CN115840257A - 一种用于相对重力加速度测量的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于相对重力加速度测量的装置及方法，该装置包括光束稳定子系统和信号探测子系统两部分，所述光束稳定子系统用于发射稳定的激光束入射信号探测子系统；信号探测子系统以四磁极结构为磁场源，并通过四象限探测器探测包含悬浮小球位移信息的光束。利用光学差分探测原理探测出悬浮小球的位移，当重力加速度变化时，悬浮小球的位置也偏离初始平衡位置，通过探测悬浮小球在重力方向的位移量与重力加速度的对应关系实现重力加速度变化的测量。本发明的装置能够悬浮质量更大的悬浮体，能够实现更高的加速度测量精度。

Description

一种用于相对重力加速度测量的装置及方法

技术领域

本发明涉及加速度测量领域，具体涉及一种用于相对重力加速度测量的装置及方法。

背景技术

地球重力场作为最重要的基础地球物理信息之一，在国民经济和科学研究中有广泛的应用价值。地球重力场的变化对于现代国防、军事应用、资源勘探、测绘科学等领域都具有重要的应用价值。重力仪是确定重力加速度的测量仪器，分为绝对重力仪和相对重力仪，绝对重力仪是用来测定某点重力加速度值的仪器，相对重力测量是通过测量已知点与待测点间的重力加速度差值来求得的。相对重力仪的基本原理是弹性体在重力作用下发生形变，弹性体的弹性力与重力平衡时，弹性体处于某一平衡位置。当重力变化时弹性体的平衡位置则改变，观测两次平衡位置的改变量，即可测定两点的重力加速度差。

专利CN108873090B公开一种基于光悬浮的重力测量装置及测量方法，该专利中其相对重力加速度测量方法为：重力测量开始前，激光器发射激光在反馈控制系统的调节下将悬浮物悬浮至预定位置，记为零位，当测量装置所在地重力加速度变化时，悬浮物偏离零位，由悬浮物和上、下电容极板构成的三极板电容器的电桥电路输出量发生相应变化，电容检测电路将电桥输出量通过锁相放大器、积分器处理后转化为反馈电压作用于悬浮物，在悬浮物上产生指向零位的恢复力，使悬浮物位移完成归零，所述归零过程中反馈电压变化情况即当地重力变化情况，所述反馈电压输入反馈控制系统采样并记录，生成电压-时间序列，所述电压-时间序列直接反映重力加速度值随时间的变化情况，即完成相对重力加速度的测量。该装置通过激光产生的光力作用悬浮物体。然而为了获得高灵敏的加速度，光悬浮需要抽真空以减少空气分子的影响，在高真空中由于空气分子的减少悬浮物体与空气分子的碰撞减少，导致悬浮物体在高真空下吸收激光能量而无法散热，导致悬浮物体气化质量下降。另外悬浮质量越大的物体所需的激光强度也越大，因此，专利CN108873090B仅能悬浮小于几十个微米的物体。但由理论可知，悬浮物质量越大，系统的加速度灵敏度越高。因此，专利CN108873090B的加速度灵敏度低。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种用于相对重力加速度测量的装置及方法。本发明是利用亚毫米级的抗磁悬浮小球作为高灵敏传感单元，利用光学差分探测原理探测出悬浮小球的位移，当重力加速度变化时悬浮小球的位置也偏离初始平衡位置，通过探测悬浮小球在重力方向的位移量与重力加速度的对应关系实现重力加速度变化的测量。

本发明的目的通过如下的技术方案来实现：

一种用于相对重力加速度测量的装置，该装置包括光束稳定子系统和信号探测子系统两部分；

所述光束稳定子系统包括光纤准直器、电光调制器、透镜一、透镜二、压电反射镜一、压电反射镜二、分光镜一、分光镜二、透镜三、位置探测器一、位置探测器二、分光镜三、光电探测器一、分光镜四、光电探测器二；所述光纤准直器用于对激光进行准直，准直后的光束透射通过所述电光调制器后，再经由所述透镜一和透镜二进行扩束准直后入射所述压电反射镜一，经所述压电反射镜一反射后入射所述压电反射镜二，经所述压电反射镜二反射后，入射至所述分光镜一；经所述分光镜一反射的光束入射至所述分光镜二；经所述分光镜二的反射光束入射至所述位置探测器一，透射通过所述分光镜二的光线入射所述透镜三，所述位置探测器二位于所述透镜三的焦点处，经所述透镜三聚焦后入射至位置探测器二；透射通过分光镜一的光束入射至分光镜三，经所述分光镜三反射的光束进入光电探测器一中，透射所述分光镜三的光束入射至分光镜四，经所述分光镜四反射光束入射至光电探测器二，透射所述分光镜四的光束进入信号探测子系统；所述压电反射镜一、压电反射镜二、位置探测器一、透镜三、位置探测器二组成激光稳定系统，确保光束指向的稳定；所述电光调制器和光电探测器一组成激光RIN噪声抑制的反馈回路；光电探测器二用于RIN噪声的监测；

所述信号探测子系统包括透镜四、四磁极结构、透镜五、真空腔、分光镜五、光束分析仪、透镜六、四象限探测器、成像相机和三维位移台；

所述四磁极结构位于所述真空腔内部，所述透射所述分光镜四的光束经过透镜四聚焦到位于所述真空腔中的悬浮小球上；透射通过悬浮小球的光束通过透镜五后入射至分光镜五，经分光镜五反射的光束入射至光束分析仪，透射分光镜五的光束经过透镜六聚焦后，入射四象限探测器；所述成像相机用于收集经悬浮小球散射的光，与所述三维位移台配合，实现悬浮小球的精准起支以及监测；所述光束分析仪用于光束在悬浮小球上聚焦位置的辅助观测。

进一步地，所述悬浮小球为亚毫米级的磁化率为负数的抗磁小球。

进一步地，所述悬浮小球采用PMMA材料或二氧化硅制成。

进一步地，还包括下底板、中底板和上底板，所述下底板和中底板之间，以及中底板和上底板之间，连接若干根支撑柱，保证各底板之间的距离与稳定；整个装置的两侧有两根连接轴，用于整个相对重力加速度测量装置与外部的稳定平台相连接；

所述光束稳定子系统位于所述中底板上，所述信号探测子系统位于所述上底板上；所述上底板上开设有小孔，使得光束能透过小孔从所述光束稳定子系统到达所述信号探测子系统；

该装置还包括离子泵，所述离子泵固定在所述下底板上，所述离子泵通过贯穿所述中底板和上底板的真空管与所述真空管连通。

进一步地，所述光束稳定子系统还包括依次布置在所述光纤准直器和电光调制器之间的线偏振片和半波片，以及依次布置在所述电光调制器和透镜一之间的偏振分光镜、反射镜一，反射镜二，所述反射镜一和反射镜二用于实现光束的180度折返；

所述光束稳定子系统还包括位于所述透镜二和压电反射镜一之间的反射镜三、依次布置在压电反射镜一和压电反射镜二之间的反射镜四、反射镜五、反射镜六，布置在压电反射镜二和分光镜一之间的反射镜七，布置在所述分光镜二和位置探测器一之间的反射镜九，依次布置在所述透镜三和位置探测器二之间的反射镜八、反射镜十，位于分光镜四反射光束上的反射镜十一，每个反射镜用于实现光束方向的偏转。

进一步地，所述信号探测子系统还包括依次排列的反射镜十二、反射镜十三、反射镜十四，所述反射镜十一反射的光束透过上底板上的小孔依次经过反射镜十二、反射镜十三、反射镜十四后，反射到透镜四；所述信号探测子系统还包括位于所述透镜五和分光镜五之间的反射镜十五，位于所述透镜六和四象限探测器之间的反射镜十六，位于所述真空腔和成像相机之间的反射镜十七；每个反射镜均用于实现光束的方向偏转；

所述反射镜十三、反射镜十四、反射镜十五都固定在精密电动光学调整架上，使得光束能够非常精准地入射至悬浮小球34上。

进一步地，所述中底板上的元器件都围绕真空管布置，所述上底板上的元器件都围绕所述真空腔布置，从而使整个装置结构紧凑。

进一步地，所述光束稳定子系统的各个元器件的中心高度都在同一水平面上。

一种相对重力加速度测量方法，该方法基于用于相对重力加速度测量的装置来实现，该方法包括如下步骤：

通过三维位移台精密调节将悬浮小球放置在由所述四磁极结构构成的磁场源中，并使悬浮小球稳定悬浮于磁场中的某一平衡位置，当重力加速度发生变化时，所述悬浮小球偏离原来的平衡位置，激光聚焦在悬浮小球上，悬浮小球的位置变化导致聚焦光斑照射到小球上的位置发生改变，光束通过悬浮小球后光斑分布亦发生变化；通过悬浮小球的散射光透射通过透镜五准直后，被透镜六聚焦在四象限探测器上，测量在四象限探测器上光斑的光功率变化，提取出悬浮小球在重力方向的位移信息，通过悬浮小球位移变化量与悬浮小球加速度之间的关系得到重力加速度的变化值。

进一步地，悬浮小球稳定悬浮于磁场中时的受力方程为：

其中，ρ是物质的密度，χ是物质的体积磁化率，g是重力加速度，μ₀是真空磁导率，B是磁感应强度，z是竖直方向的位移。

本发明的有益效果如下：

1.与光悬浮相比，本装置能够悬浮质量更大的悬浮体，能够实现更高的加速度测量精度。

2.磁悬浮以磁极结构作为磁场源，抗磁悬浮具有无摩擦、低刚度特性，无需能量输入源，适宜于常温下高灵敏的加速度传感。

3.本发明中的激光稳定系统可以抵消或纠正由振动、冲击震动、热量飘逸，或其他对激光位移和角度引起的变化，确保光束指向的稳定，有利于实现更高的灵敏度。

附图说明

这里将详细地对示例性实施例执行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

图1为本发明其中一个实施例的用于相对重力加速度测量装置的光路示意图。

图2为本发明其中一个实施例的用于相对重力加速度测量装置的结构示意图。

图3为本发明其中一个实施例的用于相对重力加速度测量装置的光束稳定层的俯视图。

图4为本发明其中一个实施例的用于相对重力加速度测量装置的光信号探测层的俯视图。

图中，光纤准直器1，线偏振片2，半波片3，电光调制器4，偏振分光镜5，反射镜一6，反射镜二7，透镜一8，透镜二9，反射镜三10，压电反射镜一11，反射镜四12，反射镜五13，反射镜六14，压电反射镜二15，反射镜七16，分光镜一17，分光镜二18，透镜三19，反射镜八20，反射镜九21，位置探测器一22，反射镜十23，位置探测器二24，分光镜三25，光电探测器一26，分光镜四27，光电探测器二28，反射镜十一29，反射镜十二30，反射镜十三31，反射镜十四32，透镜四33，悬浮球体34，真空腔36，透镜五37，反射镜十五38，分光镜五39，光束分析仪40，透镜六41，反射镜十六42，四象限探测器43，反射镜十七44，成像相机45，三维位移台46，离子泵47，下底板48，中底板49，上底板50，连接轴51，支撑柱52，真空管53，真空阀54。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

还需要说明的是：在本申请中提及的“多个”是指两个或者两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本发明的用于相对重力加速度测量的装置，外观近似为圆柱体，从结构上看，包括下底板48、中底板49、上底板50，下底板48和中底板49之间，以及中底板49和上底板50之间每层之间靠若干根支撑柱52支撑保证各底板之间的距离与稳定。整个装置的两侧有两根连接轴51，用于整个相对重力加速度测量装置与外部的稳定平台相连接。其中，下底板48上固定离子泵47，在整个测量装置中，离子泵47的重量最大，放置在最下层，使整个装置的重心平稳。中底板49上布置光束稳定子系统，上底板50上布置信号探测子系统。真空管53穿过中底板49和上底板50，一端与离子泵47连接，一端与信号探测子系统中的真空腔36连接。这种分层式的光路布局可大大缩小装置所占的面积，有利于系统的小型化和集成化。

其中，光束稳定子系统包括光纤准直器1，线偏振片2，半波片3，电光调制器4，偏振分光镜5，反射镜一6，反射镜二7，透镜一8，透镜二9，反射镜三10，压电反射镜一11，反射镜四12，反射镜五13，反射镜六14，压电反射镜二15，反射镜七16，分光镜一17，分光镜二18，透镜三19，反射镜八20，反射镜九21，位置探测器一22，反射镜十23，位置探测器二24，分光镜三25，光电探测器一26，分光镜四27，光电探测器二28，反射镜十一29。通过垫块或者转接件使得光束稳定子系统的各个元器件的中心高度都在同一水平面上，尽可能减少了系统的调节结构。且光束稳定子系统的各个元器件的围绕真空管53布置，尽可能地减小整个装置的体积。

光纤准直器1用于对激光进行准直；准直后的光束依次透射通过线偏振片2、半波片3、电光调制器4、偏振分光镜5，通过反射镜一6，反射镜二7反射转向透射通过由透镜一8和透镜二9组成的扩束准直单元，再被反射镜三10反射入射至压电反射镜一11，经压电反射镜一11反射后的光束依次经过反射镜四12、反射镜五13、反射镜六14的反射转向后入射压电反射镜二15，经压电反射镜二15反射后，再由反射镜七16反射转向后，入射至分光镜一17上，入射光被分成两束，其中一束被反射入射至分光镜二18，经分光镜二18的反射光束被反射镜九21反射后入射至位置探测器一22，透射通过分光镜二18的光线经过透镜三19聚焦，被反射镜八20、反射镜十23反射至位置探测器二24。透射通过分光镜一17的光束入射至分光镜三25，其中反射光束进入光电探测器一26中，透射光束入射至分光镜四27，反射光束入射至光电探测器二28，透射光束被反射镜十一29反射进入信号探测子系统。

其中，在实现的功能方面，本实施例采用的激光波长为1064nm，透镜8和透镜9组成了光束准直及扩束系统，通过不同焦距的组合满足入射至悬浮小球34探测光束的数值孔径。压电反射镜一11、压电反射镜二15、位置探测器一22、透镜三19、位置探测器二24组成激光稳定系统，可以抵消或纠正由振动、冲击震动、热量飘逸，或其他对激光位移和角度引起的变化，确保光束指向的稳定。激光的位置稳定是由位置探测器一22来确定的，激光的方向则是由透镜三19和位置探测器二24来共同确定的，位置探测器24位于透镜三19的焦点上。本发明中的电光调制器4和光电探测器一26组成激光RIN噪声抑制的反馈回路，可有效降低装置的RIN噪声，提升装置的探测灵敏度。电光调制器4是一种普克尔盒型调制器，通过对晶体施加电场将改变折射率，产生电场相关的双折射效应，以此改变光束的偏振态。电光调制器4的透过波长为900到1250nm，通光孔径为2mm。电光调制器4和光电探测器一26均与装置外部的锁相放大器相连，形成反馈回路。光电探测器一26属于环内探测器，用于抑制反馈。光电探测器二28与装置外部的锁相放大器直接读取电信号观测激光相对强度噪声(RIN噪声)，光电探测器二28属于环外探测器，用于RIN噪声的监测。

本实施例中，分光镜均使用平板分束镜，分光镜一17的透射和反射比例为70:30；分光镜二18的透射和反射比例为50:50；分光镜三25的透射和反射比例为50:50；分光镜四27的透射和反射比例为10:90。

光束稳定子系统中存在多个反射镜，目的也是为了尽可能地让光束折返，使得各个元器件能够更紧凑地布置在中底板49上，合理利用空间，从而减小整个装置的体积。

信号探测子系统包括反射镜十二30，反射镜十三31，反射镜十四32，透镜四33，悬浮球体34，四磁极结构35，真空腔36，透镜五37，反射镜十五38，分光镜五39，光束分析仪40，透镜六41，反射镜十六42，四象限探测器43，反射镜十七44，成像相机45，三维位移台46。

同样地，为了尽可能地缩小装置的体积，使结构紧凑，信号探测子系统的各个元器件也都布置在真空腔36的周围，同时通过多个反射镜对光束进行折返，避开真空腔并围绕其分布，以减小整个装置的体积。上底板50开有小孔，被反射镜十一29反射的光束通过该小孔，从而将光束稳定子系统稳定之后的光束引入信号探测子系统，从而有利于压缩整个装置的体积。四象限探测器43位于真空腔36中，实际测量时，悬浮球体34通过三维位移台46释放在真空腔36中，且调节悬浮球体34的位置，使其悬浮在四象限探测器43的正中间。被反射镜十一29反射的光束通过小孔后依次被反射镜十二30，反射镜十三31，反射镜十四32反射并透射通过透镜四33和真空腔36并聚焦在悬浮球体34上。透射通过悬浮小球34的光束通过透镜五37，并被反射镜十五38反射至分光镜五39，其中分光镜五39的反射光束入射至光束分析仪40，分光镜五39的透射光束透射经过透镜六41聚焦后，再经过反射镜十六42反射进入四象限探测器43。

其中，悬浮小球为亚毫米级，采用PMMA材料，PMMA具有较好的抗磁性且其密度相对较小有利于小球的悬浮，并可在高真空下作为重力加速度传感单元。悬浮小球34的散射的信号经反射镜十七44反射进入成像相机45，由成像相机45和三维位移台46配合，实现悬浮小球34的精准起支以及监测。真空腔36通过转接件固定在上底板50上，上底板50有两个分离的半圆形底板组成，这样有利于光路的调节以及装置的整体安装。反射镜十三31、反射镜十四32以及反射镜十五38都固定在精密电动光学调整架上，使得光束能够非常精准地入射至悬浮小球34上。光束分析仪40可以查看经过悬浮小球34之后的光斑形状，通过光斑形状作为调节入射至悬浮小球34位置以及方向的依据。分光镜五39也采用平板分束镜，其透射和反射比例为10:90。

本发明是利用抗磁物质的抗磁性使其在磁场中稳定悬浮，利用合理设计的四磁极结构作为磁场源，将磁化率为负数的悬浮小球放置在磁场环境中，它会受到磁场的排斥力，当小球所受到的抗磁力和重力相平衡时，物质就可以达到稳定悬浮的。物质平衡时其受力方程为

其中，ρ是物质的密度，χ是物质的体积磁化率，g是重力加速度，μ₀是真空磁导率，B是磁感应强度，z是竖直方向的位移。从公式可以看出，如果重力加速度发生变化，竖直方向的位移也会做出相应的位移，基于以上原理，当重力加速度发生变化时，悬浮小球会产生微小的位移变化。本发明中悬浮小球作为重力加速度测量的传感单元，将激光汇聚在悬浮小球上并收集捕获悬浮小球的散射光，悬浮小球位移变化使得散射光在四象限探测器上的光斑分布变化从而确定悬浮小球的位置。利用光学差分探测原理探测出悬浮小球的位移，当重力加速度变化时，悬浮小球的位置也偏离初始平衡位置，通过探测悬浮小球在重力方向的位移量与重力加速度的对应关系实现重力加速度变化的测量。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于相对重力加速度测量的装置，其特征在于，该装置包括光束稳定子系统和信号探测子系统两部分；

所述光束稳定子系统包括光纤准直器、电光调制器、透镜一、透镜二、压电反射镜一、压电反射镜二、分光镜一、分光镜二、透镜三、位置探测器一、位置探测器二、分光镜三、光电探测器一、分光镜四、光电探测器二；所述光纤准直器用于对激光进行扩束准直，扩束准直后的光束透射通过所述电光调制器后，再经由所述透镜一和透镜二进行扩束准直后入射所述压电反射镜一，经所述压电反射镜一反射后入射所述压电反射镜二，经所述压电反射镜二反射后，入射至所述分光镜一；经所述分光镜一反射的光束入射至所述分光镜二；经所述分光镜二的反射光束入射至所述位置探测器一，透射通过所述分光镜二的光线入射所述透镜三，所述位置探测器二位于所述透镜三的焦点处，经所述透镜三聚焦后入射至位置探测器二；透射通过分光镜一的光束入射至分光镜三，经所述分光镜三反射的光束进入光电探测器一中，透射所述分光镜三的光束入射至分光镜四，经所述分光镜四反射光束入射至光电探测器二，透射所述分光镜四的光束进入信号探测子系统；所述压电反射镜一、压电反射镜二、位置探测器一、透镜三、位置探测器二组成激光稳定系统，确保光束指向的稳定；所述电光调制器和光电探测器一组成激光RIN噪声抑制的反馈回路；光电探测器二用于RIN噪声的监测；

所述信号探测子系统包括透镜四、四磁极结构、透镜五、真空腔、分光镜五、光束分析仪、透镜六、四象限探测器、成像相机和三维位移台；

所述四磁极结构位于所述真空腔内部，所述透射所述分光镜四的光束经过透镜四聚焦到位于所述真空腔中的悬浮小球上；透射通过悬浮小球的光束通过透镜五后入射至分光镜五，经分光镜五反射的光束入射至光束分析仪，透射分光镜五的光束经过透镜六聚焦后，入射四象限探测器；所述成像相机用于收集经悬浮小球散射的光，与所述三维位移台配合，实现悬浮小球的精准起支以及监测；所述光束分析仪用于光束在悬浮小球上聚焦位置的辅助观测。

2.根据权利要求1所述的用于相对重力加速度测量的装置，其特征在于，所述悬浮小球为亚毫米级的磁化率为负数的抗磁小球。

3.根据权利要求2所述的用于相对重力加速度测量的装置，其特征在于，所述悬浮小球采用PMMA材料或二氧化硅制成。

4.根据权利要求1所述的用于相对重力加速度测量的装置，其特征在于，还包括下底板、中底板和上底板，所述下底板和中底板之间，以及中底板和上底板之间，连接若干根支撑柱，保证各底板之间的距离与稳定；整个装置的两侧有两根连接轴，用于整个相对重力加速度测量装置与外部的稳定平台相连接；

所述光束稳定子系统位于所述中底板上，所述信号探测子系统位于所述上底板上；所述上底板上开设有小孔，使得光束能透过小孔从所述光束稳定子系统到达所述信号探测子系统；

该装置还包括离子泵，所述离子泵固定在所述下底板上，所述离子泵通过贯穿所述中底板和上底板的真空管与所述真空管连通。

5.根据权利要求1所述的用于相对重力加速度测量的装置，其特征在于，所述光束稳定子系统还包括依次布置在所述光纤准直器和电光调制器之间的线偏振片和半波片，以及依次布置在所述电光调制器和透镜一之间的偏振分光镜、反射镜一，反射镜二，所述反射镜一和反射镜二用于实现光束的180度折返；

所述光束稳定子系统还包括位于所述透镜二和压电反射镜一之间的反射镜三、依次布置在压电反射镜一和压电反射镜二之间的反射镜四、反射镜五、反射镜六，布置在压电反射镜二和分光镜一之间的反射镜七，布置在所述分光镜二和位置探测器一之间的反射镜九，依次布置在所述透镜三和位置探测器二之间的反射镜八、反射镜十，位于分光镜四反射光束上的反射镜十一，每个反射镜用于实现光束方向的偏转。

6.根据权利要求5所述的用于相对重力加速度测量的装置，其特征在于，所述信号探测子系统还包括依次排列的反射镜十二、反射镜十三、反射镜十四，所述反射镜十一反射的光束透过上底板上的小孔依次经过反射镜十二、反射镜十三、反射镜十四后，反射到透镜四；所述信号探测子系统还包括位于所述透镜五和分光镜五之间的反射镜十五，位于所述透镜六和四象限探测器之间的反射镜十六，位于所述真空腔和成像相机之间的反射镜十七；每个反射镜均用于实现光束的方向偏转；

所述反射镜十三、反射镜十四、反射镜十五都固定在精密电动光学调整架上，使得光束能够非常精准地入射至悬浮小球34上。

7.根据权利要求6所述的用于相对重力加速度测量的装置，其特征在于，所述中底板上的元器件都围绕真空管布置，所述上底板上的元器件都围绕所述真空腔布置，从而使整个装置结构紧凑。

8.根据权利要求1所述的用于相对重力加速度测量的装置，其特征在于，所述光束稳定子系统的各个元器件的中心高度都在同一水平面上。

9.一种相对重力加速度测量方法，其特征在于，该方法基于权利要求1～8中任意一项的用于相对重力加速度测量的装置来实现，该方法包括如下步骤：

通过三维位移台精密调节将悬浮小球放置在由所述四磁极结构构成的磁场源中，并使悬浮小球稳定悬浮于磁场中的某一平衡位置，当重力加速度发生变化时，所述悬浮小球偏离原来的平衡位置，激光聚焦在悬浮小球上，悬浮小球的位置变化导致聚焦光斑照射到小球上的位置发生改变，光束通过悬浮小球后光斑分布亦发生变化；通过悬浮小球的散射光透射通过透镜五准直后，被透镜六聚焦在四象限探测器上，测量在四象限探测器上光斑的光功率变化，提取出悬浮小球在重力方向的位移信息，通过悬浮小球位移变化量与悬浮小球加速度之间的关系得到重力加速度的变化值。

10.根据权利要求9所述的相对重力加速度测量方法，其特征在于，悬浮小球稳定悬浮于磁场中时的受力方程为：

其中，ρ是物质的密度，χ是物质的体积磁化率，g是重力加速度，μ₀是真空磁导率，B是磁感应强度，z是竖直方向的位移。

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