一种准直测量参考网络装置
技术领域
本实用新型涉及位置监测技术领域，特别涉及一种准直测量参考网络装置，其适用于粒子加速器元器件的快速安装以及调试定位。
背景技术
准直技术，是指准确地测量加速器元件位置的测量技术，它是把加速器元件高精度地安装到理论设计位置的前提和基础。目前，国际上加速器部件的准直定位技术主要基于激光跟踪仪技术。首先在预准直过程中，把加速器磁铁部件的磁中心线和磁中心面，转换为准直标靶的位置。然后在加速器安装过程中，用激光跟踪仪测量准直标靶的位置，根据测量数据调节磁铁部件的位置和姿态。此技术的测量精度可以达到30微米，主要受到激光跟踪仪的仪器本身精度限制。在准直测量过程中，受到环境的变化影响，以及长距离内分段准直测量的误差累积过程影响，实际精度可能更差。为了改善磁铁部件的准直精度，国际上美国BNL实验室发展了振动线测量技术，通过测量振动线的电磁感应信号，准确地测量一个磁铁支架上的磁铁相对位置，精度可以达到30微米。简单的估计，假定储存环的误差放大因子为100倍以上，意味着在现有准直精度下，束流轨道畸变可以达到3毫米，不仅可能已经超过了衍射极限储存环的动力学孔径，而且势必造成明显的动力学孔径和动量孔径恶化，束流难以存储。需要发展基于电子束流的首圈校正技术和支持在线精密调节的高精度磁铁机械支撑技术以克服此困难。因此发展更高精度的准直测量技术，是解决公差影响的首先选择，可以有效地降低首圈束流调试的难度，并可以更好地控制工程技术风险。精确的加速器磁铁位置与姿态准确测量，依赖于各项技术的综合运用。首先，要能够将磁铁的中心平面和中心线高精度的转移到外部“可视”基准——坐标靶座或者基准平面或者基准直线。其次，在小尺度的安装空间中(数米)，也就是本地测量站区域中，应用先进的仪器或者测量技术，能够准确地测量磁铁基准的位置与姿态；最后，对于大型的加速器装置，要求所有元件在全局坐标系中的准确定位，这就需要在转站测量时，实现参考网络的高精度链接。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种准直测量参考网络装置，提高了粒子加速器磁铁安装精度。
本实用新型采用的技术方案为：一种准直测量参考网络装置，包括：准直基准板，提供位置转换与变形监测；支撑架，提供磁铁支撑与基准板位置调节；张紧器，提供引张线张紧与搭接转换；静力水准传感器，用于测量竖直方向的相对位置；线位置传感器，用于测量横向两个方向的位置，其引张线作为系统的基准线，连接不同的基准版；双轴倾斜仪，用于测量准直基准板的姿态。
进一步的，该准直测量参考网络装置包括磁铁、M30X100螺栓、M30螺母、磁铁调高机构、引张线仪、台子支撑、台子A、M12X40内六角螺钉、弹簧垫圈A、短调节座、调节座、M8X50内六角螺钉、M8X30内六角螺钉、弹簧垫圈B、T型调节座、基板、矩形空心支架、引张线仪转换座、静力水准仪底座、电子倾斜仪固定座、电子倾斜仪底座A、电子倾斜仪底座B、板、托板A、托板B、压块、M6X35内六角螺钉、台子B、M12X60螺栓、V型架、M6X30内六角螺栓、压线V型架、1.5英寸陶瓷球、张紧轮挂板、M6X20内六角螺栓、张紧轮轴、张紧轮、深沟球轴承、M16螺母；台子支撑上方焊接台子A；台子A上通过螺栓连接有磁铁调高机构、短调节座、调节座、T型调节座以及基板；将单个基板标定完成，将引张线仪A、静力水准仪、电子倾斜仪、引张线仪B统一到基板坐标系下；随后在每个磁铁组件的台子A上面板两端分别固定安装基板，并使基板长边垂直束流方向，并开始进行离线预准直；预准直采用振动线准直方法，即在待测磁铁中心穿过一条金属导线L1，其直径约为0.5毫米，测量通电导线在磁场中的振动参数，通过调整磁铁位置，使各个磁铁的磁中心与该导线L1重合，此时，L1作为整个组合系统的基准线，左右两块基板上的引张线仪A-引张线仪A同时以L1作为测量目标，记录两个引张线仪A的四个测量值，作为将来现场安装时恢复虚拟基准线的依据，同时两个基板上的两个电子倾斜仪工作，并记录调整结束后的四个读数，作为将来现场测量时恢复该两个基板的姿态依据；在预准直结束后，进入现场安装，首先是直线加速器部分、输运线直线部分、储存环直线节部分的安装；直线加速器部分、输运线直线部分、储存环直线节部分中：将预准直结束的台子支撑和磁铁整体搬运至机器安装现场，通过激光跟踪仪初步就位；通过二级网点建立引张线基准线L2，为了满足大规模安装，需要考虑引张线的搭接，在搭接部分会有第二条基准线L3同时出现，同时搭接部分也可以提高准直测量精度；根据预准直时两个电子倾斜仪的四个读数调节台子支撑的姿态；根据预准直时引张线仪A-引张线仪A的读数，通过各个传感器建立的坐标系之间的关系转换，计算基准线L1在引张线仪B-引张线仪B的位置；调节台子支撑位置使L2在引张线仪B-引张线仪B读数符合反算得到的位置数据；检查两个NIVEL的读数，微调传感器的姿态，符合预准直时的读数，直线部分现场安装结束；在二级铁的上端面上至少安装四个分布合理的适配1.5英寸陶瓷球靶座，磁测时所用的坐标系和元件坐标系建立应该统一，通过三坐标机测量磁铁的特征结构参数来确定坐标系参数，外围的1.5英寸陶瓷球靶座的坐标在该统一的坐标系下由三坐标测量机获得，并作为该磁铁的永久技术参数保留、存档。
本实用新型的原理在于：本实用新型的测量参考网络装置是将引张线仪5、静力水准仪41、电子倾斜仪42合理分布在铟钢基板16上，建立的多套合理叠加的测量系统组合。以引张线仪5测量系统的基准线为直线基准对各元件进行高精度准直调节；同时可以通过静力水准仪在竖直方向提供高精度的数据进行比对与补偿；引张线仪和静力水准仪在同一块基板上，基板的倾斜会对测量结果造成很大的影响，所以需要用电子倾斜仪对倾斜进行监测。
本实用新型的有益效果在于：
(1)本实用新型集合不同高精度传感器的优势，在共平台、共坐标系下实现对关键元部件的全局控制测量，将准直安装精度提高到在100米滑动窗口内相对位置精度好于20微米。
(2)本实用新型保证了粒子加速器磁铁安装的可靠性和可重复性。
(3)本实用新型辅助提高了粒子加速器控制网的精度和网型强度。
附图说明
图1为本实用新型实施例中准直测量参考网络装置的主视示意图。
图2为本实用新型实施例中准直测量参考网络装置的左视以及隐去磁铁后的B剖面示意图。
图3为本实用新型实施例中准直测量参考网络装置的俯视以及A向基础面示意图。
图4为本实用新型实施例中准直测量参考网络装置的张紧器总体结构示意图。
图5为本实用新型实施例中准直测量参考网络装置的未加张紧器的组装结构示意图。
图6为本实用新型实施例中准直测量参考网络装置的加张紧器的组装结构示意图。
图7为本实用新型实施例中准直测量参考网络装置的弯铁部分组装结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步详细说明。
如图1，图2，图3，图4所示，本实用新型的一种准直测量参考网络装置。包括磁铁1、M30X100螺栓2、M30螺母3、磁铁调高机构4、引张线仪5、台子支撑6、台子A7、M12X40内六角螺钉8、弹簧垫圈A9、短调节座10、调节座11、M8X50内六角螺钉12、M8X30内六角螺钉13、弹簧垫圈B14、T型调节座15、基板16、矩形空心支架17、引张线仪转换座18、静力水准仪底座19、电子倾斜仪固定座20、电子倾斜仪底座A21、电子倾斜仪底座B22、板23、托板A24、托板B25、压块26、M6X35内六角螺钉27、台子B28、M12X60螺栓29、V型架30、M6X30内六角螺栓31、压线V型架32、1.5英寸陶瓷球33、张紧轮挂板34、M6X20内六角螺栓35、张紧轮轴36、张紧轮37、深沟球轴承38、M16螺母39。台子支撑6上方焊接台子A7；台子A7上通过螺栓连接有磁铁调高机构4、短调节座10、调节座11、T型调节座15以及基板16；
如图5所示，首先将单个基板16标定完成，将引张线仪A40、静力水准仪41、电子倾斜仪42、引张线仪B43统一到基板16坐标系下。随后在每个磁铁1组件的台子A7上面板两端分别固定安装基板16，并使基板16长边垂直束流方向，并开始进行离线预准直。
如图5所示，预准直采用振动线准直方法，即在待测磁铁1中心穿过一条金属导线L1，其直径约为0.5毫米，测量通电导线在磁场中的振动参数，通过调整磁铁1位置，使各个磁铁1的磁中心与该导线L1重合。此时，L1作为整个组合系统的基准线。左右两块基板16上的引张线仪A40-引张线仪A40同时以L1作为测量目标，记录两个引张线仪A的四个测量值，作为将来现场安装时恢复虚拟基准线的依据。同时两个基板16上的两个电子倾斜仪42工作，并记录调整结束后的四个读数，作为将来现场测量时恢复该两个基板16的姿态依据。四、六极磁铁等多极磁铁都可以运用振动线方法进行预准直。在磁铁设计加工时还要在磁铁1的外围，尤其是上端面固定安装不少于四个1.5英寸陶瓷球靶座44。磁测时所用的坐标系与磁铁1的元件坐标系一致，建立方法是：寻找、固定磁铁1的特征结构，将磁铁1放在三坐标机上测量其特征结构(三坐标机的球中心测量精度和点位测量精度为2微米)，建立元件坐标系，然后测量磁铁1外围(尤其是上端面)1.5英寸陶瓷球靶座44的坐标值，将作为该磁铁1的永久几何标定值，与该磁铁1身份代码一一对应并存档。磁铁1做磁场测量时，标称的磁场位置或者偏离值，应以在上述的元件坐标系下的坐标为基准。根据设计理论值和预准直得到的磁中心实际位置，计算各个1.5英寸陶瓷球靶座44在各个磁铁1元件坐标系下的三维坐标值，将用于现场安装时运用激光跟踪仪的初定位，以及运用弦距尺安装的计算数据。
如图6所示，在预准直结束后，进入现场安装，首先是直线加速器部分、输运线直线部分、储存环直线节部分的安装。第一步，将预准直结束的台子支撑6和磁铁1整体搬运至机器安装现场，通过激光跟踪仪初步就位；第二步，通过二级网点建立引张线基准线L2，为了满足大规模安装，需要考虑引张线的搭接，在搭接部分会有第二条基准线L3同时出现，同时搭接部分也可以提高准直测量精度。第三步，根据预准直时两个电子倾斜仪42的四个读数调节台子支撑6的姿态；第四步，根据预准直时引张线仪A40-引张线仪A40的读数，通过各个传感器建立的坐标系之间的关系转换，计算基准线L1在引张线仪B43-引张线仪B43(搭接部分还包括引张线仪C45-引张线仪C45)的位置(通过引张线仪的读数反映)；调节台子支撑6位置(注意：整体调节台子支撑6上层可调节部分)使L2(L3)在引张线仪B43-引张线仪B43(引张线仪C45-引张线仪C45)读数符合反算得到的位置数据；第五步，检查两个NIVEL的读数，微调传感器的姿态，符合预准直时的读数，直线部分现场安装结束。
如图7所示，粒子加速器的物理结构出现弯转的部分一定伴有二级磁铁的出现，由于二级磁铁不便于用振动线预准直的办法寻找磁中心，需要磁测系统在专用磁测机上进行磁测，并确定磁中心(线)与磁铁外部的准直基准(靶)相对关系参数。为了运用准直参考网络技术完成所有设备的安装，我们在二级铁的上端面上至少安装四个分布合理的适配1.5英寸陶瓷球靶座44。如同多极磁铁预准直过程坐标系的建立方法一样，磁测时所用的坐标系和元件坐标系建立应该统一，通过三坐标机测量磁铁的特征结构参数来确定坐标系参数，外围的1.5英寸陶瓷球靶座44的坐标在该统一的坐标系下由三坐标测量机获得，并作为该磁铁1的永久技术参数保留、存档。具体安装步骤为，第一步，二级磁铁的预准直：二级铁支撑6上端面两端安装准直参考网络基板16，基板16的纵向中心轴夹角等于磁铁的弯转角(此时该中心轴也恰与二级磁铁两端的磁中心线垂直)；根据磁测装置参考基准建立二级磁铁的元件坐标系；磁测过程中建立磁中心与磁铁外围的1.5英寸陶瓷球靶座44严格的几何关系，在元件坐标系中确定这些1.5英寸陶瓷球靶座44的三维坐标；同时在元件坐标系中固定磁中心与两个基板16上的八个1.5英寸陶瓷球33之间的几何关系，确定他们的坐标值；注意，此时两个电子倾斜仪42正常工作，记录预准直结束时它们的读数，以便现场安装时恢复磁铁的姿态；第二步，现场安装时，将磁铁和其支撑整体搬运到现场，运用激光跟踪仪进行初定位，并检核基板16上的1.5英寸陶瓷球33的坐标位置(此时可将元件坐标系转换为机器大坐标系)，点位精度好于0.05毫米；同时根据电子倾斜仪42读数调节磁铁1的姿态；第三步，运用准直参考网络进行二级铁位置的精细调整：二级铁两端的两个基板16分别对应相邻交叉的两个准直网络基准，根据坐标转换，可以计算出理想状态下磁铁外围1.5英寸陶瓷球靶座44的中心到两条基准线L2、L3的理论距离。运用高精度弦距尺测量磁铁上端面四个(或更多)1.5英寸陶瓷球靶座44到两条基准线L2、L3的垂直距离，调整支撑6上层可调整部分，直至这些距离值达到计算值为止，同时检核电子倾斜仪42读数，满足原始读数要求后锁死固定最终位置。至此二级铁现场安装完成。
粒子加速器安装完成后，需要对粒子加速器进行连续长期的和定期的变形监测和分析，传统的变形监测手段主要包括激光跟踪仪、全站仪、水准仪、倾斜仪等测量方法，本实用新型中，由于建立了高精度的准直参考网络，可以实现长期连续的变形监测，即在保证建立网络的基准点不变的前提下，网络中基板16上的引张线仪A40、静力水准仪41、电子倾斜仪42、引张线仪B43、引张线仪C45可以在多方向进行位置变化的监测，它们的读数可以实时(很短周期)上传至计算机中，并进行分析。其中引张线仪A40、引张线仪B43、引张线仪C45可以监测磁铁支撑6横向两个方向的位置变化(该变化可能来自支撑6结构的变形、地面沉降等)、静力水准仪41可以监测磁铁支撑6在竖直方向上变化(该项变化可能来自支撑6的变形、相应位置的地面沉降等)、电子倾斜仪42可以监测水平面上两个方向的倾斜变化。在机器维护阶段可以运用摄影测量手段进行定期的变形检测测量，同时也可以复核检查参考网络监测的成果的精度和可靠性。具体办法是：摄影测量得到各个磁铁1上端面的1.5英寸陶瓷球33和对应位置的引张线仪B43基准直线L2(部分搭接处包含两条基准线L2、L3)，解算1.5英寸陶瓷球33中心到基准直线L2、L3在1.5英寸陶瓷球33中心等高面的线目标的垂直距离，检验它们是否与理论值或者前一期测量值发生变化及变化量，达到监测磁铁的位置变化的目的。同时作为长期变化的分析依据，采用DPA数字摄影测量系统，依次测量得到各个磁铁1相对于引张线L2、L3的位置关系，将每一个观测周期的数据都归算到起始状态下，即以安装后的第一次测量值作为起始状态观测值，再按照最小二乘原理，计算各个周期相对于起始周期的变形值。这些数据对于后期的机器运行、调整、形变预报分析都具有重要意义。
