离心机动态失准角测量方法的研究

离心机动态失准角测量方法的研究精密离心机是高精度惯性器件测试设备,用于惯性加速度计的测试与标定。加速度计放在离心机的端部的仪器仓中,如图1所示,当离心机工作时,由于离心机大臂的刚度有限而发生变形,使仪器仓发生两个方向的角度变化θx和θy,θy称为俯仰角,θx称为偏摆角,统称为失准角。失准角的存在直接影响失准角的测量精度要求很高,对于“臂式”离心机,目前较为理想的测量方法是采用自准直测量原理的测角方法,它可同时测量θx和θy,且稳定性好,具有很高的分辨力。本文所设计的测量系统也是基于上述原理,图1为测量系统构成原理图,主要由双轴光电自准直仪、屏蔽光路和反射镜组成。本文拟对这种方法的主要环节进行设计分析,并用台面实验对测量精度初步加以验证。1双轴光电自准直系统的设计由于离心机失准角测量精度要求高,测量范围大,要求自动读数,目前市售仪器不能满足要求。为此自行研制一种双轴光电自准直仪,其光信号位置探测器采用Sony公司CCD像感器。自准直仪的设计细节可参阅文献[1,2],此处只针对离心机的特殊要求给出两个设计要点。1.1准直仪的热设计问题由于应用的特殊性,准直仪被封闭于离心大臂内,散热条件很差,因而要求仪器有极好的温度稳定性。而传统准直仪采用白炽灯作光源,发热大,仪器温漂大,光源寿命也短。本仪器采用了半导体激光器作准直光源,尽管如此,光源发热功率也有几十mW,为使其尽快达到热平衡,以减少温度漂移对测量的影响,在激光器上加装了较大的散热器,使仪器光源稳定时间由20min缩短到5min。CCD像感器是一个有源器件,有较大的功耗,它的发热直接造成准直光管的热变形。在采取散热措施后,仪器漂移优于01″/4h。另外,仪器的结构应对称设计,以减小热影响。1.2结构设计要点准直仪在孔径设计上应有足够的通光孔径,以使返回光功率少受测量范围以及测量距离的影响,以保证信噪比和线性度。通用准直仪刚度较低,其光管要受到离心力等因素的影响而发生变形,因此光管整体要有足够的刚度,以使离心机旋转时光管的变形量极小,对测量的影响忽略,为此必须增加光管及其底座的刚度。最后经非线性补偿,该自准直仪在30″内的测角误差≤01″,考虑到漂移01″/4h,该项因素引入误差δ=014″。2准直光路的设计研究由于从准直仪到仪器仓内的反射镜之间的距离长达2500mm,光路空气的扰动造成测量示值不稳定引起的测角误差高达06″。对于离心机这种旋转载体来说,唯一的方法是对光路进行真空屏蔽(如图1)。但是,真空管的透镜偏转及变形影响又会带来新的测量误差,下面予以分析。2.1真空光路密封透镜角度变化误差分析离心机旋转时,大臂变形引起真空管变形,同时,离心力作用等也引起真空管变形使真空管密封玻璃发生偏转,从而引起测角误差。图2为真空管端部的密封玻璃示意图。设密封玻璃发生偏转β0角,并且密封玻璃本身存在不平度即也存在楔角β,当平行光束沿水平方向传播时,光束发生偏离原方向的偏角大小为其中n0为空气折射率,根据现场条件,由Edlen公式得出[3]n0=100027(t=25℃,λ=0633μm);n为真空中折射率(n=1);n1为密封玻璃折射率(此处为远紫外石英玻璃[4]n1=1456704,当λ=0643874μm时),当β0=10′,β=20″时(相当于不平度为10μm,这是很宽松的条件),由(3)式得Δγβ≈2.7×10-4Δβ同理,当光束经过真空管及密封玻璃又进入空气中时,有Δγ′β≈-27×10-4Δβ当失准角变化30″时,取其最坏情况,真空管两端密封玻璃都变化,并且设光束通过两端密封玻璃时所产生的方向变化带来的误差是加性的。此时的误差为Δγ1=｜Δγβ0｜+｜Δγ′β0｜=｜27×10-4×30｜+｜27×10-4×30｜≈0016″。考虑到光线重回光管进入准直仪,所引入的测量不确定度为δ1=2Δγ1=2×0016″=0032″。2.2密封玻璃及仪器仓窗口玻璃温度不均匀造成的误差光束由空气进入玻璃时,由于离心机内温度不均匀,造成密封玻璃楔角变化而产生误差,由(1)、(2)式,该项误差可写为由于真空折射率与空气折射率十分接近,因而光束由真空进入玻璃时的情况也可由上式代替。令密封玻璃板直径D=?90mm,厚B=16mm,材料为石英玻璃,其线胀系数α=05×10-6/℃,设其对径位置温差变化为Δt=1℃(大臂内控温为25℃±05℃)则产生的楔角变化为Δβ=αBΔt/D=(0.5×10-6×16×1)/90=8.9×10-8(rad)≈0.02″代入式(5)有Δγ2=0457Δβ=0457×002≈0009″由于真空管有两片密封玻璃板,光束偏转最大值应为Δγ′=2Δγ2=2×000914≈0018″考虑到光线重回光路,所以引入测量不确定度应为δ2=2Δγ′=2×0.018″=0.036″仪器仓是一恒温箱,其窗口玻璃板温度变形的影响与真空管封口玻璃板的情况相同,主要影响因素是温场的不均匀变化。设玻璃板直径D=?100mm,厚度B=10mm,材料为石英玻璃。若玻璃板对径位置的温度变化1℃,则类似上述分析,该项所引入的不确定度应为δ3=0.009″2.3测量反射镜热变形的影响测量反射镜安装在仪器仓内,易受温度波动的影响,设反射镜直径D=?90mm,厚度B=10mm,材料线胀系数为α=0.5×10-6/℃,对径位置的温度相对变化Δt=1℃,则产生的楔角变化为Δβ=αBΔt/D=0.5×10-6×10×1/90=5.6×10-8(rad)≈0.01″该项因素引入的测量不确定度δ4=Δβ≈0.01″2.4测量基准方位变化的影响仪器仓内工作度温高,温度波动大,使定位面置变化造成测量误差,可估计为δ5=01″。测量系统以离心机主轴轴线为基准,该轴线随机偏角为01″,所引入的测量误差为δ6=01″。2.5测量系统的总不确定度将上述各不确定度分量合成,可得测量系统总不确定度(3σ)δ=各个δ的平方根=0.2″3测量实验系统精密离心机属基准级测量仪器,对它的检定是十分困难的,通常通过比对及分析来验证其精度,失准角测量精度的验证也是如此,通过台面实验可初步确定其性能。本实验系统由自准直仪,真空管光路以及反射镜构成。整个系统放置在隔振平台上,实验室内温度控制在20℃±0.5℃内。实验装置原理如图3所示,A、B两点均由V形块支撑。B点V形块固定在一个垂直固定的xy工作台上,B点可沿垂直方向上下移动,由千分螺杆控制,水平方向锁紧。A、B两点距离为1000mm,调整千分螺杆改变真空光路的俯仰角旋转真空管,每隔45°重复上述测量过程,得到误差最大的一组实验数据如表1所示。为使仪器的漂移不影响实验结果,上述测量在10min内完成。实验结果表明,真空管俯仰角变化对准直测量的影响很小,且小于理论分析结果,这主要因为光线经过真空光路两密封玻璃时,光线角度变化有一定的对消作用。水平方向示值变化可能由于仪器正常跳字或光管变化在水平方向有分量造成的。实验同时表明该仪器有极好的示值稳定性。4结束语针对离心机的特殊情况,设计了一套高精度的采用自准直方法的失准角测量系统,由于对准直仪进行了特殊设计,使仪器具有很好的稳定性、很高的分辨力和测量精度。采用真空管对光路进行屏蔽,解决了空气扰动造成的示值不稳定问题。对在离心机内采用真空管光路方案进行了可行性分析论证和台面实验,证明该方法切实可行。