绝对重力仪落体误差测量装置
技术领域
本发明属于重力测量领域，更具体地，尤其是一种落体光心质心测量装置及其使用方法。
背景技术
绝对重力值测量的一大测量误差来源于落体的旋转误差。由于落体释放的瞬间，其支撑点不同时释放，而落体的质心和光心并不能保证完全重合，光心绕质心旋转会产生一个附加的加速度，由于重力加速度作用于落体质心，而干涉仪测量的是落体中棱镜光心的位移，因此会产生旋转误差，这一项可以近似表示为：
△g＝ω2δz (1)
其中：ω是落体角速度，δz是重力仪中落体光心与质心在初始位置沿着重力方向上的投影。
正常情况下绝对重力仪中落体在下落过程中的旋转速度要小于0.01rad/s，但是随着重力仪使用时间的增加，由于机械磨损导致了落体的旋转速度高达0.1rad/s。根据上述公式，想要使绝对重力仪的测量精度保持在原有水平，需要对落体进行调校，使落体中角锥棱镜的光心和落体的质心的偏移量缩小一百倍。为了使旋转误差小于0.1μGal，磨损后的落体光心与质心的偏移量要优于0.1μm，目前的测量方法很难达到这一水平。
发明内容
如图2所示，落体坐标系说明：Z轴为重力方向；向上为正；X轴为前后方向，面向的方向为正；Y轴为左右方向，右向为正。
针对上述情况，本发明的目的在于提供一种实现落体光心与质心偏移量优于0.1μm的测量方案。为了实现上述目的，本发明提供了高精度落体光心质心测量方法，其采用的是双摆结构，可以有效地抑制落体的非扭转运动，通过正交干涉仪提取落体扭转运动在沿激光束入射方向上的位移信号的二倍频幅值以及通过角度测量系统测量出的落体扭转角度，可以测量出落体光心与质心的距离并且最终调校落体光心与质心偏移量至优于0.1μm的水平。具体技术方案为：
一种落体光心质心测量装置，包括机壳和扭转测试单元，所述机壳内部设置有落体扭摆机构，所述机壳为真空腔体，所述扭转测试单元包括正交干涉仪和光电自准直仪；所述真空腔体侧壁设置有供扭转测试单元光线进出的窗口；所述光电自准直仪的窗口设置在与落体表面反射镜对应的位置；所述正交干涉仪的窗口设置在所述真空腔体内壁上与所述落体内的角锥棱镜对应的位置，通过光路将所述正交干涉仪发射的激光分为至少两路相差180°的反射信号，输出至正交干涉仪；光电自准直仪输出所述落体的扭摆数据。
进一步，所述落体扭摆机构包括真空导引、阻尼系统吊丝、阻尼系统、落体吊丝和落体；所述真空导引设置在所述真空腔体的顶部；所述阻尼系统吊丝的上端连接真空导引的底端，下端连接所述阻尼系统的活动部上端；所述落体吊丝的上端连接阻尼系统的活动部下端；下端连接所述落体的顶端；阻尼系统的固定部通过支架与真空腔体内壁固定连接；阻尼系统吊丝为钨丝；所述落体吊丝为石英丝。
进一步，所述壳体内还设置有控制所述落体扭转幅度的扭幅控制单元；所述扭幅控制单元的电磁线圈以静止位置时所述落体中心轴所在竖直面对称设置。
进一步，所述正交干涉仪的光路为四路信号单频激光干涉光路。
进一步，所述阻尼系统的固定部采用电磁铁作为阻尼磁体。
进一步，所述光电自准直仪的反射镜设置在螺母调节钮的顶端面上。
本发明还公开了上述的落体光心质心测量装置的使用方法，包括以下步骤：
1)通过所述落体扭摆机构激励落体产生大于指定角度的扭摆；
2)通过所述扭转测试单元获得所述落体的扭摆数据；
3)所述落体的扭摆角度降至所述指定角度，通过所述光电自准直仪记录落体的扭转角度；同时，通过所述正交干涉仪记录落体的位移；
4)正交干涉仪记录落体的位移信号经过傅里叶变换得到的幅频谱，提取它的基频峰值A1；落体扭转角度信号经过傅里叶变换得到的幅频谱，提取它的基频峰值B1；计算得到角锥棱镜的光心与落体质心沿X轴方向的偏移量δx，公式如下：
5)将所述光电自准直仪记录落体的扭转角度波形进行拟合得到θ0、ω及β，通过修正函数公式(7)修正落体扭转角度与其他参数的关系；
θ＝θ0 2e-2βtcos2ωt (7)
θ0为扭转初始角度，β为阻尼系数，ω为扭转角频率，t为时间；
6)将公式(7)做傅里叶变换后得到的频谱图，提取其二倍频的峰值B2代入公式(8)的计算；获得角锥棱镜的光心与落体质心沿Y轴方向的偏移量dy：
其中的A2为正交干涉仪测得位移信号的二倍频幅值，B2为修正函数曲线经过傅里叶变换得到的二倍频峰值；
7)计算公式(4)：
dy为角锥棱镜的光心沿Y轴方向上的位移。
进一步，所述步骤2)中，通过所述扭幅控制单元将所述落体的扭摆角度降至所述指定角度；所述指定角度为1.6°～2.4°。
进一步，所述步骤2)中，所述阻尼系统的固定部采用电磁铁作为阻尼磁体；当落体的单摆运动以及晃动小于0.1°时，所述电磁铁断电。
本发明落体光心质心测量装置通过将壳体设置为真空腔体，降低了系统的扭摆阻尼；通过分光棱镜和1/4波片、1/2波片组合获得两路相差180°的反射信号，有效抑制共模噪声的产生，并且光路布局采用了光程差放大技术,提高了干涉系统的分辨力。
附图说明
图1为本发明绝对重力仪落体旋转误差测量装置的主视图；
图2为绝对重力仪落体坐标系示意图；
图3为本发明绝对重力仪落体旋转误差测量装置的俯视图；
图4为正交干涉仪的一种具体光路实施方法示意图俯视图；
图5为阻尼系统的一种具体实施方法示意图主视图；
图6为通过正交干涉仪的干涉信号反演得到的压电平移台位移曲线图；
图7为压电平移台位移信号傅里叶变换后的幅频谱图；
图8为高真空环境下，未使用振幅控制系统，落体扭转角度随时间的变化曲线图；
图9为高真空环境下，使用振幅控制系统控制扭转角度，落体扭转角度随时间的变化曲线图；
图10为通过正交干涉仪的干涉信号反演得到的角锥棱镜位移曲线图；
图11为正交干涉仪测量得到的位移信号进行傅里叶变换后得到的幅频谱图；
图12为自准直仪测得的落体扭转角度曲线图；
图13为自准直仪测得的落体扭转角度经傅里叶变换得到的幅频谱图；
图14为构造的修正函数曲线图；
图15为构造的修正函数经傅里叶变换得到的幅频谱图；
图16为大气环境下，扭丝为钨丝，使用扭转初始角度计算出落体光心质心偏移量的误差棒图；
图17为大气环境下，扭丝为钨丝，构造的修正函数经傅里叶变换得到的峰值代入公式计算出落体光心质心偏移量的误差棒图；
图18为高真空环境下，扭丝为石英丝，构造的修正函数经傅里叶变换得到的峰值代入公式计算出落体光心质心偏移量的误差棒图；
图19为高真空环境下，扭丝为石英丝，落体沿重力方向进行调教后，构造的修正函数经傅里叶变换得到的峰值代入公式计算出落体光心质心偏移量的误差棒图；
图20为大气环境下，扭丝为钨丝，加入磁阻尼系统后，落体沿重力方向进行进程以及回程调教后，计算出落体光心质心偏移量的误差棒图。
图中：1、真空导引；2、钨丝；3、阻尼系统；4、石英丝；5、落体；51、质心；52、光心；6、磁激励系统；7、真空腔体；8、角度测量系统；9、反射镜片；10、螺母调节钮；11、落体壳；12、角锥棱镜；13、正交干涉仪；14、激光器；15、第一分光棱镜；16、第一1/2波片；17、第二1/4波片；18、第三1/4波片；19、参考镜；20、第二偏振分光棱镜；21、非偏振分光棱镜；22、第一1/2波片；23、第三偏振分光棱镜；24、第四1/4波片；25、第四偏振分光棱镜；26、第一电磁铁；27、第二电磁铁；28、第三电磁铁；29、第四电磁铁；30、阻尼盘。
具体实施方式
下面利用实施例对本发明进行更全面的说明。本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。
为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。
本发明提供了一种绝对重力仪落体旋转误差测量装置，可以使落体的光心与质心达到小于0.1μm的偏移量；如图1所示，其结构包括真空腔体7，以及安装在所述真空腔体7顶部的真空导引1，所述真空导引1的底部插入真空腔体7内；阻尼系统3的活动部上端通过钨丝2悬挂在真空导引1的底部，落体5通过石英丝4悬挂在阻尼系统3的活动部的下端；阻尼系统3的固定部通过支架固定安装在真空腔体7内。
所述落体5摆动轨迹所处的平面两侧设置有两个振幅控制系统6。通过真空设备对真空腔体7内腔抽真空，使腔体内压力不超过1x10-5Pa。
如图4所示，落体是由反射镜9，螺母调节钮10，落体壳11、角锥棱镜12组成，反射镜9粘在螺母调节钮10的顶端面上，以便随着落体中的角锥棱镜12一同做扭摆运动，反射镜9与落体壳11旋转的角度一致；借助角度测量系统8向反射镜9发射激光，并接收反射光来测量落体5的偏转角度。角度测量系统8为光电自准直仪，测量精度高，可准确地测量落体扭转的角度。
如图5所述，正交干涉仪13的光路部分为四路信号单频激光干涉光路：激光器14发射激光经过第一分光棱镜15得到线偏振光束；经过第一1/2波片16调整透射光和反射光的光强不；调整后，使射入和返回两臂的光强一致，从而使干涉信号交流复制达到最大。经过第二偏振分光棱镜20，其透射光穿过第三1/4波片18，经参考镜19反射，再穿过第三1/4波片18，射回并透射第二偏振分光棱镜20形成第一透射光；反射光穿过第二1/4波片17，经过落体中的角锥棱镜12反射，再穿过第二1/4波片17，射回第二偏振分光棱镜20，反射后为第一反射光。
第一透射光和第一反射光射向非偏振分光棱镜21，其反射光通过第四1/4波片24，最后经过第四偏振分光棱镜25反射和透射获得两路相差90°的干涉信号I3和I4，同理，其透射光经过第一1/2波片22，最后经过第三分光棱镜23反射和透射得到两路相差90°的干涉信号I1和I2，将相位相反的两组相位差为180°的信号(I4和I1，I3和I2)分别输入两个差分放大器，可以得到两个相位正交的信号，这样可以有效抑制共模噪声的产生，并且光路布局采用了光程差放大技术,提高了干涉系统的分辨力。
如图6和图7所示，使用分辨率为0.1nm的压电平移台对正交干涉仪的测量精度进行标定，通过信号发生器产生一个频率为0.2Hz，电压幅值为1V的正弦驱动信号驱动压电位移台运动，受限于信号发生器和压电位移台的分辨率，最终频谱图中信号底部噪声是在0.1nm左右，实际上正交干涉仪分辨力是优于0.1nm。
落体的单摆周期与石英丝2的长度有关，其公式如下：
落体的扭转周期与落体的转动惯量以及石英丝的扭转弹性系数有关，石英丝的扭转弹性系数与扭丝的剪切弹性模量，直径以及长度都有关，其公式如下：
通过选取合适长度以及直径的石英丝作为扭丝，使得落体单摆运动的频率大于扭摆运动以及晃动的频率的10倍；这样，便于将落体单摆运动的频率和扭摆运动以及晃动的频率分离开来。
这种绝对重力仪落体旋转误差测量装置的工作原理为：当落体受到真空导引给的外部激励时，落体的运动模态可以被分为扭摆运动、单摆运动、晃动，通过阻尼系统减小甚至消除单摆运动以及晃动，当落体仅作扭摆运动时，由于重力的影响，扭丝的延长线必定通过落体的质心，即落体绕石英丝做扭摆运动。通过角度测量系统8测量出落体做扭摆运动旋转的角度；通过正交干涉仪13测量出角锥棱镜12的光心沿Y轴方向上的位移(即在绝对重力仪中落体沿重力下落方向)，这一位移信号的二倍频幅值与角锥棱镜12的光心与落体质心沿Y轴方向的偏移量有关，其公式为：
dy为角锥棱镜12的光心沿Y方向上的位移，δy为角锥棱镜12的光心与落体质心沿Y轴方向的偏移量，δx为角锥棱镜12的光心与落体质心沿X方向的偏移量，θ0为落体做扭摆运动旋转的初始角度，β为扭摆运动的阻尼系数，ω为落体做扭摆运动的角频率。
落体光心质心偏移量的测量精度与落体做扭摆运动的初始扭转角度有关，当扭转角度较小时，通过正交干涉仪测量出的位移信号经过傅里叶变换后，其幅值谱的二倍频峰值会被底部噪声淹没，无法进行准确的测量，因此需要通过扭幅控制系统6将落体的扭转角维持在一个合适的角度范围内。落体的初始位置是同图3一样的水平位置，由于真空导引施加的初始激励使得落体在真空腔体中单摆、晃动和扭转；其中，单摆、晃动的频率较高，衰减快。振幅控制系统由两个通电的磁线圈组成，当其通电时，磁线圈产生恒定的水平磁场，主要用于落体扭转角度的限幅。扭摆中落体内的金属件的相对截面积也在在磁场中不断发生改变，即通过落体的磁通量发生改变，产生感生电动势，快速衰减落体的扭转运动，使得落体扭转角较快下降；当自准直仪检测出落体扭摆幅度达到指定角度，然后断开电流，使落体以指定角度作为初始扭转角做自由扭转运动。
如图8和图9所示，如果真空导引施加一个较大的外部激励，落体的扭摆角度较大，在高真空环境下，由于系统的Q值很大，衰减非常小，如果想要将落体扭转角控制在指定角度，仅靠自然衰减，需要等待很长时间。当振幅控制系统6通入12A电流后，扭转角度被迅速控制在2°，断开电流，落体以2°左右的初始扭转角做自由扭转运动，这缩短了每次实验的准备时间。
如图10所示，当落体在大气环境中做扭摆运动时，由于气体阻尼以及扭丝结构阻尼的影响，扭摆运动会大幅度衰减，不利于测量，因此需要提高整个系统的Q值，降低阻尼系数，延缓扭摆运动的时间。真空腔体7内如果维持高真空环境，可忽略气体阻尼的影响，高Q值的石英丝可以大幅降低扭丝结构阻尼，使扭摆运动的衰减速度大幅降低。
如图11所示，从幅频谱上可以明显看出落体的各个运动模态，扭摆运动、单摆运动、晃动的频率分离开，但是由于非扭摆运动未被抑制，二倍频处的底部噪声明显被单摆运动的抬升，因此需要阻尼系统抑制单摆运动、晃动。
实施例中的阻尼系统3为磁阻尼系统，当阻尼系统的两线圈通电产生强磁场，当落体5出现单摆运动或者晃动时，同样会带动活动部的金属制成的阻尼盘30做单摆运动或晃动，切割固定部产生的沿重力方向的磁感线，将动能转换为热能耗散掉，从而抑制了非扭转运动，当单摆运动以及晃动被抑制到近乎消失时，线圈断电，强磁场消失，消除对振幅控制系统的影响。
图5所示，阻尼系统2为磁阻尼结构，包括：第一电磁铁26、第二电磁铁27、第三电磁铁28、第四电磁铁29、阻尼盘30；第一电磁铁26、第二电磁铁27、第三电磁铁28、第四电磁铁29通过阻尼系统3的外壳与真空装置固定连接。阻尼盘30最好为等厚度的圆盘，其质心就在圆心位置，且便于加工。第一电磁铁26的中心轴与第三电磁铁28的中心轴同轴，磁场方向相同；第二电磁铁27的中心轴与第四电磁铁29的中心轴同轴，磁场方向相同；使得相同励磁电流下磁场强度更高。第一电磁铁26的中心轴与第二电磁铁27相对于阻尼盘30的中心轴中心对称，使阻尼盘30获得的阻尼更均匀。真空导引1通过钨丝1与阻尼盘上表面凸出的轴杆相连接，下表面凸出的轴杆通过石英丝4与落体5相连接，阻尼盘30质心所在的竖直轴使作为旋转轴，扭丝扭转带动阻尼盘绕旋转轴做扭转运动。阻尼盘30作为阻尼系统3的活动部，第一电磁铁26、第二电磁铁27、第三电磁铁28、第四电磁铁29以及阻尼系统3的外壳作为阻尼系统3的固定部。
落体扭转角度的函数公式为：
其中的θ0为扭转初始角度，β为阻尼系数，ω为扭转角频率，为初始相位。
如图12所示，利用光电自准直仪测得落体的扭转角度，自准直仪测得数据的单位为角秒，其测得的初始扭转角度为2609”，即0.725°。图13为落体扭转角度信号经过傅里叶变换得到的幅频谱，提取它的峰值B1可以计算得到角锥棱镜12的光心与落体质心沿X轴方向的偏移量δx。公式如下：
其中的A1为正交干涉仪测得位移信号的一倍频幅值，B1为落体扭转角度信号经过傅里叶变换得到的峰值。
针对扭转角数据，利用上述的落体扭转角度计算公式拟合出θ0及β，ω可以通过图12中的周期计算出，通过这些参数可以构造一个修正函数，计算δz更加准确，其公式为：
图14为构造的修正函数曲线，图15为该修正函数曲线做傅里叶变换后得到的频谱图，提取其二倍频的峰值B2代入偏移量的计算中。
角锥棱镜12的光心与落体质心沿Y轴方向的偏移量dy计算公式为：
A2为正交干涉仪测得位移信号的二倍频幅值，B2为构造的修正函数曲线做傅里叶变换得到的峰值。
从图16和图17所示，扭丝为钨丝，在大气环境中，系统Q值为600，当选取落体扭转初始角度作为θ代入δy的计算公式中时，计算得到的偏移量与真值偏差过大，构造的修正函数经傅里叶变换得到的峰值A2代入δy的计算公式中时，计算得到的偏移量更接近真值。落体扭转初始角度越大，二倍频计算的偏移量越接近实际模拟的偏移量，初始扭转角度一般设定为1.6°～2.4°。
从图16和图18所示，当扭丝改为高Q值石英丝，在真空环境下中，系统Q值提高为20000，选取其一倍频幅值作为θ带入计算公式中时，计算得到的偏移量十分接近真值，测量精度提高了两个数量级。
如图18和图19所示，系统Q值为20000，落体沿重力方向进行调教后，使角锥棱镜12的光心与落体质心沿重力方向的偏移量减小为原偏移量的十分之一，初始扭转角度设定为1.6°～2.4°，再次测量落体光心与质心沿重力方向的偏移量，可以得到此时测量值与真值的偏差是小于0.3μm的。
如图20所示，加入磁阻尼系统后，对落体沿重力方向进行进程和回程调校，图中拧进一圈，设定落体光心与质心沿重力方向的偏移量改变54μm，分别测量落体光心与质心沿重力方向的偏移量，可以得到测量值具有很好的线性关系，且测量得到的落体光心与质心沿重力方向的偏移量的改变值与实际偏移量的改变值是相符的，最大偏差为1μm。
上述示例只是用于说明本发明，除此之外，还有多种不同的实施方式，而这些实施方式都是本领域技术人员在领悟本发明思想后能够想到的，故，在此不再一一列举。
