一种磁悬浮落体舱系统及自由落体式绝对重力仪

具体实施方式

参照图1，本发明的自由落体式绝对重力仪包括支架1、落体舱系统2、离子泵3、光学干涉系统4、震动隔离系统5、激光器6、原子钟7和控制器8。支架1安装于落体舱系统2底部，用于支承落体舱系统2，支架1下连接光学干涉系统4，光学干涉系统4位于落体舱系统2的正下方，二者相隔一小段距离。

本发明中的光学干涉系统4与现有技术中光学干涉系统的结构一样，其包括棱镜组、探测器40、观察窗41、望远镜42。该棱镜组包括调节反射镜43、反射镜44、第一分光镜45以及第二分光镜46，其中第一分光镜45、第二分光镜46和望远镜42、观察窗41位于同一水平直线上；探测器40、第二分光镜46和调节反射镜43位于同一竖直直线上。

本发明中的震动隔离系统5也与现有技术中震动隔离系统的结构一样，主要包括一个弹簧组/阻尼装置50，弹簧组/阻尼装置50的主弹簧的底部悬挂一参考棱镜51，弹簧组/阻尼装置50为参考棱镜51提供一个伪惯性系统。参考棱镜51也为角隅棱镜。震动隔离系统5用于隔绝地面震动对仪器的影响。

参照图2及图3所示，本发明的落体舱系统2包括真空腔体20、设于真空腔体20内的落体舱21。落体舱21包括顶盘201、底盘226、设于顶盘201和底盘226之间的导轨、落体质量块218和托架装置224。本实施例中，顶盘201和底盘226之间通过两根相对设置的导轨211a和两根相对设置的支撑轨211b连接，导轨211a和支撑轨211b连接顶盘201与底盘226形成一个框架整体，其中，导轨211a为托架装置224上下运动的导轨，导轨211a的两端分别设有驱动电磁阀208；支撑轨211b仅起支撑作用，支撑轨211b底端装有用于探测托架装置224的传感器227。

顶盘201的中心位置处沿托架装置224的运动方向设置一导向定位槽209，导向定位槽209上部安装有两个电磁弹性夹头202。以导向定位槽209为中心，顶盘201上还分布设置了四个落体质量块锁定装置，该落体质量块锁定装置包括压力电磁阀203、设于压力电磁阀203下方的压力弹簧204、设于压力弹簧204下方的吸引板205、设于吸引板205下方的第二弹性电磁阀206以及压触头207。顶盘201上还设有一位于落体质量块锁定装置下方的容纳凹腔201A，导轨211a顶端的驱动电磁阀208位于容纳凹腔201A的侧壁上，容纳凹腔201A侧壁上设有第一弹性电磁阀210，本实施例中，该第一弹性电磁阀210位于支撑轨211b的上方，第一弹性电磁阀210用于将托架装置锁定于导轨顶部，方便运输。

同时参照图4和图5，两根导轨211a上分别套设有滑动套219，托架装置224通过滑动套219滑动安装于导轨211a上，滑动套219内也设有驱动电磁阀(未图示)。落体质量块218可动地安装在托架装置224内，落体质量块218与托架装置224可无接触分离。托架装置224相对的两侧框架侧壁上分别设有LED216和探测器223，托架装置224的框架上还设有可与第一弹性电磁阀210相互锁定的锁定槽215(图2、图4)，本实施例中，锁定槽215位于LED216和探测器223的上方。

落体质量块218顶部设有通过连接杆214连接的压板213，压板213上表面的中心位置处设有一导向杆212，导向杆212可伸入顶盘201的导向定位槽209中。落体质量块218底部设有锥形定位突起221，托架装置224底壁上也设有与锥形定位突起221位置相对应的锥形槽222，用于保证每次完成下落后落体质量块218与托架装置224保持正确的空间位置；同时保证落体质量块218顶部的导向杆212能正确插入顶盘201的导向定位槽209中。落体质量块218中设有角隅棱镜220，角隅棱镜220上方设置透镜217，通过透镜217、LED216与探测器223可监视落体质量块218与托架装置224底部距离，从而判断二者在下落过程中是否互相分离。

滑动套219内的驱动电磁阀(未图示)和位于顶盘201和底盘226间的驱动电磁阀208组成本发明的电磁驱动系统，作用是在托架装置224下落末段使其逐渐减速至零，并反向将托架装置224推至导轨上部，准备第二次下落。支撑轨211b下部的传感器227在落托架装置224下落至传感器位置时将信号反馈至如计算机等控制系统，电磁驱动系统按预定程序通电工作。

顶盘201的容纳凹腔201A用于容纳托架装置224的上部与压板213。在驱动电磁阀208的驱动下，托架装置224与落体质量块218可沿导轨211a上下滑动。

参照图3和图4，是托架装置224和落体质量块218锁定于顶盘201上的局部示意图。顶盘201上部的落体质量块锁定装置在仪器不工作时可将落体质量块218与托架装置224紧紧锁定在顶盘201下部；当仪器处于工作状态时，落体质量块锁定装置处于非工作状态，不干扰正常测量。托架装置224与落体质量块218锁定在顶盘201下部的步骤是：平时落体质量块锁定装置的第二弹性电磁阀206将吸引板205卡于上方，压力弹簧204收缩；锁定时容纳凹腔201A侧壁上的第一弹性电磁阀210断电弹出，插入托架装置224两侧框架的锁定槽215内，将托架装置224与顶盘201固定在一起；然后第二弹性电磁阀206通电收起时，压力电磁阀203断电，释放压力弹簧204，将落体质量块218压在托架装置224上，从而保证系统在搬运或运输过程中的安全。

导向定位槽209上的电磁弹性夹头202在电磁阀的控制下可夹住或放开落体质量块218的导向杆212，电磁弹性夹头202通电后可夹紧插入的导向杆212，每次下落都是电磁驱动系统先断，使托架装置224下落一小段距离后，电磁弹性夹头202再松开导向杆212，从而使托架装置224与落体质量块218相互分离。托架装置224上的探测器223可探测托架装置224与落体质量块218的位置，从而判断下落过程中二者是否完全相互分离。

处于非工作状态时，落体质量块218与托架装置224被顶盘201内的锁定装置紧紧固定在顶盘201下部；处于工作状态时，锁定装置不工作，托架装置224与落体质量块218完全由磁悬浮系统控制，可沿导轨自由上下运动。落体质量块218下落过程中磁悬浮系统处于断电状态，当托架装置224通过导轨下部传感器227时，磁悬浮系统再次加电工作。落体质量块下落末端由磁悬浮系统控制托架装置224将其缓缓托住并反向运送至落体舱顶部初始下落位置。

以下对本发明的落体舱系统的工作过程作进一步的说明：

测量时，首先驱动电磁阀208将托架装置224和落体质量块218依次解锁，即导向定位槽209上部电磁弹性夹头202通电，将落体质量块218夹住，而驱动电磁阀208断电，托架装置224下落；当托架装置224下落一小段距离后，导向定位槽209上的电磁弹性夹头202断电，松开导向杆212，释放落体质量块218，此时可保证托架装置224与落体质量块218相互分离，落体质量块218顶部的导向杆212保证落体质量块218下落姿态正确，不偏转；

当托架装置224下落经过底盘226上的传感器227时，驱动电磁阀208通电，托架装置224逐渐减速至零再反向向上运动至顶盘201下，完成一次测量；

驱动电磁阀208将托架装置224托举至导轨211a顶部后，导向定位槽209内电磁弹性夹头202夹紧落体质量块218，准备下一次落体测量，若测量结束，则由锁定装置将托架装置224和落体质量块218固定在顶盘201上。

以下对本发明的工作过程作进一步的说明：

激光器、落体舱系统、光学干涉系统和震动隔离系统组成一架迈克尔逊干涉仪，落体质量块可在落体舱内无阻力自由下落，下落距离由迈克尔逊干涉仪测量，外部原子钟通过电子系统测量落体质量块下落时间。所测“距离一时间”数据代入落体运动方程由控制器求解重力加速度。控制器可以是外部电脑，测量原始数据直接传输到外部电脑的控制器，控制器安装有数据解算软件，可对原始数据进行粗差剔除、数据解算、最小二乘拟合等处理。

激光器6产生的激光经光纤引导后传递至光学干涉系统4，并在第一分光镜45处被分成水平光束和竖直光束，水平光束直接射至第二分光镜46；竖直光束则向上射至落体舱2内，经落体质量块218中的角隅棱镜25向下反射至震动隔离系统5中的参考棱镜51，再次被向上反射，经反射镜44和调节反射镜43反射射至第二分光镜46，与水平光束汇合。水平光束和竖直光束分别在第二分光镜46被分光，二者分光后的水平光束与竖直光束分别汇合成水平汇合光束和竖直汇合光束。竖直汇合光束向上射至探测器40，经探测器40转化为电信号传输至外部控制系统。水平汇合光束水平运动至望远镜42，经望远镜42调整后在观察窗41形成干涉条纹。竖直光束携带落体舱21内落体质量块218下落的距离信息，并将其传输至探测器40转化为电信号，最后被送至外部控制器，同时原子钟7提供的时间信息也被传输至外部控制器，外部控制器结合落体质量块218下落的距离信息和时间信息解算重力加速度(g)。

为防止电磁力干扰测量结果，本发明中使用的电磁阀和吸引板均由电工纯铁制成，其余部件由非磁性材料制作，真空腔内部衬砌一层磁屏蔽材料。

参照图4，为本发明的第二实施例，与第一实施例不同的地方在于：落体舱系统2中的滑动套219上外侧壁设置径向突出部2190，驱动电磁阀208下方设置容纳槽280、容纳槽280侧壁上设置第一弹性电磁阀210。落体质量块218中设有角隅棱镜220，顶部设有导向杆212，底部设有锥形定位突起221。当托架装置224被托举至导轨211a顶部时，滑动套219顶部伸入容纳槽280中，第一弹性电磁阀210断电弹出，卡在径向突出部2190的下方，可将托架装置224固定于顶部。其它工作方式与第一实施例中的相同。

参照图5，为本发明的第三实施例，与第一实施例不同的地方在于：第三实施例中落体舱系统2的托架装置不用锁定于导轨顶部，导轨211a两端设置驱动电磁阀208，用于托运托架装置224，运输时，将托架装置224置于导轨底部即可。其它工作方式与第一实施例中的相同。

参照图6，为本发明的第四实施例，与第一实施例不同的地方在于：落体舱系统2中的导轨211a两端设有驱动电磁阀208，落体舱底部设有用于缓冲落体质量块218的缓冲垫230；导轨211a上套设有内设驱动电磁阀的滑动套219，托架装置224通过滑动套219滑动安装于导轨211a上。导向定位槽209设在托架装置224，导向定位槽209上部也设有两个电磁弹性夹头202。落体质量块218位于托架装置224的下方，落体质量块218的顶部设有可伸入导向定位槽209中的导向杆212，落体质量块218中设有角隅棱镜220。落体质量块218落下后，落在缓冲垫230上，电磁驱动系统按预定程序通电工作，驱动电磁阀208工作，使托架装置224向下运动，落体质量块218的导向杆212插入托架装置224的导向定位槽209中，电磁弹性夹头202将导向杆212夹住，托架装置224向上运动时，将落体质量块218运至顶端。测量时，电磁弹性夹头202断电将导向杆212松开，落体质量块218下落。

本发明相对现有技术具有以下优点：

1、采用磁场驱动托架装置运动，相对于电动马达等机械式托动，具有结构简单，可靠性好的优点；

2、通过顶盘的导向定位槽和落体质量块上的导向杆、以及落体质量块底部的锥形定位突起和托架装置底壁上的锥形定位槽，可保证落体质量块下落时姿态的旋转量，以免对测量精度产生影响；

3、通过设置锁定装置，在搬运过程中将托架装置和落体质量块锁定于落体舱的顶部，方便运输；

4、本发明无磨损较大部件，无需定期更换耗材，故障率低，降低了维护成本。

当然，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之中。