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(guó)計(jì)量科學(xué)研究院, 北京 100029)

1 引 言

絕對(duì)重力儀是直接測(cè)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(dòng)等因素影響,因此,準(zhǔn)確測(cè)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(duì)重力儀已廣泛應(yīng)用于地震、計(jì)量、測(cè)繪、大氣海洋、地質(zhì)、天文和理論物理等方面。在國(guó)際上,美國(guó)Micro-g公司研制的絕對(duì)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(guó)家計(jì)量機(jī)構(gòu)采用[3～5],我國(guó)也先后引進(jìn)了該型號(hào)絕對(duì)重力儀。

中國(guó)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(duì)重力儀(NIM-I)[6,7]。NIM-I重力儀采用自由下落法,測(cè)量不確定度16μGal;1988年研制的第2代絕對(duì)重力儀(NIM-II)[8,9]測(cè)量不確定度達(dá)到10μGal,在可移動(dòng)、測(cè)量自動(dòng)化等方面也有顯著提高,并應(yīng)用于高精度絕對(duì)重力觀測(cè)研究[3,10];2013年研制的第3代絕對(duì)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(hào)重力儀。NIM-3A的落體下落距離長(zhǎng),測(cè)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(cè)量速度從NIM-Ⅱ重力儀的1次/min提高到3～9次/min,測(cè)量實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。NIM-3A重力儀2017年參加了重力儀國(guó)際關(guān)鍵比對(duì)[4,5],測(cè)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(duì)測(cè)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(duì)重力儀新主機(jī)系統(tǒng)。

2 超小型絕對(duì)重力儀主機(jī)系統(tǒng)

目前對(duì)振動(dòng)的消除有2種方法:第1種采用參考鏡長(zhǎng)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(dòng)平衡對(duì)稱下落方法[1,17,18],如美國(guó)的A-10、FG5和FG5X(動(dòng)平衡對(duì)稱下落)等系列絕對(duì)重力儀,清華大學(xué)研制的T-1型絕對(duì)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(duì)重力儀采用這種方法,該方法在在周圍沒有大的振動(dòng)干擾源條件下,測(cè)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(tái)上儀器每次伺服高速下落都會(huì)帶來自身振動(dòng)(自振頻率100～150 Hz)的影響,使振動(dòng)信號(hào)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(cè)量準(zhǔn)確度和重力加速度測(cè)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(duì)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(dòng)帶來機(jī)械自振對(duì)系統(tǒng)的影響,并在保持真空室總高度不變的條件下增長(zhǎng)了落體下落的有效測(cè)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(duì)它的影響,原先落體與傳動(dòng)含磁零件距離較近,并且一直跟隨落體運(yùn)動(dòng)。

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(duì)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(cè)量自由落體的光路在落體下方。下落時(shí)落體和傳動(dòng)托盤共同自由下落,傳動(dòng)托盤在高速下落過程中會(huì)產(chǎn)生自振,引起參考鏡的微小振動(dòng),因此在參考鏡處增加拾振器測(cè)量振動(dòng),以減小或消除振動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響?，F(xiàn)有拾振器修正方案對(duì)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(duì)高頻振動(dòng)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(duì)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(cè)長(zhǎng)參考鏡的抖動(dòng)問題,新設(shè)計(jì)采用了一種完全自由下落運(yùn)動(dòng)方式,在下落的有效測(cè)量過程中,重力儀主機(jī)系統(tǒng)只有落體處于運(yùn)動(dòng)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(dòng)托盤由傳動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)托盤由電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(duì)于原伺服跟蹤下落和其它絕對(duì)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(duì)測(cè)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(cè)量距離段比較短,限制了測(cè)量準(zhǔn)確度的提升。新設(shè)計(jì)的下落過程,有效測(cè)量距離增加近一倍,有利于進(jìn)一步提高測(cè)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(dòng)托盤上有磁性零件一直伴隨下落運(yùn)動(dòng),且距離落體較近,影響測(cè)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(dòng)裝置始終在底部,遠(yuǎn)離落體,對(duì)落體下落不產(chǎn)生磁性干擾。

4)傳統(tǒng)的3條長(zhǎng)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(cè)長(zhǎng)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(cè)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(dòng)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(dòng)軸的自由旋轉(zhuǎn)會(huì)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(huì)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(duì)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(dòng)對(duì)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(cè)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(cè)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(duì)重力儀的全部調(diào)整操作,短時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)測(cè)量。

絕對(duì)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(cè)長(zhǎng)、落體旋轉(zhuǎn)、反彈效應(yīng)和測(cè)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(cè)量環(huán)境下和采用較好輔助測(cè)量設(shè)備的條件下的測(cè)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(duì)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(duì)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(cè)量需求,設(shè)計(jì)了新的超小型絕對(duì)重力儀主機(jī)系統(tǒng)。其突出特點(diǎn)是在對(duì)落體自由下落的干涉測(cè)長(zhǎng)過程中,重力儀沒有其他運(yùn)動(dòng)部件,完全消除了原型號(hào)內(nèi)部機(jī)械傳動(dòng)在跟蹤下落過程中帶來的自身振動(dòng)和磁性干擾,以提高重力儀測(cè)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(dòng)影響和小型化等措施,滿足室內(nèi)外多種環(huán)境下的測(cè)量工作,特別是在我國(guó)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(cè)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(cè)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(guó)重力基準(zhǔn)NIM-3A的改進(jìn)。