[发明专利]绝对重力仪落体误差测量装置

说明书

本发明公开了一种落体光心质心测量装置及其使用方法，落体光心质心测量装置包括：真空导引，石英丝，阻尼系统，钨丝，落体单元，正交干涉仪，角度测量系统，振幅控制系统，真空系统；落体单元通过调节螺母可以改变质心位置，该单元包括：细调螺母，金属外壳，角锥棱镜，反射镜；阻尼系统用于抑制落体的非扭摆运动。本发明根据测量落体扭摆的位移以及角度高精度反演出落体光心与质心的偏差。

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＝ω²δ_z (1)

其中：ω是落体角速度，δ_z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；