BRPI0914108B1 - Gradiômetro de gravidade para detectar um gradiente de gravidade e método para detectar um sinal de gradiente de gravidade - Google Patents

Abstract

gradiômetro de gravidade para detectar um gradiente de gravidade e método para detectar um sinal de gradiente de gravidade a presente invenção proporciona um gradiômetro de gravidade para detectar um gradiente de gravidade. o gradiômetro de gravidade compreende pelo menos duas massas sensoras que são articuláveis em torno de eixos geométricos respectivos e cada uma experimenta uma mudança no torque em resposta a uma mudança no gradiente de gravidade, pelo que as pelo menos duas massas sensoras se movem em relação uma à outra em resposta à mudança no gradiente de gravidade e em que um sinal indicador do gradiente de gravidade é gerado em resposta ao movimento relativo das pelo menos duas massas sensoras. além disso, o gradiômetro de gravidade compreende um sensor de aceleração para detectar uma aceleração associada com uma aceleração externa aplicada ao gradiômetro de gravidade. o gradiômetro de gravidade também compreende um acionador para gerar uma força de ajustagem que é dependente de uma aceleração detectada pelo sensor de aceleração. a força de ajuste também é dependente de um parâmetro de resposta mecânica associado com pelo menos uma das pelo menos duas massas sensoras. a força de ajuste é aplicada de forma que uma diferença entre as magnitudes dos torques experimentados pelas pelo menos duas massas sensoras em resposta à mudança no gradiente de gravidade é reduzida.

Description

“GRADIÔMETRO DE GRAVIDADE PARA DETECTAR UM GRADIENTE DE GRAVIDADE E MÉTODO PARA DETECTAR UM SINAL DE GRADIENTE DE GRAVIDADE" Campo técnico [001] A presente invenção se refere a um detector para detectar um gradiente de gravidade e a um gradiômetro de gravidade.

Descrição do estado da técnica [002] Os gravímetros são usados na exploração geológica para medir as primeiras derivadas do campo gravitacional da Terra. Embora alguns avanços tenham sido feitos no desenvolvimento de gravímetros que podem medir as primeiras derivadas do campo gravitacional da Terra, por causa da dificuldade em diferençar variações espaciais do campo em relação a flutuações temporais de acelerações de um veículo em movimento, usualmente estas medições podem ser realizadas com precisão suficiente para uma exploração útil somente com instrumentos estacionários baseados em terra.

[003] Os gradiômetros de gravidade (diferentes dos gravímetros) são usados para medir a segunda derivada do campo gravitacional e usam um sensor que é requerido para medir as diferenças entre as forças gravitacionais até uma parte em 1012 de gravidade normal.

[004] Um gradiômetro de gravidade tipicamente tem um sensor na forma de pelo menos uma massa sensora que experimenta uma mudança no torque em resposta a uma mudança no gradiente de gravidade.

[005] Os gradiômetros de gravidade têm sido usados para localizar depósitos, tais como depósitos de minério, incluindo minério de ferro e estruturas geológicas dotadas de hidrocarbonetos. Seria conveniente se os gradiômetros de gravidade pudessem ser posicionados em aeronaves para realizar essas análises. Entretanto, as acelerações das aeronaves resultam em torques que são muito maiores do que aqueles associados com o gradiente de gravidade. Uma redução de uma influência dessas acelerações de aeronaves no sensor proporciona um desafio tecnológico.

Sumário da presente invenção [006] A presente invenção proporciona, em um primeiro aspecto, um gradiômetro de gravidade para detectar um gradiente de gravidade, que compreende: pelo menos duas massas sensoras que são articuláveis em torno de eixos geométricos respectivos e cada uma experimenta uma mudança no torque em resposta a uma mudança no gradiente de gravidade, pelo que as pelo menos duas massas sensoras se movem em relação uma à outra em resposta à mudança no gradiente de gravidade e em que um sinal indicador do gradiente de gravidade é gerado em resposta ao movimento relativo das pelo menos duas massas sensoras; um sensor de aceleração para detectar uma aceleração associada com uma aceleração externa aplicada ao gradiômetro de gravidade, e um acionador para gerar uma força de ajuste que é dependente de uma aceleração detectada pelo sensor de aceleração, a força de ajuste também sendo dependente de um parâmetro de resposta mecânica associado com pelo menos uma das pelo menos duas massas sensoras e a força de ajuste sendo aplicada de uma maneira que uma diferença entre as magnitudes dos torques experimentados pelas pelo menos duas massas sensoras em resposta à mudança no gradiente de gravidade é reduzida.

[007] O parâmetro de resposta mecânica pode ser dependente de uma capacidade de resposta mecânica da pelo menos uma massa sensora a uma força aplicada. De acordo com uma modalidade, o parâmetro de resposta mecânica é dependente da magnitude de um momento de dipolo de massa de pelo menos uma massa sensora das pelo menos duas massas sensoras.

[008] O acionador e o sensor de aceleração podem formar uma parte de uma disposição de controle de alimentação de avanço para controlar a força de ajuste.

[009] De acordo com um exemplo, o sensor de aceleração é disposto de forma a detectar uma aceleração linear.

[0010] A articulação pode ser uma membrana de flexão.

[0011] O parâmetro de resposta mecânica associado com pelo menos uma das pelo menos duas massas sensoras pode depender de uma distância entre um centro da massa e o respectivo eixo geométrico de rotação da pelo menos uma massa sensora. O centro da massa de cada massa sensora pode ser localizado na proximidade dos eixos geométricos respectivos e pelo menos uma parte da diferença entre os torques experimentados pelas massas sensoras pode ser uma consequência de locais diferentes dos centros da massa em relação ao eixo geométrico respectivo.

[0012] Os eixos geométricos respectivos podem ser alinhados de maneira a serem coaxiais.

[0013] Cada massa sensora pode ter um centro de massa que é deslocado a partir do eixo geométrico de rotação respectivo por uma distância que é menor do que 1 parte em 106, menor do que uma parte em 5 x 106 ou mesmo menor do que uma parte em 107 de um raio de giro da massa sensora.

[0014] O centro de massa de cada massa sensora está localizado dentro de 5 nm do eixo geométrico respectivo.

[0015] As pelo menos duas massas sensoras podem ser articuláveis dentro de um plano e o gradiômetro de gravidade pode ser disposto de maneira que uma diferença entre os torques experimentados pelas pelo menos duas massas sensoras em resposta à mudança no gradiente de gravidade é reduzida para uma aceleração aplicada em qualquer direção dentro do plano.

[0016] Pelo menos uma parte do sensor de aceleração pode ser localizada em um local fixo em relação a uma das pelo menos duas massas sensoras.

[0017] O gradiômetro de gravidade pode compreender capacitores que são dispostos de forma que o movimento relativo das pelo menos duas massas sensoras gera um sinal elétrico nos capacitores.

[0018] Alternativamente, o gradiômetro de gravidade pode compreender bobinas indutoras que são dispostas de forma que o movimento relativo das pelo menos duas massas sensoras gera um sinal elétrico nas bobinas indutoras. As pelo menos duas massas sensoras podem ser posicionadas em um Dewar e o gradiômetro de gravidade pode compreender componentes supercondutores que, em uso, operam sob temperaturas criogênicas.

[0019] O gradiômetro de gravidade pode compreender uma plataforma de estabilização e o sensor de aceleração pode estar localizado em um lado de carga da plataforma de estabilização.

[0020] A presente invenção proporciona, em um segundo aspecto, um método para detectar um sinal de gradiente de gravidade utilizando-se um detector que compreende pelo menos duas massas sensoras que são móveis e cada uma experimenta uma mudança no torque em resposta a uma mudança no gradiente de gravidade, pelo que as pelo menos duas massas sensoras se movem em relação uma à outra, o método compreendendo: determinar um parâmetro de resposta associado com pelo menos uma das pelo menos duas massas sensoras; detectar uma aceleração associada com uma aceleração externa; gerar uma força de ajuste que é aplicada de forma que uma diferença entre as magnitudes dos torques experimentados pelas pelo menos duas massas sensoras é reduzida, a força de ajuste sendo dependente de uma aceleração detectada e um parâmetro de resposta determinado, e detectar o gradiente do sinal de gravidade.

[0021] A aceleração externa pode ser uma aceleração linear no parâmetro de resposta e o parâmetro de resposta pode ser dependente de um momento do dipolo de massa da pelo menos uma massa sensora.

[0022] A presente invenção será mais plenamente compreendida a partir da seguinte descrição de modalidades específicas da presente invenção. Este relatório descritivo é proporcionado com referência aos desenhos.

Breve descrição dos desenhos [0023] A Figura 1 é uma vista esquemática de um gradiômetro de gravidade de acordo com uma modalidade específica da presente invenção.

[0024] A Figura 2 é uma vista em perspectiva de um primeiro suporte que forma parte de um suporte do gradiômetro de gravidade de acordo com a modalidade específica da presente invenção.

[0025] A Figura 3 é uma vista em perspectiva de um segundo suporte do suporte de acordo com uma modalidade específica da presente invenção.

[0026] A Figura 4 é uma vista em perspectiva vista por baixo do suporte da Figura 3.

[0027] A Figura 5 é uma vista da estrutura montada.

[0028] A Figura 6 é uma vista em perspectiva que mostra os componentes montados do gradiômetro de gravidade de acordo com outra modalidade específica da presente invenção.

[0029] A Figura 7 representa uma vista plana de uma massa sensora de acordo com uma modalidade específica da presente invenção.

[0030] A Figura 8 é um diagrama que mostra o controle do acionador de acordo com uma modalidade específica da presente invenção.

[0031] A Figura 9 é uma vista em perspectiva dos componentes de um gradiômetro de gravidade de acordo com uma modalidade específica da presente invenção.

[0032] A Figura 10 é uma vista em perspectiva de um primeiro suporte de um suporte de acordo com outra modalidade específica da presente invenção.

[0033] A Figura 11 é uma vista em perspectiva de parte do suporte da Figura 10 para ilustrar a localização e extensão da membrana de flexão do primeiro suporte.

[0034] A Figura 12 é uma vista em perspectiva do suporte da Figura 10 vista por baixo.

[0035] A Figura 13 é uma vista em perspectiva do suporte da Figura 10 incluindo um segundo suporte da segunda modalidade.

[0036] A Figura 14 é uma vista em perspectiva de um segundo componente de suporte.

[0037] A Figura 15 é uma vista em perspectiva do segundo componente de suporte da Figura 14 visto de cima.

[0038] A Figura 16 é uma vista em perspectiva dos componentes montados do gradiômetro de gravidade de acordo com uma modalidade específica da presente invenção.

[0039] A Figura 17 é uma vista plana de uma parte de alojamento para suportar uma massa sensora de acordo com outra modalidade da presente invenção.

[0040] A Figura 18 mostra um componente do gradiômetro de gravidade de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[0041] A Figura 19 (a) - (f) é uma vista de elementos transdutores de acordo com uma modalidade específica da presente invenção.

[0042] A Figura 20 é uma vista semelhante à Figura 18, porém mostrando um dos elementos transdutores da Figura 19 no local.

[0043] A Figura 21 é um diagrama para auxiliar na explicação dos circuitos das Figuras 22.

[0044] A Figura 22 (a) - (d) representa diagramas de circuitos referentes a modalidades específicas da presente invenção.

[0045] A Figura 23 é um circuito de ajuste de frequência de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[0046] As Figuras 24 a 26 mostram circuitos de acordo com modalidades da presente invenção.

[0047] A Figura 27 é uma vista em corte transversal em perspectiva através de um acionador de acordo com uma modalidade específica da presente invenção.

[0048] A Figura 28 (a) e (b) mostra componentes do gradiômetro de gravidade de acordo com uma modalidade específica da presente invenção.

[0049] As Figuras 29 e 30 mostram diagramas em bloco que ilustram a operação de um sistema de suporte rotativo de acordo com uma modalidade específica da presente invenção.

Descrição Detalhada das Modalidades Específicas [0050] A Figura 1 é uma vista esquemática de um gradiômetro de gravidade 1 de acordo com uma modalidade específica da presente invenção. O gradiômetro de gravidade 1 é disposto para posicionamento vertical em relação a um plano no solo. Por todo este relatório descritivo, o plano no solo coincide com um plano x-y de um sistema de coordenadas x,y,z e o gradiômetro de gravidade, nesta modalidade, é disposto de forma a girar em torno do eixo geométrico z e orientado de uma maneira que os componentes Txy e (Txx-ryy) do tensor de gradiente de gravidade podem ser medidos.

[0051] A função do gradiômetro de gravidade 1 pode ser resumida sucintamente como se segue. O gradiômetro de gravidade tem, nesta modalidade, duas massas sensoras substancialmente idênticas que são montadas articuladamente em um suporte de maneira que elas podem oscilar em relação ao suporte. As massas sensoras com o suporte giram em torno do eixo geométrico z e com uma frequência angular que é igual a aproximadamente metade da frequência de ressonância das massas sensoras. Um gradiente de gravidade resultará em uma força nas massas sensoras que, então, oscilarão em relação ao suporte durante essa rotação. Os componentes do tensor de gradiente de gravidade podem ser determinados a partir do movimento oscilatório das massas sensoras em relação uma à outra. Outros detalhes do princípio geral dessas medidas encontram-se descritos no pedido de patente PCT/AU2006/001269 da Requerente.

[0052] O gradiômetro de gravidade ilustrado na Figura 1 compreende um alojamento 2 que está conectado a uma estrutura de suporte externa 3 (“plataforma externa”), que está posicionada em uma suspensão que compreende molas e amortecedores dispostos de forma a reduzirem um impacto de uma aceleração linear externa que tem uma frequência acima de poucos Hz, tais como 3, 5 ou 10 Hz. A plataforma externa 3 é disposta para rotação do alojamento 2 sob uma frequência angular adequada em torno do eixo geométrico z. Além disso, a plataforma externa 3 é disposta para ajustar uma orientação do alojamento 2 em torno de três eixos geométricos ortogonais. Uma estrutura de suporte interna (“plataforma interna”) compreende as massas sensoras e está posicionada dentro do alojamento 2. A plataforma interna é disposta para ajuste fino da rotação em torno do eixo geométrico z de uma maneira que a transmissão de uma aceleração angular externa em torno do eixo geométrico z para as massas sensoras é ainda maior. A rotação do eixo geométrico z resultante, conforme experimentado pelas massas sensoras, é de alta precisão e quaisquer acelerações angulares remanescentes em torno ou ao longo dos eixos geométricos x e y são reduzidas eletronicamente pelo processamento de um sinal indicador do gradiômetro de gravidade gerado pelo gradiômetro de gravidade 1.

[0053] O que se segue descreverá os componentes e função do gradiômetro de gravidade 1 em detalhes.

[0054] Com referência à Figura 2, descreve-se agora um primeiro suporte 10. O primeiro suporte 10 forma uma parte do suporte rotativo 5 que está ilustrado na Figura 5. O suporte 10 compreende uma base 12 e uma parede periférica vertical 14. A parede periférica 14 é dotada de uma pluralidade de recortes 16. A base 12 suporta um cubo 18.

[0055] As Figuras 3 e 4 mostram um segundo suporte 20 que compreende uma parede periférica 22 e uma parede superior 24. A parede periférica 22 tem quatro orelhas 13 para suportarem o suporte 5 no alojamento 2. A parede superior 24 e a parede periférica 22 definem uma abertura 28. O segundo suporte 20 é suportado no primeiro suporte 10 pela localização do cubo 18 dentro da abertura 28 e das orelhas 13 através dos respectivos recortes 16 tal como se encontra ilustrado na Figura 5.

[0056] O primeiro suporte 10 é unido ao segundo suporte 20. A membrana de flexão 31 é formada no primeiro suporte 10 de maneira que uma parte de suporte principal do suporte 10 pode articular-se em torno de uma membrana de flexão 31 em relação a uma parte de suporte secundária do suporte 10. Isto será descrito de maneira mais detalhada com referência à segunda modalidade ilustrada nas Figuras 10 até 16.

[0057] O suporte 5 suporta o sensor 40 (o qual será descrito de maneira mais detalhada adiante e que se encontra tipicamente na forma de uma massa quádrupla) para ajuste fino de rotação em torno do eixo geométrico z para estabilizar o gradiômetro durante a tomada de medidas, particularmente quando o gradiômetro está no ar. Tal como descrito anteriormente, a estabilização de rotação em torno do eixo geométrico x e eixo geométrico y, nesta modalidade, é proporcionada somente por uma plataforma externa. O gradiômetro de gravidade 1 é disposto de maneira que, em uso, o suporte 5 é orientado paralelo ao plano x-y.

[0058] A Figura 6 mostra o sensor 40 suportado no suporte. O sensor 40 é um sensor de resposta ortogonal quádrupla (OQR) formado de uma primeira massa sensora e uma segunda massa sensora na forma de uma primeira massa sensora 41 e uma segunda massa sensora 42 (não ilustrada na Figura 6) ortogonal à massa sensora 41 e que tem o mesmo formato que a massa sensora 41.

[0059] A massa sensora 41 é posicionada em uma primeira parte de alojamento 45 e a massa sensora 42 é posicionada em uma segunda parte de alojamento 47. A massa sensora 41 e a segunda parte de alojamento 45 é a mesma que o sensor 42 e a segunda parte de alojamento 47 com a exceção de que está a 90° com relação à outra de maneira que as massas sensoras 41 e 42 são ortogonais. Portanto, será descrita somente a primeira parte de alojamento 45.

[0060] A primeira parte de alojamento 45 é dotada de uma parede de extremidade 51 e uma parede lateral periférica 52a. A parede de extremidade 51 é conectada ao anel 75 (Figuras 2 e 5) da parede 14 do primeiro suporte 10 por meio de parafusos ou assemelhados (não ilustrados). A massa sensora 41 é formada com um recorte 57 na parede 51 exceto para uma segunda membrana de flexão 59 que une a massa sensora 41 à parede 51. A segunda membrana de flexão 59 está ilustrada ampliada na vista superior da massa sensora 41 na Figura 7. Assim, a massa sensora 41 é capaz de articular-se no plano x-y em relação à primeira parte de alojamento 45 em resposta a alterações no campo gravitacional. A massa sensora 42 é suportada da mesma maneira mencionada anteriormente e também pode articular-se no plano x-y em relação à segunda parte de alojamento 47 em resposta a mudanças no campo gravitacional em torno de uma terceira membrana de flexão. A segunda parte de alojamento 47 é conectada à base 12 (Figura 2) do primeiro suporte 10.

[0061] A massa sensora 41 e a primeira parte de alojamento 45, em conjunto com a segunda membrana de flexão 59 são uma estrutura monolítica integral.

[0062] Proporciona-se transdutores 71 (não ilustrados nas Figuras 2 até 4) para medirem o movimento das massas sensoras 41 e 42 e para produzirem sinais de saída indicadores do movimento relativo no plano x-y e, portanto, do gradiente de gravidade.

[0063] A Figura 8 é um diagrama de blocos esquemático que mostra o controle do acionador para estabilizar o gradiômetro por rotação do suporte 5 em torno do eixo geométrico z. Um controlador 50, que pode ser um computador, microprocessador ou assemelhado emite sinais para os acionadores 53 e 54, que são dispostos para fazer girar o suporte 5 em torno do eixo geométrico z. Cada acionador é posicionado estacionário em relação às orelhas 13 e acoplado ao primeiro suporte 10 de modo que o acionador pode realizar uma rotação por um pequeno ângulo do suporte 10 com outros componentes em relação às orelhas 13 (e outros componentes que são estacionários em relação às orelhas 13). Cada acionador proporciona um movimento linear e é posicionado de maneira que o movimento linear é transformado em uma pequena rotação do suporte 10. Os acionadores serão descritos de forma mais detalhada com referência à Figura 27. A posição do suporte 5 é monitorada de maneira que a realimentação apropriada pode ser proporcionada para o controlador 50 e os sinais de controle apropriados proporcionados para os acionadores fazerem girar o suporte 10 em torno do eixo geométrico z tal como é requerido para estabilizar o suporte durante o movimento pelo ar seja dentro de uma aeronave ou rebocado por uma aeronave.

[0064] A modalidade específica também inclui acelerômetros angulares, os quais são similares, na forma, às massas sensoras 41 e 42, sendo que a forma é ajustada para momento quádruplo zero. Os acelerômetros lineares são dispositivos de pêndulo simples com um único micro pivô funcionando como a articulação de flexão.

[0065] A Figura 9 é uma vista em corte dos componentes do gradiômetro de gravidade pronto para suporte no alojamento 1 que, por sua vez, se destina a ser suportado na plataforma externa 2.

[0066] Os transdutores 71 medem o ângulo de deslocamento das massas sensoras 41 e 42 e controlam os circuitos (não ilustrados) e são configurados para medir a diferença entre eles.

[0067] Nesta modalidade, os transdutores 71 são capacitores de carga constante, que serão descritos de forma mais detalhada com referência à Figura 22.

[0068] As Figuras 10 até 15 mostram uma segunda modalidade em que partes semelhantes indicam componentes semelhantes àqueles anteriormente descritos.

[0069] Na segunda modalidade, o primeiro suporte 10 tem recortes 80 que formam efetivamente ranhuras para receberem orelhas (não ilustradas) que são conectadas ao suporte 10 nos recortes 80 e também ao segundo suporte 20 ilustrado nas Figuras 15 e 16. Nesta modalidade, as orelhas são componentes separados de maneira que eles podem ser feitos menores, e mais facilmente, do que serem cortados com a segunda seção de suporte 20.

[0070] Na Figura 10, um recorte 87 é feito para definir a parte 18a do cubo 18. O corte 87 então estende-se radialmente para dentro em 88 e então em torno da seção central 18c conforme ilustrada pelo recorte 101. O recorte 101 então entra na seção central 18c ao longo de linhas de corte 18d e 18e para definir um núcleo 18f. O núcleo 18f é conectado à seção central 18c pela membrana de flexão 31, que é uma parte não cortada entre as linhas de recorte 18e e 18d. A parte 10a, portanto, forma uma parte de suporte principal 10 que é separada da parte de suporte secundária 10a do suporte 10, exceto onde a parte 18a se une com a parte 10a pela membrana de flexão 31. A parte 18a forma efetivamente um eixo para permitir a rotação da parte 18a em relação à parte 10a na direção z em torno da membrana de flexão 31.

[0071] Tal como ilustrado na Figura 11, a linha de corte 88 afila-se para fora a partir da extremidade superior ilustrada na Figura 11, para a extremidade inferior e o núcleo 18c afila-se para fora na forma correspondente.

[0072] Tal como é evidente a partir das Figuras 10, 12 e 13, o primeiro suporte 10 é de forma octogonal em vez de redonda, como é o caso na modalidade anterior.

[0073] A Figura 14 mostra um componente do segundo suporte 20 para o suporte no primeiro suporte 10. Tal como mais bem exposto nas Figuras 14 e 15, o segundo suporte 20 tem recortes 120 que registram com os recortes 80 para receberem orelhas (não ilustradas). As orelhas podem ser aparafusadas ao segundo suporte 20 por meio de parafusos que passam através das orelhas e dentro de furos de parafusos 121. As orelhas (não ilustradas) são montadas ao suporte 20 antes de o suporte 20 ser preso ao primeiro suporte 10.

[0074] Nesta modalidade, a parede superior 24 é provida de um furo central 137 e dois furos de fixação 138a. Três furos menores 139a são proporcionados para facilitarem a impulsão da primeira parte de alojamento 45 para fora da parte 18a se for requerida desmontagem. Quando o segundo suporte 20 é localizado dentro do primeiro suporte 10, a parte superior da seção central 18c projeta-se através do furo 137, tal como melhor ilustrado na Figura 13. O suporte 20 pode ser então conectado ao suporte 10 por meio de prendedores que passam através dos furos 138 e engancham nos furos 139b (vide Figura 10) na parte 18a.

[0075] Assim, quando a primeira parte de alojamento 45 e a sua massa sensora 41 associada é conectada ao anel 75 do primeiro suporte 10 e a segunda parte de alojamento 47 é conectada à base 12, a membrana de flexão 31 permite o movimento das partes de alojamento 45 e 47 em torno do eixo geométrico z.

[0076] Consequentemente, quando o segundo suporte 20 é fixado à parte 18a, o segundo suporte 20 pode articular-se com a primeira parte 10a do primeiro suporte 10 em torno de um eixo geométrico z definido pela membrana de flexão 31 enquanto a segunda parte formada pela parte 18a permanece estacionária.

[0077] A Figura 16 mostra o corpo principal 61 do alojamento 1 e conectores 69 com as extremidades hemisféricas removidas.

[0078] A Figura 17 é uma vista plana de uma primeira parte de alojamento 45 de acordo com outra modalidade adicional da invenção. Como é evidente a partir da Figura 17, a primeira parte de alojamento 45 é circular em vez de octogonal, como é o caso com a modalidade da Figura 6.

[0079] A primeira parte de alojamento 45 suporta massa sensora 41 da mesma maneira que se encontra descrita por intermédio da membrana de flexão 59 que está localizada no centro de massa da massa sensora 41. A massa sensora 41 é em forma de chevron, muito embora a forma de chevron seja levemente diferente daquela das modalidades anteriores e tenha uma borda mais arredondada 41e oposta à membrana de flexão 59 e uma seção de parede 41f, 41g e 41h semelhante a calha, adjacente à membrana de flexão 59. As extremidades da massa sensora 41 são dotadas de furos rosqueados 300 que recebem elementos rosqueados 301 os quais podem estar na forma de batoques, tais como parafusos sem cabeça ou assemelhados. Os furos 300 registram com os furos 302 em uma parede periférica 52a da primeira parte de alojamento 45. Os furos 302 permitem acesso aos batoques 301 por meio de uma chave de fenda ou outra ferramenta, de maneira que os batoques 301 podem ser aparafusados para dentro e para fora do furo 300 para ajustar a sua posição no furo a fim de equilibrar a traseira do sensor 41 de forma que o centro de gravidade se encontra na membrana de flexão 59.

[0080] Tal como traçado na Figura 17, os furos 300 estão segundo um ângulo de 45° com a horizontal e a vertical. Desta maneira, os dois furos (302 ilustrados na Figura 17) encontram-se dispostos em ângulos retos com relação um ao outro.

[0081] A Figura 17 também mostra aberturas 305 para receber uma parte dos transdutores 71 para monitorar o movimento da massa sensora 41 e produzir sinais em resposta ao movimento. Tipicamente, cada transdutor 71 encontra-se na forma de um capacitor de carga constante. Tipicamente, uma placa de capacitor é suportada à massa sensora 41 e outra placa de capacitor fica disposta estacionária em relação à massa sensora 41 de forma que se define um afastamento entre as placas de capacitor. O movimento da massa sensora altera o afastamento, o que, por sua vez, altera uma tensão através do capacitor de carga constante.

[0082] A Figura 18 é uma vista mais detalhada de parte da parte de alojamento da Figura 17 que mostra as aberturas 305. Tal como pode ser observado a partir da Figura 18, as aberturas 305 são dotadas de ressaltos 401 que formam ranhuras 402.

[0083] As Figuras 19 (a) até (f) mostram partes dos transdutores de capacitor de carga constante 71. O transdutor ilustrado na Figura 19 (a) compreende dois eletrodos. Nesta modalidade, um primeiro eletrodo é proporcionado por uma superfície das massas sensoras 41 ou 42, que estão sob potencial terra, e um segundo eletrodo está ilustrado na Figura 19 (a) (placa 408 a).

[0084] A Figura 19 (b) mostra o segundo eletrodo capacitor que compreende dois elementos capacitores separados 408b e 407b que não estão em contato elétrico. Novamente, o primeiro eletrodo é proporcionado pelas massas sensoras 41 ou 42, que estão sob o potencial terra. O elemento capacitor 408b circunda o elemento capacitor 407b. Esta disposição é usada para gerar um “capacitor virtual”, o qual será descrito adiante com referência à Figura 22.

[0085] As Figuras 19 (c) e (d) mostram alternativas para a modalidade ilustrada na Figura 19 (b) e os segundos eletrodos ilustrados compreendem elementos adjacentes 408c, 407c e 408d e 407d respectivamente.

[0086] As Figuras 19 (e) e (f) mostram elementos capacitores de acordo com modalidades adicionais da presente invenção. O segundo eletrodo compreende três elementos capacitores 408e, 407e, 407f e 408f, 407g e 407h, respectivamente, e esta disposição também é usada para gerar um “capacitor virtual” o qual será descrito mais adiante.

[0087] Será apreciado que na variação desta modalidade, as placas de capacitor podem ter qualquer outra forma de seção transversal adequada.

[0088] Como um exemplo, a Figura 20 mostra a localização dos elementos capacitores 407b e 408b na abertura 305 e oposta uma segunda placa de capacitor 411 correspondente. Nesta modalidade, os elementos capacitores 407b e 408b são proporcionados na forma de lâminas metálicas, as quais são posicionadas no corpo de isolamento 409. A placa 411 é metálica e posicionada na massa sensora 41. Nesta modalidade, a placa 411 proporciona um elemento capacitor que se opõe aos elementos capacitores 407b e 408b. Neste caso, a massa sensora 41 pode ser de condutividade elétrica relativamente baixa ou pode ser eletricamente isolante.

[0089] Se a massa sensora 41 for proporcionada na forma de um material metálico de condutividade elétrica suficientemente alta, a massa sensora 41 também pode proporcionar um elemento capacitor e uma parte da massa sensora 41 pode se opor diretamente aos elementos capacitores 407b e 408b sem a placa 411, tal como discutido anteriormente no contexto da Figura 17.

[0090] A Figura 21 é um diagrama das massas sensoras 41 e 42 mostrando as mesmas na sua configuração “em uso”. Os transdutores que estão localizados nas aberturas 305 são ilustrados pelas referências numéricas 71a até 71e.

[0091] Tal como será evidente partir da Figura 21, quatro transdutores 71 são dispostos adjacentes às extremidades da massa sensora 41. A segunda parte de alojamento 47 também tem quatro transdutores que são dispostos adjacentes à massa sensora 42. Desta maneira, são proporcionados oito transdutores 71 no gradiômetro.

[0092] Fazendo-se agora referência às Figuras 22 e 23, descreve-se em seguida os circuitos de transdutor 360. Cada um dos transdutores 71a até 71e é um capacitor de carga constante e compreende um primeiro eletrodo capacitor. Cada um dos transdutores 71a até 71e tem um segundo eletrodo capacitor que fica posicionado oposto a um primeiro eletrodo capacitor respectivo e fixado na posição em relação às partes de alojamento. O primeiro eletrodo capacitor é proporcionado, nesta modalidade, por uma superfície das massas sensoras 41 ou 42. Por exemplo, cada transdutor 71a - 71e pode ser dotado de um segundo eletrodo do tipo ilustrado na Figura 19.

[0093] O movimento oscilatório das massas sensoras 41 e 42 resulta em um movimento dos primeiros eletrodos capacitores (superfícies das massas sensoras 41 ou 42) em relação aos segundos eletrodos capacitores. Esse movimento altera os afastamentos entre o primeiro e o segundo eletrodos capacitores respectivos e resulta em uma mudança de tensão através dos transdutores de capacitor de carga constante 71a até 71e.

[0094] Se os transdutores são do tipo como ilustrado nas Figuras 19 (b) até 20 (d), então transdutores de componentes separados são formados entre o primeiro eletrodo e cada elemento capacitor do segundo eletrodo, tais como 407b e 408b. Neste caso, a Figura 22 mostra os circuitos de transdutor para os transdutores componentes formados entre a primeira placa e um dos dois elementos e um circuito análogo (rotulado correspondentemente) é usado para os transdutores componentes formados entre o primeiro eletrodo e os outros elementos capacitores.

[0095] Se os transdutores são do tipo conforme ilustrado na Figura 19 (e) e 19 (f), então transdutores componentes separados são formados entre o primeiro eletrodo e cada um dos três elementos capacitores, tais como 408e, 408e e 407f. A Figura 22 mostra os circuitos transdutores para os transdutores componentes formados entre o primeiro eletrodo e um dos três elementos e dois circuitos análogos (rotulados correspondentemente) são usados para os transdutores componentes formados entre a primeira placa e os outros elementos capacitores.

[0096] Cada transdutor componente de capacitor de carga constante 71a até 71e tem uma tensão de polarização separada que lhe é aplicada por uma fonte de tensão de polarização respectiva VboPy. A Figura 22 mostra o transdutor componente 71a até 71e com um dos elementos capacitores sendo conectado ao potencial terra. Tal como discutido anteriormente, estes elementos capacitores são superfícies das massas sensoras 41 e 42, que são, nesta modalidade, eletricamente condutores e conectadas ao potencial terra. As polaridades das tensões proporcionadas pelas fontes de tensão de polarização 361a até 361e e as interligações elétricas entre os transdutores componentes de capacitor de carga constante 71a até 71e são escolhidas de forma que os sinais elétricos gerados por todos os transdutores são combinados com a mesma polaridade se as massas sensoras 41 e 42 oscilam em direções opostas. Essa oscilação em direções opostas tipicamente é gerada por um gradiente de gravidade se as massas sensoras são equilibradas e têm propriedades mecânicas idênticas. Se as massas sensoras 41 e 42 se movem na mesma direção, metade dos sinais elétricos gerados pelos transdutores componentes de capacitor de carga constante 71a até 71e têm uma polaridade e a outra metade tem uma polaridade oposta. Consequentemente, neste caso, os sinais elétricos tipicamente se cancelam. Esse movimento na mesma direção pode ser gerado, por exemplo, por um movimento repentino da aeronave em que o gradiômetro de gravidade está posicionado e, consequentemente, os circuitos transdutores 360 ilustrados na Figura 22 reduzem o efeito desses movimentos repentinos e o efeito de um número de outras forças externas ou acelerações angulares externas que não estão relacionadas com o gradiente de gravidade.

[0097] O sinal elétrico combinado é dirigido a um amplificador de baixo ruído, o qual será descrito no contexto da Figura 23.

[0098] Os circuitos transdutores 360 ilustrados na Figura 22 também compreendem capacitores de bloqueio Οεαβγ que são dispostos de forma que as tensões de polarização aplicadas V .4;, não podem alcançar o amplificador de baixo ruído. Os capacitores de bloqueio 362a até 362e tipicamente têm uma capacitância que é maior do que 10 vezes, ou mesmo maior do que 100 vezes aquela dos respectivos transdutores componentes de capacitor de carga constante 71a até 71e.

[0099] Além disso, os circuitos transdutores 360 compreendem resistores Rbo^y 363a até 363e. Tipicamente, estes resistores têm uma resistência muito alta, tal como 1GO ou mais, e são dispostos para substancialmente prevenir fluxo de cargas e proporcionar, desse modo, que os transdutores componentes 71a até 71e operem como capacitores de carga constante.

[00100] As tensões de polarização aplicadas aos capacitores de carga constante geram forças eletrostáticas. Consequentemente, cada transdutor 71a até 71e pode funcionar também como um acionador.

[00101] Se os transdutores 71 são do tipo como ilustrado na Figura 19(a), então o circuito 360 ilustrado na Figura 22 é suficiente. Entretanto, em uma modalidade específica da presente invenção, os transdutores são do tipo ilustrado nas Figuras 19 (b) até 19(d) e compreendem dois transdutores componentes. Neste caso, são usados os circuitos 360, um para os transdutores componentes formados entre os primeiros eletrodos e um dos elementos capacitores, e o outro para os transdutores componentes formados entre os primeiros eletrodos e os outros elementos capacitores. Isto encontra-se ilustrado esquematicamente na Figura 25. Um primeiro circuito 360 é usado para propósitos de medição (modalidade diferencial, "DM") e um segundo circuito 360 é usado para proporcionar realimentação para correção de movimento de rotação externo (modalidade comum, "CM"), que será descrito adiante com referência às Figuras 28 e 29.

[00102] Alternativamente, os circuitos 360 também podem ser conectados de maneira que são formados "capacitores virtuais". Isto será descrito adiante de forma mais detalhada e encontra-se indicado esquematicamente na Figura 24 .

[00103] De acordo com outra modalidade específica da presente invenção, os transdutores são do tipo ilustrado nas Figuras 19 (e) ou 19 (f) e compreendem três transdutores componentes. Neste caso, utilizam-se três circuitos 360. Isto está ilustrado esquematicamente na Figura 26. Nesta modalidade, dois circuitos 360 são utilizados para propósitos de medição e dispostos de forma que "capacitores virtuais" são formados.

Utiliza-se um terceiro circuito 360 para proporcionar realimentação para correção de movimento de rotação externo.

[00104] O que se segue descreverá como as propriedades mecânicas relativas das massas sensoras 41 e 42 podem ser ajustadas. As frequências de ressonância das massas sensoras 41 e 42 dependerão do quadrado das forças eletrostáticas e, portanto, do quadrado da tensão de polarização aplicada. Por exemplo, as frequências de ressonância podem ser ajustadas utilizando um conjunto de teste mecânico em que forças externas são aplicadas às massas sensoras 41 e 42. Se as frequências de ressonância não são idênticas, as tensões de polarização podem ser ajustadas até as frequências de ressonância serem idênticas.

[00105] A sensibilidade dos capacitores transdutores para detectarem o movimento das massas sensoras é linearmente dependente das forças eletrostáticas e, desse modo, linearmente dependentes das tensões de polarização aplicadas. Consequentemente, é possível ajustar tanto as frequências de ressonância quanto a sensibilidade dos transdutores.

[00106] Tal como descrito anteriormente, as massas sensoras 41 e 42 são dispostas de forma que um movimento das massas sensoras 41 e 42 em relação uma à outra é indicador de uma mudança no gradiente de gravidade. Uma aceleração externa, tal como uma aceleração angular externa em torno do eixo geométrico z não resulta em um movimento das massas sensoras em relação uma à outra enquanto as massas sensoras forem idênticas. As massas sensoras 41 e 42 e as suas respectivas membranas de flexão são dispostas mecanicamente de forma que seus momentos de inércia são suficientemente similares, e os transdutores 71 são ajustados de forma que suas sensibilidades são suficientemente similares, de forma que um impacto de uma aceleração angular externa é reduzido por um fator de 103 até 104. Como uma consequência, as massas sensoras 41 e 42 são formadas como discutido anteriormente para terem frequências de ressonância aproximadamente idênticas dentro de 1 parte em 103, tipicamente dentro de 1 parte em 104. Um impacto de uma aceleração angular externa é adicionalmente reduzido utilizando disposições de alimentação de recuo e alimentação de avanço. As disposições semelhantes a alimentação de recuo e alimentação de avanço, que serão descritas com referência às Figuras 29 e 30, resultam em uma redução de uma influência de uma aceleração angular externa por um fator de aproximadamente 103 - 104.

[00107] Além disso, as massas sensoras 41 e 42 são mecanicamente equilibradas de forma que uma distância entre um centro de massa e o eixo geométrico de rotação é menor do que uma parte em 106, tipicamente 1 parte em 107 de um raio de giro da massa sensora, que requer um alto nível de precisão mecânica.

[00108] Cada massa sensora 41 e 42 pode ter um pequeno desequilíbrio remanescente (pode ser por uma distância da ordem de um ou mais 10-9 m) a partir de eixo geométrico em torno do qual as massas sensoras 41 e 42 são dispostas para girar. Esse desequilíbrio de “momento de dipolo de massa”, que resulta em uma influência residual de uma aceleração linear externa, é levado em consideração da maneira exposta em seguida.

[00109] Um loop de alimentação de avanço é formado por componentes que incluem os sensores de transdutores 71, um sensor de aceleração (não ilustrado, mas semelhante aos sensores de aceleração 721 e 723 ilustrados na Figura 22(c)) tal como um sensor de capacitância adicional, e eletrônica de controle. O sensor de aceleração é posicionado em uma posição fixa em relação a uma parte de alojamento 45 ou 47 e, quando é detectada uma aceleração linear externa, proporciona uma tensão para um controlador (não ilustrado). O controlador então faz com que os sensores de transdutor 71 gerem uma força de ajuste adequada que tem por objetivo neutralizar uma diferença no torque a que as massas sensoras 41 e 42 serão submetidas como uma consequência da aceleração linear externa. Para este propósito, é requerido um parâmetro de resposta mecânica que é uma medida para uma relação de uma aceleração linear externa e uma força de ajuste correspondente requerida para neutralizar um torque resultante da aceleração linear externa. Consequentemente, o parâmetro de resposta mecânica é dependente do momento de dipolo de massa das massas sensoras 41 e 42 e das constantes elásticas das respectivas membranas de flexão. O parâmetro de resposta mecânica é determinado experimentalmente pela exposição das massas sensoras 41 e 42 em seus respectivos alojamentos a uma aceleração linear e então determinando uma força que é requerida para compensar uma diferença no torque que as massas sensoras 41 e 42, de outro modo, experimentariam como uma consequência da aceleração linear externa. Uma vez que as massas sensoras 41 e 42 são dispostas para movimento no plano x, y, esse desequilíbrio apenas precisa ser considerado para aceleração dentro desse plano.

[00110] Na modalidade descrita anteriormente, os sensores de transdutores 71 são proporcionados na forma de capacitores que também funcionam como acionadores. Deve ser apreciado que, em uma modalidade alternativa, o gradiômetro de gravidade 1 também pode compreender bobinas indutoras adequadas que substituem os capacitores 71 e têm funções de detecção e atuação correspondentes. O gradiômetro de gravidade de acordo com a modalidade alternativa compreende componentes eletrônicos que acomodam a função das bobinas indutoras como sensores e acionadores. O pedido PCT/AU2006/001269 descreve um gradiômetro de gravidade que tem bobinas indutoras para detectarem um movimento relativo de massas sensoras. O gradiômetro de gravidade exposto em PCT/AU2006/001269 é refrigerado utilizando hélio líquido e as bobinas indutoras são dispositivos supercondutores. Em seguida, descreve-se como o gradiômetro de gravidade exposto em PCT/AU2006/001269 pode ser adaptado para dar conta do desequilíbrio de “momento de dipolo de massa” descrito anteriormente.

[00111] O pedido internacional PCT/AU2006/001269 descreve disposições de bobinas (“bobinas sensoras”) que são usadas para detectarem um movimento das disposições de barras e de bobinas sensoras (“bobinas de mola”) que são usadas para ajustar propriedades mecânicas das barras sensoras. Qualquer uma das bobinas de mola pode ser substituída por um circuito tal como ilustrado na Figura 22 (b).

[00112] O circuito supercondutor 7 00 compreende uma bobina de mola 7 02 que tem indutância LF e, em uso, carrega uma corrente estática persistente i0 que flui através de um interruptor térmico 704 e um indutor de compensação 706. O interruptor térmico 704 é usado para estabelecer inicialmente a corrente i0, cuja magnitude é selecionada para proporcionar ajuste de frequência para a massa sensora respectiva. Uma vez que i0 é persistente, nenhuma corrente precisa fluir nos condutores de bomba (exceto inicialmente para estabelecer i0). A bobina de mola 702 é tipicamente uma película fina e a bobina de compensação 706, que tem uma indutância muito menor do que aquela da bobina de mola 702, é uma pequena bobina de película fina na traseira da bobina de mola ou pode consistir simplesmente da indutância de dispersão associada com o interruptor térmico 704 e seus condutores.

[00113] A corrente i0 produz uma força estática. Uma corrente externa i que se é passada para dentro da bomba conduz suas divisões proporcionalmente para fluir através de LF e de LB, de maneira que a força pode ser modificada que é gerada pela corrente através da bobina de mola 702.

[00114] A Figura 22 (c) mostra acelerômetros lineares x e y 721 e 723, respectivamente. Os acelerômetros 721 e 723 compreendem bobinas 722, 724 e 726, 728, respectivamente e geram correntes ix e iy que são proporcionais à aceleração linear das massas sensoras posicionadas entre pares de bobinas.

[00115] As correntes geradas ix e iy são dirigidas ao circuito indutor 700 anteriormente descrito de forma que uma força é gerada pela bobina elástica 702 que é dependente das correntes geradas pelos acelerômetros 721 e 723. A Figura 22 (d) mostra um diagrama de circuito 720 que ilustra como correntes podem ser injetadas na bobina elástica 702.

[00116] O exposto a seguir descreverá outros detalhes do circuito eletrônico que é utilizado no gradiômetro de gravidade 1.

[00117] A Figura 23 mostra um diagrama de circuito esquemático de um amplificador de baixo ruído de acordo com uma modalidade específica da presente invenção. O circuito amplificador de baixo ruído 366 é usado para amplificar o sinal elétrico gerado pelo circuito transdutor 360 e para proporcionar realimentação ativa para controlar as propriedades dos transdutores e massas sensoras 41 e 42.

[00118] O circuito amplificador 366 simula uma impedância ZL e um componente ôhmico de ZL proporciona amortecimento ativo dos sinais elétricos ressonantes gerados pelos transdutores componentes de capacitor de carga constante 71a até 71e descritos anteriormente. O amortecimento ativo reduz o fator-Q da ressonância e aumenta, dessa maneira, a largura de banda dentro da qual a ressonância pode ser gerada. Esse amortecimento elétrico resulta no amortecimento mecânico pela geração de forças de amortecimento eletrostáticas nos transdutores componentes de capacitor de carga constante 71a - 71e. Tipicamente, o amortecimento ativo é ajustado de forma que o gradiômetro de gravidade tem uma largura de banda da ordem de 1 Hz e o fator Q do amortecimento ativo fica próximo de 0,5.

[00119] A impedância Zl também tem um componente imaginário, que é dependente de uma capacitância simulada CL em paralelo com o resistor simulado RL. O componente imaginário controla ativamente a frequência de ressonância das massas sensoras 41 e 42 por meio dos transdutores de capacitor de carga constante 71a - 71e ao simularem uma mudança da "rigidez" do acoplamento de articulação das massas sensoras 41 e 42 e, desse modo, ajustes finos da frequência de ressonância das massas sensoras 41 e 42. Tal como descrito anteriormente, o circuito transdutor 360 é disposto de forma que oscilações ressonantes em que as massas sensoras 41 e 42 oscilam em direções opostas resultam em um sinal elétrico aditivo. A capacitância simulada CL da impedância simulada ZL permite o ajuste fino da ressonância e, desse modo, adicionalmente ajuda a diferençar essa ressonância em relação a outros modos comuns de oscilações em que as massas sensoras 41 e 42 oscilam na mesma direção.

[00120] Nesta modalidade, o circuito amplificador 366 proporciona "amortecimento frio", que introduz ruído térmico muito reduzido. Evita-se o amortecimento passivo, tal como amortecimento utilizando um resistor convencional, uma vez que isto resultaria em ruído térmico.

[00121] Tal como descrito anteriormente, os capacitores componentes de carga constante 71a - 71e podem combinar as funções de detecção e de acionamento. O circuito amplificador 366 proporciona um loop de realimentação ativo entre as funções de detecção e de acionamento e proporciona controle de realimentação eletrônica das propriedades mecânicas das massas sensoras 41 e 42.

[00122] O circuito amplificador 366 compreende uma entrada 3 68 e uma saída 3 69. Além disso, o circuito amplificador 366 compreende um amplificador diferencial j-FET de baixo ruído 370 e impedâncias Z1, Z2 e Z3. O amplificador de baixo ruído 370 tem dois terminais de entrada 371 e 372 e a impedância Z1 é conectada entre o terminal de saída 369 e a entrada de amplificador de baixo ruído 371. A impedância Z2 é conectada entre o terminal de saída 369 e a entrada do amplificador de baixo ruído 372. A impedância Z3 é conectada entre o terminal 372 e um terminal terra comum 373.

[00123] O circuito amplificador 366 simula a impedância ZL com (eq.1) [00124] O amplificador 370 tem resistência equiparada com ruído [00125] O termo Sv é a densidade espectral do ruído de tensão de amplificador e o termo Si é a densidade espectral do ruído de corrente de amplificador. Nesta modalidade, a resistência equiparada com ruído do amplificador é de uns poucos 1ΜΩ.

[00126] Além disso, o amplificador 370 é dotado de uma temperatura de ruído (kB: constante de Bolzman) menor do que 1K.

[00127] A densidade de ruído Sr do erro de gradiente produzido pelo ruído térmico próximo da ressonância é dada por onde λ2é o raio de giro das massas sensoras 41 e 42 e Qact é o fator Q efetivo associado com o amortecimento ativo, M é a massa das massas sensoras 41 e 42 e fo é a frequência de ressonância. A densidade de ruído Sr é dependente do ruído do amplificador e não da temperatura física do circuito amplificador, que permite “amortecimento frio” e controle de outras propriedades mecânicas sem introduzir ruído térmico significativo sob temperaturas de operação normais, tais como a temperatura ambiente.

[00128] Os componentes transdutores 71a, 71b, 71g e 71h também são usados para formar acelerômetros angulares para medição do movimento angular do suporte 5 de forma que podem ser proporcionados sinais de realimentação para compensar esse movimento angular.

[00129] A Figura 27 mostra um acionador para receber os sinais de controle para ajustar o suporte em resposta ao movimento angular do suporte 5.

[00130] O acionador ilustrado na Figura 27 também está ilustrado esquematicamente na Figura 8 pela referência aos números 53 e 54. Os acionadores são os mesmos e a Figura 28 será descrita com referência ao acionador 54.

[00131] O acionador 54 compreende, nesta modalidade, um ímã NdFeB permanente 410, um núcleo de ferro doce 411, um espaçador não magnético 412 (alumínio, Delrin), alojamento de Mumetal ou permalloy 413, um conjunto de bobina de voz 414, uma haste oca 428 e um tubo 430 que faz parte do alojamento 413 e em que a haste oca 428 é suportada rotativamente.

[00132] O conjunto de bobina de voz 414 é suportado sobre a haste 430 e o ímã permanente 410 e o núcleo de ferro doce 411 são providos com furos internos através dos quais a haste 430 penetra, de forma que a haste 430 com conjunto de bobina de voz 414 pode mover-se axialmente em relação ao núcleo de ferro 311 e ao ímã permanente 410. As ligações elétricas para o conjunto de bobina de voz 414 são alimentadas através da haste oca 430.

[00133] Tal como descrito anteriormente, uma ou as duas massas sensoras 41 e 42 também podem ser usadas como um acelerômetro angular para proporcionar uma medida de movimento angular do suporte 5, de forma que sinais de realimentação apropriados podem ser gerados para compensação desse movimento pelo controle dos acionadores previamente descritos.

[00134] As Figuras 28 (a) e (b) mostram vistas esquemáticas plana e em corte do gradiômetro de gravidade 1. Tal como indicado anteriormente, o gradiômetro de gravidade 1 compreende um alojamento 2 que é levado a girar por um suporte externo em torno de um eixo geométrico z. Uma plataforma externa 3 compreende um estágio interno 500 e um estágio intermediário 502 e um estágio externo 504. O alojamento 2 é suportado de forma que ele é levado a girar com o estágio interno 500 pelo acionamento z 508 com mancais. O acionamento z proporciona rotação contínua sob uma velocidade muito estável. A frequência de rotação nesta modalidade é selecionável entre 0 e 20 Hz. O estágio intermediário 502 incluindo o estágio interno 500 é capaz de girar em torno do eixo geométrico x pelo acionamento x 510, que inclui mancais e o estágio externo 504 é capaz de girar com o estágio intermediário 502 em torno do eixo geométrico y pelo acionamento do eixo geométrico y 512 que também inclui mancais adequados. O estágio externo com acionamento de eixo geométrico-y é suportado em molas 516 em uma armação de suporte 518.

[00135] A plataforma externa 3 inclui uma IMU (unidade de medição de inércia), que contém giroscópios, acelerômetros, receptores de GPS e um computador. A IMU não está ilustrada na Figura 28 (a) ou (b). A IMU mede a rotação em torno dos eixos geométricos x, y e z e é acoplada aos acionamentos em um loop de realimentação. Isto será descrito adiante de forma mais detalhada com referência à Figura 29.

[00136] A plataforma externa é disposta de forma a giro-estabilizar o alojamento 2 em torno do eixo geométrico x, y e z com um fator de ganho de aproximadamente 100 DC e uma largura de banda de 20 Hz. Isto é alcançado utilizando a disposição de rolamento "cardan" de 3 eixos geométricos descrito anteriormente com motores de torque de acionamento direto (508, 510 e 512). Nesta modalidade, o ajuste fino do acionamento de motor para correção de rotação em torno do eixo geométrico z é alcançada utilizando o sinal de "modo comum" proporcionado pelos componentes de transdutor respectivos posicionados dentro do alojamento 2.

[00137] A Figura 29 mostra um diagrama de blocos 600 que ilustra como o sinal de modo comum, gerado dentro do alojamento 2 (que compreende a plataforma interna), é usado para correção de eixo geométrico x de rotação da plataforma externa.

[00138] Os blocos 602 e 604, rotulados como "resposta ao movimento" e "resposta à força" respectivamente, representam os dois a estrutura cardan da estrutura de suporte 3. Cada cardan consiste de três componentes principais, a saber, uma armação, uma parte suportada pela armação por intermédio de um rolamento e um acionador que aplica um torque (força) a esta parte. Cada cardan tem duas entradas independentes, a saber, movimento aplicado à armação e uma força aplicada diretamente à parte suspensa pela armação. Ele tem apenas uma saída, a saber, a posição angular da parte suportada e esta responde de forma diferenciada às duas entradas.

[00139] A força de realimentação Fe neutraliza uma perturbação externa Z. Esta pode ser expressa pela seguinte equação: Xe = Hf Fe + Hz Z (eq. 3) onde Hf e Hz são constantes.

[00140] A equação 3 pode ser enunciada como Xe = Hf (Fe + Ke Z) (eq. 4) onde Ke = Hz/Hf.

[00141] Um movimento externo, tal como um movimento de uma aeronave na qual o gradiômetro de gravidade 1 está posicionado, produz uma força equivalente Ke Z, que é neutralizada por Fe gerado pelo acionador 610. Na Figura 29, o bloco 602, “Resposta ao movimento” representa Ke e o bloco 604 “Resposta à força” representa He. O sensor 606 para uma plataforma externa é a IMU, que contém giroscópios, acelerômetros, receptores de GPS e um computador. Este proporciona um sinal (usualmente digital) que mede a posição angular e a velocidade angular da parte suportada do cardan mais interno. Este sinal é usado no controlador 608 (também usualmente digital) para implementar a realimentação.

[00142] A plataforma interna pode ser representada de uma maneira análoga onde os blocos 612 e 614, rotulados como “resposta ao movimento” e “resposta à força” respectivamente, representam a estrutura cardan do eixo geométrico z dentro do alojamento 2. Os sensores de transdutor 71 e o acionador 54 foram descritos anteriormente.

[00143] Na modalidade descrita anteriormente, o gradiômetro de gravidade 1 é disposto de forma que a rotação em torno do eixo geométrico z é controlada por uma plataforma externa a uma velocidade de rotação uniforme fixa. O sinal de entrada para controlar o movimento é proporcionado pela IMU 609 e pelo sensor 606. Entretanto, a IMU 609 e o sensor 606 tipicamente somente têm precisão limitada sob frequências mais altas e para aperfeiçoar adicionalmente a correção de rotação do eixo geométrico z, utiliza-se uma aceleração angular derivada do sinal “Modo Comum” descrito anteriormente proveniente dos sensores de transdutor interno 71 é usado para ajuste fino. Tal como descrito anteriormente, o mesmo sinal também é usado dentro da plataforma interna em um loop de realimentação para estabilizar o instrumento contra aceleração angular aplicada (por meio do acionador 54). A especificação para este sistema de realimentação interna é rigorosa e para facilitar este requisito, parte da carga é transferida para a plataforma externa dessa maneira.

[00144] A Figura 30 mostra um diagrama de blocos 650 que ilustra a estabilização (sem rotação) em torno do eixo geométrico x e y, que é realizada exclusivamente por uma plataforma externa. Todos os elementos da Figura 30 já foram descritos anteriormente e funcionam de uma maneira análoga para inibir a rotação em torno dos eixos geométricos x e y.

[00145] Muito embora a invenção fosse descrita com referência a exemplos particulares, será apreciado por aqueles versados na técnica que a invenção pode ser realizada de acordo com muitas formas. Por exemplo, os transdutores podem não ser necessariamente proporcionados na forma de capacitores de carga constante, mas podem ser proporcionados na forma de qualquer outro tipo de capacitor adequado, incluindo aqueles que não permitem simulação de um capacitor. Além disso, deve ser apreciado que o circuito amplificador 366 ilustrado na Figura 24 é somente uma modalidade e é possível uma variedade de variações daquela modalidade descrita.

[00146] De acordo com uma variação da modalidade descrita anteriormente, o gradiômetro de gravidade não é disposto para rotação em torno do eixo geométrico z e a plataforma interna fica disposta de maneira que o ajuste fino do movimento das massas sensoras é conduzido em torno dos eixos geométricos x, y e z. Neste caso, o gradiômetro de gravidade tipicamente compreende componentes supercondutores e os sensores de transdutor 71 descritos anteriormente podem ser proporcionados na forma de bobinas supercondutoras. Essa disposição encontra-se descrita em detalhes no pedido de patente PCT/AU2006/001276 da própria Requerente.

[00147] Adicionalmente, o gradiômetro de gravidade pode ser disposto para medir outros componentes do gradiente de gravidade, caso este em que o gradiômetro de gravidade não será disposto para operação na orientação descrita. Por exemplo, o gradiômetro de gravidade pode ser disposto para medir o ΓΥζ e (Γζζ-Γγγ) ou o Γχζ e (Γζζ-Γγγ) do gradiente de gravidade.

[00148] A referência que está sendo feita ao pedido PCT/AU2006/001269 e pedido PCT/AU2007/001276 não constitui uma admissão de que estes documentos formam uma parte do conhecimento do estado da técnica na Austrália ou em qualquer outro país.

[00149] No presente pedido, exceto onde o contexto requeira de outro modo devido a linguagem expressa ou implicação necessária, a palavra "compreende" ou variações tais como “que compreende” ou "compreendendo" é usada em um sentido inclusivo, isto é, para especificar a presença de características estabelecidas, mas não de impedir a presença ou adição de outras características nas várias modalidades da invenção.

REIVINDICAÇÕES

Claims (23)

1. Gradiômetro de gravidade (1) para detectar um gradiente de gravidade, compreendendo: pelo menos duas massas sensoras (41, 42) que são articuláveis em torno de eixos geométricos respectivos e cada uma experimenta uma mudança no torque em resposta a uma mudança no gradiente de gravidade, pelo que as pelo menos duas massas sensoras (41, 42) se movem em relação uma à outra em resposta à mudança no gradiente de gravidade e em que um sinal indicador do gradiente de gravidade é gerado em resposta ao movimento relativo das pelo menos duas massas sensoras (41, 42); um sensor de aceleração (721) para detectar uma aceleração associada com uma aceleração externa aplicada ao gradiômetro de gravidade (1), e um acionador (54) para gerar uma força de ajuste que é dependente de uma aceleração detectada pelo sensor de aceleração (721), caracterizado por a força de ajuste também ser dependente de um parâmetro de resposta mecânica associado com pelo menos uma das pelo menos duas massas sensoras (41, 42) e a força de ajuste sendo aplicada de maneira que uma diferença entre as magnitudes dos torques experimentados pelas pelo menos duas massas sensoras (41, 42) em resposta à mudança no gradiente de gravidade é reduzida.

2. Gradiômetro de gravidade (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o parâmetro de resposta mecânica ser dependente de uma capacidade de resposta mecânica da pelo menos uma massa sensora a uma força aplicada.

3. Gradiômetro de gravidade (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o parâmetro de resposta mecânica ser dependente da magnitude de um momento de dipolo de massa da pelo menos uma massa sensora das pelo menos duas massas sensoras (41, 42).

4. Gradiômetro de gravidade (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por o acionador (54) e o sensor de aceleração (721) formarem uma parte de uma disposição de controle de alimentação de avanço para controlar a força de ajuste.

5. Gradiômetro de gravidade (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por o sensor de aceleração (721) ser disposto de forma a detectar uma aceleração linear.

6. Gradiômetro de gravidade (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por o parâmetro de resposta mecânica associado com pelo menos uma das pelo menos duas massas sensoras (41, 42) ser dependente de uma distância entre um centro da massa e o eixo geométrico de rotação respectivo da pelo menos uma massa sensora.

7. Gradiômetro de gravidade (1), de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracterizado por uma membrana de flexão agir como um pivô para as pelo menos duas massas sensoras (41, 42).

8. Gradiômetro de gravidade (1), de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado por o centro da massa de cada massa sensora (41, 42) estar localizado na proximidade dos respectivos eixos geométricos e em que pelo menos uma parte da diferença entre os torques experimentados pelas massas sensoras (41, 42) ser uma consequência de diferentes locais dos centros de massa em relação ao respectivo eixo geométrico.

9. Gradiômetro de gravidade (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por os eixos geométricos respectivos estarem alinhados de forma a serem coaxiais.

10. Gradiômetro de gravidade (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por massa sensora (41, 42) ter um centro de massa que é deslocado do respectivo eixo geométrico de rotação por uma distância que é menor do que 1 parte em 106 de um raio de giro da massa sensora.

11. Gradiômetro de gravidade (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por cada massa sensora (41, 42) ter um centro de massa que é deslocado em relação ao respectivo eixo geométrico de rotação por uma distância que é menor do que 1 parte em 5 x 106 de um raio de giro da massa sensora.

12. Gradiômetro de gravidade (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por cada massa sensora ter um centro de massa que é deslocado em relação ao respectivo eixo geométrico de rotação por uma distância que é menor do que 1 parte em 107 de um raio de giro da massa sensora.

13. Gradiômetro de gravidade (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por a força de ajuste ser aplicada de maneira tal que um centro de massa em cada massa sensora (41, 42) fica localizado dentro de 10 nm do respectivo eixo geométrico.

14. Gradiômetro de gravidade (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por um centro de massa de cada massa sensora (41, 42) ser localizado dentro de 5 nm do respectivo eixo geométrico.

15. Gradiômetro de gravidade (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por pelo menos duas massas sensoras (41, 42) serem articuláveis dentro de um plano (x-y) e em que o gradiômetro de gravidade (1) é disposto de forma que uma diferença entre os torques experimentados pelas pelo menos duas massas sensoras (41, 42) em resposta à mudança no gradiente de gravidade é reduzida para uma aceleração aplicada em qualquer direção dentro do plano (x-y).

16. Gradiômetro de gravidade (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por pelo menos uma parte do sensor de aceleração (721) estar localizada em um local fixo em relação a uma das pelo menos duas massas sensoras (41, 42).

17. Gradiômetro de gravidade (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por compreender capacitores (71) que são dispostos de forma que o movimento relativo das pelo menos duas massas sensoras (41, 42) gera um sinal elétrico nos capacitores (71).

18. Gradiômetro de gravidade (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 16, caracterizado por compreender bobinas indutoras que estão dispostas de forma que o movimento relativo das pelo menos duas massas sensoras (41, 42) gera um sinal elétrico nas bobinas indutivas.

19. Gradiômetro de gravidade (1), de acordo com a reivindicação 18, caracterizado por as pelo menos duas massas sensoras (41, 42) serem posicionadas em um Dewar e em que o gradiômetro de gravidade (1) compreende componentes supercondutores que, em uso, operam sob temperaturas criogênicas.

20. Gradiômetro de gravidade (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por compreender uma plataforma de estabilização (3) e em que o sensor de aceleração (721) está localizado em um lado de carga da plataforma de estabilização (3).

21. Método para detectar um sinal de gradiente de gravidade, utilizando um detector que compreende pelo menos duas massas sensoras (41, 42) que são móveis e cada uma experimenta uma mudança de torque em resposta a uma mudança no gradiente de gravidade pelo que as pelo menos duas massas sensoras (41, 42) se movem em relação uma à outra, o método compreendendo: determinar um parâmetro de resposta mecânica associado com pelo menos uma das pelo menos duas massas sensoras (41, 42); detectar uma aceleração associada com uma aceleração externa; gerar uma força de ajuste que é aplicada de forma que uma diferença entre as magnitudes dos torques experimentados pelas pelo menos duas massas sensoras (41, 42) é reduzida, e detectar o sinal de gradiente de gravidade, caracterizado por a força de ajuste depender de uma aceleração detectada e de um determinado parâmetro de resposta mecânica.

22. Método, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado por a aceleração externa ser uma aceleração linear.

23. Método, de acordo com a reivindicação 21 ou 22, caracterizado por o parâmetro de resposta mecânica ser dependente de um momento de dipolo de massa da pelo menos uma massa sensora.