BRPI0914479B1

BRPI0914479B1 - Gradiômetro de gravidade com pivôs de flexão por torção

Info

Publication number: BRPI0914479B1
Application number: BRPI0914479-0A
Authority: BR
Inventors: Martin Vol Moody
Original assignee: Martin Vol Moody
Priority date: 2008-10-24
Filing date: 2009-10-23
Publication date: 2019-07-09
Also published as: CA2741079A1; AU2009308266A1; RU2539093C2; US20100101321A1; CN102227651B; EP2340450B1; AU2009308266B2; CA2741079C; BRPI0914479A2; WO2010048508A1; CN102227651A; US8069725B2; EP2340450A1; RU2011120251A; EP2340450A4

Abstract

gradiômetro de gravidade com pivôs de flexão por torção uma resposta para quadrupolo gradiómetro tipo na oqr compreende um alojamento, e um quadrupolo de massas tem um par de lados, e também tem um centro de massa entre os lados. a resposta quadrupolo ainda compreende pelo menos duas flexuras mola de torção. as molas de torção flexuras são fornecidos por pinos de conexão de cada lado do quadrupolo de massas para a habitação. o flexures mola de torção fornecer um eixo de rotação que passa throug centro de massa quadrupolar e através de molas de torção flexuras .

Description

GRADIÔMETRO DE GRAVIDADE COM PIVÔS DE FLEXÃO POR TORÇÃO” Este pedido reivindica prioridade de Pedido de Patente Provisória

Norte-americana N° 61/108,262, que é incorporada pelo presente por referência em sua totalidade.

CAMPO DE APLICAÇÃO

Esta especificação se refere a um gradiômetro de gravidade. Mais particularmente, se refere a um gradiômetro de gravidade que numa versão preferida possui responders quadripolos ortogonais (OQR e composto de dois balancins de equilíbrio) em que cada responder quadripolo ou balancim de 10 equilíbrio é montado no alojamento de dispositivo através de duas flexões de mola por torção coaxial. Detalhes disto serão descritos mais profundamente adiante nesta petição.

HISTÓRICO

Os gradiômetros de gravidade existem há muitos anos e são usados para medir variações nos gradientes do campo gravitacional da terra.

Os gradiômetros de gravidade podem ser usados na exploração de minerais e hidrocarbonetos, pois os depósitos destes materiais na terra e as variações na _{t =} estrutura .subterrânea que contém tais depósitos produzem variações na gravidade e nos gradientes gravitaciõnais qúe, sê interpretados corretamente, 20 podem resultar em descobertas valiosas. A capacidade de operar um gradiômetro de gravidade em um veículo móvel é desejável, uma vez que isto pode diminuir bastante a quantidade de tempo necessária para execução de um exame em uma determinada localidade.

As variações nos gradientes de gravidade que devem ser medidas são de magnitude extremamente pequena e, portanto, requerem instrumentos de baixo ruído muito sensíveis com características de resposta de alta repetibilidade. Além disso, quando o gradiômetro de gravidade é montado em um veículo móvel, os sinais devido a essas alterações do gradiente de gravidade são muito pequenos em comparação com as respostas indesejáveis do instrumento produzidas por acelerações e movimentos rotacionais do veículo em que o instrumento está montado.

O desempenho relatado dos atuais gradiômetros de gravidade aerotransportados comercialmente operacionais é limitado atualmente por um nível de erro de aproximadamente três a quatro Eotvos (1 E = um gradiente de 10’⁹ metros por segundo quadrado por metro, aproximadamehte 1O'¹⁰ g por metro) num tempo médio de sinal de seis segundos, ao operar em condições de voo de baixíssima turbulência, com diminuição do desempenho conforme o aumento dã turbulência. Embora este desempenho tenha sido suficiente para sugerir uma utilidade potencial da gradiometria de gravidade aerotransportada, melhorias de um nível de desempenho de 1 E médio por segundo são consideradas necessárias para uma aplicação ampla bem sucedida na exploração mineral.

Uma forma conhecida de gradiômetro de gravidade que demonstrou potencial de laboratório para fornecer este ganho de desempenho é o assim chamado responder quadripolo ortogonal (também referido aqui como um OQR e também conhecido como gradiômetro de gravidade de componente cruzado). No OQR, dois quadripolos de massa orientados ortogonalmente (também referido aqui como balancins de equilíbrio), cada um sendo uma estrutura cuja massaé distribuída de tal-forma que tenha momentos de quadripolo de massa diferentes ao longo dos dois eixos que são ortogonais entre si e a um eixo de rotação desejado, são anexados a um alojamento usando molas cujos alinhamentos mútuos definem o eixo -de20 rotação desejado, compondo, assim, os responders de quadripolo (às vezes também chamados de acelerômetros angulares). Os balancins de equilíbrio giram diferencialmente (em direções opostas) em resposta às alterações em certos componentes tensores do gradiente de gravidade, mas giram da forma comum (ambos na mesma direção) em resposta a movimentos de aceleração rotacionais do alojamento. Portanto, em princípio, quando o alojamento é montado em um veículo o OQR separa os sinais fracos do gradiente de gravidade do ruído muito mais elevado devido às acelerações angulares do veículo.

As versões precedentes de uma versão de rotação de um projeto de gradiômetro de gravidade OQR foram reveladas por Weber, Zipoy e Forward na patente norte-americana 3,722,284 e por Robert L. Forward, “Medições da gravidade lunar futuras” em Earth, Moon and Planets, Volume 22, N- 4 (1980) pp. 419-433 e por Lautzenhiser na patente norte-americana

4,215,578.

Ho Jung Paik, em “Gradiometria de gravidade por tensor supercondutor para geodésia de satélite e navegação inercial”, The Journal of the Astronautical

Sciences, Volume XXIX, N- 1, pp. 1-18, Janeiro-Março de 1981, apresentou uma descrição de um Gradiômetro por Componente Cruzado (discussão na pg.

e Fig. 4), que é topologicamente equivalente ao projeto de Forward, mas que utiliza materiais supercondutores, bobinas sensíveis a entreferro indutivo e transdutores SQUID a fim de alcançar uma alta relação sinal/ruído sem a necessidade de girar o instrumento inteiro. Uma versão posterior também 10 empregando materiais supercondutores é revelada por Van Kann e Buckingham na patente norte-americana 5,668,315 e é descrita como um OQR por Van Kann et al., “Testes de laboratório de um gradiômetro de gravidade por supercondutividade móvel”, Physica B, Volume 165 (1990) pp. 93-94. Em Moody, Paik & Canavan, “Princípio e desempenho de um acelerômetro angular 15 por supercondutividade”, Review of Scientific Instruments, Volume 74, Edição 3 (2003) pp. 1310-1318, são descritos detalhes de um acelerômetro angular por .. supercondutividade embutido e testado, um par do qual pode ser usado para formar um gradiômetro de gravidade OQR.

“ ~ Existem exemplos de gradiômetros de- gravidade OQR que 20 utilizam temperaturas criogênicas para permitir o uso de dispositivo SQUID (Dispositivo de Interferência Quantum Supercondutor) com base na detecção do movimento dos responders quadripolos e para alcançar um comportamento quase perfeitamente elástico nas molas torsionais sobre as quais estão montados os quadripolos de massa. Van Kann e Buckingham descreveram tal 25 gradiômetro de gravidade OQR na patente norte-americana 5,668,315. Outra versão é primeiro descrita em E. R. Canavan, Μ. V. Moody, H. J. Paik, R. V. Duncan, e J. A. Demko “Gradiômetro de Gravidade por Supercondutividade para Levantamento Aerotransportado”, apresentada no Encontro Anual da União de Geofísica Americana (São Francisco, Dezembro de 1995) e 30 posteriormente detalhada em Moody, M.V. e Paik, H.J., “Um gradiômetro de gravidade por supercondutividade para navegação inercial”, em Proc. IEEE 2004 Simpósio de Navegação e Localização Posicionai (PLANS 2004), Abril de 2004, pp. 775-781. Ainda, outra versão é descrita em French, J.B. et al., patente norte-americana 7,360,419. Nas temperaturas significativamente acima ' das temperaturas criogênicas, incluindo a temperatura ambiente padrão, todos os materiais policristalinos apresentam efeitos de fluência e histerese que degradam a repetibilidade de resposta do instrumento (ou seja, por exemplo, 5 porque alguns medidores de gravidade de alta qualidade são construídos de quartzo fundido amorfo, que apresenta baixíssimos efeitos de fluência e histerese).

Os gradiômetros de gravidade tipo OQR não rotativos atuais, unem seus balancins de equilíbrio aos seus alojamentos usando molas que 10 estão na forma de uma trama “microscopicamente espessa. Por ser muito fina, tal trama apresentará uma pequena área de seção transversal, resultando em grandes solicitações no material da trama em resposta às acelerações do alojamento; portanto, tais tramas são frágeis e propensas à ruptura. Tem sido difícil alcançar as exigências de tolerância dimensional quando da fabricação 15 desse tipo de flexão de trama. Notavelmente, uma trama, quando solicitada por ... . acelerações da aeronave ou veículo em movimento, será submetida à deformação anisoelástica (conforme descrito abaixo), resultando em erros não lineares indesejáveis (às vezes referidos como ruído) impostos no sinal do -· ^s·’ gradiômetro. - —

DESCRIÇÃO RESUMIDA

A presente revelação refere-se a um gradiômetro de gravidade tipo OQR que pode ter características melhoradas, particularmente resposta de erro reduzida às acelerações translacionais da aeronave ou veículo.

Em um aspecto, a revelação fornece um responder quadripolo 25 para um gradiômetro de gravidade tipo OQR composto de um alojamento e um quadripolo de massa posicionado dentro do alojamento. O quadripolo de massa tem um par de lados e também um centro de massa entre os lados. O responder quadripolo consiste ainda em pelo menos duas flexões de mola de torção. As flexões de mola de torção são fornecidas por pinos que conectam 30 cada lado do quadripolo de massa ao alojamento. As flexões de mola de torção fornecem um eixo de rotação que passa através do centro de massa do quadripolo de massa e através de ambas as flexões de mola de torção.

Os pinos podem ser conectados ao quadripolo de massa e ao

4.

«?	alojamento através de aderência por difusão. As flexões de mola de torção podem ser flexíveis para movimento giratório do quadripolo de massa sobre o eixo de rotação, mas substancialmente rígidas para movimentos do referido quadripolo de massa em
5	todas as outras direções rotacionais e translacionais. A flexão de mola de torção em um lado do referido quadripolo de massa pode ser idêntica à flexão de mola de torção no outro lado do referido quadripolo de massa. Alternadamente, a flexão de mola de torção em um lado do referido quadripolo de massa pode ter pelo menos uma diferença no formato
10	ou dimensão da flexão de mola de torção no outro lado do quadripolo de massa. A diferença ou diferenças entre as porções de flexão no formato ou dimensão podem ser de tal forma a produzir uma resposta anisoelástica para o referido responder. Cada flexão de mola torsional pode ter uma seção transversal
15	quadrada. Alternadamente, cada flexão de mola torsional pode ter uma seção transversal circular. Alternadamente, cada flexão de mola_torsional pode ter uma seção transversal na forma de um octógono regular. As flexões de mola de torção podem fornecer uma rigidez torsional combinada sobre o eixo, resultando em uma frequência ressonante -
20	desejada para o movimento rotacional do quadripolo de massa sobre o eixo em relação ao alojamento. O alojamento pode consistir de faces laterais, e os pinos podem ser posicionados ortogonalmente em relação às faces laterais. Os pinos podem ser montados na primeira e segunda placas laterais, respectivamente, e a
25	primeira e segunda placas laterais podem ser fixadas ao alojamento. O alojamento e o quadripolo de massa podem ser fabricados a partir de nióbio e os pinos são fabricados de pelo menos uma liga de nióbio e de titânio. Os pinos podem conectar cada lado do quadripolo de massa ao
30	alojamento sem qualquer junta mecânica. O alojamento pode definir um volume em que o quadripolo de massa está alojado e o volume pode ter substancialmente o mesmo formato que o quadripolo de massa. O volume pode definir o intervalo entre o

quadripolo de massa e o alojamento. Os pinos podem ser adaptados para permitir que o quadripolo de massa se mova rotacionalmente sobre o eixo dentro do intervalo. O responder quadripolo pode ainda consistir em pelo menos um sensor montado no alojamento configurado para detectar uma 5 mudança na distância entre o quadripolo de massa e o alojamento. Pelo menos um sensor pode ser montado em uma cavidade adjacente ao intervalo.

As flexões de mola de torção podem fornecer uma primeira frequência ressonante para rotação do referido quadripolo de massa sobre o referido eixo e frequências ressonantes adicionais para movimentos do referido 10 quadripolo de massa em outros modos rotacionais e translacionais. A primeira frequência ressonante pode ser menor que as frequências ressonantes adicionais.

Os pinos podem ser formados por uma haste, e as flexões de mola de torção podem compor regiões de material removido na haste. A haste 15 pode se estender através do quadripolo de massa e compor as primeiras e segundas saliências nas extremidades deste e para fora^ das flexões de mola ₌de torção. As primeiras e segundas saliências podem ser fixadas ao alojamento.

Em outro aspecto, a revelação fornece.um^método de detecção 20 de um sinal do gradiente de gravidade tendo uma baixa relação sinal/ruído, consistindo em: (a) seleção de gradiômetro de gravidade OQR tendo um par de quadripolos de massa tendo eixos rotacionais que são colineares e que C . passam através do centro de massa de cada quadripolo de massa, os referidos ⁵ eixos sendo um eixo comum, (b) fornecendo para cada quadripolo de massa pelo menos um par de flexões de mola de torção, um em cada lado do referido quadripolo de massa, as referidas flexões de mola de torção sendo colineares e conectando cada lado do referido quadripolo de massa ao referido alojamento.

O método pode ainda consistir na seleção de parâmetros das flexões de mola de torção para que estas forneçam uma rigidez torsional combinada sobre o eixo comum, que resulte na frequência ressonante desejada para o movimento rotacional do par de quadripolos de massa sobre o eixo comum em relação ao alojamento.

Os parâmetros das flexões de mola de torção podem ser selecionados para fornecer uma primeira frequência ressonante para rotação do par de quadripolos de massa sobre os eixos e frequências ressonante adicionais para movimentos do referido quadripolo de massa em outros modos 5 rotacionais e translacionais. A primeira frequência ressonante pode ser menor que as frequências ressonantes adicionais.

As flexões de mola de torção podem ser fornecidas por pinos que estejam firmemente conectados aos quadripolos de massa e ao referido alojamento pela aderência por difusão.

As flexões de mola de torção podem ser fornecidas por de pinos que conectam cada lado de cada quadripolo de massa ao alojamento.

A etapa (b) pode consistir na fixação dos pinos ao quadripolo de massa e ao alojamento pela aderência por difusão.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

São feitas referências na descrição detalhada aos desenhos correlates. Nos desenhos: .

A Fig. 1 é o diagrama de um quadripolo de massa, alojamento e flexão do gradiômetro de gravidade tipo OQR da técnica anterior convencional;

. A.Fig. 2 é uma vista lateral de uma primeira configuração de um responder quadripolo de acordo com a presente petição;

A Fig. 3 é uma vista em perfil tomada ao longo das linhas A-A da Fig. ²·

A Fig. 3A é uma vista lateral dos pinos do responder quadripolo das Figs. 2 e 3 usinada e sendo parte de uma haste simples;

A Fig. 4 é uma vista lateral explodida de outra configuração de um responder quadripolo;

A Fig. 5 é uma vista lateral do quadripolo de massa, pinos e parte inferior do alojamento da Fig. 4.

A Fig. 6 é uma vista lateral ampliada de uma abordagem alternativa para encaixe de um pino de flexão torsional do responder quadripolo das Figs. 4 e

5;

A Fig. 7 é uma vista lateral mostrando outra abordagem para fabricação do responder quadripolo da Fig. 4;

A Fig. 8 é uma vista final parcialmente explodida do responder quadripolo da Fig. 7;

A Fig. 9A é uma vista em perspectiva de um monobloco inicial usado para formar um responder quadripolo, junto com uma vista esquemática de um sistema de coordenadas usado na descrição do responder quadripolo mostrado nas figuras a seguir;

A Fig. 9B é uma vista em perspectiva de um balancim de equilíbrio e um dos pinos de torção do responder quadripolo a ser esculpido do monobloco da Fig.9A;

A Fig. 10A é uma vista em perspectiva do monobloco da Fig. 9A, mostrando as operações de usinagem realizadas no mesmo;

A Fig. 10B é uma vista em perspectiva de um balancim de equilíbrio do responder quadripolo da Fig. 10A;

A Fig. 11A é uma vista em perspectiva do monobloco da Fig. 10A, mostrando as operações de usinagem realizadas no mesmo;

. „ _ - A Fig.-11B é-uma vista-em perspectiva de um balancim dê equilíbrio do responder quadripolo da Fig. 11 A;

A Fig. 12A é uma vista em perspectiva do monobloco da Fig. 11 A, mostrando as operações de usinagem áriiciõhaiFrèãlizãdasTío mesmo;

A Fig. 12B é uma vista em perspectiva de um balancim de equilíbrio do responder quadripolo da Fig. 12A;

A Fig. 13A é uma vista em perspectiva do monobloco das Figs. 10A, 11A e 12A mostrando as operações de usinagem adicionais realizadas no mesmo;

A Fig. 13B é uma vista em perspectiva de um balancim de equilíbrio formado a partir do monobloco da Fig. 13A;

A Fig. 14A é uma vista em perspectiva mostrando cavidades formadas no alojamento da Fig. 13B;

A Fig. 14B é uma vista em perspectiva mostrando a localização dos sensores de intervalo do balancim de equilíbrio da Fig. 14A;

A Fig. 15A é uma vista ampliada da região de flexão de um responder quadripolo da técnica anterior do tipo mostrado na Fig. 1; e

A Fig. 15B é uma vista ampliada da região de flexão mostrada na

Fig. 15Α e mostrando os efeitos de uma aceleração.

DESCRIÇÃO DETALHADA

Primeiro é considerada a Fig. 1, que mostra esquematicamente uma vista lateral do responder quadripolo 8 da técnica anterior (como mostrado 5 na patente norte-americana 7,360,419 de French et al., e publicada através do N- de Pedido de Patente EUA US2006/0207326 A1). Trata-se basicamente de uma placa bidimensional composta de um alojamento 10, um quadripolo de massa 12 (um balancim de equilíbrio) e uma flexão de trama 14 que junta o quadripolo de massa 12 ao alojamento 10. A montagem inteira pode ser 10 apropriadamente cortada a partir de uma placa por usinagem de descarga elétrica (EDM) através de um intervalo 16 completamente ao redor do responder quadripolo, 12 exceto na trama fina do material à esquerda da forma da flexão 14. Quando o quadripolo de massa ou balancim de equilíbrio 12 gira levemente no intervalo 16 sobre o eixo de rotação 19 em resposta a uma 15 alteração do gradiente de gravidade, o movimento é detectado pelos sensores . . . localizados nas cavidades 18 que também são cortadas da placa original. Cada sensor está localizado em uma posição tal que, conforme o balancim de equilíbrio gira ao redor do eixo de flexão 19, a distância que é a largura do * * intervalo entre o sensor e TjmáTface do baláncirfT de equilíbrio muda. São . 20 escolhidos sensores de forma a produzir saídas que variam à medida em que esta distância de intervalo muda, medindo assim o ângulo de rotação do balancim de equilíbrio em relação ao alojamento. Enquanto que, em princípio, apenas um de tal sensor seria suficiente para fazer esta medição, podem ser utilizados sensores adicionais para produzir vantagens como a redução da 25 sensibilidade à diiatação térmica e a movimentos do balancim de equilíbrio em outras direções e (no caso de um balancim de equilíbrio supercondutor e sensores de bobina indutiva) permitindo que a frequência ressonante do balancim de equilíbrio sobre o eixo de flexão 19 seja sintonizada e seu movimento rotacional subtraído eletricamente daquele do outro responder 30 quadripolo em um gradiômetro de gravidade OQR a fim de medir o movimento modo diferencial com sensibilidade e estabilidade máximas, conforme descrito no Pedido de Patente EUA N- US2006/0207326 A1. Assim, múltiplas cavidades de sensor (neste caso oito) são mostradas na Fig. 1.

O formato do quadripolo de massa é projetado para que seu centro de massa fique localizado o mais próximo possível do eixo de rotação 19 definido pelo centro da flexão da trama 14. Duas montagens de tal responder quadripolo dispostas ortogonalmente entre si com seus eixos rotacionais colineares formam um gradiômetro de gravidade na forma de um responder quadripolo ortogonal ou OQR (conforme também mostrado na patente acima para French et al.).

Considerando agora as Figs. 2 e 3, que mostram uma primeira configuração de um responder quadripolo 20 de acordo com o presente pedido. Como na técnica anterior, o responder quadripolo 20 inclui um balancim de equilíbrio ou quadripolo de massa 22 circundado por um alojamento 24, com capacidade de rotação levemente no intervalo 26. Entretanto, o balancim de equilíbrio 22 é conectado ao alojamento 24 não por uma trama, mas por dois pinos de munhão 28 (Figs. 2, 3) montados nas placas laterais 30 que estão fixadas ao alojamento 24 por parafusos 32. Quando usado aqui, o termo “pino” inclui qualquer estrutura que possa conectar o balancim de equilíbrio 22 aó alojamento 24, e que inclua pelo menos uma parte que possa atuar como uma mola de torção (também chamada flexões de torção, regiões de flexão ou flexões de mola de torção). Isto-é,- os pinos fornecem as flexões de mola de torção. Na presente configuração, os pinos 28 conectam o balancim de equilíbrio 22 ao alojamento 24 indiretamente, via placas laterais 30. Entretanto, em configurações alternativas, os pinos 28 podem conectar o balancim de equilíbrio 22 ao alojamento 24 diretamente. Além disso, na presente configuração, somente uma parte de cada um dos pinos 28 atua como uma mola de torção. Especificamente, as partes 29 dos pinos 28 que transpõem os intervalos entre o balancim de equilíbrio 22 e as placas laterais 30 atuam como molas de torção. O eixo de rotação 34, definido pelo eixo geométrico dos dois pinos 28, é localizado, preferivelmente localizado de modo preciso, para passar através do centro de massa do quadripolo de massa 22 e para estar ortogonal em relação ao plano das faces laterais 35 do alojamento 24 de modo que duas de tais montagens possam ser montadas apropriadamente com seus eixos precisamente alinhados de forma colinear com os eixos longos dos quadripolos de massa 22 orientados em 90° entre si para formar um gradiômetro tipo OQR completo.

⁷ Nas Figs. 2 e 3, as placas laterais 30 são mostradas como pontes apenas na área próxima aos pinos 28, mas será evidente que elas podem ser ampliadas de modo que quando a montagem estiver completa, elas sirvam para localizar os pinos 28 e para atuar como tramas de corte fornecendo rigidez adicional a alojamento 24 inteiro.

Para montagem, o balancim de equilíbrio 22 pode ser posicionado precisamente no alojamento 24 deixando uma ponte entre o balancim e o alojamento que é removida no final do processo de fabricação.

Alternativamente, podem ser empregados calços e presilhas de montagem temporários (não mostrados). As placas laterais 30 são fixadas no lugar antes da perfuração e inserção do pino de modo que possa ser obtido um alinhamento preciso entre os orifícios 36 que são perfurados nas placas laterais 30, e os orifícios 38 que são perfurados no balancim de equilíbrio. Os diâmetros de orifício são tais que um ajuste forçado é obtido quando os pinos 28 são impelidos no lugaratravés dos orifícios’36 nas“placas laterais e rios orifícios 38 no balancim de equilíbrio.

Alternativamente, para evitar a necessidade de um encaixe forçado, os pinos põdem sêr formados a partir de uma haste comprida e de 20 diâmetro grande 300 (Fig. 3A), pela usinagem desta haste (p. ex., usando um torno) para remoção do material em duas seções da haste, para formar as duas flexões de mola de torção (mostradas em 302 na Fig. 3A), tal que os eixos geométricos 304 das flexões de mola de torção sejam colineares com o eixo geométrico 306 da haste, e de modo que as duas flexões de mola de 25 torção 302 estejam na distância desejada uma da outra. Como um exemplo, a Fig. 3A mostra tal haste 300 com diâmetro de 0,2 polegadas, com as duas flexões de mola de torção 302 de diâmetro de 0,016 polegadas e comprimento de 0,010 polegadas usinadas na mesma, junto com duas saliências de diâmetro intermediário 308 que são usinadas a partir da haste 300 para fora 30 das flexões de mola de torção 302. Nesta configuração, a parte inteira de cada pino consiste da flexão de mola de torção, e o pino e a flexão de mola de torção são definidos pela região de transposição dos intervalos entre o balancim de equilíbrio 22 e as placas laterais 30. Para receber a haste 300 e os pinos 302 desta configuração alternativa, pode ser feito um orifício (não mostrado) através da espessura inteira do balancim de equilíbrio 22.

A inserção dos pinos no balancim de equilíbrio 22 e no alojamento 24 da Fig. 3 pode ser realizada aquecendo o conjunto balancim de equilíbrio e alojamento 5 e/ou resfriando o componente do pino (haste 300 após sua usinagem) para obter a folga suficiente a partir da dilatação/contração térmica. Isto pode ser seguido pela inserção imediata da haste 300 em cada um dos três orifícios por vez (um orifício no balancim de equilíbrio 22 e os outros em cada lado do alojamento 24), e a mantendo no lugar enquanto e até que as peças alcancem 10 a mesma temperatura. Como um exemplo de componente de pino, fabricado a partir de uma haste de liga Ti de 0,2 polegadas de diâmetro, que pode ser resfriada a -196° C, e um alojamento de nióbio e balancim de equilíbrio aquecido a 300° C, para alcançar uma folga de 0,0005 polegadas entre a haste e os orifícios para inserção, o que resultaria em um encaixe de interferência de 15 0,00025 polegadas após todas as peças retornarem à mesma temperatura.

Um gradiômetro de gravidade normalmente pode exigir que o balancim de equilíbrio de um responder quadripolo gire repetidamente em relação ao alojamento através de um ângulo de aproximadamente 10‘¹²radianos, de forma equivalente mudando repetidamente a dimensão do 20 intervalo entre a face de um sensor (localizado em uma das cavidades 18 na Fig. 1) e a face adjacente do balancim de equilíbrio por 10'¹³ m, em resposta a uma alteração de 1 E no gradiente de gravidade. O alcance deste nível de repetibilidade pode ser muito difícil com montagens multicomponentes. Isto é porque os efeitos de fluência e histerese devido ao alívio de tensões internas 25 nas juntas da montagem podem induzir a alterações dimensionais correspondentes a desvios de medição de instrumento inaceitavelmente grandes, especialmente quando submetidos a vibrações inaceitáveis no uso móvel.

Para evitar este problema, foi considerado que, se as faces de 30 união na montagem estão preparadas de forma adequada e sob compressão suficiente (fornecido, por exemplo, pelo encaixe forçado dos pinos 28 nas placas laterais 30 e balancim de equilíbrio 22 ou pelo encaixe de interferência descrito acima), e a montagem inteira é então submetida de modo apropriado a uma alta temperatura de, por exemplo, 1100° C no vácuo, que ocorrerá uma combinação de recozimento e aderência por difusão, tal que a montagem inteira se torne efetivamente uma entidade monobloco por alívio de tensões internas. Isto pode envolver um processo de várias etapas.

As dimensões de exemplo e as propriedades estáticas e dinâmicas resultantes são como mostradas nas duas tabelas a seguir. As fórmulas indicadas utilizam uma teoria de balancim simples para estimar, para uma primeira aproximação, a rigidez da flexão nas várias direções rotacionais e translacionais. Embora fosse necessária uma análise mais detalhada (p. ex., 10 usando modelagem por elementos finitos) considerando os efeitos da curta altura dos pinos de torção para determinar estimativas de maior precisão para estes, estas estimativas da teoria de balancim simples servem para confirmar que esta abordagem de projeto produz a rigidez adequada em todas as direções, sem sofrer solicitações excessivas quando o balancim de equilíbrio é 15 girado através de um ângulo significativamente maior sobre o eixo de flexão.

TABELA 1

Pivô de Dois Pinos (modos fundamentais)

Balancim de equilíbrio (o sistema de coordenadas está alinhado com os 20 . momentos principais)

Massa (M): 0,691 kg nióbio puro (mesmo que o alojamento)

Momentos de inércia (kg cm²): J_2Z - 7,07, Jyy = 6,56, J_xx = 1,18 Espessura (b): 2,41 cm

Dimensões de pino:

Diâmetro (d): 0,40 mm

Comprimento exposto (h): 0,25 mm

Material - Ti-6AI-2Sn-4Zr-6Mo módulo de cisalhamento (G): 43 GPa módulo de elasticidade (E): 114 GPa força cisalhante: 660 MPa coeficiente de cisalhamento (ξ): 1,07

Modo fundamental π/Ρίτ 1 ______ = 0.432Mb, X = — ]2k,/J_z = 5.6Ηζ

À deformação é limitada a 0,0015 radianos pelos batentes limitadores de movimento (não mostrado na Fig. 2) σ =---₌ 5.16 x 10 ⁷ Pa it d*

TABELA 2

Pivô de Dois Pinos (outros modos)

Modos translacionais k’ = = 1 ·7M0¹ Nm'', f‘ =1119½ ^v 4ã(4A²G + 3çí/²ê) 2b ^v k’_z - = 5.73 x 10’ Nm'¹, f’ = — Ίν/Μ = 2050½

2h _ ^z 2b ^v _ __ ____

Modos rotacionais ortogonais =1031 /fe f_r=2-^k^/J_t =450½

Essas dimensões e propriedades são compatíveis com um gradiômetro de gravidade criogênico adequado para aplicações de 10 levantamento geofísico móvel. As temperaturas criogênicas permitem a exploração das propriedades supercondutores do nióbio através do uso do efeito Meissner do material do quadripolo de massa pare acoplar a indutância das bobinas sensores aos movimentos do quadripolo de massa, através do uso de sensores indutivos usando dispositivos SQUIDs (Dispositivos de 15 Interferência Quantum Supercondutor) para medir tais indutâncias com baixíssimo ruído, através do uso de um compartimento supercondutor para excluir as correntes que, de outro modo, seriam produzidas pelo campo magnético da terra e para reduzir os efeitos do movimento browniano a um nível aceitável. Entretanto, observa-se que as vantagens do arranjo descrito abaixo também serão obtidas em outros projetos de gradiômetro, tal como um projetado para operar na temperatura da sala.

Em um exemplo, é escolhida uma liga de titânio de alta resistência para os pinos 28, porque ela fornece resistência adicional e foi ligada por difusão com êxito ao nióbio em um gradiômetro de gravidade da técnica anterior com base em uma flexão tipo trama feita desta liga. Entretanto, podem ser usadas outras ligas com propriedades adequadas, como metais tão puros quanto o nióbio.

Pode ser altamente benéfico em termos da relação sinal/ruído final ter uma suspensão (isto é, molas de torção) que seja relativamente flexível no modo de sinal (correspondente a uma frequência ressonante relativamente mais baixa para movimento do quadripolo de massa relativo ao alojamento sobre o eixo de flexão) mas relativamente rígida em todos os outros modos (correspondentes a frequências ressonantes mais elevadas e, portanto, pequenas deflexões e ruídos correspondentes a estes movimentos indesejáveis, para movimentos do quadripolo de massa relativos ao alojamento em todas as outras direções rotacionais e translacionais). Fontes de ruído resultantes destes outros^modos podem ser as acelerações translacionais; as 20 acelerações rotacionais ou velocidades rotacionais do alojamento sobre eixos outros que não o eixo de flexão, ou podem ser efeitos de ordem superior resultantes de combinações destes movimentos. As vantagens resultantes deste arranjo sobre a técnica anterior são as seguintes.

Primeiro, as frequências do modo de resposta de aceleração translacional são altas (estimadas no exemplo, acima de 1100 Hz), comparadas com o modo de sinal em 5,6 Hz. Isto reduz o ruído resultante dos efeitos de deslocamento do centro de massa associado.

Segundo, uma fonte de erro dominante quando usada uma geometria de trama (como mostrada na Fig. 1) é o assim chamado efeito 30 “dipolo induzido”, conforme ilustrado nas Figs. 15A e 15B. A Fig. 15A é um diagrama close-up da região de flexão do tipo de responder quadripolo da técnica anterior mostrado na Fig. 1 (observe, entretanto, que as dimensões de intervalo e flexão neste diagrama não estão em escala, mas foram ampliadas para maior clareza). Na Fig. 15A, o alojamento 10, o balancim de equilíbrio 12 e a flexão de trama 14 são mostrados nas suas posições e formatos como usinados nominais. O. eixo de flexão 19 é localizado ao longo do eixo geométrico da flexão. O balancim de equilíbrio foi usinado e aparado para que seu centro de massa 150 esteja (o mais próximo possível) localizado no eixo de flexão 19.

A Fig. 15B é um diagrama da mesma região de flexão, para o caso quando o alojamento está acelerando com um vetor “a” de aceleração típico, que tem os componentes de vetor a_x e a_y como mostrado. A flexão da 10 trama, sendo feita de um material elástico, irá deformar nas direções x e y, devido à pseudo-força F 158 (proporcional e oposta em direção ao vetor de aceleração “a”) decorrente da resistência inercial do balancim de equilíbrio para os componentes de aceleração a_x e a_y. O formato da trama não-deformada é mostrado usando linhas pontilhadas 14, e o formato da trama deformada é 15 mostrado usando linhas contínuas 152 (a deflexão da trama é mostrada de - - forma grossamente exagerada para maior clareza da ilustração). A localização deformada do centro da flexão 154 está localizada no centro da flexão deformada. A localização deformada do centro de massa 156 permanece na mesma posição fixa relativa ao balancim de equilíbrio deformado como na Fig.

15A. Ambas são exibidas- nas direções x e y de suas posições nãodeformadas; para este tipo de flexão de trama, é conhecido que a quantidade pela qual o centro de massa 156 se move nas direções x e y é aproximadamente duas vezes a quantidade que o centro da flexão 154 se move em cada uma destas direções, portanto, elas não são coincidentes. Para os projetos de gradiômetro de gravidade da técnica anterior realistas, também é conhecido (por exemplo, como discutido em detalhes na Seção 4.2.1.2 de [Matthews, Robert, “Gradiômetro de Gravidade Móvel”, teses de Ph.D, Dept. de Física, Universidade de Western Austrália, Perth, 2002]) que a flexão é muito mais rígida na direção y do que na direção x em resposta a tais acelerações do alojamento; assim, por exemplo, quando a_x e a_y são iguais em magnitude, que é o caso mostrado na Fig. 15B, o deslocamento do centro de massa 156 a partir de sua localização original 150 na direção y é muito menor que seu deslocamento na direção x e, da mesma forma, também para o deslocamento as acelerações rotacionais indesejáveis às quais o instrumento pode estar sujeito.

O alcance destes benefícios para o método de fabricação descrito acima pode ser dependente do sucesso da obtenção de uma aderência de alta 5 qualidade (tal como uma aderência por difusão) entre os pinos 28 e as superfícies dos orifícios 36, 38 no balancim de equilíbrio 22 e placas laterais 30 do alojamento para as quais os pinos 28 são forçados para encaixe. Quando submetido ao carregamento torsional, o esforço é mais alto no diâmetro externo (supondo uma seção transversal circular) dos pinos 28 e este esforço é 10 transmitido como força cisalhante alta através das vinculaçõés por difusão.

Nas Figs. 4 e 7 foi ilustrado um formato em gravata borboleta para o balancim de equilíbrio apenas para fins de consistência com as figuras nas petições copendentes discutidas abaixo. Este formato originado da exigência do projeto de flexão de trama da técnica anterior para localizar a 15 trama no centro de massa do balancim, mais um recurso de projeto desejável alcançado pela redução da espessura da região central do balancim de equilíbrio de modo que sua curvatura compense o efeito de dipolo induzido que é ilustrado na Fig. 15. Este formato em gravata borboleta e seus recursos de projeto associados,^entretanto, não são exigidos no_presente pedido. Por 20 exemplo, a região central pode ser deixada mais espessa para reduzir a curvatura do balancim de equilíbrio.

Agora serão descritos dois métodos de fabricação alternativos.

Num método de fabricação alternativo, mostrado nas Figs. 4 a 8, e que é revelado no pedido de patente provisória norte-americana 61/108,268, 25 denominado GRADIÔMETRO DE GRAVIDADE COM PIVÔS DE FLEXÃO DE TORÇÃO (para Barry French), bem como nos pedidos de patente norteamericana e PCT copendente denominadas GRADIÔMETRO DE GRAVIDADE COM PIVÔS DE FLEXÃO DE TORÇÃO, para John Barry French e Kieran Carroll, o balancim de equilíbrio 40 e os semialojamentos 50 são primeiro 30 usinados a partir de três peças separadas. O balancim de equilíbrio 40 é primeiro usinado, de modo a fornecer duas partes cilíndricas salientes integrais, uma em cada face do balancim de equilíbrio 40. O balancim de equilíbrio 40 (incluindo as partes cilíndricas) é então recozido e depois os pinos 47 são formados nas partès cilíndricas por usinagem, numa espessura e comprimento que resultarão nas propriedades de flexão desejadas. Além disso, nesta configuração, a parte inteira de cada pino 47 consiste da região de flexão 46, e òs pinos 47 e as regiões de flexão 46 são definidas pela região de transposição dos intervalos entre o balancim de equilíbrio 40 e os semialojamentos 50. Após a usinagem das partes cilíndricas, são formadas saliências 44. As saliências 44 são coaxiais e firmemente conectadas (isto é, integrais com) aos pinos 47 e cada saliência está localizada externamente a um dos pinos. As saliências 44 apresentam uma espessura maior que aquela dos pinos 47. Nas configurações 10 onde as regiões de flexão 46 são de seção transversal circular, a espessura também pode ser referida como um diâmetro. Por exemplo, as regiões de flexão 46 podem ter a mesma espessura e comprimento finais que aquelas das regiões de flexão torsional descrita anteriormente, especificamente 0,40 mm de diâmetro e 0,25 mm de comprimento. As regiões de flexão 46 na configuração 15 mostrada são de seção transversal circular. As dimensões das saliências 44 ⁼ podem ser variadas, mas uma ordem de magnitude maior (4 mm por 2,5 mm) que as regiões de flexão 46 resultará em vantagens substanciais. Como antes, o eixo rotacional da montagem final será definido pelo alinhamento das duas regiões de flexão torsional 46/ de modo que tal eixo passe o mais próximo 20' possível através do centro de massa do balancim de equilíbrio 40 e esteja ortogonal em relação às superfícies laterais do mesmo. As partes cilíndricas 48 externas terminadas das saliências 44 também são concêntricas com relação a este eixo. Observe que nenhuma das saliências 44, das regiões de flexão 46, e das partes externas 48 das saliências, precisam ser cilíndricas. Elas podem ter 25 qualquer seção transversal desejada (sujeita às considerações discutidas adiante para seções transversais das regiões de flexão 46).

O alojamento 42 é formado (como indicado anteriormente) a partir de duas metades usinadas separadamente 50 mostradas nas Figs. 4 e 5, que são subsequentemente unidas (por exemplo, através de parafusos, não 30 mostrado) ao longo de duas superfícies esmerilhadas e polidas 52 para permitir uma aderência por difusão de alta qualidade. Dois sulcos de corte em V de precisão 54 são usinados nestas superfícies para formar um grampo ou mandril de dois mordentes quando montados em torno das partes externas 48 das saliências 44 do balancim de equilíbrio 40. Um leve sobredimensionamento do diâmetro das saliências 44 em relação às faces dos sulcos 54 (que formam um grampo) é escolhido para fornecer uma alta pressão de contato necessária para uma aderência por difusão consistente e de alta qualidade para altas 5 temperaturas, por exemplo, 1100° C. As placas laterais 56 em que os sulcos de corte em V 54 estão localizados são integrais com seus respectivos semialojamentos 50 e podem cobrir cada lado completo do alojamento 42. A Fig. 5 mostra a estrutura parcialmente montada.

Para assegurar estabilidade dimensional da montagem final 10 recozida fundida, a superfície de união 52 e as superfícies de fixação 54 estão preferivelmente sob compressão positiva durante a montagem.

Outro método típico de obtenção da compressão positiva desejada agora será discutido com referência à Fig. 6. Este método visa facilitar a aplicação da alta pressão de fixação apropriadamente sobre as 15 superfícies de união 52, e sobre as partes das saliências 44 dentro das superfícies de fixáção'204. A pressão sobre as saliências 44 é apliçada através das superfícies de fixação 204. Entretanto, pode ser difícil alcançar esta elevada pressão de fixação simultaneamente em ambos os conjuntos de componentes. Na abordagem ilustrada na Fig: 6, é perfurado um orifício de 20 . precisão 200 com dois semialojamentos 50a, 50b fixados juntos com um calço fino 202 entre eles. Os semialojamentos 50a, 50b são então separados e o calço 202 e retirado. Em seguida são feitos cortes anelares EDM 203 no semialojamento 50a superior, normalmente, na forma de uma abertura fina concêntrica com orifício 200. Preferivelmente o corte ou abertura 203 é dividido 25 em duas partes 203a, 203b por outro corte EDM 205, criando duas linguetas 206. Após a remontagem sem o calço 202, uma força de compressão apropriadamente grande é obtida nas superfícies de união 52 e em cada uma das duas saliências 44, tudo simultaneamente, para garantir a aderência por difusão quando aquecido. Os cortes 203, 205 e as linguetas 206 resultantes 30 fornecem flexibilidade radial pelo menos na superfície de fixação superior 204 nas saliências 44, para ajudar a fornecer a pressão de fixação forte simultaneamente ao longo da interface de fixação e nas superfícies de união 52.

J A abordagem geral descrita com referência às Figs. 4, 5 e 6 pode fornecer várias vantagens. Primeiro, as placas laterais 56 extensivas pode aumentar bastante a rigidez da montagem do alojamento 42 inteira atuando como tramas de cisalhamento para reduzir as deformações que o alojamento

42 pode sofrer quando submetido às forças de aceleração transmitidas através das regiões de montagem para o alojamento. Naturalmente, os cortes nas placas laterais 56 podem ser formados para tornar a estrutura mais leve, estando preferivelmente no lugar (como indicado em 58) sobre as cavidades 60 em que os sensores (não mostrados) são inseridos e montados no conjunto 10 completo. Uma usinagem separada do balancim de equilíbrio 40 permite abrir acesso às superfícies sensoras do balancim para conclusão de processos e inspeção microscópica quanto a danos finais e impurezas, etc. que, conforme a experiência tem demonstrado, podem, nas temperaturas de supercondutividade, resultar em saltos de fluxo quantizados ou fluências de fluxo que interferem com o método SQUID de medição da posição. Entretanto, ' principalmente porque os pinos 47 (que, nesta configuração, são equivalentes às regiões de flexão 46) são integrais com o balancim de equilíbrio 40, quando comparados com a configuração das Figs. 2 e 3, esta abordagem elimina duas das quatro juntas de encaixe através de aderência por difusão, que seguram a flexão torsional e podem aumentar a área de aderência das outras duas juntas por um fator de 100, e o braço de momento do torque cisalhante na junta em resposta à rotação do balancim de equilíbrio sobre o eixo de flexão por um fator de 10, diminuindo a força cisalhante na junção em resposta a tal carga por um fator de várias centenas e, com isso, reduzindo proporcionalmente qualquer 25 tendência à fluência.

O mesmo princípio pode ser aplicado a outras geometrias, como mostrado no exemplo nas Figs. 7 e 8. Para a configuração das Figs. 7 e 8, o . balancim de equilíbrio 70, as saliências 72 e os pinos 73 são fabricados em uma peça e massa aparados para colocar o centro de massa da estrutura o 30 mais próximo possível do eixo de rotação 75.

Novamente, nesta configuração, a parte inteira de cada pino 73 consiste de uma região de flexão 74, onde os pinos 73 e as regiões de flexão 74 são definidos pela região de transposição dos intervalos entre o balancim de equilíbrio 70 e o alojamento. O alojamento 76 é feito de duas peças separadas 78, 80. Nesta versão, o alojamento é dividido no sentido na borda, como indicado na Fig. 8. Orifícios guia de precisão 81 e os pinos 82 localizados na periferia das peças de alojamento 78, 80 fornecem alinhamento preciso.

Orifícios e pinos guia temporários através do balancim de equilíbrio 70 podem fornecer posicionamento giratório do balancim, se necessário. Como preferivelmente nenhuma pressão de fixação axial deve ser aplicada sobre as juntas saliência-alojamento 84 devido à fragilidade das flexões 74, pode ser usada soldagem eutética aqui e nas faces de união dos dois orifícios de 10 alojamento 86, 88 após o encaixe completo das saliências 72 nos orifícios de alojamento 86, 88.

Nas configurações das Figuras 4 a 8, os pinos conectam o balancim de equilíbrio ao alojamento indiretamente, via saliências.

Num segundo método de fabricação alternativo, que é revelado 15 no pedido de patente provisória norte-americana 61/108,271, denominada . GRADIÔMETRO DE GRAVIDADE COM PJVÔS DE FLEXÃO DE TORÇÃO (para Kieran Carroll), bem como nos pedidos de patente norte-americana e PCT copendente denominadas GRADIÔMETRO DE GRAVIDADE COM PIVÔS DE FLEXÃO DE-TORÇÃO protocoladas simultaneamente junto a este, para 20 Kieran Carroll e Barry French, a. necessidade de montar mecanicamente um responder quadripolo a partir de partes separadas pode ser totalmente eliminada formando a montagem-alojamento inteira, balancins de equilíbrio e pinos - a partir de único monobloco de partida do material, usando várias operações de usinagem. Nesta configuração, similar às configurações das 25 Figuras 4 a 8, a parte inteira de cada pino é uma região de flexão, com os pinos e as regiões de flexão sendo definidos pela região de transposição dos intervalos entre o balancim de equilíbrio e o alojamento. Nesta abordagem, preferivelmente não há juntas mecânicas montadas entre o balancim de equilíbrio, os elementos de flexão e o alojamento, com isso, eliminando 30 largamente o potencial para efeitos de fluência e histerese em tais juntas. Aqui, o termo “monobloco” significa uma massa de material sólido contínuo sem juntas mecânicas. A massa seria de composição homogênea (por exemplo, uma barra retangular de nióbio puro) ou heterogênea (por exemplo, uma barra ' retangular de nióbio puro em que uma haste cilíndrica de uma liga de titânio, tal como aquela especificada para os pinos na Tabela 1 (acima), fosse inserida em um orifício cilíndrico perfurado na barra de nióbio e depois vinculada por difusão e recozida ou fundida no lugar pelo despejo da liga de titânio na forma 5 fundida sobre um orifício cilíndrico perfurado na barra de nióbio e depois deixada solidificar).

Será descrito agora um exemplo de processo de fabricação usado nesta abordagem. Este processo começa formando um monobloco de um material adequado para um formato inicial apropriado, através de qualquer 10 meio de usinagem conveniente (por exemplo, fresagem). Para um material ser adequado, preferivelmente ele possui propriedades dé material compatíveis com o desempenho adequado alcançado pelo responder quadripolo resultante. Por exemplo, ele é preferivelmente forte o suficiente para os pinos de torção serem capazes de suportar o balancim de equilíbrio contra o ambiente de carga 15 esperado sem escoamentos ou rupturas. Seu módulo de elasticidade está preferivelmente dentro de uma faixa para produzir uma rigidez torsional em tais pinos de torção, tal que a frequência ressonante rotacional resultante (que também depende da densidade do material) esteja dentro da faixa desejada para a aplicação do gradiômetro de gravidade. Sua rigidez preferivelmente 20 também é alta o suficiente para que a deformação do alojamento e balancim de equilíbrio seja suficientemente baixa de modo a não degradar de forma inaceitável o desempenho do gradiômetro de gravidade. Diversas propriedades relacionadas variadamente conhecidas como fricção interna, viscoelasticidade e fator de qualidade (cf. R. S. Lakes, “Técnicas de Medição da 25 Viscoelasticidade”, Revista de Instrumentos Científicos, Vol. 75, N- 4, Abril de 2004, pp. 797-810) preferivelmente também são tais que os efeitos de fluência e histerese dentro dos pinos de torção são baixos o suficiente para permitir ao responder quadripolo alcançar o desempenho adequado, por exemplo, em termos de deriva diagonal. Um formato monobloco inicial é adequado se for 30 compatível com o formato final desejado do alojamento e balancim de equilíbrio, bem como com a execução de uma série de operações de usinagem para liberar o balancim de equilíbrio do bloco sólido, por exemplo, o bloco deve ser conformado para permitir que esteja firmemente preso durante cada uma das operações de usinagem.

A Fig. 9A ilustra um formato de monobloco inicial típico, sendo um bloco retangular 100 com faces paralelas opostas. Para referência, as seis faces deste bloco estão rotuladas como +x, -x, +y, -y, +z, -z; a mesma 5 nomenclatura é usada para indicar as faces posicionadas de forma correspondente do balancim de equilíbrio.

A Fig. 9B ilustra a forma do balancim de equilíbrio 102 e um dos dois pinos 104 (na face +z do balancim de equilíbrio) que devem ser esculpidos a partir do monobloco 100; um pino idêntico também deve ser esculpido do monobloco 10 100, colinear ao pino 104 mostrado, com o segundo pino se projetando da face

-z do balancim de equilíbrio (e, portanto, não visível na Fig. 9B). O pino 104 é mostrado como tendo uma seção transversal quadrada, que é um formato alcançável por esta abordagem de usinagem, bem como tendo o requisito importante da propriedade de isoelasticidade em resposta às acelerações 15 translacionais do balancim de equilíbrio em relação ao alojamento nas direções x e y. Será evidente que o monobloco inicial 100 deve ser feito maior que o balancim de equilíbrio 102 mais os pinos 104.

A Fig. 10A indica um conjunto de operações de usinagem que libera partes das faces +y e -y do balancim de equilíbrio _102 do monobloco 20 100, como parcialmente indicado pelas áreas hachuradas transversais do lado inferior esquerdo para o lado superior direito 106, 108 na face +y do balancim de equilíbrio 102 na Fig. 10B (as áreas correspondentes na face -y do balancim de equilíbrio 102 serão liberadas da mesma maneira, mas não são mostradas nas hachuras transversais na Fig. 10B pois a face -y do balancim de 25 equilíbrio não é visível na Fig. 10B). As operações de usinagem primárias são um conjunto de 4 cortes 109 que podem ser feitos através de usinagem por descarga eletrostática (EDM). Também são indicadas operações de usinagem secundárias para facilitar as operações de EDM, estas sendo um conjunto de 4 orifícios 110 formados perpendiculares à face +z do monobloco 100, através do 30 monobloco 100 para a face -z do monobloco; estes seriam formados através de vários meios alternativos, por exemplo, via perfuração ou via corte EDMplunge. Cada uma das operações EDM acima mencionadas envolvem o rosqueamento de um fio EDM através de um dos 4 orifícios 110, depois a extração do fio EDM em qualquer direção +x ou -x para formar cortes planos

109, que são paralelos às faces +y e -y do monobloco.

A Fig. 11A indica uma operação de usinagem que libera o restante da face +y do balancim de equilíbrio 102 a partir do monobloco 100, 5 como indicado pela área hachurada transversal do lado superior esquerdo para o lado inferior direito 116 na face +y do balancim de equilíbrio na Fig. 11B. Esta é uma operação de fresagem, na qual uma ferramenta de fresagem se aproxima do monobloco 100 a partir da direção +y, fresando uma abertura retangular 120 do monobloco numa profundidade apenas suficiente para 10 alcançar a superfície +y do balancim de equilíbrio 102.

A altura das aberturas fresadas 120 na direção +z/-z é preferivelmente feita larga o suficiente para liberar completamente a face +y do balancim de equilíbrio 102 naquela direção. A largura das aberturas fresadas 120 na direção +x/-x é preferivelmente feita larga o suficiente para alcançar oú sobrepor as 15 partes da face +y do balancim de equilíbrio 102 que foram liberadas na operação'EDM··anterior.- Observe que- uma -operação de fresagem. similar . também deve ser realizada na face -y do monobloco 100 para liberar a área remanescente da face -y do balancim de equilíbrio 102.

Neste ponto, as faces +y e -y do balancim de equilíbrio 102 foram _ 20 completamente liberadas do monobloco inicial 100, como, mostrado na Fig. 11B.

A Fig. 12A indica um conjunto de operações de usinagem que libera as faces +x e -x do balancim de equilíbrio 102 a partir do monobloco 100. São feitos quatro cortes EDM 121 passando primeiro um fio EDM através 25 de quatro orifícios perfurados 110 que foram mostrados primeiro na Fig. 10A, depois extraindo estes fios nas direções +y ou -y para formar cortes planos 121 paralelos às faces +x e -x do monobloco 100. As partes da face +x do balancim de equilíbrio 102 que são liberadas por essas operações são indicadas pelas áreas hachuradas transversais do lado inferior esquerdo para o 30 lado superior direito 124 naquela face na Fig. 12B (as áreas correspondentes na face -x do balancim de equilíbrio serão liberadas da mesma maneira, mas não são mostradas na hachura transversal na Fig. 12B pois a face -x do balancim de equilíbrio 102 não é visível na Fig. 12B). São feitas duas aberturas fresadas 122, uma em cada uma das faces +x e -x do monobloco 100 (a abertura 122 na face +x é mostrada na Fig. 12A), que liberam as partes restantes das faces +x e -x do balancim de equilíbrio do monobloco 100. A parte da face +x do monobloco liberada por essas operações de fresagem é mostrada na hachura transversal do lado superior esquerdo para o lado inferior direito 125 na Fig. 12B. (As áreas correspondentes na face -x do balancim de equilíbrio serão liberadas de maneira similar, mas não são mostradas na hachura transversal na Fig. 12B pois a face -x do balancim de equilíbrio não é visível na Fig. 12B). A altura das aberturas fresadas 122 na direção +z/-z é 10 preferivelmente feita larga o suficiente para liberar completamente as faces +x e -x do balancim de equilíbrio naquela direção. A largura das aberturas fresadas 122 na direção +y/-y é preferivelmente feita larga o suficiente para alcançar ou sobrepor as partes das faces +x e -x do balancim de equilíbrio 102 que foram liberadas na operação EDM anterior.

Neste ponto, as faces +y, -y, +x e -x do balancim de equilíbrio foram completamente liberadas do monobloco inicial. — - _ _ .

A Fig. 13A indica um conjunto de operações de usinagem que libera as faces +z e -z do balancim de equilíbrio do monobloco, bem como a formação de dois pinos 104. Essas operações envolvem primeiro a formação 20 de um conjunto de quatro orifícios 130 perpendiculares à face +y até a face-y e a formação de outro conjunto de quatro orifícios 132 perpendiculares à face +x até a face -x; esses poderíam ser formados através de vários meios alternativos, por exemplo, via perfuração ou via corte EDM-plunge. O próximo conjunto de operações envolve a execução de um conjunto de cortes EDM 25 134, 136 paralelos às faces +z e -z do monobloco, primeiro rosqueando um fio

EDM através de cada um dos oito orifícios 130 e 132, depois extraindo o fio EDM na direção +x, -x ou +y ou -y. Os cortes EDM 134 feitos pelos fios que foram rosqueados através dos orifícios 132 na direção +x, -x, irão liberar as partes da face +z do balancim de equilíbrio que estão indicadas usando 30 hachuras transversais do lado inferior esquerdo para o lado superior direito 138 mostrado na Fig. 13B. Os cortes EDM 136 feitos pelos fios que foram rosqueados através dos orifícios 130 na direção +y/-y, irão liberar as partes da face +z do balancim de equilíbrio que estão indicadas usando hachuras transversais do lado superior esquerdo para o.lado inferior direito 140 mostrado na Fig. 13B. (As partes 140 se sobrepõem por alguma extensão com as partes

138). As áreas correspondentes da face -z também serão liberadas da mesma maneira através destas operações.

Os dois pinos 104 também serão formados por estas operações.

A espessura destes cortes EDM, pelo menos na região dos pinos 104, é preferivelmente igual à altura desejada (isto é, na direção +z/-z) dos pinos de torção. Isto pode ser feito usando uma espessura de fio EDM suficiente para formar os pinos 104 usando uma única passagem em cada corte EDM.

Alternativamente, isto pode ser feito gerando múltiplas passagens de EDM usando um fio EDM mais fino, para aparar camadas sequenciais do monobloco 100 paralelas às faces +z e -z do monobloco 100.

Existem diversos parâmetros dimensionais associados a estas operações, que podem apresentar um efeito considerável sobre o desempenho 15 de um gradiômetro de gravidade feito usando os responders quadripolos resultantes. Estes incluem a espessura dos pinos 104 nas-direções x e y e a altura dos pinos na direção z, e que todos precisarão ser cortados dentro de uma tolerância muito pequena de seus valores especificados.

Isto pode sèr realizadoatravés da execução de cortes EDM grossos-iniciais, 20 seguidos pela medição das dimensões do pino de torção resultante, seguida.

pelos cortes EDM finos subsequentes para aparar as dimensões do pino de torção ao seus valores finais.

Observe que para o balancim de equilíbrio 102, os pinos 104 não apresentam a seção transversal circular mostrada nas configurações 25 anteriores. Em vez disso, eles têm uma seção transversal quadrada, como mostrado para os pinos 104 na Fig. 13B. Observe também que enquanto as partes 104 foram referidas como pinos, cada uma pode de fato consistir de uma saliência grande (como as saliências 44 das Figs. 4 e 5 e as saliências 72 das Figs. 7 e 8) e uma pequena região de flexão localizada entre as 30 extremidades das saliências grandes. O efeito da seção transversal quadrada versus circular será discutido abaixo.

Neste ponto, as faces +y, -y, +x, -x, +z e -z do balancim de equilíbrio 102 foram completamente liberadas do monobloco inicial 100 e os pinos +z e -z 104 também foram esculpidos. O balancim de equilíbrio 102 permanece conectado ao restante do monobloco inicial, que agora consiste de alojamento do responder quadripolo, através de dois pinos. Embora vários cortes permaneçam na parte externa do alojamento do monobloco, estes foram 5 projetados para deixar material suficiente no lugar a fim de assegurar a integridade estrutural do alojamento.

Para completar o funcionamento do responder quadripolo, devem ser adicionados dispositivos, tais como, sensores de intervalo e batentes de limitação de movimento. Estes devem ser localizados imediatamente 10 adjacentes ao balancim de equilíbrio, que está embutido dentro do alojamento e, portanto, a remoção posterior do material do alojamento deve ser feita para acomodação destes. A Fig. 14A indica as cavidades típicas 142 usinadas na face +y do alojamento, que podem ser realizadas através da fresagem perpendicular a partir da face +y na direção -y na profundidade das aberturas 15 109. Os sensores de intervalo inseridos nestas cavidades seriam então adjacentes às áreas 144’da face +y do balancim de equilíbrio, conforme indicado na Fig. 14B. Os sensores de intervalo colocados nestas localizações seriam sensíveis à rotação do balancim de equilíbrio sobre o eixo de flexão torsional. Sensores adicionais “podem sèrcolocadosde maneira-similar- nas _ 20 cavidades usinadas da, por exemplo, face -y do alojamento. Operações similares permitem a colocação dos batentes de limitação de movimento (não mostrados).

Observe que um conjunto muito específico de operações de usinagem foi descrito acima, visando ilustrar da forma mais clara e simples 25 possível o princípio desta invenção. Claramente, tais operações podem ser executadas numa sequência diferente daquela apresentada, obtendo o mesmo efeito. Além disso, operações de usinagem alternativas podem ser usadas no lugar, com efeitos semelhantes, para esculpir o balancim de equilíbrio, pinos de torção e cavidades de sensor a partir do monobloco inicial.

A descrição típica anterior e os desenhos associados, pertencem a um responder quadripolo que consiste de um balancim de equilíbrio tendo um formato prismático com uma seção transversal retangular, esculpida a partir de um monobloco inicial prismático de seção transversal similarmente retangular, deixando estes dois conectados através de um par de pinos de torção colineares de seção transversal quadrada. Estes formatos específicos são escolhidos para este exemplo porque, devido à sua simplicidade geométrica, eles permitem o máximo de clareza na ilustração dos princípios mais 5 importantes desta invenção. Entretanto, esta descrição típica não visa limitar a aplicação desta invenção aos detalhes geométricos deste exemplo. Outras geometrias e colocações de sensor relacionadas também poderíam ser usadas. Fica claro que através de uma série de etapas similares àquelas descritas aqui, um balancim de equilíbrio e pinos podem ser esculpidos 10 similarmente a partir de um monobloco inicial tendo um formato diferente, e que um balancim de equilíbrio e pinos isoelásticos tendo formatos diferentes podem ser esculpidos a partir de um monobloco inicial. Como um exemplo específico de um outro formato de balancim de equilíbrio, alternativamente esta abordagem pode ser usada para esculpir um balancim de equilíbrio em formato 15 de gravata borboleta, similar em formato àquele mostrado nas Figs. 1 a 8 _ (acima), a partir de um jmonoblocoJniciaLde seção jransversal retangular prismática. Independente do formato de seção transversal do pino, pode ser mostrado que, se dois segundos momentos principais da área das seções

- transversais da flexão de torção (tal como a seção.transversal.quadrada na Fig. 20 13B) forem iguais, então o responder quadripolo será isòelástico com relação aos movimentos translacionais do balancim de equilíbrio em relação ao alojamento nas direções x e y e, portanto, com relação às cargas inerciais no balancim de equilíbrio resultantes da aceleração translacional do alojamento nas direções x e y. Em outras palavras, cada um dos pinos possui uma seção 25 transversal em cada ponto ao longo de uma parte do eixo de rotação dentro de cada pino. Pode ser definido um par de eixos ortogonais dentro da referida seção transversal.

O par de eixos ortogonais pode interceptar com e ser ortogonal ao eixo de rotação. Os segundos momentos de área sobre cada um dos referidos eixos 30 ortogonais da seção transversal podem ser iguais. Outros exemplos específicos de formatos de seção transversal de flexão de torção tendo esta propriedade são um círculo e um octógono regular, o último sendo obtido por variações diretas das operações de usinagem descritas acima.

Tem sido assumido nesta descrição que duas regiões de flexão de torção, tais como as regiões de flexão de torção 74 mostradas nas Figs. 7 e 8, são idênticas entre si no formato e dimensões de seção transversal. Em geral, isto é preferido (ou seja, que as duas regiões de flexão de torção, uma 5 em cada lado do balancim de equilíbrio, sejam idênticas em formato, tamanho e comprimento de seção transversal). Se este for o caso (que será referido como as duas regiões de flexão sendo simétricas entre si), então a resposta a qualquer uma das duas acelerações laterais referidas ligadas à Fig. 15B será em deslocamentos laterais puros do balancim de equilíbrio em relação ao 10 alojamento, no sentido oposto à aceleração, sem rotação do balancim de equilíbrio em relação ao alojamento. Isto é referido como uma resposta isoelástica, e o responder quadripolo é (como descrito acima) isoelástico em relação às cargas inerciais no balancim de equilíbrio resultante da aceleração translacional do alojamento nas direções x e y.

Se as duas regiões de flexão de torção 74 forem assimétricas entre si (o que significa queima das regiões de. flexão de torção 74 num lado do balancim de equilíbrio possui um formato ou tamanho de seção transversal diferente e/ou um comprimento diferente da região de flexão de torção 74 no outro jado do balancim de equilíbrio), então isto pode (dependendo dos valores 20 específicos para os comprimentos dos dois, pinos e suas dimensões de seção transversal) resultar na rotação do balancim de equilíbrio com relação ao alojamento em resposta às acelerações do alojamento nas direções x e y (como definido na Fig. 9), o eixo de tais rotações sendo perpendicular ao eixo de flexão (z). Não se espera que esta rotação adicional, numa primeira ordem, 25 afete a saída do canal sensor de gradiente de gravidade do instrumento, pois ela fará com que cada metade de alguns elementos sensores de intervalo se torne coplanar em relação à outra, mas não haverá mudança na distância média entre uma metade e outra de quaisquer dos elementos sensores de intervalo.

Entretanto, pode haver componentes não-lineares na resposta dos elementos sensores de intervalo para este tipo de movimento; a quantidade máxima aceitável de tal resposta não-linear pode ser usada para estabelecer um limite superior no desvio máximo aceitável nas dimensões de comprimento ou seção transversal entre os dois pinos, resultando em imprecisões por projeto ou por usinagem.

Observe que em qualquer caso, as partes aumentadas das saliências (por exemplo, das saliências 72, Figs. 7 e 8) contribuem 5 negativamente para os movimentos do balancim de equilíbrio permitidos pelas regiões de flexão de diâmetro menor 74. Isto ocorre porque as partes aumentadas das saliências 72 são, de preferência, substancialmente mais grossas que as regiões de flexão 74.

Nas configurações acima, os pinos normalmente possuem lados 10 retos. Nas configurações alternativas, os pinos podem ter lados curvados ou extremidades filetadas, o que pode reduzir as concentrações de esforço.

Embora tenham sido descritas configurações preferidas da invenção, entende-se que várias mudanças podem ser feitas dentro do escopo da invenção.

do centro de flexão 154. Como resultado, a linha de ação da pseudo-força F 158, que passa através do centro de massa do balancim de equilíbrio 156, passará a uma distância d 160 do centro de flexão 154 deformado. (Embora isto tenha sido ilustrado para o caso onde a_x = a_y, é mantido um resultado similar para todas as direções e magnitudes do vetor de aceleração, incluindo aquelas onde a_x e a_y não são iguais, exceto para aqueles casos onde a_x = 0 ou a_y = 0.)

Se a massa do balancim de equilíbrio for indicada como m, então a quantidade d*m é conhecida como dipolo induzido, ou seja, o dipolo de massa em relação ao centro de flexão que é induzido pela aceleração do alojamento. Isto induz um torque no balancim de equilíbrio de magnitude d*m*a = d*F, que é conhecido como o momento de dipolo induzido. Pode ser mostrado que o momento de dipolo induzido é proporcional ao produto das duas acelerações a_x*a_y, e, portanto, este torque, e o movimento rotacional do balancim de equilíbrio resultante, é não-linear em a_x e a_y. Isto resulta em um erro não-linear ou termo de ruído na saída de um gradiômetro de gravidade usando tal flexão de trama. Para os projetos de gradiômetro de gravidade da técnica anterior, a magnitude deste erro do momento de dipolo induzido é significativamente grande, limitando o desempenho sinal/ruído alcançável por tais instrumentos em aplicações, tais como levantamento aerotransportado, em que tais acelerações estão continuamente presentes.

Este efeito ocorre fundamentalmente porque a flexão torsional tipo trama é anisoelástica em relação às acelerações translacionais. Isto é, o tipo de trama da flexão tem rigidez maior contra a força inercial causada pela aceleração do alojamento numa direção a_y, do que contra a força devido à aceleração numa direção perpendicular a_x. A anisoelasticidade é uma propriedade que também é conhecida por degradar o desempenho de outros tipos de instrumentos de detecção inercial; como descrito no Capítulo 2, equação 2.4 de [Lawrence, Anthony, “Tecnologia Inercial Moderna”, 2^a Edição, Springer, Nova York, 1992]. A anisoelasticidade nos suportes do elemento sensor nos giroscópios mecânicos é conhecida por produzir um erro não-linear similar nestes instrumentos. Tais erros não-lineares são particularmente incômodos, porque não podem ser removidos usando técnicas padrões de filtragem de sinal e porque, através do efeito conhecido como intermodulação, eles podem retificar de outro modo os erros de alta frequência não importantes, resultando em erros de baixa frequência significativos.

Ao contrário, este mecanismo fornece uma flexão isoelástica conectando o balancim de equilíbrio ao alojamento de um responder quadripolo. Como consequência, o erro de dipolo induzido não-linear ou fonte de ruído pode ser consideravelmente eliminado (na prática, as tolerâncias de fabricação podem resultar em uma quantidade residual de anisoelasticidade que, entretanto, pode ser muito menor que a quantidade inerente na flexão tipo trama). A isoelasticidade da flexão de dois pinos surge da simetria de rigidez dos dois pinos quando carregados pela resposta inercial do balancim de equilíbrio das acelerações a_x e a_y laterais (perpendiculares ao eixo de flexão) do alojamento, quando comparada à rigidez assimétrica quando uma flexão de trama é similarmente carregada. Como consequência, a exigência de isolar o instrumento das acelerações translacionais (ou a necessidade equivalente de pós-processamento dos dados brutos usando as medições destas acelerações e subtraindo as respostas do instrumento calibrado) pode ser bastante reduzida.

Como esta configuração normalmente será realizada em uma aeronave (para levantamentos aerotransportados) e como é difícil e dispendioso fornecer isolação das acelerações translacionais da aeronave induzida por turbulência (particularmente para grandes excursões de amplitude resultantes de turbulência de baixa frequência), esta configuração fornece potencial para um desempenho da relação sinal/ruído bastante melhorado com uma redução significativa da dificuldade e custo.

Pode ser vantajoso fornecer batentes de limitação de movimento, também conhecidos como fins de curso (não mostrado na Fig. 2), para limitar o movimento rotacional do balancim de equilíbrio sobre o eixo de flexão não sendo maior que um pequeno ângulo, p. ex., 0,0015 radianos, de modo a não se aproximar do limite elástico da flexão torsional completa e, com isso, evitando a colisão do balancim de equilíbrio com os sensores medição de intervalo nas cavidades 18. Este limite é bem maior que o movimento correspondente à faixa de sinal requerida para os gradientes de gravidade mais

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Responder quadripolo (20) para um gradiômetro de gravidade tipo OQR, caracterizado pelo fato de que compreende:

(a) um alojamento (24), (b) um quadripolo de massa (22) posicionado dentro do alojamento (24), o dito quadripolo de massa (22) tendo um par de lados opostos, e também tendo um centro de massa entre os ditos lados opostos, e (c) pelo menos duas flexões de mola de torção, as ditas flexões de mola de torção fornecidas pelos respectivos pinos (28), em que os ditos pinos conectam cada um dos ditos lados opostos do dito quadripolo de massa (22) ao alojamento (24), as ditas flexões de mola de torção em conjunto proporcionando

um eixo de rotação (34) que passa através do centro de massa do dito quadripolo de massa (22) e através de ambas flexões de mola de torção. 2. Responder quadripolo (20), de acordo com a

reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os ditos pinos (28) são conectados ao dito quadripolo de massa (22) e ao dito alojamento (24) através de aderência por difusão.

3. Responder quadripolo (20), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as ditas flexões de mola de torção são flexíveis para movimento giratório do dito quadripolo de massa (22) sobre os ditos eixos de rotação (34), mas são rígidas para movimentos do dito quadripolo de massa (22) em todas as outras direções rotacionais e translacionais.

4. Responder quadripolo (20), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a flexão de mola de torção em um dos ditos lados opostos do dito quadripolo de massa (22) é idêntica à flexão de mola de

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2/6 torção no outro dos ditos lados opostos do dito quadripolo de massa (22).

5. Responder quadripolo (20), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a flexão de mola de torção em um dos ditos lados opostos do dito quadripolo de massa (22) tem pelo menos uma diferença em formato ou dimensão da flexão de mola de torção no outro dos ditos lados opostos do dito quadripolo de massa (22).

6. Responder quadripolo (20), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada flexão de mola de torção apresenta uma seção transversal quadrada.

7. Responder quadripolo (20), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada flexão de mola de torção apresenta uma seção transversal circular.

8. Responder quadripolo (20), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada flexão de mola de torção apresenta seção transversal em formato de um octógono regular.

9. Responder quadripolo (20), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a dita pelo menos uma diferença no formato ou dimensão é tal que produza uma resposta anisoelástica para o dito responder (20).

10. Responder quadripolo (20), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as ditas flexões de mola de torção forneçam uma rigidez torsional combinada sobre o dito eixo, resultando em uma frequência ressonante desejada para o movimento rotacional do quadripolo de massa (22) sobre o dito eixo em relação ao alojamento (24) .

11. Responder quadripolo (20), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o alojamento (24) compreende faces laterais (35) e os pinos (28) são

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3/6 posicionados ortogonalmente em relação às faces laterais (35) .

12. Responder quadripolo (20), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os ditos pinos (28) são montados na primeira e segunda placas laterais (30), respectivamente, e as ditas primeira e segunda placas laterais (30) são fixadas ao alojamento (24).

13. Responder quadripolo (20), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito alojamento (24) e o dito quadripolo de massa ( 22) são fabricados a partir de nióbio, e os ditos pinos (28) são fabricados a partir de pelo menos nióbio e uma liga de titânio. 14. Responder quadripolo (20), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os ditos pinos (28) conectam cada um dos ditos lados opostos do dito quadripolo de massa (22) ao al ojamento (24 ) sem quaisquer juntas mecânicas. 15. Responder quadripolo (20), de acordo com a

reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o alojamento (24) define um volume em que o quadripolo de massa (22) está alojado e o volume apresenta o mesmo formato que o quadripolo de massa (22).

16. Responder quadripolo (20), de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o volume define um intervalo (26) entre o quadripolo de massa (22) e o alojamento (24).

17. Responder quadripolo (20), de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que os pinos (28) são adaptados para permitir que o quadripolo de massa (22) possa mover-se rotacionalmente sobre o dito eixo (34) dentro do intervalo (26).

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18. Responder quadripolo (20), de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, pelo menos um sensor montado no alojamento (24) configurado para detectar uma mudança na distância entre o quadripolo de massa (22) e o alojamento (24).

19. Responder quadripolo (20), de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que pelo menos um sensor está montado numa cavidade (60) adjacente do intervalo (26).

20. Responder quadripolo (20), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as ditas flexões de mola de torção forneçam uma primeira frequência ressonante para rotação do dito quadripolo de massa (22) sobre o dito eixo e frequências ressonantes adicionais para movimentos do dito quadripolo de massa (22) em outros modos rotacionais e translacionais, a dita primeira frequência ressonante sendo inferior às ditas frequências ressonantes adicionais.

21. Responder quadripolo (20), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os pinos (28)

são formados por uma haste (300 ) e as flexões de mola de torção consistem em regiões de material removido na haste (300) . 22. Responde r quadripolo (20), de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que a haste (300) se estende através do quadripolo de massa (22) e

compreende as primeiras e segundas saliências (308) nas extremidades desta e fora das flexões de mola de torção, em que as primeiras e segundas saliências (308) estão fixadas ao alojamento (24).

23. Responder quadripolo (20), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada um dos ditos pinos (28) define um eixo longitudinal, em que o dito

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5/6 eixo longitudinal de cada pino (28) é co-linear com o dito eixo de rotação (34).

24. Responder quadripolo (20), de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelo fato de que cada um dos ditos pinos (28) está localizado ortogonalmente a um correspondente dos ditos lados opostos.

25. Responder quadripolo (20), de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato de que cada um dos ditos lados opostos em uma superfície planar, e em que as ditas superfícies planares dos ditos lados opostos estão orientadas em relação paralela entre si.

26. Responder quadripolo (20), de acordo com a reivindicação 25, caracterizado pelo fato de que o dito eixo longitudinal é uma linha central do dito pino (28).

27. Método de detecção de um sinal de gradiente gravitacional, caracterizado pelo fato de que compreende:

(a) selecionar um gradiômetro de gravidade OQR tendo um par de quadripolos de massa (22) com eixos rotacionais (34) que são co-lineares e que passam através do centro de massa de cada quadripolo de massa (22), sendo os ditos eixos um eixo comum, em que cada quadripolo de massa (22) define um par de lados opostos, e;

(b) proporcionar para cada quadripolo de massa (22) pelo menos um par de flexões de mola de torção, em que uma das respectivas flexões de mola de torção está conectada a cada um dos ditos lados opostos de cada quadripolo de massa (22), sendo as ditas flexões de mola de torção co-lineares e conectando cada uma dos ditos lados opostos do dito quadripolo de massa (22) a um alojamento (24).

28. Método, de acordo com a reivindicação 27, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, a seleção dos parâmetros das ditas flexões de mola de torção de modo que as ditas flexões de mola de torção forneçam uma

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6/6 rigidez de torção combinada sobre o dito eixo comum que resulta na frequência ressonante desejada para movimento rotacional do par de quadripolos de massa (22) sobre o dito eixo comum em relação ao alojamento (24).

29. Método, de acordo com a reivindicação 28, caracterizado pelo fato de que os parâmetros das ditas flexões de mola de torção são selecionados para proporcionar uma primeira frequência ressonante para rotação do dito par de quadripolos de massa (22) sobre os ditos eixos e frequências ressonantes adicionais para movimentos do dito quadripolo de massa (22) em outros modos rotacionais e translacionais, a dita primeira frequência ressonante é inferior às referidas frequências ressonantes adicionais.

30. Método, de acordo com a reivindicação 27, caracterizado pelo fato de que as ditas flexões de mola de torção são proporcionadas por pinos (28) que estão fixamente conectados aos ditos quadripolos de massa (22) e ao dito alojamento (24) através de aderência por difusão.

31. Método, de acordo com a reivindicação 27, caracterizado pelo fato de que as ditas flexões de mola de torção são proporcionadas por pinos (28) que conectam cada lado de cada quadripolo de massa (22) ao alojamento (24).

32. Método, de acordo com a reivindicação 31, caracterizado pelo fato de que a etapa (b) compreende a fixação dos ditos pinos (28) ao dito quadripolo de massa (22) e ao dito alojamento (24) através de aderência por difusão.