CN204389712U - 一种用于激光干涉绝对重力仪的敏感质量体及安装支架 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于激光干涉绝对重力仪的敏感质量体及安装支架，包括镜座、垫片、角立体棱镜、下压环、上压环、锁紧螺母、质心调整螺母、至少一个定位柱和至少一个定位球；在镜座中利用垫圈、压环和锁紧螺母，将角立体棱镜牢牢固定在镜座中，并保证多次测量碰撞不会损坏角立体棱镜。质心调节螺母一方面为角立体棱镜的固定提供保障，一方面可以通过质心调节孔的大小调整质心位置，使得与角立体棱镜光心的距离缩小到30微米以内，将该类测量系统误差缩小到10^-9量级。同时利用镜座上安装的定位柱和定位环上设计的V型槽，保证落体自由飞行初始位置的一致性。

Description

一种用于激光干涉绝对重力仪的敏感质量体及安装支架

技术领域

本实用新型涉及一种可用于基于下落法或上抛法测量原理的激光干涉绝对重力仪的敏感质量体。

背景技术

目前，激光干涉绝对重力测量仪器是一种变形设计的迈克尔逊干涉仪，其测量原理是基于干涉仪两臂中放置的光学反射元件光心的距离变化可以在视场中形成干涉条纹，每条干涉条纹对应光学元件的光心间距变化了四分之一波长(这里的波长是干涉仪光源的波长)。可以通过对干涉条纹的计数和干涉条纹过零时刻的提取获取干涉测量过程中一个光学元件相对于另一个光学元件的时间位移坐标，从而归算出测点的重力加速度的绝对值。

在干涉测量的过程中，在参考点放置一个角立体棱镜(简称参考棱镜)，在真空系统中放置落体(根据敏感质量体的控制方式不同，激光干涉绝对重力仪可以分为上抛法和下落法，上抛法和下落法中对应的敏感质量体一般称为抛体和落体，为了叙述方便，后统称落体)。干涉仪中的光源出射光通过一块分光镜得到相干的参考光束和测量光束，测量光束通过落体和参考棱镜的反射，最终与参考光束叠加形成干涉条纹。干涉条纹就包含了落体光心相对于参考棱镜光心的时间位移信息。

落体引入测量误差的方式一般是因为落体的光心与质心不重合造成的，这种不重合会造成落体自由飞行中光心绕质心旋转的现象，从而引入或正或负的测量系统偏差。由于光心绕质心旋转的加速度不可测，这个系统偏差不能通过估算从最终计算结果中修正。

另一方面绝对重力测量一般是数千次测量求平均得到最终测量结果，因此，落体在设计过程中不仅需要考虑其自由飞行时的飞行姿态和飞行的平稳性，还要考虑落体的定位机构和使用寿命，以保证多次测量和落体下落起始状态的一致性需求，这是后期数据处理的前提。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能够减少敏感质量体在自由飞行中光心绕质心旋转引入的测量系统误差、保证敏感质量体自由飞行初始状态的一致性的用于激光干涉绝对重力仪的敏感质量体及安装支架。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于激光干涉绝对重力仪的敏感质量体，包括镜座、垫片、角立体棱镜、下压环、上压环、锁紧螺母、质心调整螺母、至少一个定位柱和至少一个定位球；

所述镜座为顶端带有外弯曲的凸沿的圆筒状结构，所述凸沿下方、所述圆筒状结构的筒身的内壁上设置有垂直于圆筒中心线的、用于卡接固定上压环的平台，所述筒身底部设置有向内扣的边沿，所述垫片设置于所述筒身内部、并卡接于所述边沿的上表面，所述角立体棱镜设置于所述垫片的顶部，所述角立体棱镜的安装面与所述筒身之间设置有下压环，所述上压环设置于所述平台上，所述质心调整螺母将所述上压环与所述镜座固定，所述锁紧螺母穿过所述上压环将所述镜座与角立体棱镜固定，每个所述定位柱的一端分别均匀的设置于镜座的凸沿上，每个所述定位柱垂直穿过所述凸沿，并且每个所述定位柱的顶端分别对应设置一个定位球。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提供一种实用的落体，利用角立体棱镜设计落体，围绕角立体棱镜设计镜座、垫圈、压环、锁紧螺母、质心调节螺母、定位柱、定位环。在镜座中利用垫圈、压环和锁紧螺母，将角立体棱镜牢牢固定在镜座中，并保证多次测量碰撞不会损坏角立体棱镜。质心调节螺母一方面为角立体棱镜的固定提供保障，一方面可以通过质心调节孔的大小调整质心位置，使得与角立体棱镜光心的距离缩小到30微米以内，将该类测量系统误差缩小到10^-9量级。同时利用镜座上安装的定位柱和定位环上设计的V型槽，保证落体自由飞行初始位置的一致性。该落体质心光心位置可调，并且设计有定位机构，可以满足激光干涉绝对重力仪对落体的需求，可以在绝对重力仪中，完成数十万次测量，同时来自于落体光心质心不重合误差缩小至10^-9量级。整体设计简单方便，经久耐用，易于调节。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步，每个所述定位柱的另一端设置有圆柱形凹陷，所述定位球嵌入所述圆柱形凹陷中，并与所述圆柱形凹陷过盈配合。

进一步，所述角立体棱镜的三个正交斜面的夹角为90°±1〞。

进一步，所述质心调整螺母上设置有质心调整孔，通过调整所述质心调整孔的大小调整落体质心与光心的重合性。

进一步，所述下压环为聚四氟乙烯材质，所述上压环为超硬铝材质。

进一步，所述锁紧螺母和质心调整螺母为超硬铝材质。

进一步，一种安装用于激光干涉绝对重力仪的敏感质量体的安装支架，包括导轨、导轨支柱、导轨滑块、定位环和拖架；所述导轨上设置有导轨滑块，所述拖架固定在所述导轨滑块上，所述拖架内安装有定位环，所述用于激光干涉绝对重力仪的敏感质量体中的定位柱卡在所述定位环上的V型槽内，所述导轨支柱的内部侧壁上设置有导轨固定槽，所述导轨与所述导轨固定槽固定。

进一步，所述定位环通过至少三个均匀分布的螺钉与所述拖架固定。

进一步，所述定位环上设置有V型槽，所述V型槽的开口角度为100°～120°，V型槽的深度为定位球直径的0.75倍。

进一步，所述导轨固定槽与导轨支柱底部的底部安装面相垂直，所述导轨固定槽的中心线上分布设置有与导轨上的安装孔对应数量的螺孔。

附图说明

图1为本实用新型激光干涉原理图；

图2为本实用新型主视图；

图3为本实用新型A-A向剖视图；

图4为本实用新型角立体棱镜剖视图；

图5为本实用新型镜座立体图；

图6为本实用新型定位环俯视图；

图7为本实用新型定位环A-A向剖视图；

图8为本实用新型定位环立体图；

图9为本实用新型安装于安装支架上时主视图；

图10为本实用新型安装于安装支架上时主视图的局部放大图；

图11为本实用新型安装于安装支架上时立体图；

图12为本实用新型导轨支柱立体图；

图13为本实用新型用于激光干涉绝对重力仪的敏感质量体安装于安装支架中整体结构图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、质心调整螺母，2、锁紧螺母，3、上压环，4、下压环，5、角立体棱镜，6、垫片，7、镜座，8、定位柱，9、定位球，10、拖架，11、用于激光干涉绝对重力仪的敏感质量体，12、定位环，13、导轨，14、导轨支柱，15、导轨固定槽，16、导轨滑块，17、底部安装面。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

实施例1

在图1中，干涉仪的光源出射的激光束经过准直镜后形成准平行光束，该光束入射分光镜上表面，得到透射的参考光束(图1中所示光束2)和反射的测量光束(图1中所示光束1)，光束1经过落体和参考棱镜的反射后，与光束2在分光镜的下表面叠加形成干涉条纹，该条纹被光电接收器转换为电压信号用于后期的落体下落轨迹的提取。光束1在落体和参考棱镜上入射和出射的光电位置示意如图1所示。

一种用于激光干涉绝对重力仪的敏感质量体(后文简称为落体)，包括镜座7、垫片6、角立体棱镜5、下压环4、上压环3、锁紧螺母2、质心调整螺母1、至少一个定位柱8和至少一个定位球9；

如图5所示，所述镜座7为顶端带有外弯曲的凸沿的圆筒状结构，所述凸沿下方、所述圆筒状结构的筒身的内壁上设置有垂直于圆筒中心线的、用于卡接固定上压环3的平台，所述筒身底部设置有向内扣的边沿，所述垫片6设置于所述筒身内部、并卡接于所述边沿的上表面，所述角立体棱镜5设置于所述垫片6的顶部，所述角立体棱镜5的安装面与所述筒身之间设置有下压环4，所述上压环3设置于所述平台上，所述质心调整螺母1将所述上压环3与所述镜座7固定，所述锁紧螺母2穿过所述上压环3将所述镜座7与角立体棱镜5固定，每个所述定位柱8的一端分别均匀的设置于镜座7的凸沿上，每个所述定位柱8垂直穿过所述凸沿，并且每个所述定位柱8的顶端分别对应设置一个定位球9。

每个所述定位柱8的另一端设置有圆柱形凹陷，所述定位球9嵌入所述圆柱形凹陷中，并与所述圆柱形凹陷过盈配合，过盈配合的公差等级H7/n6。

通过聚四氟乙烯材质的垫片和压环将角立体棱镜与铝质外壳隔离，防止冲击对玻璃材质的角立体棱镜的损坏；通过锁紧螺母和质心调整螺母对镜座内安装的各部件进行双重锁定，使得落体呈现很好的整体性；通过质心调整螺母上质心调整孔的大小调整落体质心与光心的重合性；落体上安装的定位柱与定位环的V型槽相互作用可以保证落体每次自由飞行时的初始状态的一致性。

图2和图3是一个装配完成的落体整体结构图。其中，超硬铝(7A04)材质的镜座7内部最低端首先放置聚四氟乙烯材质的垫片6，然后放置角立体棱镜5，在角立体棱镜的安装面上放置聚四氟乙烯材质的下压环4，然后放置超硬铝(7A04)材质的上压环3，然后用超硬铝(7A04)材质的锁紧螺母2将镜座和角立体棱镜固定在一起，最后拧上超硬铝(7A04)材质的质心调整螺母1，完成落体的整体装配。在落体装配的过程中，垫片6和下压环4将玻璃材质的角立体棱镜与超硬铝(7A04)材质镜座和压环隔离开，以消除落体自由飞行结束时与定位环撞击时产生的冲击对角立体棱镜的损坏作用，同时为了保证落体各个部件的紧密压紧，并最终形成一个整体，用超硬铝(7A04)材质的上压环和锁紧螺母固定，同时再利用质心调整螺母的拧紧再次固定静坐内安装的各个部件。在质心调整螺母中央，有一个质心调整孔，可以根据该孔的大小在设计阶段调整落体整体质心与光心的重合度优于30微米。在实际加工组装完成后，还可以在再次利用平衡机确定落体整体质心与光心位置的不重合度，然后通过再次实际调整该孔的大小，最终使得落体质心与光心的重合性。无磁黄铜材质的定位柱8的顶端压入硬质合金材质的定位球9，构成落体上的定位机构。

所述角立体棱镜5的三个正交斜面的夹角为90°±1〞，图4是角立体棱镜剖视图，图4中b标注实际可用的反射大面直径，材质为K9光学玻璃，高度h定义了角立体棱镜的光心位置，a和b标注形成的台阶为角立体棱镜的固定提供平台。整个棱镜侧面磨砂处理，成90°角的三个相交面误差在正负1〞，并对其进行镀银处理。

所述质心调整螺母1上设置有质心调整孔，通过调整所述质心调整孔的大小调整落体质心与光心的重合性。

所述下压环4为聚四氟乙烯材质，所述上压环为超硬铝材质。

所述锁紧螺母2和质心调整螺母1为超硬铝材质。

超硬铝材质的压环和镜座与K9玻璃材质的角立体棱镜之间通过聚四氟乙烯材质的垫片和压环相互接触，以消除落体自由飞行结束时机械冲击对角立体棱镜的破坏，大大延长落体的使用寿命；

锁紧螺母和质心调整螺母双重锁定作用，固定镜座内安装的各个部件，保证落体的整体性，以保证落体在自由飞行期间整体质心位置的稳定性；

落体上安装三个定位柱，分别在顶端压入定位球，与定位环V型槽相互作用以保证落体自由飞行的初始状态的一致性。V型槽开口100°-120°，保证承接落体的准确性，V型槽深为定位球直径的0.75倍，保证落体可以处于V型槽中而不会因为机械冲击反弹出定位槽；

落体整体采用金属材质，定位球与定位环接触可以将落体与定位环撞击摩擦产生的静电及时导向大地，大幅降低电场对落体自由飞行中产生的阻力作用，降低由此产生的测量系统偏差；

落体整体采用聚四氟乙烯、超硬铝、无磁黄铜和硬质合金，不会被外界磁场磁化，从而减小外界磁场对落体自由飞行时的阻力作用，降低由此产生的测量系统偏差；

落体中的镜座、上压环、锁紧螺母和质心调整螺母也可以采用钛合金材料构成，整体质量减小，锁紧更可靠，质心调整更方便；

落体中固定的关键光学器件是K9材质的角立体棱镜，利用的是角立体棱镜保证入射光线和出射光心绝对平行的特性，方便整体仪器的调节。角立体棱镜三个正交斜面的夹角为90°±1〞，以保证其光学特性的准确性。

实施例2

一种安装所述用于激光干涉绝对重力仪的敏感质量体的安装支架，包括导轨13、导轨支柱14、导轨滑块16、定位环12和拖架10；所述导轨13上设置有导轨滑块16，所述拖架10固定在所述导轨滑块16上，所述拖架10内安装有定位环12，所述用于激光干涉绝对重力仪的敏感质量体11中的定位柱8卡在所述定位环12上的V型槽内，所述导轨支柱14的内部侧壁上设置有导轨固定槽15，所述导轨13与所述导轨固定槽15固定。

导轨支柱可以通过底部的至少3个安装孔方便的与外设测量平台固定。所述导轨(13)被固定于该槽内。这样通过调整外设测量平台的水平，保证导轨支柱的垂直，进而可以保证导轨的垂直性。导轨上设置的导轨滑块可以沿导轨做精确的直线运动，这样就保证了在实际工作中与导轨滑块固定的拖架沿垂直方向做精确的直线运动，便于实现拖架内放置的落体做精确的自由下落运动，用于测量测点的重力加速度绝对值。

所述定位环12通过至少三个均匀分布的螺钉与所述拖架10固定，实际工作中中间大孔的旋转轴与落体的旋转轴重合。

所述定位环12上设置有V型槽，所述V型槽的开口角度为100°～120°，V型槽的深度为定位球直径的0.75倍。

所述导轨固定槽15与导轨支柱14底部的底部安装面17相垂直，所述导轨固定槽15的中心线上分布设置有与导轨上的安装孔对应数量的螺孔。所述导轨支柱14为柱状，其侧壁设置有用于与所述导轨固定的固定槽，固定槽与导轨底部安装面呈垂直分布，固定槽中心线上分布与导轨安装孔对应数量的螺孔。为了保证整套装置安装后导轨的垂直性，在加工的过程中固定槽的两个与导轨支柱安装面垂直的两个面与其安装面的垂直性公差要求为7级或更高。

图6、图7和图8是与落体上安装的定位柱相互作用的定位环12。定位环均布三个V型槽，V型槽开口120°，深度根据定位球确定，一般为定位球直径的0.75倍，在保证落体自由飞行结束时可以准确的落入定位环的V型槽中，又不会因为较大的冲击弹出，保证了落体多次测量初始状态的一致性。

图9、图10和图11是落体、定位槽的一种实际安装模式。在该安装方式中，导轨13通过螺钉与自行设计的导轨支柱固定，成竖直向放置，附图12是设计完成的一种安装导轨的导轨支柱。附图13是落体、托架、导轨等安装于导轨支柱内部14时整体结构图，导轨滑块上固定一个拖架10，拖架内安装定位环12，然后将落体11的定位柱放置在定位环的V型槽中。在实际工作过程中，就可以通过控制拖架的上升和下降的速度，实现落体在拖架内部自由飞行，飞行结束后定位柱与定位环V型槽相互作用实现落体自由飞行初始状态的一致性，实现设计目的。

落体整体采用聚四氟乙烯、超硬铝、无磁黄铜和硬质合金制作而成，不会被外界磁场磁化；落体、定位环以及外围机构的金属属性可以及时将落体与定位环碰撞摩擦中产生的静电电荷导向大地，从而可以大大减小了来自于落体运动过程中电磁场对落体作用而引入的测量误差。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于激光干涉绝对重力仪的敏感质量体，其特征在于，包括镜座(7)、垫片(6)、角立体棱镜(5)、下压环(4)、上压环(3)、锁紧螺母(2)、质心调整螺母(1)、至少一个定位柱(8)和至少一个定位球(9)；

所述镜座(7)为顶端带有外弯曲的凸沿的圆筒状结构，所述凸沿下方、所述圆筒状结构的筒身的内壁上设置有垂直于圆筒中心线的、用于卡接固定上压环(3)的平台，所述筒身底部设置有向内扣的边沿，所述垫片(6)设置于所述筒身内部、并卡接于所述边沿的上表面，所述角立体棱镜(5)设置于所述垫片(6)的顶部，所述角立体棱镜(5)的安装面与所述筒身之间设置有下压环(4)，所述上压环(3)设置于所述平台上，所述质心调整螺母(1)将所述上压环(3)与所述镜座(7)固定，所述锁紧螺母(2)穿过所述上压环(3)将所述镜座(7)与角立体棱镜(5)固定，每个所述定位柱(8)的一端分别均匀的设置于镜座(7)的凸沿上，每个所述定位柱(8)垂直穿过所述凸沿，并且每个所述定位柱(8)的顶端分别对应设置一个定位球(9)。

2.根据权利要求1所述的用于激光干涉绝对重力仪的敏感质量体，其特征在于，每个所述定位柱(8)的另一端设置有圆柱形凹陷，所述定位球(9)嵌入所述圆柱形凹陷中，并与所述圆柱形凹陷过盈配合。

3.根据权利要求1所述的用于激光干涉绝对重力仪的敏感质量体，其特征在于，所述角立体棱镜(5)的三个正交斜面的夹角为90°±1〞。

4.根据权利要求1所述的用于激光干涉绝对重力仪的敏感质量体，其特征在于，所述质心调整螺母(1)上设置有质心调整孔，通过调整所述质心调整孔的大小调整落体质心与光心的重合性。

5.根据权利要求1所述的用于激光干涉绝对重力仪的敏感质量体，其特征在于，所述下压环(4)为聚四氟乙烯材质，所述上压环为超硬铝材质。

6.根据权利要求1所述的用于激光干涉绝对重力仪的敏感质量体，其特征在于，所述锁紧螺母(2)和质心调整螺母(1)为超硬铝材质。

7.一种安装如权利要求1至6任一所述用于激光干涉绝对重力仪的敏感质量体的安装支架，其特征在于，包括导轨(13)、导轨支柱(14)、导轨滑块(16)、定位环(12)和拖架(10)；所述导轨(13)上设置有导轨滑块(16)，所述拖架(10)固定在所述导轨滑块(16)上，所述拖架(10)内安装有定位环(12)，所述用于激光干涉绝对重力仪的敏感质量体(11)中的定位柱(8)卡在所述定位环(12)上的V型槽内，所述导轨支柱(14)的内部侧壁上设置有导轨固定槽(15)，所述导轨(13)与所述导轨固定槽(15)固定。

8.根据权利要求7所述的用于激光干涉绝对重力仪的敏感质量体，其特征在于，所述定位环(12)通过至少三个均匀分布的螺钉与所述拖架(10)固定。

9.根据权利要求7所述的用于激光干涉绝对重力仪的敏感质量体，其特征在于，所述定位环(12)上设置有V型槽，所述V型槽的开口角度为100°～120°，V型槽的深度为定位球直径的0.75倍。

10.根据权利要求7所述的用于激光干涉绝对重力仪的敏感质量体，其特征在于，所述导轨固定槽(15)与导轨支柱(14)底部的底部安装面(17)相垂直，所述导轨固定槽(15)的中心线上分布设置有与导轨上的安装孔对应数量的螺孔。