CN101663598A

CN101663598A - 用于地球物理勘测的微比重计

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Publication number: CN101663598A
Application number: CN200880010763A
Authority: CN
Inventors: 尼科洛·贝韦里尼; 弗朗西斯科·菲代卡罗; 安德里亚·德米凯莱; 弗朗西斯科·曼高; 亚历山德罗·贝尔托里尼
Original assignee: Eni SpA
Current assignee: Eni SpA
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2010-03-03
Also published as: MY146323A; GB0916715D0; WO2008120075A2; GB2460005B; BRPI0808871A2; EA200901079A1; AU2008234589A1; AU2008234589B2; NO20093036L; US20100071461A1; ITPI20070036A1; GB2460005A; US8661894B2; WO2008120075A3; CA2681609A1; EA016757B1

Abstract

一种用于测量地面上的重力加速度的装置和方法，所述装置包括：基架(31)；共振器(10)，其具有一体化到所述基架(31)的第一刚玉盘(2)；第二刚玉盘(1)，其被设置在与所述第一块(2)距离最短处，并且相对于所述第一块(2)垂直对齐，从而所述第一盘和所述第二盘(1和2)形成电磁信号的共振器(10)；悬臂(41)，其连接到所述基架(31)并且弹性保持所述第二盘(1)；磁探针(11)用于向根据两个盘(1和2)之间存在的平面来布置的共振器(10)施加电磁信号；线性电探针(12)，其布置在所述固定盘(2)下方，相对于其侧边垂直对齐，用于响应于所述电磁信号来测量所述共振器的工作频率；用于使所述共振频率的变化与所述盘(1和2)之间的距离变化产生关联的单元；以及用于使这种距离的变化与本地重力加速度产生关联的单元。

Description

用于地球物理勘测的微比重计

技术领域

本发明涉及用于测量地面上重力加速度的装置和方法。

可能的应用为多种现场工作，用于进行矿石与石油勘探或用于环境目的、用于地下洞穴内的检测或者天然或人造非连续结构的任何情况下的检测。其他应用包括对大型空中或水上运载器的结构研究。

背景技术

通过微比重计勘测进行地球物理分析是一种具有很大潜力并且在日益发展的方法。

用于测量重力加速度的传感器是已知的。一种传感器由LRS(Lacoste& Romberg-Scintrex)Inc公司销售的，并且主要上由弹簧组成，该弹簧维持在临界工作条件，以增强作用在其上的力的最小变化。该装置基于对同一仪器在不同位置下的两次读数来获得关于梯度的测量值，从而测量重力值。然而，该装置存在这样的缺点，即，需要严格控制磁滞和机械漂移，以免这些效应影响有用信号。

为了避免存在这种对测量的系统影响，已知并行地使用两个微比重计来进行差分检测。这种勘查还具有获得重力场梯度的直接测量值的实质优点。差分检测目前用在非商用的装置内，在实验室专用于空间应用或物理实验。一个例子是马里兰大学的超导比重计和IFSI-CNR的比重计。这些仪器具有非常高的分辨力，例如小于0.01厄缶(

)，但是不便于携带并且不适合于用在地面上。

市场上已知的便携式工具是Lockheed Martine开发并且兼用于军事和民用的GGI比重计(Gravity Gradiometer Instrument)。这种仪器特别被用于航运工具或水运工具上，并且由正交安装在旋转平台上的两对相同的加速度计组成。因此，以旋转频率对垂直于旋转轴的方向上的线性加速进行了调制。这些仪器的灵敏度为约5厄缶。

还已知Bell Geospace Full Tensor Gravimeter，其由数个GGI形成，并且能够同时测量重力梯度张量Γ的所有分量，从而能够完整地构建重力图。然而，该仪器的极高性能关联着相应的高成本、高负担以及高重量。

还已知澳大利亚公司BHP-Billiton Discovery Technologies的FalconGravity Gravimeter，其能够以500m的空间分辨力来观测产生

的异常重力的源。

另一已知仪器是具有平衡摆臂(oscillating arm)的可移动超导比重计，其由澳大利亚西部大学在1994年开发，并且由Gedex Inc商业化。为空中勘探而开发的仪器的CMRR能够大于190dB并且分辨力能够优于1Hzl

然而，由于惯性平台的大小和需要具有液态氦冷却系统，所以，管理这种仪器并不容易。

发明内容

本发明的一个特征是提供了一种用于测量地面上的重力加速度的梯度的装置和方法，对于地球物理勘测领域中的各种应用，所述装置和方法适于从面向应用的观点获得显著的精确性，即使保持了受限的尺寸以装入小型自推进式交通工具内也是如此。

本发明的另一特征是提供这样一种装置来减少每次测量所需的时间，以显著降低测量活动的成本。

本发明的进一步特征是提供这样一种装置，其具有有效的抗环境及仪器噪声性能，并且具有对机械噪声或地震的高抗干扰力，还能够放松对仪器工作环境进行严格控制的条件。

本发明的又一特征是提供这样一种装置，其能够对重力加速度的梯度进行高度精确的测量。

本发明的再一特征是提供这样一种装置，其降低了对控制机械与热磁滞的要求，并且避免了由于材料疲劳(fatigue)所造成的影响。

本发明的再进一步特征是提供一种不受热变化影响的装置。

这些及其他特征通过一种用于微比重计的装置来实现，所述装置根据本发明来进行针对地球物理探测的测量，其特征在于所述装置包括：

基架；

与所述基架成一体的第一块；

第二块，其被设置在与所述第一块距离最短处，并且相对于所述第一块垂直对齐，从而所述第一块和所述第二块形成了电磁辐射的共振器；

用于悬挂所述第二块的单元，所述用于悬挂的单元连接到所述基架并且弹性地保持所述第二块，以提供稳定的弹性模数；

用于向所述共振器施加电磁信号的单元；

用于响应于所述电磁信号来测量所述共振器的共振频率的单元；

用于使所述共振频率的变化与所述两个块之间的距离变化产生关联的单元；以及

用于使所述距离的变化与本地重力加速度产生关联的单元。

优选地，所述第二块在所述第一块上方。

优选地，按照上面定义地来提供第一共振器和第二共振器，它们耦合并安装在相互结合在一起的两个单独的基架上，以在垂直方向上测量重力加速度梯度。

有利地，所述共振器被包含在其中创建了真空环境的封闭盒中。这样，这些块就可以在没有粘度(viscosity)的情况下自由移动。

优选地，所述电磁共振器的共振频率在微波范围内。

有利地，用于测量两个共振器的共振频率之间的差的单元包括相位检测干涉电路。这样，就可以通过上述干涉电路将两个共振器反射的波的相位偏移进行比较而直接读取该差。

有利地，用于生成微波信号的单元包括环路振荡器。该环路振荡器可以将所述比重计的一个或更多个共振器，即外部共振器，用作参考腔。

有利地，所述块由以预定距离设置的刚玉盘组成。优选地，所述距离在50微米到500微米之间。

优选地，所述用于悬挂所述第二块的单元包括扭摆(torsionpendulum)。

有利地，所述扭摆是从切割的硅薄板开始获得的，具体来说，该硅薄板为硅单晶薄板，所述薄板具有两个相对的C形切口，以分离开固定部分和移动部分，所述固定部分和所述移动部分通过所述第二悬挂块和所述移动部分的扭转所驱策的两个连接部分而彼此结合。这样，就可以避免材料的磁滞和疲劳效应。将单晶材料用于制造所述臂避免了由于材料的疲劳和略微变形(creep)造成的不期望的影响。具体来说，通过超声脉冲来切割所述硅薄板。

有利地，所述薄板是从以下组中选出的梁(beam)：仅固定到一端而形成悬臂的梁(beam)；或固定到两端的梁，在这两种情况下，所述两个块之间的距离变化均为所述薄板的挠曲度。

有利地，所述刚玉盘适合于形成以所谓的“回音廊(whisperinggallery)”方式进行共振的共振器。

有利地，在差分测量的情况下，所述两个共振器被设置成，使得最重的块悬挂在所述薄板上，并且能够提供相同的弹性反应。

有利地，为了使所述两个薄板对重力加速度具有相同的灵敏度，设置了用于抑制的单元，其抑制每个薄板的可能振动，而不减小机械良度(merit)系数且不增加热噪声。

优选地，所述用于抑制的单元包括：

电绕线，其与所述基架一体化，并且适于创建相对于所述第一块垂直对齐的磁场，所述第一块面对所述第二块；

永磁体，其连接到每个所述共振器的所述薄板。

通过电流发送到所述绕线的校正信号优选地与所述薄板的速度成比例。

优选地，用激光系统来确定所述薄板的移动速度。可替换地，可以用导数电路(derivator circuit)来确定所述移动速度，所述导数电路揭示了单个共振器所反映的波相对于参考信号的相位。

有利地，应用被提供了用于平衡所述薄板的机械振动频率的配重(counterweight)，该配重作用于所述薄板的转动惯量。

有利地，所述薄板具有其上安装了金属层的部分，所述金属层面对相对于所述基架固定的至少一个电极，在所述金属层与所述至少一个电极之间，发送了电磁场来削弱所述系统的有效弹性模数。

优选地，提供了用于调整所述盘之间的未激励距离的单元，所述单元包括其上安装了所述第一块的压电器件。这样，就有可能控制电共振频率f₀，以及距离1与频率f₀之间的转移因子

有利地，提供了用于阻止的单元，用于在未测量所述传感器时或者在操作期间发生震动的情况下，阻止所述薄板的移动。

具体来说，所述用于阻止的单元包括用于驱动磁体的单元，用于驱动位于所述两对盘的所述薄板上的磁体，所述盘具有被激励而偏离工作位置大于数微米的第二线圈，从而提供了高回复力。

有利地，所述用于驱动磁体的单元包括每个所述第一块的抑制电路，其包括适合于提供所述锁定系统的参考的激光传感器，当超过阈值水平时，所述锁定系统开始工作。

附图说明

通过本发明的作为实例而非限制的示例性实施方式的以下描述、参照附图，将使根据本发明的装置的进一步的特性和优点更加清楚，其中，相同的标号在整个附图内标明相同或类似的部分：

图1图示了根据本发明的由单个共振器组成的比重计传感器的实例的剖视图，该比重计传感器具有一对盘，即固定盘和振动盘，其中，振动盘被悬挂在悬臂薄板上；

图1a示出了具有有源阻尼器的比重计传感器的实例。

图2示出具有固定盘和振动盘的比重计传感器的立体图，悬挂到该盘的薄板是切割薄板。

图3图示了根据本发明的比重计传感器的实例的剖视图，其包括与图1类似的两个共振器，适于在两个共振器(这两个共振器之间的距离未按比例示出)的共振频率之间进行差分测量。

图4示出了差分比重计的立体图，其中，通过如图2中所示的各个单晶薄板来保持振动块。

图5图示了一示出比重计的剖视图，其具有两对由固定到两端的薄板保持的振动盘。

图6示出了抑制(dampening)模块的可能实施方式。

图7示出了相位检测干涉测量电路的实施例。

具体实施方式

参照图1，图示了根据本发明的微比重计的微波共振器10，具体来说，该微比重计用于地球物理勘测，例如，用来进行应用于开采的地球物理勘探。共振器10包括两个振动块，具体来说，包括一对刚玉盘1与2，它们相距一距离d，例如约100微米。将上部盘1连接到悬臂41，悬臂41连接到固定基架，该固定基架包括同种材料的坚硬的垂直壁30和基底31。

技术人员将毫无困难地选择垂直壁30、基底31以及所有承载结构的长度和材料，以相对于弹性常数与介电常数的扩大和变化，将信号的总温度效应最小化。

用包括共振器10的“环路振荡器”获得要发送的微波信号。具体来说，有利之处在于，在图1中，将磁探针11示出为设置在两个盘1与2之间的平面内。通过由线性导体12组成的电探针来检测信号，该线性导体12设置在固定盘2的下方，即固定盘2的侧边的下方。

仍然参照图1，调整两个刚玉盘1与2之间的距离d，使得其标准值g为约100微米。

根据本发明，共振器10的共振频率受不同的重力加速度值g的影响。因此，可能通过监控约10.8GHz的微波范围(通常约为11GHz)内的共振器10的共振频率来估计g的变化。该监控步骤是通过在相互靠近的不同地球物理点中或者在连续移动期间重复频率测量来进行的。

臂41必须对加速度测量信号极其敏感。此外，因为传感器响应的动态范围小于1微米，因此，优选地在不减小机械良度系数由此不增加热噪声的情况下，抑制臂41的振动。如图1A中所示，通过有利地应用传动机构进行主动抑制的方法来获得上述效果，该传动机构具有尺寸减小的磁体8，该磁体8连接到臂41并通过线圈9来工作、一体到固定基架上，该磁体8向可移动臂41施加了与臂41的速度成比例的a.c.校正信号。可以通过从激光定位传感器开始的导数电路来产生该信号，即，测量共振器相对于局部振荡器的共振频率移动。

如图2中所示，在优选示例性实施方式中，可以将臂41有利地制造成关于水平轴45旋转的扭摆。臂41属于(例如通过超声脉冲来切割而)从硅单晶薄板40上获得的支撑件5。具体来说，通过薄板40中的超声脉冲的作用，获得了相对的C形通槽42与43，它们具有不同的长度并且将臂41限定为与薄板40部分地分离。因此，臂41、薄板40和关于轴45的扭链44是单个单晶体的部分。该方案的有利之处在于，避免了材料的磁滞、略微变形和疲劳效应。单晶薄板40连接到固定基架的壁30。

在优选的示例性实施方式中，如图3、4和5中所示，与振荡器10相关联地使用第二振荡器20，它们被称作服务器，彼此相同。例如，振荡器10与20之间的距离可以为20厘米，盘直径为4厘米。

这样，通过两个共振器10和20的“回音廊”将带X内的微波范围中的共振频率进行比较，就可以以极高的分辨力来监控g的变化，两个共振器10与20均包括两个相对的刚玉盘1、2、3和4。根据本发明的设备的独立变量是机械共振频率f_m、电共振频率f₀和盘之间的分离d，其定义了转移因子

技术人员可以以已知方式，例如，通过未示出但是已知类型的激励源，来设置共振电磁场。

相同界限内的两个共振器10和20及其相关部件必须完全相同。

为了校正不可避免的制造与组装缺陷，以下面的方式来进行小校正。首先，进行粗校正，从而以未示出但是已知的方式，通过将微小重量添加到臂41上来平衡机械振动频率，而调整转动惯量。此外，对于弹性模数，以电方法实现可远程操作的微调。为此，如图6中所示，为可移动臂41的与轴45相反的端部61提供金属化，该轴45在上表面和下表面都具有配重(counterweight)，并且为固定结构的与之相对的表面62和63提供金属化。具体来说，通过在具有电极功能的表面62和63之间布置电场，出现了这样的效果，即，削弱了关于轴45的有效弹性扭转模数。通过调整服务器单元(与共振器相关联)的刚玉盘之间的未受激励距离，由长度可变的支撑件7(例如，压电器件)来控制电共振频率f₀和转移因子

共振器10的下部盘2安装在该支撑件上。

为了避免刚玉块1和2之间的震动的可能破坏性，未测量共振器10时，或者在工作期间发生震动的情况下，安全系统阻止臂41的移动。通过用在偏离工作凸起位置数微米的情况下被激励的第二线圈(未示出)驱动可移动臂41上的磁体8(图1A)而提供高回复力，来实现该阻止过程。可移动臂的抑制电路9中使用的激光传感器提供了一基准，如果超过了阈值水平，则锁定系统参照该基准。

图4图示了根据本发明的比重计的示例性实施方式的剖视图，与图2类似，该比重计也具有一对共振器10和20，这两个共振器具有一体到各自悬臂41和51并且在悬臂端部处被固定到坚硬的垂直壁30和32上的各自的上部盘1和3。然后，将两个共振器10和20安装在图4中图示的容器(carter)50内，形成一封闭盒，并通过同种材料的基底将两个共振器10与20分隔开。封闭盒50中创建了真空环境，从而盘在没有粘度的情况下会自由移动。

图5示出了根据本发明的比重计的另一个示例性实施方式，该比重计具有两个共振器10和20，其上部盘以类似于系统到薄板切割件的方式连接到各自的固定薄板41’和51’，以连接到各自的坚硬的垂直壁30和32，从而获得作为扭摆的可移动臂。

如图3-5中所示，包括串联安装的两个共振器10和20的比重计的配置进行重力数据的直接测量，以不同的方式对两个微波共振器10和20的工作频率f进行比较。这种比重计允许以10厄缶(10^-8s^-2)的分辨力来测量重力加速度向量的垂直方向的重力梯度。以直接方式读取两个共振器10和20的工作频率之间的差，利用相位检测干涉电路对两个共振器的工作频率进行比较。

图7中示出了该干涉电路的实施例，具体来说，该干涉电路是指根据本发明的重力梯度计，其中，用环路振荡器70来获得要发送的微波信号，该环路振荡器70包括比重计的共振器10，作为参考腔。以通过两个腔10和20进行反射的方式进行该辐射。具体来说，局部振荡器LO的辐射被均匀地分配给循环器75进行的两条传输线路，该循环器75分别用天线12和72来激励这两个共振器10和20。每个共振器10和20所反射的波的相位偏移都与LO的频率跟该共振器的共振频率之间的去谐(detuning)成比例。以相反的相位对反射信号进行组合，由此消除了LO的公共模式噪声，并且用混合器76来揭示。

这种布置确保了公共模式下有效地清除外部噪声，还包括转换的运动学噪声，尽可能进行平衡，确保同时进行两个共振器10、20的机电性质和特征的校正。主共振器10包括两个天线，一个具有电耦合12，一个具有磁耦合11，而第二共振器20需要单个耦合天线72。

通过图7的干涉电路对两个共振器之间的频率失配进行测量，来揭示值g的差。用低噪声高增益的环路振荡器75来获得微波信号，该环路振荡器75包括作为参考腔的比重计的其中一个共振器、相位偏移器77、78以及微波放大器79。

将微波辐射发送到干涉计的两个分支81和82，其中，该干涉计通过循环器12和72耦合到用于反射的两个腔10和20。两个腔10和20所反射的功率通过其中一个分支(81或82)的180°偏移来进行重组，从而当该电路完美平衡时，在输出80处信号为零。针对环路振荡器70，通过相位解调来观测该信号，环路振荡器70用双平衡混合器(DBM)76对整个电路进行馈送。DBM 76的输出与两个腔73和74之间的频率差以及加速度差成比例。

实施例

下面给出缩放根据本发明的重力梯度计的一实施例。该实施例涉及具有两个微波共振器WGM的梯度计，每个微波共振器均由基本相同的两个刚玉盘(见图4)形成，盘直径为42毫米，高度为5毫米，ε_x＝9.750而ε_z＝11.350，关注的带内的两个共振器的各种共振良性因子均为约10-12GHz，二者的传送系数值df/dz都是确定的。鉴于所获得的结果已经被选择，表示更高的因子Qx(df/dz)，即，约300000兆赫/毫米的方式TM_11，1，0+d具有良性因子Q≈58000并且df/dz≈5兆赫/毫米，两盘之间的间隙约为100微米。

为了达到测量10厄缶所需的灵敏度，必须测量极小的位移(约为10^-13米)，其中，关于装置的噪声的许多因素和温度效应应该作为整体来确定，即，扭摆+微波共振器。有利地设置多个吸收壁，必须选择它们的位置，从而将共振器与外部环境分开，不会扰乱太多关注的回音廊。

鉴于以优于1ppm/K的精确度精确地确定了导致腔的共振频率变化的参数值，因此，能够以适合于将温度仅对加速度计的影响降至与精确需求相符的层次的方式，在温度上补偿共振器或加速度计。为此，应该考虑由刚玉的介电常数与温度的相关性导致的温度对共振的影响。实际上，通过升高温度，增大了ε且频率降低量取决于折射指数的逆，即ε^-1/2。

温度对共振的影响还可能由增大刚玉盘的体积造成，这会造成共振频率的降低。具体来说，对于整体影响，测量结果为约63.2ppm/kelvin。

上面对于特定实施方式的描述将根据概念观点而完整地揭示本发明，从而，其他技术人员通过应用目前的知识，将能够修改和/或改变该实施方式的各种应用，而无需进行进一步的研究，并且不会偏离本发明，因此，应该理解，这些改变和修改将被认为是特定实施方式的等同实施方式。因此，实现本文所描述的不同功能的方法和材料可以具有不同的特征，而不会偏离本发明的范围。应该理解，本文所采用的表述或术语用于描述而非限制的目的。

Claims

1.一种用于进行地球物理勘测的微比重计测量的装置，其特征在于，该装置包括：

基架；

与所述基架成一体的第一块；

用于向所述共振器施加电磁信号的单元；

用于使所述距离的变化与本地重力加速度产生关联的单元。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第二块在所述第一块上方。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，按照权利要求1或2中所定义地来提供第一共振器和第二共振器，它们耦合并安装在相互结合在一起的两个单独的基架上，以在垂直方向上执行差分重力加速度梯度测量。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述共振器被包含在其中创建了真空环境的封闭盒中。

5.根据权利要求3所述的装置，其中，所述电磁共振器的共振频率在微波范围内。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，用于测量两个共振器的共振频率之间的差的单元包括相位检测干涉电路。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，用于生成微波信号的单元包括环路振荡器，所述环路振荡器特别地将所述比重计的一个或更多个共振器，或者外部共振器，用作参考腔。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述块由以预定距离设置的刚玉盘组成，特别地，所述距离在50微米到500微米之间。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述刚玉盘适合于形成以所谓的“回音廊”方式进行共振的共振器。

10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述用于悬挂所述第二块的单元包括扭摆，特别地，所述扭摆是从切割的硅薄板，特别是硅单晶薄板开始获得的，所述薄板具有两个相对的C形切口，以分离开固定部分和移动部分，所述固定部分和所述移动部分通过所述第二悬挂块和所述移动部分的扭转所驱策的两个连接部分而彼此结合。

11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述用于悬挂的单元包括薄板，该薄板是从以下组中选出的梁：仅固定到一端而形成悬臂的梁；或固定到两端的梁，在这两种情况下，所述薄板都具有由所述两个块之间的所述距离构成的弯曲偏斜。

12.根据权利要求3所述的装置，其中，在差分测量的情况下，所述两个共振器被设置成，使得最重的块悬挂在所述薄板上，并且能够提供相同的弹性反应。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，通过用于抑制的单元使所述两个薄板对重力加速度具有相同的灵敏度，所述用于抑制的单元抑制每个薄板的可能振动，而不减小机械良度系数且不增加热噪声，特别地，所述用于抑制的单元包括：

永磁体，其连接到每个所述共振器的所述薄板。

14.根据权利要求13所述的装置，其中，可以用导数电路来确定所述移动速度，所述导数电路揭示了单个共振器所反映的波相对于参考信号的相位。

15.根据权利要求12所述的装置，其中，应用被提供了用于平衡所述薄板的机械振动频率的配重，该配重作用于所述薄板的转动惯量。

16.根据权利要求12所述的装置，其中，所述薄板或每个薄板具有其上安装了金属层的部分，所述金属层面对相对于所述基架固定的至少一个电极，在所述金属层与所述至少一个电极之间，发送了电磁场来削弱系统的有效弹性模数。

17.根据权利要求9所述的装置，其中，提供了用于调整所述盘之间的未激励距离的单元，所述单元包括其上安装了所述第一块的压电器件。

18.根据权利要求12所述的装置，其中，提供了用于阻止的单元，用于在未测量所述传感器时或者在操作期间发生震动的情况下，阻止所述薄板的移动。

19.根据权利要求18所述的装置，其中，所述用于阻止的单元包括用于驱动磁体的单元，该单元用于驱动位于所述两对盘的所述薄板上的磁体，所述盘具有被激励而偏离工作位置大于数微米的第二线圈，从而提供了高回复力。

20.根据权利要求19所述的装置，其中，所述用于驱动磁体的单元包括针对每个所述第一块的抑制电路，所述抑制电路包括适于提供所述锁定系统的参考的激光传感器，当超过阈值水平时，所述锁定系统开始工作。