用于精密离心机静态半径测量的方法与装置

摘要

本发明公开了一种用于精密离心机静态半径测量的方法，包括以下步骤：测量重力加速度；以lg附近的重力加速度为基准，读出待测加速度计对应的输出电压值Ug；安装待测加速度计；调整方位失准角和俯仰失准角；驱动精密离心机，获得与电压值Ug对应的角速度；重新调整旋转角速率，使待测加速度计的输出电压为区间[0,Ug)内的一个值；计算精密离心机的静态半径。本发明还公开了一种用于精密离心机静态半径测量的装置，包括与精密离心机主轴连接并同步旋转的旋转装置和安装于旋转装置上的加速度计，加速度计的输入轴与精密离心机的工作半径重合或基本重合。本发明通过待测加速度计的输出电压值来反算静态半径，降低仪器和安装误差影响，提高了测量精度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于精密离心机的测量方法与装置，尤其涉及一种用于精密离心机静态半径测量的方法与装置。 

背景技术

目前，公知的精密离心机静态半径测量方法主要是采用精密量块、基准环等进行直接测量，一般测量得到的是定位平台边沿到主轴回转轴线平均线的距离，该方法的缺点是测量环节多，加速度计质心和夹具的安装位置很难精确控制，而且受主轴回转误差影响较大，测量精度较低。 

此外，也有学者在重力加速度下通过加速度计输出来反算精密离心机的静态半径，以该重力加速度下的静态半径作为精密离心机的基准半径值，这种方法测量得到的静态半径是严格意义上的加速度计质心到主轴回转中心的距离，但目前所提出的这些反算法有的没有考虑俯仰失准角的影响，有的对俯仰失准角考虑不够全面（详细内容可见文献“张志明,龙祖洪.JJF1116-2004,线加速度计的精密离心机校准规范[S].北京：中国质检出版社,2004.”以及“吴付岗,王军.精密离心机加速度载荷模型研究[J].机械工程学报,2010,46(18),36-40.”），导致其静态半径反算法只能适用于一般精度即10?5量级以上的精密离心机。原因在于这些反算法中能够测量得到的俯仰失准角只是精密离心机定位平台与水平面之间的夹角，其测量方法忽略了加速度计输入轴及安装夹具引入的俯仰失准角。加速度计输入加速度中，俯仰失准角对重力加速度的影响特别敏感，2"的俯仰失准角就将导致接近10^-4m/s²的加速度偏差，从而导致了目前这些反算法不能直接应用于更高精度的精密离心机静态半径测量。 

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种用于精密离心机静态半径高精度测量的方法与装置。 

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案： 

本发明所述用于精密离心机静态半径测量的方法，包括以下步骤： 

（1）利用绝对重力仪测量精密离心机所在地的重力加速度α_g； 

（2）利用精密分度头在重力场下标校出待测加速度计的标度因素，并且以l_g附近的重力加速度α_g为基准，读出对应的输出电压值U_g； 

（3）将待测加速度计安装到与精密离心机主轴连接并同步旋转的安装工具上； 

（4）调整方位失准角和俯仰失准角，使待测加速度计的输入轴与精密离心机的工作半径方向趋于重合； 

（5）驱动精密离心机转动，调整精密离心机的旋转角速率，使待测加速度计的输出电压为重力场下标校好的重力加速度α_g对应的电压值U_g，对应的精密离心机旋转角速度记为ω_g； 

（6）重新调整精密离心机的旋转角速率，使待测加速度计的输出电压为区间[0,U_g)内的一个值，记该输出电压的值为U_x，该输出电压U_x对应的加速度输入值记为α_X； 

（7）根据步骤（5）和步骤（6）中两次待测加速度计的输出数据及其它相关的测量数据，采用以下公式计算精密离心机的静态半径： 

$R=\frac{a_g-g({\lambda }_g+\lambda )}{{\omega }_g^2\pm 2{\omega }_g{\omega }_{ϵ}\sin \theta }$   （式I） 

式I中，R为精密离心机的静态半径，α_g为精密离心机所在地的重力加速 度，ω_ε为地球自转角速度，ω_X为待测加速度计输入值为α_X时的精密离心机旋转角速度，ω_g为待测加速度计输入值为α_g时的精密离心机旋转角速度，θ为精密离心机所在地的地球纬度，λ_g为精密离心机旋转角速度为ω_g时测量得到的待测加速度计输入轴相对于地球表面的俯仰失准角，λ为无法通过测量确定出的俯仰失准角； 

式I中的λ采用下述式II或式III计算： 

$\lambda =\frac{a_x-g{\lambda }_x-\frac{{\omega }_x^2\pm 2{\omega }_x{\omega }_{ϵ}\sin \theta }{{\omega }_g^2+2{\omega }_g{\omega }_{ϵ}\sin \theta }·(a_g-g{\lambda }_g)}{g(1-\frac{{\omega }_x^2\pm 2{\omega }_x{\omega }_{ϵ}\sin \theta }{{\omega }_g^2\pm 2{\omega }_g{\omega }_{ϵ}\sin \theta })}$   （式II） 

$\lambda =\frac{a_x-g{\lambda }_x-\frac{{\omega }_x^2}{{\omega }_g^2}·(a_g-g{\lambda }_g)}{g(1-\frac{{\omega }_x^2}{{\omega }_g^2})}$   （式III） 

式II和式III中，λ_x为精密离心机旋转角速度为ω_X时测量得到的待测加速度计输入轴相对于地球表面的俯仰失准角。 

为了进一步提高测量精度，所述步骤（6）中，调整精密离心机的旋转角速度，选择区间[0，U_g)内的多个不同电压值作为待测加速度计的电压输出值；所述步骤（7）中，根据待测加速度计的多个不同电压输出值，计算出多个不同精密离心机的静态半径，将多个不同的静态半径通过加权平均数据处理后，得到精密离心机最终的静态半径。 

具体地，所述步骤（3）中，所述安装工具可以为定位平台，所述定位平台安装于精密离心机转盘的边缘，所述精密离心机转盘与所述精密离心机主轴连接。 

所述步骤（3）中，所述安装工具也可以为安装夹具，所述安装夹具安装于精密离心机大臂的外端，所述精密离心机大臂与所述精密离心机主轴连接。 

本发明所述用于精密离心机静态半径测量的装置，包括与所述精密离心机主轴连接并同步旋转的旋转装置和安装于所述旋转装置上的加速度计，所述加速度计的输入轴与所述精密离心机的工作半径重合或基本重合。 

具体地，所述旋转装置可以为精密离心机转盘，所述精密离心机转盘的边缘安装有定位平台，所述加速度计安装于所述定位平台上。 

所述旋转装置也可以为精密离心机大臂，所述精密离心机大臂的外端安装有安装夹具，所述加速度计安装于所述安装夹具上。 

本发明的有益效果在于： 

本发明通过在重力加速度下根据待测加速度计的输出电压值来反算静态半径的方法，并通过两次或更多次反算，分离俯仰失准角，降低了加速度计制造误差及夹具安装带来的不可测量的俯仰失准角对静态半径测量精度的影响，补偿了待测加速度计一次静态模型标定中的部分系统误差，从而提高了测量精度，可满足加速度相对标准不确定度为10^-5量级以下的精密离心机的静态半径高精度测量需求。 

附图说明

图1是本发明所述用于精密离心机静态半径测量的方法的流程图； 

图2是本发明所述用于精密离心机静态半径测量的装置的主视结构示意图之一； 

图3是本发明所述用于精密离心机静态半径测量的装置的主视结构示意图之二。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步具体描述： 

如图1所示，本发明所述用于精密离心机静态半径测量的方法，包括以下步骤： 

（1）利用绝对重力仪测量精密离心机所在地的重力加速度α_g； 

（2）利用精密分度头在重力场下标校出待测加速度计的标度因素，并且以l_g附近的重力加速度α_g为基准，读出对应的输出电压值U_g； 

（3）将待测加速度计安装到与精密离心机主轴连接并同步旋转的安装工具上； 

（4）调整方位失准角和俯仰失准角，使待测加速度计的输入轴与精密离心机的工作半径方向趋于重合； 

（5）驱动精密离心机转动，调整精密离心机的旋转角速率，使待测加速度计的输出电压为重力场下标校好的重力加速度α_g对应的电压值U_g，对应的精密离心机旋转角速度记为ω_g； 

（6）重新调整精密离心机的旋转角速率，使待测加速度计的输出电压为区间[0,U_g)内的一个值，记该输出电压的值为U_x，该输出电压U_x对应的加速度输入值记为α_X； 

（7）根据步骤（5）和步骤（6）中两次待测加速度计的输出数据及其它相关的测量数据，采用以下公式计算精密离心机的静态半径： 

$R=\frac{a_g-g({\lambda }_g+\lambda )}{{\omega }_g^2\pm 2{\omega }_g{\omega }_{ϵ}\sin \theta }$   （式I） 

式I中，R为精密离心机的静态半径，α_g为精密离心机所在地的重力加速度，ω_ε为地球自转角速度，ω_X为待测加速度计输入值为α_X时的精密离心机旋转角速度，ω_g为待测加速度计输入值为α_g时的精密离心机旋转角速度，θ为 精密离心机所在地的地球纬度，λ_g为精密离心机旋转角速度为ω_g时测量得到的待测加速度计输入轴相对于地球表面的俯仰失准角，λ为无法通过测量确定出的俯仰失准角； 

式I中的λ采用下述式II或式III计算： 

$\lambda =\frac{a_x-g{\lambda }_x-\frac{{\omega }_x^2\pm 2{\omega }_x{\omega }_{ϵ}\sin \theta }{{\omega }_g^2+2{\omega }_g{\omega }_{ϵ}\sin \theta }·(a_g-g{\lambda }_g)}{g(1-\frac{{\omega }_x^2\pm 2{\omega }_x{\omega }_{ϵ}\sin \theta }{{\omega }_g^2\pm 2{\omega }_g{\omega }_{ϵ}\sin \theta })}$   （式II） 

$\lambda =\frac{a_x-g{\lambda }_x-\frac{{\omega }_x^2}{{\omega }_g^2}·(a_g-g{\lambda }_g)}{g(1-\frac{{\omega }_x^2}{{\omega }_g^2})}$   （式III） 

式II和式III中，λ_x为精密离心机旋转角速度为ω_X时测量得到的待测加速度计输入轴相对于地球表面的俯仰失准角。 

上述七个步骤能够比较准确地测量精密离心机的静态半径，为了进一步提高测量精度，还可在上述方法基础上进行如下改进：所述步骤（6）中，调整精密离心机的旋转角速度，选择区间[0，U_g)内的多个不同电压值作为待测加速度计的电压输出值；所述步骤（7）中，根据待测加速度计的多个不同电压输出值，计算出多个不同精密离心机的静态半径，将多个不同的静态半径通过加权平均数据处理后，得到精密离心机最终的静态半径。加权平均数据处理采用常规方法即可。 

上述所述步骤（3）中，安装工具可以为定位平台，定位平台安装于精密离心机转盘的边缘，精密离心机转盘与精密离心机主轴连接；安装工具也可以为安装夹具，安装夹具安装于精密离心机大臂的外端，精密离心机大臂与精密离 心机主轴连接。 

如图2和图3所示，本发明所述用于精密离心机静态半径测量的装置，包括与精密离心机主轴2连接并同步旋转的旋转装置和安装于旋转装置上的加速度计5，加速度计5的输入轴与精密离心机的工作半径R重合或基本重合。图中还示出了精密离心机地基3。 

如图2所示，所述旋转装置可以为精密离心机转盘1，精密离心机转盘1的边缘安装有定位平台6，加速度计5安装于定位平台6上。 

如图3所示，所述旋转装置也可以为精密离心机大臂7，精密离心机大臂7的外端安装有安装夹具4，加速度计5安装于安装夹具4上。 

如图2和图3所示，工作时，精密离心机主轴2由电机（图中未示出）带动旋转，精密离心机主轴2带动精密离心机转盘1或精密离心机大臂7旋转，带动精密离心机转盘1带动定位平台6旋转或精密离心机大臂7带动安装夹具4旋转，定位平台6或安装夹具4带动加速度计5旋转，从而可以获得R、α_g、ω_g、λ_g、ω_ε、α_X、ω_X和λ_x的取值，再结合θ的取值，根据式I和式II，或式I和式III，即可计算精密离心机静态半径。