体质心光心重合度测量机构、测量方法及调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种落体质心光心重合度测量机构、测量方法及调整方法，包括：落体光心位置检测系统(1)、支撑调整系统(2)、自准直仪(3)和被测落体(4)；支撑调整系统(2)包括旋转框体(2‑1)、支撑架(2‑2)、前部调平组件(2‑3)、后部调平组件(2‑4)、左夹持件(2‑5)、右夹持件(2‑6)和状态测量反射镜(2‑7)。优点为：1)可以实现在大气环境下精确测量和调整落体质心光心的重合度，有效提高了调整效率；2)不需要额外的特殊设备，仅需要一套自准直仪和利用几个光学器件搭建简单的干涉光路即可完成质心光心重合度的测量，具有测量机构结构简单、成本低以及使用方便的优点。

Description

落体质心光心重合度测量机构、测量方法及调整方法

技术领域

本发明属于激光干涉绝对重力仪落体研究技术领域，具体涉及一种落体质心光心重合度测量机构、测量方法及调整方法。

背景技术

经典的激光干涉绝对重力仪研究中，核心测量部件是用于敏感地球重力场的落体。由于重力场测量的基本原理是基于落体自由下落时落体的光心和参考棱镜的光心之间形成的点干涉图样，而重力场则是直接作用在落体的质心上，因此落体的光心和质心不重和会引入较大的测量误差，一般会达到几十至100微伽量级。

因此，对于重力场测量所采用的落体，有必要提前测量出落体的光心和质心之间的位移，即重合度，并选择光心和质心之间位移较小、重合度较高的落体，可提高重力场测量精度。C Rothleitner等人介绍了一种3D空间内落体光心质心之间距离的测量方法。当角立体棱镜与镜架安装完成后，就形成一个可以在实际工作中应用的落体。在3D平面内，定义落体的质心偏离旋转轴的位置向量为则由此引入的离心力可以表示为其中m为落体的质量，ω为旋转角速度。这里定义称为不平衡度，当旋转轴为Z轴时，向x-y平面投影可以得到向量：同样，当旋转轴为X轴时，向z-y平面投影可以得到向量：这样，通过确定两个投影向量和的模和方向，就可以确定落体质心偏离转轴的位置。从而确定质心在三维空间的坐标x_com，y_com，z_com。当落体完成后，可以通过商用的坐标测量仪精确测量光心的位置x_oc，y_oc，z_oc，则质心与光心之间的距离就可以表示为：

$R=\sqrt{{(x_{com}-x_{oc})}^2+{(y_{com}-y_{oc})}^2+{(Z_{com}-Z_{oc})}^2}$

然而，上述落体光心质心之间距离的测量方法，具有测量耗时长，测量过程复杂的问题，不适于广泛推广使用。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种落体质心光心重合度测量机构、测量方法及调整方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种落体质心光心重合度测量机构，包括：落体光心位置检测系统(1)、支撑调整系统(2)、自准直仪(3)和被测落体(4)；

其中，所述被测落体(4)包括落体本体以及与所述落体本体固定安装的测量棱镜，所述被测落体(4)为轴对称结构，具有水平对称轴B-B’；并且，所述被测落体(4)为光心质心基本位于所述水平对称轴B-B’的落体；

所述支撑调整系统(2)包括旋转框体(2-1)、支撑架(2-2)、前部调平组件(2-3)、后部调平组件(2-4)、左夹持件(2-5)、右夹持件(2-6)和状态测量反射镜(2-7)；

所述旋转框体(2-1)的左右两端可转动安装于所述支撑架(2-2)，使所述旋转框体(2-1)可绕水平旋转轴线A-A’自由旋转；

所述旋转框体(2-1)的后端面固定安装所述状态测量反射镜(2-7)，所述状态测量反射镜(2-7)的正后方固定安装所述自准直仪(3)；所述自准直仪(3)用于向所述状态测量反射镜(2-7)照射激光，并接收所述状态测量反射镜(2-7)的反射光，进而检测所述状态测量反射镜(2-7)沿垂直方向的倾斜角度；

所述旋转框体(2-1)的前端面和后端面分别安装所述前部调平组件(2-3)和后部调平组件(2-4)，并且，所述前部调平组件(2-3)和所述后部调平组件(2-4)的水平轴线与所述水平旋转轴线A-A’垂直；通过所述前部调平组件(2-3)和所述后部调平组件(2-4)，控制所述旋转框体(2-1)绕水平旋转轴线A-A’旋转的方向和角度；

所述旋转框体(2-1)的内部安装所述左夹持件(2-5)和所述右夹持件(2-6)，所述左夹持件(2-5)和所述右夹持件(2-6)相对对称设置于所述旋转框体(2-1)的左右两侧，将被测落体(4)置于所述左夹持件(2-5)和所述右夹持件(2-6)之间，且使被测落体(4)的水平对称轴B-B’与水平旋转轴线A-A’垂直后，通过所述左夹持件(2-5)和所述右夹持件(2-6)夹持固定被测落体(4)；另外，通过所述落体光心位置检测系统(1)检测被测落体(4)的光心是否通过所述水平旋转轴线A-A’，如果不通过，则不断前后调节被测落体(4)的位置，直到使被测落体(4)的光心通过所述水平旋转轴线A-A’。

优选的，所述旋转框体(2-1)的左端通过左旋转轴(2-8)与所述支撑架(2-2)可转动连接；所述旋转框体(2-1)的右端通过右旋转轴(2-9)与所述支撑架(2-2)可转动连接；所述左旋转轴(2-8)和所述右旋转轴(2-9)共轴线设置，其轴线连线即为所述水平旋转轴线A-A’。

优选的，所述前部调平组件(2-3)包括前部调平螺杆(2-3-1)以及前部调平砝码(2-3-2)；所述前部调平砝码(2-3-2)以螺旋连接方式套设于所述前部调平螺杆(2-3-1)上，可沿所述前部调平螺杆(2-3-1)移动；所述前部调平螺杆(2-3-1)的后端固定到所述旋转框体(2-1)；

所述后部调平组件(2-4)包括后部调平螺杆(2-4-1)以及后部调平砝码(2-4-2)；所述后部调平砝码(2-4-2)以螺旋连接方式套设于所述后部调平螺杆(2-4-1)上，可沿所述后部调平螺杆(2-4-1)移动；所述后部调平螺杆(2-4-1)的前端固定到所述旋转框体(2-1)；

并且，所述前部调平螺杆(2-3-1)和所述后部调平螺杆(2-4-1)共轴线设置，其轴线连线与所述水平旋转轴线A-A’垂直。

优选的，所述左夹持件(2-5)和所述右夹持件(2-6)为末端可伸缩的部件；通过调节所述左夹持件(2-5)和所述右夹持件(2-6)的长度，实现对所述被测落体(4)夹持固定的作用。

优选的，所述左夹持件(2-5)和所述右夹持件(2-6)共轴线设置，其轴线连线与所述水平旋转轴线A-A’重合。

优选的，所述落体光心位置检测系统(1)为激光干涉测量系统，包括激光光源(1-1)、分光镜(1-2)、参考棱镜(1-3)、属于所述被测落体(4)的测量棱镜以及接收器；

在所述激光光源(1-1)发出光束方向上放置所述分光镜(1-2)；所述分光镜(1-2)的透射光方向设置所述测量棱镜；所述分光镜(1-2)的反射光方向设置所述参考棱镜(1-3)；所述分光镜(1-2)的正下方设置所述接收器。

优选的，还包括自准直仪主光轴水平性调节机构(5)；所述自准直仪主光轴水平性调节机构(5)用于调节所述自准直仪(3)的主光轴方向，使其为绝对水平方向。

本发明还提供一种落体质心光心重合度测量方法，包括以下步骤：

步骤1，对自准直仪(3)进行初始校准调节，将其主光轴方向调整到与水平方向一致；

步骤2，在自准直仪(3)的主光轴方向安装支撑调整系统(2)，使支撑调整系统(2)的状态测量反射镜(2-7)朝向所述自准直仪(3)的激光发射端；

所述自准直仪(3)向所述状态测量反射镜(2-7)照射激光，并接收所述状态测量反射镜(2-7)的反射光，然后，所述自准直仪(3)判断发射的激光与接收到的反射光是否重合，如果重合，则表明支撑调整系统(2)的旋转框体(2-1)的法线方向与垂直方向重合，执行步骤3；否则，不断调节前部调平组件(2-3)和后部调平组件(2-4)，直到自准直仪(3)发射的激光与接收到的反射光重合，然后执行步骤3；

步骤3，将被测落体(4)置于左夹持件(2-5)和右夹持件(2-6)之间，且使被测落体(4)的水平对称轴B-B’与旋转框体(2-1)的水平旋转轴线A-A’垂直后，通过左夹持件(2-5)和右夹持件(2-6)夹持固定被测落体(4)；

然后，在支撑调整系统(2)的前方安装落体光心位置检测系统(1)，通过所述落体光心位置检测系统(1)检测被测落体(4)的光心是否通过水平旋转轴线A-A’，如果不通过，则不断前后调节被测落体(4)的位置，直到使被测落体(4)的光心通过所述水平旋转轴线A-A’；

步骤4，再次通过自准直仪(3)向所述状态测量反射镜(2-7)照射激光，并接收所述状态测量反射镜(2-7)的反射光，然后，所述自准直仪(3)判断发射的激光与接收到的反射光是否重合，如果重合，则表明被测落体的光心与质心重合，结束流程；如果不重合，表明被测落体重力作用使旋转框体(2-1)沿水平旋转轴线A-A’进行顺时针或逆时针转动，进而使旋转框体(2-1)的法线方向偏离垂直线，因此，执行步骤5；

步骤5，使前部调平砝码(2-3-2)沿前部调平螺杆(2-3-1)移动，使旋转框体(2-1)的法线方向靠近垂直线，假设当其移动距离为L_前时，自准直仪(3)发射的激光与接收到的反射光重合，此时表明旋转框体(2-1)的法线方向恢复到垂直位置；或者

使后部调平砝码(2-4-2)沿后部调平螺杆(2-4-1)移动，使旋转框体(2-1)的法线方向靠近垂直线，假设当其移动距离为L_后时，自准直仪(3)发射的激光与接收到的反射光重合，此时表明旋转框体(2-1)的法线方向恢复到垂直位置；

则：根据公式1或公式2计算得到落体光心和质心之间的距离γ：

γ＝L_前m_前/M 公式1

γ＝L_后m_后/M 公式2

其中，M为落体整体质量，m_前为前部调平砝码的质量，m_后为前部调平砝码的质量，均为已知值。

优选的，步骤3中，通过所述落体光心位置检测系统(1)检测被测落体(4)的光心是否通过水平旋转轴线A-A’，具体为：

步骤3.1，将旋转框体(2-1)绕水平旋转轴线A-A’任意旋转一个角度；

步骤3.2，当前状态下，采用以下方式采集得到第1干涉图样：

激光光源(1-1)发射的激光束入射到分光镜(1-2)上表面后，反射光束经分光镜(1-2)上表面向上反射后，入射到参考棱镜(1-3)，经参考棱镜(1-3)反射后形成向下传输的参考光束；而经分光镜(1-2)透射的透射光束继续向前传输，经被测落体内的测量棱镜反射后入射到分光镜(1-2)的下表面，经分光镜(1-2)下表面反射后，形成向下传输的测量光束；因此，参考光束与测量光束迭加形成干涉图样，并被接收器采集；

步骤3.3，将旋转框体(2-1)绕水平旋转轴线A-A’旋转到另一角度，并采集得到第2干涉图样；

如此不断使旋转框体(2-1)绕水平旋转轴线A-A’旋转到不同的角度，并采集得到每个旋转角度所对应的干涉图样；如果各个旋转角度所对应的干涉图样均相同，则得到被测落体(4)的光心通过水平旋转轴线A-A’的结论。

本发明还提供一种落体质心光心重合度调整方法，包括以下步骤：

步骤1，对自准直仪(3)进行初始校准调节，将其主光轴方向调整到与水平方向一致；

步骤2，在自准直仪(3)的主光轴方向安装支撑调整系统(2)，使支撑调整系统(2)的状态测量反射镜(2-7)朝向所述自准直仪(3)的激光输出口；

所述自准直仪(3)向所述状态测量反射镜(2-7)照射激光，并接收所述状态测量反射镜(2-7)的反射光，然后，所述自准直仪(3)判断发射的激光与接收到的反射光是否重合，如果重合，则表明支撑调整系统(2)的旋转框体(2-1)的法线方向与垂直方向重合，执行步骤3；否则，不断调节前部调平组件(2-3)和后部调平组件(2-4)，直到自准直仪(3)发射的激光与接收到的反射光重合，然后执行步骤3；

步骤3，将被测落体(4)置于左夹持件(2-5)和右夹持件(2-6)之间，且使被测落体(4)的水平对称轴B-B’与旋转框体(2-1)的水平旋转轴线A-A’垂直后，通过左夹持件(2-5)和右夹持件(2-6)夹持固定被测落体(4)；

然后，在支撑调整系统(2)的前方安装落体光心位置检测系统(1)，通过所述落体光心位置检测系统(1)检测被测落体(4)的光心是否通过水平旋转轴线A-A’，如果不通过，则不断前后调节被测落体(4)的位置，直到使被测落体(4)的光心通过所述水平旋转轴线A-A’；

步骤4，再次通过自准直仪(3)向所述状态测量反射镜(2-7)照射激光，并接收所述状态测量反射镜(2-7)的反射光，然后，所述自准直仪(3)判断发射的激光与接收到的反射光是否重合，如果重合，则表明被测落体的光心与质心重合，不需要进行光心质心调整，结束流程；如果不重合，执行步骤5；

步骤5，被测落体为轴对称结构，其配置有质心调节螺母(4-1)，并且，所述质心调节螺母(4-1)的轴线与被测落体的对称轴共轴；

当被测落体的光心与质心不重合时，被测落体重力作用使旋转框体(2-1)沿水平旋转轴线A-A’进行顺时针或逆时针转动，进而使旋转框体(2-1)的法线方向偏离垂直线；因此，通过改变所述质心调节螺母(4-1)的质量，改变被测落体的质心位置，当采用某种质量的质心调节螺母(4-1)，使旋转框体(2-1)的法线方向恢复到垂直位置时，此时即实现落体光心质心重合的目的。

本发明提供的落体质心光心重合度测量机构、测量方法及调整方法，具有以下优点：

1)可以实现在大气环境下精确测量和调整落体质心光心的重合度，有效提高了调整效率；

2)不需要额外的特殊设备，仅需要一套自准直仪和利用几个光学器件搭建简单的干涉光路即可完成质心光心重合度的测量，具有测量机构结构简单、成本低以及使用方便的优点。

附图说明

图1为本发明提供的未增加附图标记时的落体质心光心重合度测量机构的整体结构示意图；

图2为本发明提供的已增加附图标记时的落体质心光心重合度测量机构的整体结构示意图；

图3为本发明提供的支撑调整系统在一个角度下的结构示意图；

图4为本发明提供的支撑调整系统在另一个角度下的结构示意图；

图5为本发明提供的自准直仪主光轴水平性调节机构的结构示意图；

图6为本发明提供的落体的结构示意图；

图7为本发明提供的落体质心光心分析的原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种落体质心光心重合度测量机构及方法，可以在大气环境中精确测量落体光心质心重合度，测量效率高，测量过程简单。本发明还提供一种落体质心光心重合度调整方法，可简单快速的调整落体质心位置，使落体质心位置和光心位置重合。

结合图1-图6，本发明提供一种落体质心光心重合度测量机构，包括：落体光心位置检测系统1、支撑调整系统2、自准直仪3和被测落体4。

(1)被测落体

被测落体4包括落体本体以及与落体本体固定安装的测量棱镜，被测落体4为轴对称结构，具有水平对称轴B-B’；并且，被测落体4为光心质心基本位于水平对称轴B-B’的落体。

为方便对本发明理解，首先介绍现有技术中落体相关的知识：

现有技术中，对于重力场测量所采用的落体，其在制造阶段必须保证以下两点要求：

(1)落体为轴对称结构，具有水平对称轴B-B’。参考图5，为落体的一种具体结构示意图。

(2)落体的光心和质心距离水平对称轴B-B’的垂直距离小于10μm，即：落体的光心和质心的径向误差非常小，光心和质心基本位于水平对称轴B-B’。所以，由于落体的光心和质心的径向误差非常小，对光心质心重合度测量结果的精度影响可忽略，因此，本发明假设落体的光心和质心的径向误差为0。

通常情况下，落体的光心和质心不重合，主要是指光心和质心沿水平对称轴B-B’的轴向不重合，因此，质心光心不重合度的测量是指测量质心和光心沿水平对称轴B-B’的轴向距离。参考图7，为落体质心光心分析的原理示意图，在图7中，落体水平对称轴为B-B’，落体质心为P2点，落体光心为P1点。可见，质心P2和光心P1均位于水平对称轴B-B’上，测量质心和光心的不重合度即是测量P2到P1的距离。

(2)支撑调整系统

支撑调整系统2包括旋转框体2-1、支撑架2-2、前部调平组件2-3、后部调平组件2-4、左夹持件2-5、右夹持件2-6和状态测量反射镜2-7。

(2.1)旋转框体

旋转框体2-1的左右两端可转动安装于支撑架2-2，使旋转框体2-1可绕水平旋转轴线A-A’自由旋转。

在具体实现上，参考图3和图4，可采用以下结构实现旋转框体绕水平旋转轴线A-A’自由旋转：旋转框体2-1的左端通过左旋转轴2-8与支撑架2-2可转动连接；旋转框体2-1的右端通过右旋转轴2-9与支撑架2-2可转动连接；左旋转轴2-8和右旋转轴2-9共轴线设置，其轴线连线即为水平旋转轴线A-A’。为了减小左右旋转轴在转旋时产生的摩擦力矩，提高测量精度，可以将旋转轴的润滑方式由油润滑改为气膜润滑。

(2.2)状态测量反射镜

旋转框体2-1的后端面固定安装状态测量反射镜2-7。状态测量反射镜2-7的正后方固定安装自准直仪3。

状态测量反射镜结合自准直仪，主要用于检测状态测量反射镜沿垂直方向的倾斜角度，该倾斜角度即为旋转框体法线的倾斜角度。

具体的，自准直仪3用于向状态测量反射镜2-7照射激光，并接收状态测量反射镜2-7的反射光，进而检测状态测量反射镜2-7沿垂直方向的倾斜角度。

(2.3)调平组件

旋转框体2-1的前端面和后端面分别安装前部调平组件2-3和后部调平组件2-4，并且，前部调平组件2-3和后部调平组件2-4的水平轴线与水平旋转轴线A-A’垂直；通过前部调平组件2-3和后部调平组件2-4，控制旋转框体2-1绕水平旋转轴线A-A’旋转的方向和角度。

在具体实现上，前部调平组件2-3包括前部调平螺杆2-3-1以及前部调平砝码2-3-2；前部调平砝码2-3-2以螺旋连接方式套设于前部调平螺杆2-3-1上，可沿前部调平螺杆2-3-1移动；前部调平螺杆2-3-1的后端固定到旋转框体2-1；

后部调平组件2-4包括后部调平螺杆2-4-1以及后部调平砝码2-4-2；后部调平砝码2-4-2以螺旋连接方式套设于后部调平螺杆2-4-1上，可沿后部调平螺杆2-4-1移动；后部调平螺杆2-4-1的前端固定到旋转框体2-1；

并且，前部调平螺杆2-3-1和后部调平螺杆2-4-1共轴线设置，其轴线连线与水平旋转轴线A-A’垂直。

(2.4)夹持件

旋转框体2-1的内部安装左夹持件2-5和右夹持件2-6，左夹持件2-5和右夹持件2-6相对对称设置于旋转框体2-1的左右两侧，将被测落体4置于左夹持件2-5和右夹持件2-6之间，且使被测落体4的水平对称轴B-B’与水平旋转轴线A-A’垂直后，通过左夹持件2-5和右夹持件2-6夹持固定被测落体4。

另外，通过落体光心位置检测系统1检测被测落体4的光心是否通过水平旋转轴线A-A’，如果不通过，则不断前后调节被测落体4的位置，直到使被测落体4的光心通过水平旋转轴线A-A’。

在具体实现上，左夹持件2-5和右夹持件2-6为末端可伸缩的部件；通过调节左夹持件2-5和右夹持件2-6的长度，实现对被测落体4夹持固定的作用。

此外，左夹持件2-5和右夹持件2-6可优选采用共轴线设置，其轴线连线与水平旋转轴线A-A’重合。

(3)落体光心位置检测系统

落体光心位置检测系统1为激光干涉测量系统，包括激光光源1-1、分光镜1-2、参考棱镜1-3、属于被测落体4的测量棱镜以及接收器；

在激光光源1-1发出光束方向上放置分光镜1-2；分光镜1-2的透射光方向设置测量棱镜；分光镜1-2的反射光方向设置参考棱镜1-3；分光镜1-2的正下方设置接收器。

(4)自准直仪和自准直仪主光轴水平性调节机构

自准直仪主光轴水平性调节机构5用于初始调节自准直仪3的主光轴方向，使其为绝对水平方向。

本发明还提供一种落体质心光心重合度测量方法，包括以下步骤：

步骤1，对自准直仪3进行初始校准调节，将其主光轴方向调整到与水平方向一致；

也就是说，首先在测量平台上搭建安装自准直仪，然后，可以在自准直仪的正前方安装自准直仪主光轴水平性调节机构5，通过自准直仪主光轴水平性调节机构5，将自准直仪进行初始的校准调节。

具体校准调节原理为：

电子自准直仪主光轴水平性调节机构中，上支撑板5-2、下支撑板5-4和4根支撑柱5-3共同构成一个支撑框架，五棱镜5-1放置在上支撑板5-2的凹槽内，与凹槽正下方对应位置放置酒精盘5-5。因此，从电子自准直仪的主光轴平行发射的检测光线经五棱镜偏折后入射酒精盘的酒精液面，回射光线将垂直于酒精液面，经五棱镜再次折射后入射到电子自准直仪的视野中，通过调整电子自准直仪的支撑腿，可以使得发射光线和回射光线重合，即完成对电子自准直仪主光轴水平性的调节。

步骤2，在自准直仪3的主光轴方向安装支撑调整系统2，使支撑调整系统2的状态测量反射镜2-7朝向自准直仪3的激光发射端；

自准直仪3向状态测量反射镜2-7照射激光，并接收状态测量反射镜2-7的反射光，然后，自准直仪3判断发射的激光与接收到的反射光是否重合，如果重合，则表明支撑调整系统2的旋转框体2-1的法线方向与垂直方向重合，执行步骤3；否则，不断调节前部调平组件2-3和后部调平组件2-4，直到自准直仪3发射的激光与接收到的反射光重合，然后执行步骤3；

本发明中，支撑调整系统的水平调整是整体测量的前提，主要通过状态测量反射镜、电子自准直仪完成。由于旋转框体2-1初始状态处于非水平状态，因此，状态测量反射镜2-7的反射光和自准直仪3和发射光不会重合，所以，通过改变旋转框体前后两端安装的调平组件，使得状态测量反射镜2-7反射回电子自准直仪视野中的光线与其出射光线重合，完成对旋转框体2-1初始状态水平性的调节。

步骤3，将被测落体4置于左夹持件2-5和右夹持件2-6之间，且使被测落体4的水平对称轴B-B’与旋转框体2-1的水平旋转轴线A-A’垂直后，通过左夹持件2-5和右夹持件2-6夹持固定被测落体4。

然后，在支撑调整系统2的前方安装落体光心位置检测系统1，通过落体光心位置检测系统1检测被测落体4的光心是否通过水平旋转轴线A-A’，如果不通过，则不断前后调节被测落体4的位置，直到使被测落体4的光心通过水平旋转轴线A-A’；参考图6，即为被测落体4的光心通过水平旋转轴线A-A’的原理示意图。

其中，通过落体光心位置检测系统1检测被测落体4的光心是否通过水平旋转轴线A-A’，具体为：

步骤3.1，将旋转框体2-1绕水平旋转轴线A-A’任意旋转一个角度；

步骤3.2，当前状态下，采用以下方式采集得到第1干涉图样：

激光光源1-1发射的激光束入射到分光镜1-2上表面后，反射光束经分光镜1-2上表面向上反射后，入射到参考棱镜1-3，经参考棱镜1-3反射后形成向下传输的参考光束；而经分光镜1-2透射的透射光束继续向前传输，经被测落体内的测量棱镜反射后入射到分光镜1-2的下表面，经分光镜1-2下表面反射后，形成向下传输的测量光束；因此，参考光束与测量光束迭加形成干涉图样，并被接收器采集；

步骤3.3，将旋转框体2-1绕水平旋转轴线A-A’旋转到另一角度，并采集得到第2干涉图样；

如此不断使旋转框体2-1绕水平旋转轴线A-A’旋转到不同的角度，并采集得到每个旋转角度所对应的干涉图样；如果各个旋转角度所对应的干涉图样均相同，则得到被测落体4的光心通过水平旋转轴线A-A’的结论。

步骤4，再次通过自准直仪3向状态测量反射镜2-7照射激光，并接收状态测量反射镜2-7的反射光，然后，自准直仪3判断发射的激光与接收到的反射光是否重合，如果重合，则表明被测落体的光心与质心重合，结束流程；如果不重合，表明被测落体重力作用使旋转框体2-1沿水平旋转轴线A-A’进行顺时针或逆时针转动，进而使旋转框体2-1的法线方向偏离垂直线，因此，执行步骤5；

步骤5，使前部调平砝码2-3-2沿前部调平螺杆2-3-1移动，使旋转框体2-1的法线方向靠近垂直线，假设当其移动距离为L_前时，自准直仪3发射的激光与接收到的反射光重合，此时表明旋转框体2-1的法线方向恢复到垂直位置；或者

使后部调平砝码2-4-2沿后部调平螺杆2-4-1移动，使旋转框体2-1的法线方向靠近垂直线，假设当其移动距离为L_后时，自准直仪3发射的激光与接收到的反射光重合，此时表明旋转框体2-1的法线方向恢复到垂直位置；

则：根据公式1或公式2计算得到落体光心和质心之间的距离γ：

γ＝L_前m_前/M 公式1

γ＝L_后m_后/M 公式2

其中，M为落体整体质量，m_前为前部调平砝码的质量，m_后为前部调平砝码的质量，均为已知值。

本发明上述过程，可概括描述为：

(1)对于未安装落体的支撑调整系统，采用步骤2调整支撑调整系统2的旋转框体2-1的状态，即：调整左右调平组件的位置，使旋转框体2-1的法线方向与垂直方向重合，此时实质上是实现了支撑调整系统整体力矩的平衡。

(2)然后，将落体安装到支撑调整系统中，左右调平组件的位置保持不变，仅调整落体被左右夹持件夹持位置，使被测落体4的光心通过水平旋转轴线A-A’，又由前述介绍可知，被测落体4的光心在制造过程中即保证了位于水平对称轴B-B’上，因此，可以确定水平对称轴B-B’和水平旋转轴线A-A’的交点位置即为光心位置，因此，可确定图7的P1位置即为光心位置。

(3)在采用步骤(2)的方式将落体安装到旋转框体后，假设落体质心和光心不重合，那么可以理解，落体质心在重力场作用下产生一个沿水平旋转轴线A-A’顺时针或逆时针方向旋转的一个旋转力矩，该力矩F1的值即为：

力矩F1＝(落体质量M*重力加速度值g)*力臂T1；参考图7，此时的力臂T1实质为落体质心P2到水平旋转轴线A-A’的垂直距离。而根据本发明前述介绍可知，由于落体的光心P1和质心P2位于水平对称轴B-B’上，而水平对称轴B-B’垂直于水平旋转轴线A-A’，而光心P1又位于水平旋转轴线A-A’和水平对称轴B-B’的交点位置，因此，根据推理可知，落体质心P2到水平旋转轴线A-A’的垂直距离即为落体质心P2到落体光心P1的距离。

所以，此时的力矩F1可表达为：

力矩F1＝(落体质量M*重力加速度值g)*γ；其中，γ为落体光心和质心之间的距离。

因此，在力矩F1的作用下，会使得步骤1得到的力矩平衡态的旋转框体的力矩平衡性被破坏，使旋转框体沿水平旋转轴线A-A’旋转，此时，可通过电子自准直仪发射光线与经状态测量反射镜反射回的光线是否重合，来判断旋转框体是否由于安装落体而被破坏力矩平衡性。如果安装落体后，电子自准直仪发射光线与经状态测量反射镜反射回的光线重合，表明旋转框体仍然保持力矩平衡状态，那么可推测出力矩F1为0，则进一步推测出γ值为0；反之，如果电子自准直仪发射光线与经状态测量反射镜反射回的光线不重合，则进行后面的步骤。

(4)如果由于落体安装到旋转框体而导致旋转框体的法线与垂直方向有一偏斜角度，那么，可以增加一个与力矩F1反向的力矩F2，从而使旋转框体恢复到力矩平衡状态。所以，本发明中，通过调整调平砝码在调平螺杆的位置，实现增加与力矩F1反向的力矩F2的作用。

假设当后部调平砝码2-4-2沿后部调平螺杆2-4-1移动L_后的距离时，旋转框体2-1恢复到力矩平衡状态，那么，后部调平砝码2-4-2所增加的力矩F2可表达为：

力矩F2＝(后部调平砝码质量m_后*重力加速度值g)*力臂T2。

此时力臂T2含义为：假设后部调平砝码初始位置为K1点，沿后部调平螺杆移动距离L2后，移动到位置K2点。则力臂T2＝K1点到水平旋转轴线A-A’的垂直距离-K2点到水平旋转轴线A-A’的垂直距离。由于在初始安装时，即保证了调平螺杆的轴心与水平旋转轴线A-A’垂直这一条件，因此，K1点到水平旋转轴线A-A’的垂直距离-K2点到水平旋转轴线A-A’的垂直距离即为后部调平砝码沿后部调平螺杆移动的位置值。因此，假设后部调平砝码沿后部调平螺杆移动的位置值为L_后，可测量得到。

则力矩F2＝(后部调平砝码质量m_后*重力加速度值g)*L_后。

由力矩平衡原理可知，力矩F2等于力矩F1，由此得到以下公式：

γ＝L_后m_后/M。

通过上述公式，即可计算得到落体光心质心的距离γ值。

本发明还提供一种落体质心光心重合度调整方法，落体光心质心重合性的调整是通过改变落体整体质心位置，使得质心与光心重合完成的。具体包括以下步骤：

步骤1，对自准直仪3进行初始校准调节，将其主光轴方向调整到与水平方向一致；

步骤2，在自准直仪3的主光轴方向安装支撑调整系统2，使支撑调整系统2的状态测量反射镜2-7朝向自准直仪3的激光输出口；

自准直仪3向状态测量反射镜2-7照射激光，并接收状态测量反射镜2-7的反射光，然后，自准直仪3判断发射的激光与接收到的反射光是否重合，如果重合，则表明支撑调整系统2的旋转框体2-1的法线方向与垂直方向重合，执行步骤3；否则，不断调节前部调平组件2-3和后部调平组件2-4，直到自准直仪3发射的激光与接收到的反射光重合，然后执行步骤3；

步骤3，将被测落体4置于左夹持件2-5和右夹持件2-6之间，且使被测落体4的水平对称轴B-B’与旋转框体2-1的水平旋转轴线A-A’垂直后，通过左夹持件2-5和右夹持件2-6夹持固定被测落体4；

然后，在支撑调整系统2的前方安装落体光心位置检测系统1，通过落体光心位置检测系统1检测被测落体4的光心是否通过水平旋转轴线A-A’，如果不通过，则不断前后调节被测落体4的位置，直到使被测落体4的光心通过水平旋转轴线A-A’；

步骤4，再次通过自准直仪3向状态测量反射镜2-7照射激光，并接收状态测量反射镜2-7的反射光，然后，自准直仪3判断发射的激光与接收到的反射光是否重合，如果重合，则表明被测落体的光心与质心重合，不需要进行光心质心调整，结束流程；如果不重合，执行步骤5；

步骤5，被测落体为轴对称结构，其配置有质心调节螺母4-1，并且，质心调节螺母4-1的轴线与被测落体的对称轴共轴；

当被测落体的光心与质心不重合时，被测落体重力作用使旋转框体2-1沿水平旋转轴线A-A’进行顺时针或逆时针转动，进而使旋转框体2-1的法线方向偏离垂直线；因此，通过改变质心调节螺母4-1的质量，改变被测落体的质心位置，当采用某种质量的质心调节螺母4-1，使旋转框体2-1的法线方向恢复到垂直位置时，此时即实现落体光心质心重合的目的。

实际应用中，由于质心调节螺母常常加工为不同中心孔直径，因此，可直接通过改变落体上安装的质心调节螺母的中心孔直径，改变落体整体质心位置。

在图1所示的相对位置情况下，在向旋转框架上安装落体后，如果旋转框架逆时针旋转，则质心位于光心左侧，需要缩小质心调节螺母的中心孔直径，将被测落体的整体质心向右偏移；如果旋转框架顺时针旋转，则质心位于光心右侧，需要增加质心调节螺母的中心孔直径，将被测落体的整体质心向左偏移。

一般情况下，在设计被测落体阶段，通过模型分析将质心有意设计在光心的右侧，这样在落体装配完成后，进行质心位置精细调整阶段，则可以通过不断扩大质心调节螺母的中心孔直径，将质心位置不断左移，最终与光心重合。

综上所述，本发明提供的落体质心光心重合度测量机构、测量方法及调整方法，具有以下优点：

1)可以实现在大气环境下精确测量和调整落体质心光心的重合度，有效提高了调整效率；

2)不需要额外的特殊设备，仅需要一套自准直仪和利用几个光学器件搭建简单的干涉光路即可完成质心光心重合度的测量，具有测量机构结构简单、成本低以及使用方便的优点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种落体质心光心重合度测量机构，其特征在于，包括：落体光心位置检测系统(1)、支撑调整系统(2)、自准直仪(3)和被测落体(4)；

其中，所述被测落体(4)包括落体本体以及与所述落体本体固定安装的测量棱镜，所述被测落体(4)为轴对称结构，具有水平对称轴B-B’；并且，所述被测落体(4)为光心质心基本位于所述水平对称轴B-B’的落体；

所述支撑调整系统(2)包括旋转框体(2-1)、支撑架(2-2)、前部调平组件(2-3)、后部调平组件(2-4)、左夹持件(2-5)、右夹持件(2-6)和状态测量反射镜(2-7)；

所述旋转框体(2-1)的左右两端可转动安装于所述支撑架(2-2)，使所述旋转框体(2-1)可绕水平旋转轴线A-A’自由旋转；

所述旋转框体(2-1)的后端面固定安装所述状态测量反射镜(2-7)，所述状态测量反射镜(2-7)的正后方固定安装所述自准直仪(3)；所述自准直仪(3)用于向所述状态测量反射镜(2-7)照射激光，并接收所述状态测量反射镜(2-7)的反射光，进而检测所述状态测量反射镜(2-7)沿垂直方向的倾斜角度；

所述旋转框体(2-1)的前端面和后端面分别安装所述前部调平组件(2-3)和后部调平组件(2-4)，并且，所述前部调平组件(2-3)和所述后部调平组件(2-4)的水平轴线与所述水平旋转轴线A-A’垂直；通过所述前部调平组件(2-3)和所述后部调平组件(2-4)，控制所述旋转框体(2-1)绕水平旋转轴线A-A’旋转的方向和角度；

所述旋转框体(2-1)的内部安装所述左夹持件(2-5)和所述右夹持件(2-6)，所述左夹持件(2-5)和所述右夹持件(2-6)相对对称设置于所述旋转框体(2-1)的左右两侧，将被测落体(4)置于所述左夹持件(2-5)和所述右夹持件(2-6)之间，且使被测落体(4)的水平对称轴B-B’与水平旋转轴线A-A’垂直后，通过所述左夹持件(2-5)和所述右夹持件(2-6)夹持固定被测落体(4)；另外，通过所述落体光心位置检测系统(1)检测被测落体(4)的光心是否通过所述水平旋转轴线A-A’，如果不通过，则不断前后调节被测落体(4)的位置，直到使被测落体(4)的光心通过所述水平旋转轴线A-A’。

2.根据权利要求1所述的落体质心光心重合度测量机构，其特征在于，所述旋转框体(2-1)的左端通过左旋转轴(2-8)与所述支撑架(2-2)可转动连接；所述旋转框体(2-1)的右端通过右旋转轴(2-9)与所述支撑架(2-2)可转动连接；所述左旋转轴(2-8)和所述右旋转轴(2-9)共轴线设置，其轴线连线即为所述水平旋转轴线A-A’。

3.根据权利要求1所述的落体质心光心重合度测量机构，其特征在于，所述前部调平组件(2-3)包括前部调平螺杆(2-3-1)以及前部调平砝码(2-3-2)；所述前部调平砝码(2-3-2)以螺旋连接方式套设于所述前部调平螺杆(2-3-1)上，可沿所述前部调平螺杆(2-3-1)移动；所述前部调平螺杆(2-3-1)的后端固定到所述旋转框体(2-1)；

所述后部调平组件(2-4)包括后部调平螺杆(2-4-1)以及后部调平砝码(2-4-2)；所述后部调平砝码(2-4-2)以螺旋连接方式套设于所述后部调平螺杆(2-4-1)上，可沿所述后部调平螺杆(2-4-1)移动；所述后部调平螺杆(2-4-1)的前端固定到所述旋转框体(2-1)；

并且，所述前部调平螺杆(2-3-1)和所述后部调平螺杆(2-4-1)共轴线设置，其轴线连线与所述水平旋转轴线A-A’垂直。

4.根据权利要求1所述的落体质心光心重合度测量机构，其特征在于，所述左夹持件(2-5)和所述右夹持件(2-6)为末端可伸缩的部件；通过调节所述左夹持件(2-5)和所述右夹持件(2-6)的长度，实现对所述被测落体(4)夹持固定的作用。

5.根据权利要求1所述的落体质心光心重合度测量机构，其特征在于，所述左夹持件(2-5)和所述右夹持件(2-6)共轴线设置，其轴线连线与所述水平旋转轴线A-A’重合。

6.根据权利要求1所述的落体质心光心重合度测量机构，其特征在于，所述落体光心位置检测系统(1)为激光干涉测量系统，包括激光光源(1-1)、分光镜(1-2)、参考棱镜(1-3)、属于所述被测落体(4)的测量棱镜以及接收器；

在所述激光光源(1-1)发出光束方向上放置所述分光镜(1-2)；所述分光镜(1-2)的透射光方向设置所述测量棱镜；所述分光镜(1-2)的反射光方向设置所述参考棱镜(1-3)；所述分光镜(1-2)的正下方设置所述接收器。

7.根据权利要求1所述的落体质心光心重合度测量机构，其特征在于，还包括自准直仪主光轴水平性调节机构(5)；所述自准直仪主光轴水平性调节机构(5)用于调节所述自准直仪(3)的主光轴方向，使其为绝对水平方向。

8.一种落体质心光心重合度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对自准直仪(3)进行初始校准调节，将其主光轴方向调整到与水平方向一致；

步骤2，在自准直仪(3)的主光轴方向安装支撑调整系统(2)，使支撑调整系统(2)的状态测量反射镜(2-7)朝向所述自准直仪(3)的激光发射端；

所述自准直仪(3)向所述状态测量反射镜(2-7)照射激光，并接收所述状态测量反射镜(2-7)的反射光，然后，所述自准直仪(3)判断发射的激光与接收到的反射光是否重合，如果重合，则表明支撑调整系统(2)的旋转框体(2-1)的法线方向与垂直方向重合，执行步骤3；否则，不断调节前部调平组件(2-3)和后部调平组件(2-4)，直到自准直仪(3)发射的激光与接收到的反射光重合，然后执行步骤3；

步骤3，将被测落体(4)置于左夹持件(2-5)和右夹持件(2-6)之间，且使被测落体(4)的水平对称轴B-B’与旋转框体(2-1)的水平旋转轴线A-A’垂直后，通过左夹持件(2-5)和右夹持件(2-6)夹持固定被测落体(4)；

然后，在支撑调整系统(2)的前方安装落体光心位置检测系统(1)，通过所述落体光心位置检测系统(1)检测被测落体(4)的光心是否通过水平旋转轴线A-A’，如果不通过，则不断前后调节被测落体(4)的位置，直到使被测落体(4)的光心通过所述水平旋转轴线A-A’；

步骤4，再次通过自准直仪(3)向所述状态测量反射镜(2-7)照射激光，并接收所述状态测量反射镜(2-7)的反射光，然后，所述自准直仪(3)判断发射的激光与接收到的反射光是否重合，如果重合，则表明被测落体的光心与质心重合，结束流程；如果不重合，表明被测落体重力作用使旋转框体(2-1)沿水平旋转轴线A-A’进行顺时针或逆时针转动，进而使旋转框体(2-1)的法线方向偏离垂直线，因此，执行步骤5；

步骤5，使前部调平砝码(2-3-2)沿前部调平螺杆(2-3-1)移动，使旋转框体(2-1)的法线方向靠近垂直线，假设当其移动距离为L_前时，自准直仪(3)发射的激光与接收到的反射光重合，此时表明旋转框体(2-1)的法线方向恢复到垂直位置；或者

使后部调平砝码(2-4-2)沿后部调平螺杆(2-4-1)移动，使旋转框体(2-1)的法线方向靠近垂直线，假设当其移动距离为L_后时，自准直仪(3)发射的激光与接收到的反射光重合，此时表明旋转框体(2-1)的法线方向恢复到垂直位置；

则：根据公式1或公式2计算得到落体光心和质心之间的距离γ：

γ＝L_前m_前/M 公式1

γ＝L_后m_后/M 公式2

其中，M为落体整体质量，m_前为前部调平砝码的质量，m_后为前部调平砝码的质量，均为已知值。

9.根据权利要求8所述的落体质心光心重合度测量方法，其特征在于，步骤3中，通过所述落体光心位置检测系统(1)检测被测落体(4)的光心是否通过水平旋转轴线A-A’，具体为：

步骤3.1，将旋转框体(2-1)绕水平旋转轴线A-A’任意旋转一个角度；

步骤3.2，当前状态下，采用以下方式采集得到第1干涉图样：

激光光源(1-1)发射的激光束入射到分光镜(1-2)上表面后，反射光束经分光镜(1-2)上表面向上反射后，入射到参考棱镜(1-3)，经参考棱镜(1-3)反射后形成向下传输的参考光束；而经分光镜(1-2)透射的透射光束继续向前传输，经被测落体内的测量棱镜反射后入射到分光镜(1-2)的下表面，经分光镜(1-2)下表面反射后，形成向下传输的测量光束；因此，参考光束与测量光束迭加形成干涉图样，并被接收器采集；

步骤3.3，将旋转框体(2-1)绕水平旋转轴线A-A’旋转到另一角度，并采集得到第2干涉图样；

如此不断使旋转框体(2-1)绕水平旋转轴线A-A’旋转到不同的角度，并采集得到每个旋转角度所对应的干涉图样；如果各个旋转角度所对应的干涉图样均相同，则得到被测落体(4)的光心通过水平旋转轴线A-A’的结论。

10.一种落体质心光心重合度调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，对自准直仪(3)进行初始校准调节，将其主光轴方向调整到与水平方向一致；

步骤2，在自准直仪(3)的主光轴方向安装支撑调整系统(2)，使支撑调整系统(2)的状态测量反射镜(2-7)朝向所述自准直仪(3)的激光输出口；

所述自准直仪(3)向所述状态测量反射镜(2-7)照射激光，并接收所述状态测量反射镜(2-7)的反射光，然后，所述自准直仪(3)判断发射的激光与接收到的反射光是否重合，如果重合，则表明支撑调整系统(2)的旋转框体(2-1)的法线方向与垂直方向重合，执行步骤3；否则，不断调节前部调平组件(2-3)和后部调平组件(2-4)，直到自准直仪(3)发射的激光与接收到的反射光重合，然后执行步骤3；

步骤3，将被测落体(4)置于左夹持件(2-5)和右夹持件(2-6)之间，且使被测落体(4)的水平对称轴B-B’与旋转框体(2-1)的水平旋转轴线A-A’垂直后，通过左夹持件(2-5)和右夹持件(2-6)夹持固定被测落体(4)；

然后，在支撑调整系统(2)的前方安装落体光心位置检测系统(1)，通过所述落体光心位置检测系统(1)检测被测落体(4)的光心是否通过水平旋转轴线A-A’，如果不通过，则不断前后调节被测落体(4)的位置，直到使被测落体(4)的光心通过所述水平旋转轴线A-A’；

步骤4，再次通过自准直仪(3)向所述状态测量反射镜(2-7)照射激光，并接收所述状态测量反射镜(2-7)的反射光，然后，所述自准直仪(3)判断发射的激光与接收到的反射光是否重合，如果重合，则表明被测落体的光心与质心重合，不需要进行光心质心调整，结束流程；如果不重合，执行步骤5；

步骤5，被测落体为轴对称结构，其配置有质心调节螺母(4-1)，并且，所述质心调节螺母(4-1)的轴线与被测落体的对称轴共轴；

当被测落体的光心与质心不重合时，被测落体重力作用使旋转框体(2-1)沿水平旋转轴线A-A’进行顺时针或逆时针转动，进而使旋转框体(2-1)的法线方向偏离垂直线；因此，通过改变所述质心调节螺母(4-1)的质量，改变被测落体的质心位置，当采用某种质量的质心调节螺母(4-1)，使旋转框体(2-1)的法线方向恢复到垂直位置时，此时即实现落体光心质心重合的目的。