[发明专利]一种微小压力光学测量方法与校准装置

说明书

本发明公开的一种微小压力光学测量方法与校准装置，属于计量测试技术领域。本发明主要由振动台、活塞、变容积机构、压力测试腔、激光干涉测量系统和控制系统组成。压力测试腔与变容积机构连接，振动台与活塞杆连接，活塞杆深入变容积机构内，振动台运动驱动变容积机构使其内压力腔容积变化，同时带动压力测试腔内的压力产生变化。利用激光干涉光学系统实现微小压力的高精度溯源，其中压力测试腔内有多个高反射面，通过对入射光的多次反射，增加腔内激光传输路径，在小尺寸压力腔内增大测量光程，解决腔长尺寸和压力稳定性、动态响应之间的矛盾，提高压力测量的灵敏度和精度，能够实现针对微小静态或动态压力的精确测量和校准。

技术领域

本发明涉及一种微小压力光学测量方法与校准装置，属于计量测试技术领域。

背景技术

压力是力学计量和测试的重要参数之一，其在航空、航天、核工业、舰船、兵器等领域应用非常广泛。在国防工业测试过程中，压力量值的准确与否直接影响到国防工业各个领域的安全和发展。为了提高压力计量的精度，人们充分利用激光干涉等光学测量的高精度、高分辨率、高动态的特性，把光学测量手段用于压力测量，在一定程度上提高了压力的测量精度，并有望建立更高精度的压力标准和动态压力标准。其中，基于折射率的光学压力测量是目前最常用的激光测压方式，其测量原理为利用激光干涉仪测量通过气体压力腔内的激光光程(即物理腔长乘与气体折射率)变化量，得到压力腔内气体的折射率变化，进一步得到压力值。专利《一种可溯源液体正弦压力校准装置》(专利号CN 106153249A)，以及《惯性力法气体动态压力激光干涉测量系统及方法》(专利号CN 108955997A)都公开了利用激光干涉光学系统完成不同介质下的压力测量和溯源。压力测量精度受到激光干涉仪和压力腔的长度尺寸的制约，对于同一性能的激光干涉仪，腔长尺寸越大，压力测量的灵敏度越高，但是由于压力测量空间的增大，相应的腔内的压力稳定性和动态响应也会变差。特别是在开展微小压力高精度测量时，这种矛盾更为明显。

发明内容

为解决目前光学压力测量中，腔长尺寸和压力稳定性、动态响应矛盾导致的微小压力精确测量困难的问题，本发明的目的是提供一种微小压力光学测量方法与校准装置，能够实现小空间环境下光学微小压力高精度测量和微小压力校准，提高压力测量的灵敏度和精度。本发明同时能够用于静态微小压力和动态微小压力的精确测量和校准。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明公开的一种微小压力光学校准装置，主要由振动台、活塞、变容积机构、压力测试腔、激光干涉测量系统和控制系统组成。

压力测试腔与变容积机构连接，振动台与活塞杆连接，活塞杆深入变容积机构内，振动台运动驱动变容积机构使其内压力腔容积变化，同时带动压力测试腔内的压力产生变化。

激光干涉测量系统中的激光头固定在隔振平台上，隔振平台与振动台、活塞、变容积机构、压力测试腔无接触。

压力测试腔内有多个高反射面，用于实现腔内光路的多次反射，增加激光传输路径。

压力测试腔侧壁开有通光孔，用于激光信号与外界的传输。

压力测试腔内的高反射面是两个或者更多，通过设置反射面位置和调节入射光角度，实现激光在压力测试腔内传输路径的增加，并使反射光回到激光干涉仪的激光探头。

压力测试腔下壁上有安装接口和压力传输窗口，用于与被测气体连通，使压力测试腔内气体压力与变容积机构内气体压力一致；

压力测试腔侧壁通光孔为一个或多个，在孔外放置反射镜将激光反射回压力测试腔内。

调压结构连接气源与真空泵，用于压力测试腔初始压力的控制。

变容积机构内采用圆柱型结构，其内部产生压力p(t)与振动位移x(t)之间的关系为：