离心机动态失准角测量方法研究

《离心机动态失准角测量方法研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、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

2、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

3、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

4、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,

5、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

6、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

7、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