摘 要:研究了精密离心机动态半径激光干涉测量中死程的真空屏蔽技术,介绍了其中的若干关键技术及其原理和特点,给出了系统设计公式。理论分析和实验证明该项技术能够消除长光路中各种环境因素的影响,并保证干涉测量系统的示值稳定性。
1 引 言
精密离心机是高精度惯性导航测试设备,用于惯性导航加速度计的测试与标定。它是一个旋转载体,工作时,其半径在惯性力的作用下发生变化(ΔR),给测试和标定带来误差。对该项误差,必须精确测量以便进行误差补偿。对于高精度的离心机,一般采用激光干涉法测量动态半径ΔR。其测量原理如图1所示,测量范围是ΔR,但光路R不在测量范围内,这部分称为死程。在该系统中,由于存在较大的死程,使得环境因素的影响增大,如:温度的变化、离心机旋转时气流的扰动及气压的变化等,造成测量系统示值不稳定。
真空屏蔽方法能够解决上述问题。在该方法中,用真空光路或准真空光路代替空气光路可有效的克服空气状态的影响,保证激光干涉测量系统的示值稳定性。虽然测量链中死程的空气影响被大大减小了,同时增加了新的误差环节,即真空光路,必须对其设计和安装提出恰当的要求,才能获得良好的效果。分析表明,只要合理设计,是可以获得高精度测量结果的。
2 死程的真空屏蔽及其对测量系统的影响
空气参数变化影响光路中的光波波长,是影响激光干涉测量精度的主要因素,对于长光路测量系统,其影响尤为明显,它限制了测量系统的精度。
如图1所示在死程光路中,放置了一个密封的真空管,真空管两个端部是两片平行经过精密加工的密封玻璃板,其光学性质,热稳定性和平行性应满足本文所分析的要求。
2.1 真空管热变形的影响
空气温度变化,造成真空管热变形,变形量可写为
式中α为真空管材料的线胀系数;l为真空管长度(见图2);δt是环境空气温度变化;设真空管的热变形为δl,即真空光路膨胀为δl,相应地空气间隙收缩δl。测量系统示值变化可写为[3]
2.2 密封玻璃板热变形的影响
设h表示密封玻璃板厚度,ah是密封玻璃板的热膨胀系数。环境温度变化使得真空管密封玻璃发生热变形,变形量表示为
设n =1·0002712,nb=1·5,αh=8×10-6/℃,h =20mm,δt =1℃,则,δL2=0·16μm。表明该项因素影响测量精度。(7)式说明,有两种方法可减小其影响:首先可采用低膨胀系数的材料做密封玻璃,如石英玻璃,以减小αh;其次可减薄密封玻璃的厚度h,但这样做的余地是有限的,因为薄的密封玻璃板容易弯曲变形。
2.3 空气隙光路折射率变化的影响
在反射镜、分光镜和真空管之间存在空气间隙(设其总长度为c,其大小与测量范围有关),这段间隙的光学性质易受环境因素的影响,所引起的测量误差为
要减小该项误差,应尽量减小空气间隙及环境温度变化。
2.4 真空管内残余空气的影响
分析表明,在低气压条件下,空气折射率与气压、温度之间存在着比例关系,该项因素对测量的影响可表示为[3]
式中p0是标准大气压;p是真空管内残余气压。当p/p0<1/1000,即p <100Pa时,温度影响可忽略。
3 安装和定位的精度要求
在测量光路中,真空管沿光线轴线放置,两端密封玻璃垂直于测量光线。然而,由于离心机旋转时惯性力的作用以及存在热变形等原因,使真空管发生位移,进而引起测量误差。
3.1 真空管垂直于轴向位置变化对测量的影响
如图2所示,在垂直于光线轴的方向上,真空管密封玻璃本身以及两密封玻璃之间存在平行度误差,当真空管在该方向上移动时,光路将发生变化。
设真空管两密封玻璃之间的平行度误差为δlp,那么由于真空管轴平移d而造成的光程变化为
此处D为密封玻璃直径,激光干涉仪示值变化可写为
3·2 真空管倾斜的影响
如图3所示,离心机工作时,其大臂将发生变形,使真空管倾斜,造成真空光路长度发生变化,同时也使密封玻璃中的光线光程发生变化,从而造成干涉仪的示值变化,设真空管倾斜θ1角,则真空中光路长度变化为
于是,由两密封玻璃板造成的示值改变为
3·3 真空管的安装定位要求
当测量允许误差(δL)已知时,设两密封玻璃板之间的平行度误差为δlp,由公式(12)、(14)可分别求出允许的位移值为
设n=1·0002712,nb=1·5,l=1000mm,D=80mm,h=20mm,且δlp=0·1mm,δhp=2×10-3mm,δL=1×10-4mm,那么d=295mm,d′=4mm,θ1=1·56°,θ1′=0·27°。d和θ1都取上面结果的最小值。可以看出θ1′(θ1)较小,在测量设计中应格外注意真空管的固定和刚度,以免倾斜角超差,δlp的影响可以不考虑。其它的要求是容易满足的。当然,也可以重新设定一些参数已知(如:d,θ1等),然后来限定其它参数(如:δh,δlp)。
4 真空光路参数设计
4.1 真空度的要求
如果真空度引起的示值变化为δL3,由公式(10)可以给出允许的残余气压值为
4.2 密封度的要求
在低气压条件下,空气折射率变化与气压变化之间的关系为[3]
此处,δP是真空管中的气压变化;δn是真空管中与之相应的残余空气的折射率变化。根据公式,δL3′/l =δn/n,δP可表示为
由公式(26)可知,为保证δL3′/l<1×10-8,真空管内由于气体泄露造成的气压变化应限制在3·7Pa以内。
5 结束语
在离心机动态半径干涉测量系统中,由于存在长死程光路,且气流扰动十分严重,空气参数对测量的影响是十分明显的,它造成示值不稳定。当对死程进行真空屏蔽,并对真空管结构进行合理设计时,环境因素的影响可有效地被减小。这一方法为进一步提高系统测量精度提供潜力。该项技术可用于含有长死程光路的位移测量、角度测量、力变形测量和热变形测量。
参考文献:
[1]关信安,袁树忠,刘玉照·双频激光干涉仪[M]·北京:中国计量出版社,1987
[2] Birh K P, Downs M T·Correction to the updated Edlen equation forthe refractive index of air[J]·Metrologia, 1994, 31: 315—316·
[3] Yuan F, Ding Z L, Chen Z·Several key techNIques in the measure-ment of dimensional thermal stability for large size structure[J]·Jour-nal of the CSME, 2000, 21, (2) :147—154·
收稿日期: 2001-05-10;收到修改稿日期: 2001-05-23 基金项目:“九五”国防重点预研项目(9·5·1/A966000-15·)
作者简介:袁峰(1963-),男,黑龙江哈尔滨市人,哈尔滨工业大学副教授,博士,主要从事惯性导航设备及精密仪器的研制工作。
