CN101156086A - 重力梯度仪 - Google Patents

Abstract

在此公开了一种重力梯度仪，其具有杆(41和42)形式的传感器，所述杆被支撑在具有第一安装件(10)和第二安装件(20)的安装架(5)上。第一弯曲腹板(33)围绕第一轴线枢转地连结第一安装件和第二安装件。第二安装件具有第一部件(25)、第二部件(26)和第三部件(27)。部件(25和26)通过第二弯曲腹板(37)连接，且部件(26和27)通过第三弯曲腹板(35)连接。杆(41和42)被设置在壳体(45和47)中，并且分别与壳体(45和47)形成整体式结构。壳体(45和47)连接至第二安装件(20)的相对两侧。杆(41和42)通过弯曲腹板(59)与它们各自的壳体连接。

Description

重力梯度仪

技术领域

本发明涉及一种重力梯度仪，并且尤其是(但不限于)涉及一种航空用重力梯度仪。本发明具有用于测量重力梯度张量的对角分量和非对角分量的特殊应用。

背景技术

重力仪在地质勘探中被广泛地使用，以测量地球重力场的一阶导数。由于将重力场的空间变化与运动体加速度的暂时波动区分开是比较困难的，因此尽管在开发能够测量地球重力场的一阶导数的重力仪方面已经取得了一些进展，然而这些测量通常只能对地上固定设备获得有效勘探的足够的精度。

重力梯度仪(与重力仪相区别)被用于测量重力场的二阶导数，并且其使用测量低至标准重力的10¹²分之一的重力之间的差值所需的传感器。

典型地，这种设备用于试图定位诸如包括铁矿和含烃地质构造的矿床之类的沉积物。

由本申请人的公司部分地拥有权利的国际公开WO90/07131公开了一种重力梯度仪。所述梯度仪包括常平架轴承装置，所述常平架轴承装置包括三个同心环，在该常平架轴承装置中安装有传感设备。所述传感设备通常包括两个分别位于屏蔽壳体中的、间隔开的杆，并且每个杆均安装在腹板轴承(web bearing)上。由于在这个申请中公开的仪器包括大量的部件，因此相对复杂并且相对较重，这对航空应用尤为不利。

发明内容

本发明提供一种重力梯度仪，其用于测量重力梯度张量的分量，所述重力梯度仪包括：

传感器，用于测量重力梯度张量的分量；

安装架，用于支撑所述传感器，所述安装架包括：

第一安装件，具有基底和第一安装外周壁，该外周壁具有多个切除部，该第一安装件被安装以围绕第一轴线旋转；

第二安装件，用于匹配第一安装件，该第二安装件具有外周壁；和

连接器，其从所述外周壁向外延伸，并且穿过第一安装件中的各个切除部，以便安装第二安装件，并且由此第一安装件围绕第二轴线和第三轴线旋转；以及

其中所述连接器用于在杜瓦瓶中连接第一安装件和第二安装件，以对梯度仪进行低温操作。

根据本发明该方面的安装形式避免了在现有技术设计中使用的常平架环的大部分重量。因此，根据本发明该方面制造的梯度仪与之前的设计相比具有显著减少的重量。

优选地，第一轴线、第二轴线和第三轴线是正交的z、x和y轴线。

优选地，所述连接器包括径向延伸的凸耳。

在一个实施例中，凸耳与第二安装件成一体。

在另一实施例中，凸耳与第二安装件分离，并连结到第二安装件。

优选地，传感器为第一杆和与该第一杆横交的第二杆，并且第二安装件具有第一部件、第二部件和第三部件。

在本发明的优选实施例中，第一杆连接至第一安装件，并且第二杆连接至第一安装件。

最优选地，第一杆和第二杆彼此正交地设置。

优选地，第一安装件具有第一弯曲腹板(flexure web)，用于安装第一安装件，以围绕z轴线旋转。

优选地，第一弯曲腹板将第一安装件分成主安装部分和副安装部分，传感器被连接至所述主安装部分和副安装部分中的一个上，使得主安装部分能够围绕第一弯曲腹板相对于副安装部分枢转，从而第一安装件和第二安装件枢转地连结，以围绕第一轴线枢转地运动。

优选地，第二安装件为筒形，并且第一割线(cut)形成在该安装件的筒壁中，以形成具有两个彼此对角的腹板部的第二弯曲腹板，并且第三弯曲腹板由壁中的第二割线形成，并且由两个彼此对角的腹板部形成，所述第一割线将第一部件和第二部件分离，并且所述第二割线将第二部件和第三部件分离。

优选地，第一部件具有安装凸耳，所述凸耳用于将安装架安装在杜瓦瓶中，以对梯度仪进行低温操作。

优选地，第一杆位于固定至第一安装件的第一壳体中，该杆通过第四弯曲腹板连接至第一壳体，以响应重力梯度而相对于第一壳体运动。

优选地，第二杆位于固定至第一安装件的第二壳体中，并且通过第五弯曲腹板连接至该壳体，以使第二杆能够响应重力梯度而相对于该壳体运动。

优选地，第一杆和第二杆具有关联的转换器，所述转换器用于输出指示响应重力梯度的杆的运动的信号。

优选地，第一壳体和第一杆为整体式结构，并且第二壳体和第二杆为整体式结构。

优选地，第二安装件为整体式结构。

在本发明的优选实施例中，提供致动器，用于围绕三个正交的轴线移动安装件，以便在梯度仪的使用期间稳定传感器的朝向。

优选地，致动器由计算机控制。

优选地，提供线性加速度计和角加速度计。

附图说明

现将通过实例的方式参考附图描述本发明的优选实施例，其中：

图1为本发明的一个实施例的梯度仪的示意图；

图2为形成优选实施例的梯度仪的安装架的一部分的第一安装件的立体图；

图3为安装架的第二安装件的视图；

图4为从图3的安装件的下侧观察的视图；

图5为沿图3的线IV-IV剖开的剖视图；

图6为沿图3的线V-V剖开的剖视图；

图7为组装结构的视图；

图8为示出了安装在常平架结构上的传感器的视图；

图9为优选实施例的杆的平面图；

图10为示出了致动器控制的视图；

图11为示出了可旋转支撑系统的操作的框图；

图12为优选实施例的梯度仪的视图；

图13为第二实施例的第一安装件的视图；

图14为图13的安装架的一部分的视图，其中示出了第一安装件的弯曲腹板的位置和范围；

图15为从下方观察的图13的安装架的视图；

图16为图13的安装架的视图，其中包括第二实施例的第二安装件；

图17为穿过图16中示出的组件的剖面图；

图18为从图17中示出的部分的下方观察的视图；

图19为从第二实施例的第二安装件的下方观察的视图；

图20为从上方观察的图19的第二安装件的视图；

图21为第二实施例的第二安装件的分解视图；

图22为根据第二实施例的组装的安装架和传感器的视图；

图23为梯度仪的立体图，其中去除了外真空容器的一些；

图24为根据本发明的又一实施例的用于支撑杆的壳体的平面图；

图25为图24的壳体的一部分的更详细的视图；

图26为在优选实施例中使用的转换器的视图；

图27为与图25类似的视图，但其中示出了位于适当位置的图26的转换器；

图28为图29和图30的电路的辅助说明的视图；

图29为涉及本发明的优选实施例的电路图，其中特别示出了使用传感器中的一个作为角加速度计的情况；

图30为频率调谐电路；

图31为根据本发明的一个实施例的穿过致动器的剖面图；

图32为图31的致动器的一部分的视图；

图33为示出了优选实施例的梯度仪的传感器的平衡(balancing)的视图；以及

图34为当平衡梯度仪时使用的校准传感器的电路图。

具体实施方式

图1是根据本发明的优选实施例的重力梯度仪的示意图。

图1中所示的梯度仪包括夹壁的杜瓦瓶1，其被支撑在外部平台2中。外部平台2能够围绕三个正交轴线调节杜瓦瓶以及从而调节杜瓦瓶的内容物。外部平台2是通常已知的，并且其由适当的马达等进行调节也是公知的。因此，将不提供详细的说明。

真空容器3设置在杜瓦瓶中，并且杜瓦瓶被供应有诸如流体氦He之类的液化气，这样梯度仪可以在低温下操作。杜瓦瓶1由端板4封闭，端板4包括用于连接电导线(未示出)至外部部件(未示出)的连接器5a。

容器3由端板9封闭，端板9包括用于连接电导线(未示出)至连接器5a的连接器5b。梯度仪具有主壳体61，其由十二面环62和半球形圆顶63形成(参见图12)。内部安装架5连接至环62。环62承载支架65，其中馈通凸缘9连结至支架65。在容器3的上方设有颈塞11，其由将泡沫塑料体11b夹在中间的挡板11a形成。挡板11a被支撑在中空棒93上，中空棒93延伸至容器3并且还用于对容器3抽真空。

参考图2，示出了梯度仪的可旋转安装架5(图7)的第一安装件10，其包括基底12和直立外周壁14。外周壁14具有多个切除部16。基底12支撑集线器(hub)18。

图3和图4示出了第二安装件20，其包括外周壁22和顶壁24。外周壁22具有用于将安装件连结至壳体61的四个凸耳13。顶壁24和外周壁22限定开口28。外周壁22具有第一部件25、第二部件26和第三部件27。第二安装件20为整体式集成结构，并且第一部件25通过在除了形成弯曲腹板处之外的整个外周壁上构造环形割线19而形成，如将在下文中所描述的。第三部件27通过在除了形成弯曲腹板处之外的整个外周壁22上构造第二环形割线29而形成，这也将在下文中进行描述。通过将集线器18定位在开口28中，并且使凸耳13穿过相应地切除部16，而使第二安装件20安装在第一安装件10上，如图7中所示。

第一安装件10结合(join)至第二安装件20。第一弯曲腹板31形成在第一安装件10中，使得安装件10的第一安装部能够围绕板31、相对于安装件10的第二安装部枢转。这些将参考图13至图21中示出的第二实施例进行更详细地描述。

凸耳13将安装架5连接在容器3中，而容器3位于杜瓦瓶1中，以低温操作梯度仪。

而杜瓦瓶安装在第一外部平台中，以进行对梯度仪的围绕三个正交x、y、z轴线的旋转控制。安装架5安装传感器40(其将在下面进行更详细的描述，并且其优选为质量四极的形式)，以对围绕x、y和z轴线的旋转进行更精细地旋转调节，以尤其在梯度仪被机载时进行测量的过程中，使梯度仪稳定。

第一弯曲腹板31允许第一安装件10围绕图7中示出的z轴线相对于第二安装件20运动。

图5和图6分别为沿线IV和V(它们依次为沿图3中示出的割线19和39)剖开的视图。外周壁22可以由诸如线切割器之类的任何适当的切割设备进行切割。图5示出了由割线27形成的底表面19a，如从图3和图5中表现出的，割线27具有两个倒置的v形峰34，峰34的顶点未被切割，从而形成第二弯曲腹板33，其将第一部件25结合至第二部件26。因此，第二部件26能够围绕图7中的x轴线相对于第一部件25枢转地旋转。第二割线29在图6中示出，并且此外可以看到由割线29形成的底表面29a。此外，第二割线29形成两个v形峰35并且峰35的顶点未被切割，从而形成第三弯曲腹板37，其将第二部件26连结至第三部件27。因此，第三部件27能够围绕图7中的y轴线枢转地旋转。

图8示出了安装在安装架上的传感器40。传感器40为由第一质量块和第二质量块形成的正交四极响应器(OQR)传感器，第一质量块和第二质量块的形式为第一杆41和第二杆42(在图8中未示出)，其中第二杆42与杆41正交并且具有与杆41相同的形状。

杆41形成在第一壳体45中，并且杆42形成在第二壳体47中。杆41和壳体45与杆42和壳体47类似，其区别仅在于一个杆相对于另一个杆旋转90°，这样所述杆彼此正交。因此，仅仅描述壳体45。

壳体45具有端壁51和外周侧壁52a。端壁51通过螺钉等(未示出)连接至第一安装件10的壁14的轮缘75(图2和图7)。杆41通过在壁51中的割线57而形成，除了将杆41结合至壁51的第四弯曲腹板59处未受到切割。在图9中的杆41的俯视图中放大地示出了弯曲腹板。因此，杆41能够响应重力场中的变化，相对于壳体45枢转。杆42以与上述相同的方式进行安装，并且也可以响应重力场的变化围绕第五弯曲腹板59相对于其壳体47枢转。壳体47连接至第一安装件10的基底12(图2)。

杆41和壳体45与弯曲腹板59一起为集成整体式结构。

设置转换器71(在图2至图6中未示出)用于测量杆的移动，并且用于产生指示移动量以及由此指示通过杆感测的重力场中差值的测量的输出信号。

图10为示出了通过围绕三个正交轴线(x、y、z)旋转安装架5而使得梯度仪稳定的致动器控制的示意性框图。可以为计算机、微处理器等的控制器50输出信号至致动器52、53、54和55。致动器52可以围绕x轴线旋转安装架5，致动器54可以围绕y轴线旋转安装架5，并且致动器54可以围绕z轴线旋转安装架5。然而，在优选的实施例中，四个致动器52、53、54和55中的两个致动器被用于围绕各轴线旋转安装架，这样围绕各轴线的旋转由通过两个致动器提供的两个线性运动的结合而引起。通过各致动器提供的线性运动将参考图31和图32进行描述。安装架5的位置被监控，从而可以向控制器50提供适当地反馈，及向致动器提供适当的控制信号，以根据在空中运动的过程中(在航空器内或者在航空器的后部拖拽)稳定支架的要求旋转支架10。

优选的实施例还包括角加速度计，其形状与杆41和杆42类似，但是其形状为零值四极矩而进行调节。线加速度计是简单的摆动装置，其具有作为弯曲铰链的单个微枢轴。

图11为用在优选实施例中的反馈控制的视图。

图12为待安装在杜瓦瓶1中以进行低温操作的梯度仪的剖开的视图，而杜瓦瓶1将被安装在外部平台中。尽管图2至图8示出了顶部和底部具有杆41和杆42的梯度仪，然而该仪器实际上向其一侧旋转(90°)，这样杆41和杆42最终如图12中所示。

图12示出了安装架5，其设置在壳体61中并且通过环62和透明半球形端部63形成。环62具有连接器69，该连接器69用于将设置在壳体61中的转换器71(参见图8)和SQuID(超导量子干涉设备)电子仪器的内部线路连接至连接器5b(图1)。

转换器71测量杆41和杆42的位移角，并且控制电路(未示出)被构造用于测量它们之间的差值。

可以基于来自加速度计和温度传感器的数字化信号在数值上执行误差修正。

转换器71为SQuID基转换器，并且误差修正可以通过SQuID基转换器的大动态范围和线性得以实现。

图13至图21示出了第二实施例，其中类似的部分表示与上述类似的部件。

在本实施例中，第一安装件10具有有效地形成用于接收凸耳(未示出)的槽口(slot)的切除部80，所述凸耳在切除部80中连接至安装件10，并且也连接至图19至图21所示的第二安装件20。在本实施例中，凸耳为分离部件，与利用第二安装件部分20(其形成第二弯曲腹板33和第三弯曲腹板37)切割相比，这样凸耳可以变得更小和更易于制造。

在图13中，割线87用于限定集线器18的部分18a。割线87在88处随后沿径向向内延伸，并且随后包围中间部分18c，如由割线101所示。割线101随后沿切割线18d和18e进入中间部分18c，以限定中芯18f。中芯18f通过作为切割线18e和18d之间的未被切割的部分的弯曲腹板31连接至中间部分18c。由此，部分10a形成安装架10的主安装部分，除了部分18a通过弯曲腹板31与部分10a结合之外，部分10a与安装架10的副安装部分10a分离。部分18a有效地形成允许部分18a相对于部分10a沿z方向围绕弯曲腹板31旋转的轴线。

如图14中所示，切割线88从图14中示出的上端至下端向外倾斜，并且中芯18c以相应的形状向外倾斜，如图17中清楚地示出的。

如从图13至图18所显示的，第一安装件10为八角形而非圆形，与之前的实施例相同。

图19至图21示出了第二安装件20。图16示出了安装在第一安装件10中的第二安装件20。如图19和图20中清楚地示出的，第二安装件20具有与切除部80对齐以接收凸耳(未示出)的切除部120。凸耳能够通过穿过凸耳并进入螺栓孔121中的螺栓而螺栓连接至第二安装件20。在安装件20固定至第一安装件10之前，凸耳(未示出)即安装至安装件20。

在图19和图20的实施例中，峰34和倒置峰35被扁平化，而不是如之前实施例中的V形。

在本实施例中，顶壁24设有中心孔137和两个附连孔138a。设置三个较小的孔139a，以便于在需要拆卸时将壳体45推出部分18a。当第二安装件20位于第一安装件10中时，中间部分18c的上部突出穿过孔137，如图16中清楚地示出的。这样，安装件20能够由穿过孔138并进入部分18a中的孔139b(参见图13)的紧固件连接至安装件10。

由此，当第一壳体45及其关联(associated)杆41被连接至壳体10的轮缘75，并且第二壳体47被连接至基底12时，壳体45和47及其关联杆41和42由此能够围绕由弯曲腹板31、弯曲腹板33和弯曲腹板37限定的三个正交轴线移动。

如图21中清楚地看出的，其中图21为构成第二安装件20的三个部件25、26和27的分解图，通过孔137、孔138和孔139形成的开口延伸穿过安装件20。应当理解，在图21中示出的安装件20具有整体式结构，并且仅通过分解视图示出，以清晰地示出弯曲腹板33和35的位置。显然，图21中示出的弯曲腹板33与部件26结合，并且图21中示出的弯曲腹板35与部件27结合。孔137、138和139限定一通道，当第二安装件20位于第一安装件10中时，第一安装件10的轴线或第一部分18a可以延伸穿过该通道。

由此，当第二安装件20固定至部分18a时，第二安装件20能够围绕由弯曲腹板31限定的z轴线相对于第一安装件10的第一部分10a枢转，同时由部分18a形成的第二部分保持固定。如上所述，通过第二安装件20围绕弯曲腹板33和35的枢转运动获得了围绕x轴线和y轴线的运动。

图22示出了固定至壳体45和47的线性和环形加速度计90。

重力梯度在具有任何质量分布的刚性体上施加扭矩(假定其具有非零值四极矩)。对在x-y平面中和围绕z轴线枢转的平面物体而言，四极为沿x和y方向的惯性矩之间的差值。由此，正方形或圆形具有零值四极矩，而长方形具有非零值的四极矩。

所产生的扭矩为构成由梯度仪测量的信号。

存在两个动态干扰，它们也能够产生扭矩并由此成为误差源。

首先是线性加速度。

如果质心并非恰好位于旋转中心，即杆是“失衡的”，则产生扭矩。杆41和42尽可能地平衡(利用平头螺丝来调节质心的位置)，然而这并非是足够的，因此存在残余误差。这种误差可以通过测量线性加速度并且利用此来在数值上减去信号的错误部分而进行修正。

其次是角动。

在角动上存在两个方面，每一方面产生不同的误差。

第一方面为角加速度。

角加速度通过其惯性矩(即使四极矩为零)在质量分布上产生扭矩。这是巨大的误差，并且采用两种优先选用的技术来抵消它。

首先是使用内旋转稳定性。这在图10的框图中进行了描绘。在此，Ho表示围绕安装件5枢转的传感器组件(根据图9)。模块A表示致动器，其提供了反馈扭矩，以通过抵消所施加的干扰来实现平稳。T表示测量所施加的干扰的效果的传感器(或转换器)。这是角加速度计。在旋转控制中利用角加速度计是不常见的，通常使用陀螺仪和/或高阻尼倾斜仪，但是为了实现我们的目的，由于误差与角加速度干扰成比例，因此角加速度计是更优的。

其次是使用共模抑制CMRR，为此需要使用两个正交杆。对这两个杆而言，由角加速度产生的误差扭矩为沿相同的方向，而由重力梯度产生的信号扭矩为沿相反的方向。

因此，通过测量两个杆之间的偏差，感测梯度但不感测角加速度。

为此，提供两个分离的角加速度计90(在图22中标示为90′，以易于识别)。我们这里具有来自该对OQR杆41和42的两个独立的输出信号。第一信号与偏差成比例，其给出了梯度信号，并且第二信号与它们的偏差和成比例，其与角加速度成比例且提供用于z轴线旋转控制的传感器。

x轴线和y轴线要求分离的角加速度计。由于两个杆的枢转轴线并非完全平行，因此要求围绕这些轴线的旋转稳定性，以及要求抵消由角度干扰产生的第二形式的误差，这将在下文中讨论。

第二方面为角速度。

角速度产生离心力，所述离心力也为误差源。通过致动器提供的内旋转稳定性降低了角运动，这样误差低于1厄缶(Eotvos)。

图23示出了主体61和连接器69，其中去除了半球形端部。

图24为根据本发明的又一实施例的壳体45的平面图。如从图24中显示出的，壳体45为圆形而不是如图8的实施例示出的八角形。

壳体45以与通过位于杆41的质心的弯曲腹板59描述的方式相同的方式支撑杆41。杆41为人字形，尽管人字形与前述实施例的形状略微不同，且具有与弯曲腹板59相对的更为圆滑的边缘41e，并且槽形壁部41f、41g和41h毗邻弯曲腹板59。杆41的端部具有螺纹孔300，所述螺纹孔300接收可以为诸如平头螺钉之类的插塞形式的螺纹构件301。在壳体45的外周壁52a中，孔300与孔302对准。孔302能够通过螺丝起子或其它工具接近插塞301，这样插塞301能够被旋钮入或旋出孔300，以调节插塞301在孔中的位置，以平衡质量体41，从而使得重心位于弯曲腹板59。

如图24中所示，孔300与图24中的水平方向和垂直方向成45°角。由此，在图24中示出的两个孔302彼此相对成直角。

图24还示出了用于接收转换器71的开口305，所述转换器71用于监控杆41的运动并产生传送至SQUID设备的信号。典型地，转换器为线圈的形式，并且当杆41由于杆端部之间的重力差而略微移动时，电容发生变化，其改变线圈中的电流，从而提供指示杆41的移动的信号。

图25为图24的壳体一部分的更详细的视图，其中示出了开口305。如从图25中可看出，开口305具有形成凹槽402的肩部401。弹簧403毗邻表面406设置。

图26示出了转换器71。转换器71由基本为方形的、具有圆形凸台407的玻璃陶瓷板410形成。线圈408围绕凸台407缠绕，并且可以通过树脂等保持在适当的位置。线圈408可以为多层线圈或者为单层线圈。

图27示出了开口305中板410的位置，其中板位于凹槽402中，并且通过弹簧403偏压向肩部401，以将板410保持在适当的位置，并且线圈408毗邻杆41的端面41a。

因此，线圈408和杆41形成1c电路，这样当杆41移动时，穿过线圈408的电流变化。

如从图24中显示出的，四个转换器71毗邻杆41的端部设置。另一壳体47也具有毗邻杆42设置的四个转换器。由此，在梯度仪中设有八个转换器71。

图28为杆41和42的图表，其中以“使用中”构造示出了杆41和42。位于开口305中的转换器通过附图标记71a至71e示出，以与图29和图30的电路图等同。

参考图29和图30，与杆41相关的转换器71a和71b以及与杆42相关的转换器71g和71e被用于提供重力梯度测量。

输入端子361向图29中示出的超导电路提供输入电流。设置可以为电阻362的形式的制热开关，其用于初始设定电路中的超导电流。制热开关362初始开启非常短的时间周期，以加热电路的设置有电阻362的这些部分，从而使电路的这些部分停止形成超导。随后，可以将电流施加在超导电路上，并且当由电阻362形成的制热开关被关闭时，电路的相关部分再次变成超导，这样，电流可以流通穿过受到由杆41和42的运动(其是在重力梯度和角加速度的影响下产生的)导致的任何变化的电路，如将在下文中所描述的。

转换器71a、71b、71g和71e并联到连接至SQUID 367的电路线365和电路线366。

因此，当杆41和42围绕其相应的弯曲腹板旋转时，例如，杆41和42分别更加靠近转换器71a从而进一步远离转换器71b，和更加靠近转换器71h从而进一步远离转换器71g。从而这改变了流过转换器的电流，并且这些电流被有效地除去，以提供用于提供重力梯度的测量的信号。

如图31中所示，转换器71c和71d形成分离的电路，并且用于杆41和转换器71a和71b的频率调谐。类似地，转换器71e和71f用于杆42和转换器71g和71h的频率调谐。由于杆应当是相同的以阻止角加速度，因此杆的频率调谐是非常重要的。因此频率调谐电路能够实现杆的电调谐，以匹配谐振频率并且获得模式抑制，这样，各杆以相同的方式运作。

转换器71a、71b、71g和71h也用于形成用于测量安装架5的角移动的角加速度计，这样可以提供反馈信号来补偿所述角移动。

为此，线366连接至变压器370。来自转换器71a、71b、71g和71h的信号的极性反转，这样线371和372上的转换器370的输出是对信号的添加而不是删减，如同在梯度被测量时的情况，这样信号的添加给出了杆的角运动的测量。输出371和372连接至用于提供角加速度的测量的SQUID设备375，其可以被用在图10的电路中，以提供稳定安装架5的补偿信号。

因此，根据本发明的优选实施例，角加速度计90′提供例如围绕x轴线和y轴线的角加速度的测量，并且角加速度计由杆41和杆42形成，并且转换器71a、71b、71g和71h提供例如围绕z轴线的角加速度计的测量。

图31和图32示出了用于接收控制信号的致动器，以响应安装架5的角运动来调节安装架。

图31和图32中示出的致动器通过附图标记52、53、54和55示意性地在图10中示出。所有的致动器均为相同的，并且将参考在图10中示出的围绕x轴线进行调节的致动器52对图31和图32进行描述。

在图31中示出的致动器52具有中空圆盘壳体310，其具有用于将圆盘壳体310连接至安装架5的安装托架311。从而中空圆盘壳体310限定内部腔室312，在内部腔室312中，设有圆盘313形式的线圈支撑板。圆盘313具有宽集线器部314和两个环形表面315和316，其上，线圈的绕组W1和W2围绕集线器314缠绕。

圆盘313的外周也设有径向钻孔319和与钻孔319相通的孔320。孔321设置在集线器314处，并且与钻孔319相通，并且延伸至位于管状物330中的中空棒328。棒330固定至圆盘313并且还支撑固定至主体61(在图31中未示出)的框架340。管状物330连接至圆盘壳体310，以使圆盘壳体310相对于圆盘313、棒328和框架340运动。

设置在表面315上的绕组W1具有导线331，其穿过孔320并且随后穿过钻孔319至孔321，且随后穿过管状物328至右侧，如图31中所示。来自绕组W1的另一端的导线332穿过孔321和中空棒328，并且也达到右侧，这样电流可以通过导线331和332被供应至绕组W1。

设置在表面316上的第二绕组W2具有导线333，其穿过径向孔334和圆盘313中的钻孔345，并且随后穿过孔337至管状物328，并且到达图31中的左侧。绕组42的另一端具有导线328，其穿过孔337进入管状物328中，并到达图31中的左侧。由此，电流可以经由导线333和338流通穿过绕组W2。

当绕组W1和W2被通电或穿过绕组的电流变化时，圆盘壳体310相对于圆盘313和框架340运动，并且由于圆盘壳体310通过托架311连接至安装架5，因此在致动器52的情况中，安装架5被调节。圆盘壳体310的运动通常为沿管状物330和棒328的轴线方向纵向运动(即线性运动)。为了利于这种运动，在棒330的端部和框架340之间，以及在圆盘313附近设有间隙。托架331相对于弯曲腹板(例如弯曲腹板37)偏移，这样，壳体310的运动向安装架5的第一部件25施加扭矩，以使部件25围绕弯曲腹板37旋转。

在本发明的优选实施例中，设置四个致动器以提供关于各轴线和弯曲腹板的实际调节，并且致动器响应接收自角加速度计的信号进行操作，以保持梯度仪使用时安装架5稳定。

为了梯度仪的低温操作，前述的安装架5、壳体45和47、杆41和42、中空圆盘壳体310、线圈和电导线均由诸如铌之类的超导材料制成。

在本发明的梯度仪非低温操作的实施例中，所述部件可以由诸如铝之类的其它材料制成。

角加速度计90′具有零值四极矩，这意味着质心与弯曲腹板重合，并且从而角加速度计90′对重力梯度和离心力均不灵敏。也可以设置线性加速度计90″(图22)。线性加速度计90″并不施加积极补偿，而是可以施加对最终测量梯度数据的修正。由此，涉及线性加速度的数据能够被记录并且可以用在随后的处理中。

杆41和42中的一个或两个也可以用作角加速度计，以提供安装架5的角运动的测量，这样能够产生适当的反馈信号，以通过前述的致动器的控制对所述运动进行补偿。

在优选的实施例中，四个角加速度计设有两个由杆41和42形成的加速度计。使用四个彼此相对以45°角设置的加速度计能够通过在任何时刻由两个或更多的致动器提供的扭矩围绕x轴线、y轴线和z轴线进行调节。

圆盘310防止来自绕组W1和W2的磁通从致动器泄漏，并且由于导线331、332、333和338离开致动器穿过拉长的管状物330，因此基本上防止了磁通穿出致动器的能力。

因此，不会通过致动器产生可能不利地影响仪器操作的寄生(spurious)磁场，从而不会影响仪器的敏感性或操作。

管状物330优选地具有至少10∶1的长度直径比。

圆盘板316优选地由陶瓷玻璃形成，并且中空圆盘壳体310以两个部件310a和310b形成。部件310b形成使圆盘313定位在腔室312中的封闭面板，从而圆盘壳体310通过将板310b设置在适当的位置而被封闭。

通过参考图33和图34，将描述实现杆41和42的平衡的方式。设置通过电容400和401形成的一对位移传感器有两个主要目的：

1.为了测量各杆41(和42)的残余线性加速度敏感性，以在低温操作之前，使杆利用参考图24描述的平头螺钉301机械平衡；以及

2.为了测量各杆41和42的感应线性加速度敏感性。

在其相应的壳体中的杆41和42在夹具(未示出)中旋转360°。这样提供了2gE的加速度范围，所述范围典型地比低温下常规施加的加速度大100倍。对电容400和401典型的要求是能够在1至20分钟的周期上检测0.1nm。由于杆41的旋转将引起一个电容器400增大而另一个电容器401减小相同的量(如图33中所示)，而热膨胀将引起电容400和401的输出均增加，因此对各杆均要求有一对电容400和401，以提供对传感器漂移的一些识别。电容400和401保持在适当的位置，即使它们不适于低温的情况，从而它们的部件需要为非磁性的，以使得不会干扰梯度仪的操作，并且尤其是不会干扰其附近的超导电路。

图33示出了当杆41枢转时，应用于电容400的间隙减小，并且电容401的间隙增大。

电容400和401由杆41的表面41a(和另一杆42上相应表面)和与表面41a间隔开的第二板405形成。相应电容400和401的板之间的间隙必须典型地被分辨至(be resolved to)约1ppm。

图34示出了应用于电容400的校验电路。用于另一电容401的电路是相同的。

电容400形成具有感应器410的高Q值谐振电路。感应器410和电容器400与电容器411和412并联设置，并且通过电容413连接至放大器414。放大器414的输出被提供至频率计数器415并通过线416反馈至电容412和411之间。从而电容400确定能够以高精度读取的放大器414的操作频率。

如果杆41失衡，频率计数器45将倾向于由于杆的失衡而漂移。这可以如前所述通过将平头螺钉301移入和移出质量体来调整，直到获得平衡。随后，放大器414与频率计数器415分离，这样梯度仪可以设置在杜瓦瓶1中，并且在图34中示出的电路的其它部分位于适当的位置。

由于在本发明的精神和范围内的修改易于由本领域的技术人员实现，因此应当理解本发明不限于通过上述实例描述的特定实施例。

在所附的权利要求书中，以及在本发明的前述说明中，除了上下文要求，否则由于表达的语言或必要的暗示，措辞“包括”或其各种变种(诸如“包含”或“含有”)用于开放的含义，即在本发明的各种实施例中指出所述特征的存在，但不排除其它特征的存在或添加。

Claims (20)

1.一种重力梯度仪，其用于测量重力梯度张量的分量，所述重力梯度仪包括：

传感器，用于测量重力梯度张量的分量；

安装架，用于支撑所述传感器，所述安装架包括：

第一安装件，具有基底和第一安装外周壁，该外周壁具有多个切除部，该第一安装件被安装以围绕第一轴线旋转；

第二安装件，用于匹配第一安装件，该第二安装件具有外周壁；和

连接器，其从所述外周壁向外延伸，并且穿过第一安装件中的各个切除部，以便安装第二安装件，并且由此第一安装件围绕第二轴线和第三轴线旋转；以及

其中所述连接器用于在杜瓦瓶中连接第一安装件和第二安装件，以对梯度仪进行低温操作。

2.根据权利要求1所述的重力梯度仪，其中，所述第一轴线、第二轴线和第三轴线是正交的z、x和y轴线。

3.根据权利要求1所述的重力梯度仪，其中，所述连接器包括径向延伸的凸耳。

4.根据权利要求3所述的重力梯度仪，其中，所述凸耳与所述第二安装件成一体。

5.根据权利要求3所述的重力梯度仪，其中，所述凸耳与所述第二安装件分离，并连结到所述第二安装件。

6.根据权利要求1所述的重力梯度仪，其中，所述传感器为第一杆和与所述第一杆横交的第二杆，并且所述第二安装件具有第一部件、第二部件和第三部件。

7.根据权利要求6所述的重力梯度仪，其中，所述第一杆连接至第一安装件，并且第二杆连接至第一安装件。

8.根据权利要求6所述的重力梯度仪，其中，所述第一杆和第二杆彼此正交地设置。

9.根据权利要求1所述的重力梯度仪，其中，所述第一安装件具有第一弯曲腹板，用于安装第一安装件，以围绕z轴线旋转。

10.根据权利要求9所述的重力梯度仪，其中，第一弯曲腹板将第一安装件分成主安装部分和副安装部分，所述传感器被连接至所述主安装部分和副安装部分中的一个上，使得主安装部分能够围绕第一弯曲腹板相对于副安装部分枢转，从而枢转地连结第一安装件和第二安装件，以围绕第一轴线枢转地运动。

11.根据权利要求10所述的重力梯度仪，其中，所述第二安装件为筒形，并且第一割线形成在该安装件的筒壁中，以形成具有两个彼此对角的腹板部的第二弯曲腹板，并且第三弯曲腹板由壁中的第二割线形成，并且由两个彼此对角的腹板部形成，所述第一割线将第一部件和第二部件分离，并且所述第二割线将第二部件和第三部件分离。

12.根据权利要求11所述的重力梯度仪，其中，第一部件具有安装凸耳，所述凸耳用于将安装架安装在杜瓦瓶中，以对梯度仪进行低温操作。

13.根据权利要求6所述的重力梯度仪，其中，所述第一杆位于固定至第一安装件的第一壳体中，该杆通过第四弯曲腹板连接至第一壳体，以响应重力梯度而相对于第一壳体运动。

14.根据权利要求13所述的重力梯度仪，其中，所述第二杆位于固定至第一安装件的第二壳体中，并且通过第五弯曲腹板连接至该壳体，以使第二杆能够响应重力梯度而相对于该壳体运动。

15.根据权利要求6所述的重力梯度仪，其中，所述第一杆和第二杆具有关联的转换器，所述转换器用于输出指示响应重力梯度的杆的运动的信号。

16.根据权利要求13所述的重力梯度仪，其中，所述第一壳体和第一杆为整体式结构，并且所述第二壳体和第二杆为整体式结构。

17.根据权利要求1所述的重力梯度仪，其中，所述第二安装件为整体式结构。

18.根据权利要求1所述的重力梯度仪，其中，提供致动器，用于围绕所述三个正交的轴线移动安装件，以便在所述梯度仪的使用期间稳定所述传感器的朝向。

19.根据权利要求18所述的重力梯度仪，其中，所述致动器由计算机控制。

20.根据权利要求1所述的重力梯度仪，其中，提供线性加速度计和角加速度计。

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