超小型絕對重力儀主機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐進(jìn)義, 粟多武, 王啟宇, 吉望西, 馮金揚(yáng),李春劍, 吳書清, 胡 若

(中國計(jì)量科學(xué)研究院, 北京 100029)

1 引 言

絕對重力儀是直接測量重力加速度的儀器。重力加速度的大小隨地理位置不同而變化,并受到地質(zhì)結(jié)構(gòu)和天體運(yùn)動等因素影響,因此,準(zhǔn)確測定、研究地球上各點(diǎn)重力加速度具有十分重要的意義。絕對重力儀已廣泛應(yīng)用于地震、計(jì)量、測繪、大氣海洋、地質(zhì)、天文和理論物理等方面。在國際上,美國Micro-g公司研制的絕對重力儀在高端應(yīng)用中占主導(dǎo)地位,其中FG5及其改進(jìn)型水平最高[1,2],被很多國家計(jì)量機(jī)構(gòu)采用[3～5],我國也先后引進(jìn)了該型號絕對重力儀。

中國計(jì)量科學(xué)研究院(NIM)在20世紀(jì)70～80年代研制了第1代絕對重力儀(NIM-I)[6,7]。NIM-I重力儀采用自由下落法,測量不確定度16μGal;1988年研制的第2代絕對重力儀(NIM-II)[8,9]測量不確定度達(dá)到10μGal,在可移動、測量自動化等方面也有顯著提高,并應(yīng)用于高精度絕對重力觀測研究[3,10];2013年研制的第3代絕對重力儀(NIM-3),主機(jī)系統(tǒng)總重量從NIM-Ⅱ重力儀的80 kg降低到52 kg。隨后NIM又研制了NIM-3A[4]和小型化的NIM-3C等型號重力儀。NIM-3A的落體下落距離長,測量準(zhǔn)確度高,適合實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。NIM-3C的下落距離縮短,整體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步小型化,真空系統(tǒng)一體加工并改用純鈦材料以適應(yīng)非實(shí)驗(yàn)室環(huán)境應(yīng)用。NIM-3系列重力儀都在不同程度上小型化,主機(jī)系統(tǒng)做了重大改進(jìn)[11～15],測量速度從NIM-Ⅱ重力儀的1次/min提高到3～9次/min,測量實(shí)現(xiàn)自動化。NIM-3A重力儀2017年參加了重力儀國際關(guān)鍵比對[4,5],測量不確定度達(dá)到4 μGal[16,17]。

本研究在NIM-3重力儀的基礎(chǔ)上,采用消除下落過程的伺服跟蹤裝置引發(fā)的自振、共基座和車載使用環(huán)境下對測量的影響和進(jìn)一步小型化輕量化的方案,設(shè)計(jì)了的光學(xué)絕對重力儀新主機(jī)系統(tǒng)。

2 超小型絕對重力儀主機(jī)系統(tǒng)

目前對振動的消除有2種方法:第1種采用參考鏡長周期慣性懸掛與干涉儀短周期伺服隔振,機(jī)械部分采用動平衡對稱下落方法[1,17,18],如美國的A-10、FG5和FG5X(動平衡對稱下落)等系列絕對重力儀,清華大學(xué)研制的T-1型絕對重力儀;第2種采用基于拾振的軟件修正方法,機(jī)械部分采用伺服跟蹤下落方法[3,18]。

NIM研制的NIM-I、NIM-Ⅱ、NIM-3絕對重力儀采用這種方法,該方法在在周圍沒有大的振動干擾源條件下,測量結(jié)果良好。但受到拾振器頻率范圍0.016～70 Hz的限制,在環(huán)境條件差的地方修正效果不理想,特別是在共基座平臺上儀器每次伺服高速下落都會帶來自身振動(自振頻率100～150 Hz)的影響,使振動信號影響干涉儀參考棱鏡,參考鏡產(chǎn)生微振進(jìn)而影響下落位置測量準(zhǔn)確度和重力加速度測量結(jié)果穩(wěn)定性。

2.1 主機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案要點(diǎn)

設(shè)計(jì)的超小型絕對重力儀主機(jī)系統(tǒng)在保留NIM-3A和NIM-3C重力儀主機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),主要在3個(gè)方面做出改進(jìn):

1)改變下落方式,設(shè)計(jì)一套新的落體機(jī)械釋放和接落裝置及新運(yùn)行方式。由此在落體自由下落過程中,消除原先伺服電機(jī)高速運(yùn)動帶來機(jī)械自振對系統(tǒng)的影響,并在保持真空室總高度不變的條件下增長了落體下落的有效測量距離。

2)落體下落行程中遠(yuǎn)離磁性部件,減少磁性材料對它的影響,原先落體與傳動含磁零件距離較近,并且一直跟隨落體運(yùn)動。

3)增加保溫措施并改進(jìn)支撐方案,適應(yīng)低溫野外環(huán)境下工作。其中,下落方式的改變最為重要,是設(shè)計(jì)的核心。

2.2 落體下落機(jī)構(gòu)

NIM-3A和NIM-3C絕對重力儀主機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1所示,該系統(tǒng)干涉儀的主體置于落體和參考鏡之間,測量自由落體的光路在落體下方。下落時(shí)落體和傳動托盤共同自由下落,傳動托盤在高速下落過程中會產(chǎn)生自振,引起參考鏡的微小振動,因此在參考鏡處增加拾振器測量振動,以減小或消除振動對測量的影響?，F(xiàn)有拾振器修正方案對地基環(huán)境好的實(shí)驗(yàn)室修正效果良好,但在野外等特殊環(huán)境對高頻振動抑制不夠理想。

圖1 NIM-3C的主機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

新方案采用了新的無自振和無磁性影響下落方案,超小型主機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)新設(shè)計(jì)見圖2所示。

圖2 絕對重力儀主機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)新設(shè)計(jì)方案

為了避免下落過程中的托盤高速下落帶來的自振引發(fā)的干涉測長參考鏡的抖動問題,新設(shè)計(jì)采用了一種完全自由下落運(yùn)動方式,在下落的有效測量過程中,重力儀主機(jī)系統(tǒng)只有落體處于運(yùn)動狀態(tài),包括托盤和電機(jī)的所有其他機(jī)械部件均處于靜止?fàn)顟B(tài)。

具體方案為:位于起始位置傳動托盤由傳動電機(jī)驅(qū)動帶著自由落體快速上升到真空筒內(nèi)指定位置,上面有一套定位和接放機(jī)構(gòu)托住落體;此后傳動托盤由電機(jī)驅(qū)動降到下面起始位置;電機(jī)在遠(yuǎn)離落體的位置通過機(jī)械機(jī)構(gòu)控制上方接放機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度帶動機(jī)械控制桿釋放自由落體;落體自由下落,至底部由一套軟著陸機(jī)構(gòu)通過機(jī)械手臂抱住落體,完成一次下落。

新方案相對于原伺服跟蹤下落和其它絕對重力儀下落方式相比較具有以下特點(diǎn):

1)托盤機(jī)構(gòu)在落體下落過程中完全靜止,不產(chǎn)生自振,而且自由落體下落到底部與托盤無直接接觸,只與軟著陸機(jī)構(gòu)非剛性接觸,避免了自由落體對測量系統(tǒng)的沖擊。

2)原伺服跟蹤下落過程,伺服電機(jī)和托盤要經(jīng)歷靜止-加速-減速-停止幾個(gè)階段,實(shí)際有效可測量距離段比較短,限制了測量準(zhǔn)確度的提升。新設(shè)計(jì)的下落過程,有效測量距離增加近一倍,有利于進(jìn)一步提高測量準(zhǔn)確度和重復(fù)性。

3)原伺服跟蹤下落過程,伴隨落體下落的傳動托盤上有磁性零件一直伴隨下落運(yùn)動,且距離落體較近,影響測量不確定度。在新設(shè)計(jì)方案中,落體自由下落時(shí)托盤及傳動裝置始終在底部,遠(yuǎn)離落體,對落體下落不產(chǎn)生磁性干擾。

4)傳統(tǒng)的3條長主機(jī)支腿結(jié)構(gòu)(見圖1)改為主機(jī)支架結(jié)構(gòu)(見圖2),穩(wěn)定性和隔振性能更好。

2.3 干涉測長機(jī)構(gòu)

在結(jié)構(gòu)上,NIM-3A和NIM-3C均采用一種變形的邁克爾遜結(jié)構(gòu)的干涉儀測量落體的下落過程,見圖1所示。在新方案中,干涉儀的主體由落體下方改為在落體上方水平放置,相較于NIM-3系列的干涉儀在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有改變。參考鏡將采用水平放置方案,也可嘗試直接垂直放在改進(jìn)的內(nèi)置拾振器的鏡座上,且都放置在干涉儀內(nèi)部,更便于調(diào)整,減少了鏡片使用量,干涉儀整體變小,見圖2所示。這些措施同時(shí)降低了主機(jī)系統(tǒng)重心,大幅減小了主機(jī)系統(tǒng)高度,并可減少地面等外界振動的影響,也使主機(jī)系統(tǒng)更加輕巧便于攜帶和安裝。

2.4 支撐結(jié)構(gòu)與保溫措施

在低于0℃低溫室外環(huán)境工作時(shí),設(shè)計(jì)使用溫度為0～55℃的過真空傳動軸的自由旋轉(zhuǎn)會受影響;并且真空室在過低溫度下密封件的冷縮,特別是通光玻璃鏡片銜接處,會增加漏氣風(fēng)險(xiǎn)。新干涉儀的支撐首次采用可調(diào)節(jié)的錐形桶狀結(jié)構(gòu),把主機(jī)系統(tǒng)機(jī)械部分一同包裹在內(nèi),桶內(nèi)可加保溫材料和加熱溫控裝置,保證主機(jī)系統(tǒng)在低溫環(huán)境下內(nèi)部溫度處于正常工作范圍并相對穩(wěn)定,系統(tǒng)正常工作。底部均布3個(gè)可調(diào)節(jié)水平高低的地腳旋鈕,部分部件采用非金屬材料,接觸地面處加裝厚的橡膠墊片,以減少外界振動對儀器的影響。

2.5 綜合性能和不確定度預(yù)估

重力儀主機(jī)系統(tǒng)總高度不超過700 mm,寬度不超過500 mm,重量不超過30 kg,新方案測量速度預(yù)期可達(dá)到6次/min。該重力儀的超小型和輕量化設(shè)計(jì),便于運(yùn)輸,到達(dá)重力測量點(diǎn)位后可快速完成重力儀系統(tǒng)的組裝工作,單人即可駕馭對重力儀的全部調(diào)整操作,短時(shí)間內(nèi)啟動測量。

絕對重力儀的不確定度在文獻(xiàn)[19]中有系統(tǒng)的分析。根據(jù)已掌握的NIM-3C的實(shí)驗(yàn)性能和不確定度水平,結(jié)合新方案的主要改進(jìn),光束垂直性、干涉測長、落體旋轉(zhuǎn)、反彈效應(yīng)和測量重復(fù)性的貢獻(xiàn)為新方案的主要不確定度來源,其中第2至第5項(xiàng)的貢獻(xiàn)由于新方案的改進(jìn)設(shè)計(jì)可顯著減小,在正常測量環(huán)境下和采用較好輔助測量設(shè)備的條件下的測量不確定度在NIM-3C的基礎(chǔ)上有所提升,預(yù)估為10 μGal。

表1是新設(shè)計(jì)方案相對于NIM-3A和NIM-3C的主要特點(diǎn)匯總。

表1 新設(shè)計(jì)方案相對于NIM-3系列的主要特點(diǎn)

3 結(jié) 論

為滿足室內(nèi)外多種環(huán)境下的重力加速度測量需求,設(shè)計(jì)了新的超小型絕對重力儀主機(jī)系統(tǒng)。其突出特點(diǎn)是在對落體自由下落的干涉測長過程中,重力儀沒有其他運(yùn)動部件,完全消除了原型號內(nèi)部機(jī)械傳動在跟蹤下落過程中帶來的自身振動和磁性干擾,以提高重力儀測量準(zhǔn)確度和數(shù)據(jù)穩(wěn)定性;適應(yīng)低溫環(huán)境、減小外部振動影響和小型化等措施,滿足室內(nèi)外多種環(huán)境下的測量工作,特別是在我國一些特殊應(yīng)用部門,如車載、共基座和野外低溫環(huán)境等條件下開展測量工作。由于該重力儀光機(jī)系統(tǒng)緊湊、整體體積和重量顯著減小,便于運(yùn)輸和在測量點(diǎn)位的快速安裝調(diào)整,研制后可進(jìn)一步商業(yè)化推廣應(yīng)用。新設(shè)計(jì)方案經(jīng)研制驗(yàn)證,可望應(yīng)用于我國重力基準(zhǔn)NIM-3A的改進(jìn)。