精密离心机动态失准角测试系统的设计研究

　　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端部的仪器仓中，如图1 所示(1. 自准直仪支架，2. 自准直仪，3.真空光路的密封玻璃，4.真空管， 5. 真空管的固定环，6.仪器仓口密封玻璃，7.反射镜)，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,可以具有很高的分辨力。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要点

　　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，散热条件十分恶劣，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20 分钟缩短到5 分钟。CCD 像感器是一个有源器件，有较大的耗，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″/4 h，该项因素引入误差δ0=0.14″。