离心机动态失准角测量方法的研究

　　0　引　言

　　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着离 心机的测试精度,必须精确测量以便进行误差的补偿与修正。

　　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0·1″/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≤0·1″,考虑到漂移0·1″/4h,该项因素引入误差δ0=0·14″。

　　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0·6″。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。