[发明专利]一种零长弹簧自由振动周期的测量系统及方法

说明书

本发明涉及一种零长弹簧自由振动周期的测量系统及方法，在弹簧悬挂装置下悬挂吊装待测弹簧，该待测弹簧下面同轴固装弹簧挂重，在弹簧挂重下表面抛光成反射面；在弹簧挂重下方一侧设置一激光器，在弹簧挂重下方的另一侧依次设置斯密特棱镜、成像透镜及PSD。本发明利用光电法测量零长弹簧振动周期，而且是高精度、非接触式测量，消除了对弹簧伸长量测量的要求；对PSD采集到的波形进行频谱分析，可有效降低位置误差带来的测量误差，从原理上提高测量精度。

技术领域

本发明属于重力测量领域，涉及零长弹簧弹性系数随温度变化的特性研究，尤其是一种零长弹簧自由振动周期的测量系统及方法。

背景技术

零长弹簧是高精度海洋重力仪的核心敏感元件。弹性系数是零长弹簧最主要的参数，它随温度的变化而变化。弹性系数随温度的变化反映在零长弹簧伸长量的变化，通过力反馈回路由重力敏感器的输出而直观地表现出来。测量弹簧伸长量一般可通过“静力法”来测量。所谓“静力法”是将弹簧悬挂在支架上，将弹簧拉伸一定距离，通过测量拉力与伸长量的变化，即可得到弹性系数，比较不同温度下测量结果就可得到弹性系数与温度的变化关系。

但是，“静力法”对测量仪器的要求很高，在测量过程中很难将弹簧伸长量的变化与弹簧悬挂支架的伸长量变化分离出来，将造成极大的测量误差。根据弹簧伸长量的计算公式和弹簧振动公式，经过推导可以得到不同温度下弹性系数与振动周期之间的关系式，利用此关系式即可将难以准确测量的力测量和伸长量测量转化为容易准确测量的时间测量。

目前已有的测量弹簧振动周期的仪器或装置大多采用焦利秤，人眼读取弹簧伸长量，采用霍尔传感器进行周期测量，这种方式测量精度不能达到要求，并且没有涉及在不同温度下对弹簧振动周期进行测量。

通过公开专利文献的检索，没有发现与本发明申请相关的公开专利文献的记载。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中测量精度低缺点，提出一种零长弹簧自由振动周期的测量系统及方法，该系统及方法利用“光电法”对零长弹簧的自由振动周期进行高精度、非接触式测量，为研究零长弹簧弹性系数随温度的变化关系提供基础。

本发明实现目的的技术方案是：

一种零长弹簧自由振动周期的测量系统，包括弹簧悬挂装置、待测弹簧、弹簧挂重、光源、斯密特棱镜、成像透镜及PSD，在弹簧悬挂装置下悬挂吊装待测弹簧，该待测弹簧下面同轴固装弹簧挂重，在弹簧挂重下表面抛光成反射面；在弹簧挂重下方一侧设置一激光器，在弹簧挂重下方的另一侧依次设置斯密特棱镜、成像透镜及PSD，光源发射的激光经过弹簧挂重的反射面反射到斯密特棱镜上，该激光经过斯密特棱镜的反射、折射后水平射向成像透镜上，经过成像透镜的折射到达PSD上， PSD将光斑信号转换为电信号，该信号由信号采集及处理系统传输给上位机，经过测试软件运算后使零长弹簧自由振动周期的测量过程及结果直观地显示出来。

而且，所述弹簧挂重的大圆直径为50mm，小圆外径为40mm，下表面抛光；挂重上表面径向均匀分布3×5个螺孔，上面共旋入3个螺钉来保证质量；当挂重旋入弹簧后，若挂重发生倾斜，通过改变螺钉的位置来使挂重水平。

而且，所述斯密特棱镜底面镀高反膜以调节光线角度及对准。

而且，所述光源包含激光器及准直器，激光器发出一束功率可调的光线，通过光纤耦合到准直器，在激光器的供电电源与激光器之间串联一个电位器，调整电位器阻值，即改变激光器的驱动电压就可调节激光器的功率。

而且，所述PSD选用二维PSD，采用±12V供电，输出为四路±10V范围内的电压信号。