介绍了一种自主搭建的测量落体在自由下落过程中旋转角速度的装置,评估了不同落体旋转角速度引入的旋转误差对重力测量的影响。针对具有旋转初速度的落体在真空腔内自由下落的运动模型,该装置采用光杠杆原理,将高精度位置传感器(PSD)作为光跟踪设备,研究并推导出落体由旋转所导致的反射光位移与下落时间的关系。然后,对PSD采集记录的时间位移曲线进行拟合,求解落体单次下落的旋转角速度值。在调整真空腔垂直度后,最大旋转角速度值可减小为16.88 mrad/s,引入的重力测值不确定度为0.57 μGal,即该状态下落体的释放更加平稳。实验表明,该装置不仅可以进一步提升绝对重力仪中落体传动机构的装调精度,还可以对光学干涉绝对重力仪工作过程中的落体姿态进行监测,进一步降低落体旋转所引入的测量不确定度。

绝对重力仪是直接开展绝对重力测量的精密计量仪器。绝对重力测量是指对地球表面重力加速度值的直接测量,其在地球科学和计量科学等领域都有十分重要的应用。历史上最早的绝对重力测量约在1590年。1590~1960年,主要利用摆仪的摆长和自由摆周期来开展绝对重力测量。自1960年起,随着激光技术的发明,高精度绝对重力测量有了新的发展,人们开始利用宏观物体自由运动(自由下落或上抛)的方法开展绝对重力测量,形成了激光干涉绝对重力仪。1991年,美国斯坦福大学朱棣文教授小组首次利用冷原子团的自由运动进行绝对重力测量,实现了第一台原子干涉绝对重力仪。中国计量科学研究院是我国最早开展绝对重力仪研制的单位,本文结合中国计量科学研究院绝对重力仪研制经验,综述了激光干涉绝对重力仪和原子干涉绝对重力仪的技术发展,尤其是激光技术的发明对绝对重力仪的技术发展带来的革命性技术变革。

为了减小自由落体式光学干涉型绝对重力仪中光束垂直度对重力测量准确度的影响, 提出了一种基于双层液体光楔对光束的可变偏折实现光束垂直性自校正的快速调节方法。当光束偏离铅锤方向时, 利用液面天然水平的特性, 使液体在重力的作用下形成可变液体光楔, 自上而下的光束经双层液体光楔时光束传播方向发生偏转, 合理地匹配双层液体的折射率, 使它偏离铅锤方向的夹角得到实时修正。搭建光束垂直性自校正装置并进行实验验证, 结果表明, 装置的角度抑制比优于18.0, 当装置倾斜角度不大于2.7′时, 出射光束偏离铅锤方向不超过9.0″, 对应于重力加速度的测量误差小于1 μGal (1 μGal=10-8 m/s2)。将本方案用于自由落体式的重力加速度测量, 仅通过条式水平仪调平便可实现光束垂直性的快速准确调节, 同时还能抑制测量过程中光束垂直性缓变带来的影响。

为了避免用光学干涉法测量自由落体绝对重力过程中落体旋转对测量结果准确度的影响，提出了基于双干涉仪的绝对重力测量方法。介绍了落体旋转影响绝对重力测量结果的机理，提出了对同时测量的两组干涉仪数据进行融合处理的方法。根据预先设定的重力值，双干涉仪中落体上、下反射棱镜光心与质心垂直方向的初始高度差，以及随机生成的每次测量对应的角速度序列和振动引起的上、下干涉仪重力测量偏差序列，进行了仿真计算。结果表明: 光心-质心的距离为2.5 mm的双干涉仪通过数据融合处理得到的重力测量结果的偏差约为0.5 μGal，标准偏差约为0.3 μGal，与现有调校落体光心-质心的方法得到的结果相当。选择合适的上、下棱镜光心-质心距离可以更好地消减落体旋转对测量结果的影响，将其分别设计为±3 mm时，用双干涉法数据融合得到的重力值偏差小于1 μGal，满足相关领域对精密重力测量的需求。