CN102099710A - 用于检测重力梯度的检测器 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种用于检测重力梯度的重力梯度仪。该重力梯度仪包括至少两个传感器质量块，该至少两个传感器质量块能够围绕各自的轴线枢转，并且每一个传感器质量块都响应于重力梯度的变化而经受扭矩的变化，由此该至少两个传感器质量块响应于重力梯度的变化而彼此相对移动，并且其中响应于该至少两个传感器质量块的相对移动产生表示重力梯度的信号。此外，该重力梯度仪包括加速度传感器，该加速度传感器用于感测与施加到重力梯度仪的外部加速度相关联的加速度。该重力梯度仪还包括致动器，所述致动器用于产生取决于加速度传感器感测到的加速度的调节作用力。该调节作用力还取决于与该至少两个传感器质量块中的至少一个传感器质量块相关联的机械响应参数。以如下方式施加该调节作用力，即，使得由该至少两个传感器质量块响应于重力梯度的变化而经受的扭矩的量值之间的差异得以减小。

Description

用于检测重力梯度的检测器

技术领域

本发明涉及一种用于检测重力梯度的检测器和一种重力梯度仪。

背景技术

在地质勘探中使用重力计，以测量地球的重力场的一阶导数。虽然在研制能够测量地球的重力场的一阶导数的重力计时已经实现了一些进展，但是因为从移动车辆的加速度的时间波动与重力场的空间变化不同时的困难，所以仅利用基于陆地的静止仪器才能够通常以用于有用勘探的充分精度进行这些测量。

重力梯度仪(区别于重力计)用于测量重力场的二阶导数，并且使用需要下降至正常重力的10¹²分之一测量重力之间的差异的传感器。

重力梯度仪通常具有响应于重力梯度变化经受扭矩变化的至少一个传感器质量块的传感器形式。

重力梯度仪已经用于尝试定位沉积物例如包括铁矿和承载碳氢化合物的地质结构的矿床。如果重力梯度仪能够位于飞行器中进行这种分析，这将是方便的。然而，飞行器加速度引起与重力梯度相关联的那些扭矩相比大得多的扭矩。降低这种飞行器加速度对传感器的影响提出了一个技术挑战。

发明内容

本发明在第一方面提供了一种用于检测重力梯度的重力梯度仪，包括：

至少两个传感器质量块，该至少两个传感器质量块能够围绕各自的轴线枢转，并且每一个传感器质量块都响应于重力梯度的变化而经受扭矩的变化，由此该至少两个传感器质量块响应于重力梯度的变化而彼此相对移动，并且其中响应于该至少两个传感器质量块的相对移动产生表示重力梯度的信号；

加速度传感器，所述加速度传感器用于感测与施加到重力梯度仪的外部加速度相关联的加速度；和

致动器，所述致动器用于产生调节作用力，该调节作用力取决于加速度传感器感测到的加速度，该调节作用力还取决于与该至少两个传感器质量块中的至少一个传感器质量块相关联的机械响应参数，并且以如下方式施加该调节作用力，即，使得在由该至少两个传感器质量块响应于重力梯度的变化而经受的扭矩的量值之间的差异得以减小。

该机械响应参数可以取决于该至少一个传感器质量块对于所施加的作用力的机械响应性。在一个实施例中，该机械响应参数取决于该至少两个传感器质量块中的至少一个传感器质量块的质量块偶极矩的量值。

该致动器和该加速度传感器可以形成用于控制调节作用力的前馈控制装置的一部分。

在一个示例中，该加速度传感器布置成感测线性加速度。

该枢轴可以是弯曲薄片。

与该至少两个传感器质量块中的至少一个传感器质量块相关联的机械响应参数可以取决于该至少一个传感器质量块的质心与各自的旋转轴线之间的距离。每一个传感器质量块的质心可以位于各自的轴线附近，并且由传感器质量块经受的扭矩之间的差异的至少一部分可以是由质心相对于各自的轴线的不同位置引起的。

各自的轴线可以对准以共轴。

每一个传感器质量块可以具有以小于传感器质量块的回转半径的10⁶分之一、小于5×10⁶分之一或者甚至小于10⁷分之一的距离从各自的旋转轴线移位的质心。

每一个传感器质量块的质心位于各自的轴线的5nm内。

该至少两个传感器质量块能够在一个平面内枢转，并且该重力梯度仪可以布置为使得对于在该平面内沿着任何方向施加的加速度，由该至少两个传感器质量块响应于重力梯度的变化而经受的扭矩之间的差异得以减小。

加速度传感器的至少一部分可以相对于该至少两个传感器质量块中的一个传感器质量块位于固定的位置处。

该重力梯度仪可以包括多个电容器，这些电容器布置为使得该至少两个传感器质量块的相对移动在这些电容器中产生电信号。

可替代地，该重力梯度仪可以包括多个感应线圈，这些感应线圈布置为使得该至少两个传感器质量块的相对移动在这些感应线圈中产生电信号。该至少两个传感器质量块可以定位在Dewar中，并且该重力梯度仪可以包括在使用中在低温温度下操作的超导部件。

该重力梯度仪可以包括稳定平台；并且该加速度传感器可以位于该稳定平台的载荷侧上。

本发明在第二方面提供一种使用检测器检测重力梯度信号的方法，该检测器包括至少两个传感器质量块，该至少两个传感器质量块能够移动，并且每一个传感器质量块都响应于重力梯度的变化而经受扭矩的变化，由此该至少两个传感器质量块彼此相对移动；

确定与该至少两个传感器质量块中的至少一个传感器质量块相关联的响应参数；

感测与外部加速度相关联的加速度；

产生调节作用力，以如下方式施加该调节作用力，即，使得由该至少两个传感器质量块经受的扭矩量值之间的差异得以减小，该调节作用力取决于感测到的加速度和所确定的响应参数；并且

检测重力梯度信号。

外部加速度可以是线性加速度，并且响应参数可以取决于该至少一个传感器质量块的质量块偶极矩。

根据本发明的具体实施例的以下说明，本发明将得到更加充分的理解。该说明是参考附图给出的。

附图说明

图1是根据本发明具体实施例的重力梯度仪的概略视图；

图2是根据本发明具体实施例的重力梯度仪的安装架的第一安装件形成部分的透视图；

图3是根据本发明具体实施例的安装架的第二安装件的透视图；

图4是从图3所示安装件下面看到的透视图；

图5是已组装结构的视图；

图6是示出根据本发明另一具体实施例的重力梯度仪的已组装部件的透视图；

图7是根据本发明具体实施例的传感器质量块的平面视图；

图8是示出根据本发明具体实施例的致动器控制的视图；

图9是根据本发明具体实施例的重力梯度仪的部件的透视图；

图10是根据本发明另一具体实施例的安装架的第一安装件的透视图；

图11是图10的安装架的一部分的透视图以示意第一安装件的弯曲薄片的位置和范围；

图12是从下面看到的图10的安装架的透视图；

图13是包括第二实施例的第二安装件的、图10的安装架的透视图；

图14是第二安装件部件的透视图；

图15是从上方看到的、图14的第二安装件部件的透视图；

图16是根据本发明具体实施例的重力梯度仪的已组装部件的透视图；

图17是用于支撑根据本发明的另一实施例的传感器质量块的壳体部分的平面视图；

图18示出根据本发明的一个实施例的重力梯度仪的部件；

图19(a)-(f)是根据本发明具体实施例的转换器元件的视图；

图20是类似于图18但是替代地示出图19的转换器元件之一的视图；

图21是有助于解释图22的电路的视图；

图22(a)-(d)是涉及本发明具体实施例的电路图；

图23是根据本发明的一个实施例的调频电路；

图24到26示出根据本发明的实施例的电路；

图27是通过根据本发明具体实施例的致动器的截面透视图；

图28(a)和(b)示出根据本发明具体实施例的重力梯度仪的部件；

图29和30示出示意根据本发明具体实施例的可旋转支撑系统的操作的框图。

具体实施方式

图1是根据本发明具体实施例的重力梯度仪1的概略视图。重力梯度仪1布置成相对于地平面竖直定位。在本说明书全文中，地平面与x、y、z坐标系统的x-y平面相一致，并且重力梯度仪在该实施例中布置成围绕z轴旋转并且被以如此方式定向，即，使得重力梯度张量的Γ_xy和(Γ_xx-Γ_yy)分量能够得到测量。

重力梯度仪1的功能可以简要地总结如下。重力梯度仪在这个实施例中具有两个基本相同的传感器质量块，该传感器质量块以枢转方式安装在安装架上，从而它们能够相对于安装架振动。带有安装架的传感器质量块围绕z轴旋转并且具有大致等于传感器质量块的共振频率的一半的角频率。在旋转期间，重力梯度将在传感器质量块上产生作用力，传感器质量块然后将相对于安装架振动。能够根据传感器质量块彼此相对的振动移动确定重力梯度张量的分量。在本申请人的共同未决PCT国际专利申请号PCT/AU2006/001269中描述了这种测量的一般原理的进一步的细节。

图1所示重力梯度仪包括连接到外部支撑结构3(“外部平台”)的壳体2，外部支撑结构3位于悬架上，该悬架包括弹簧和布置成减少具有高于几Hz例如3、5或者10Hz的频率的外部线性加速度的冲击的阻尼器。外部平台3布置用于壳体2围绕z轴以适当的角频率旋转。此外，外部平台3布置用于调节壳体2围绕三个正交轴的定向。内部支撑结构(“内部平台”)包括传感器质量块并且位于壳体2内。内部平台布置用于以如此方式精调围绕z轴的旋转，即，使得围绕z轴的外部角加速度向传感器质量块的传递更多。如由传感器质量块经受的，合成z轴旋转具有高的精度，并且通过处理由重力梯度仪1产生的、示意重力梯度仪的信号，围绕或者沿着x和y轴的任何剩余角加速度被以电子方式降低。

以下将详细地描述重力梯度仪1的部件和功能。

参考图2，现在描述第一安装件10。第一安装件10形成图5中示出的可旋转安装架5的一个部分。安装件10包括基部12和直立周边壁14。周边壁14具有多个切口16。基部12支撑榖18。

图3和4示出包括周边壁22和顶壁24的第二安装件20。周边壁22具有用于在壳体2中支撑安装架5的四个凸耳13。顶壁24和周边壁22限定开口28。通过在开口28中定位榖18并且通过各自的切口16定位凸耳13，第二安装件20被安装在第一安装件10上，如在图5中所示。

第一安装件10被结合到第二安装件20。弯曲薄片31在第一安装件10中形成，从而安装件10的主要安装件部分能够相对于安装件10的次要安装件部分围绕弯曲薄片31枢转。将参考图10到16所示的第二实施例对此更加详细地描述。

安装架5安装传感器40(将在下文中更加详细地描述并且通常形式为质量四重矩)，以围绕z轴进行精细旋转调节，从而特别当梯度仪被机载时在进行测量期间稳定梯度仪。如上所述，围绕x和y轴的旋转稳定在该实施例中是仅由外部平台提供的。重力梯度仪1布置为使得在使用中安装架5平行于x-y平面定向。

图6示出安装在安装架上的传感器40。传感器40是由形式为第一传感器质量块41和垂直于传感器质量块41并且具有与传感器质量块41相同形状的第二传感器质量块42(在图6中未示出)的第一传感器质量块和第二传感器质量块形成的正交四重响应器-OQR传感器。

传感器质量块41位于第一壳体部分45中，并且传感器质量块42位于第二壳体部分47中。除了一个相对于另一个旋转90°从而传感器质量块41和42正交之外，传感器质量块41和第二壳体部分45与传感器42和第二壳体部分47相同。因此将仅仅描述第一壳体部分45。

第一壳体部分45具有端壁51和周边侧壁52a。端壁51被螺钉等(未示出)连接到第一安装件10的壁14的边沿75(图2和5)。除了将传感器质量块41结合到壁51的第二弯曲薄片59之外，传感器质量块41由壁51中的切口57形成。在图7中的传感器质量块41的顶视图中放大地示出了第二弯曲薄片59。因此，传感器质量块41能够响应于重力场的变化相对于第一壳体部分45在x-y平面中枢转。传感器质量块42以与如上所述的相同的方式安装并且也能够围绕第三弯曲薄片响应于重力场的变化相对于第二壳体部分47在x-y平面中枢转。第二壳体部分47连接到第一安装件10的基部12(图2)。

传感器质量块41和第一壳体部分45与第二弯曲薄片59一起是整体的单块结构。

转换器71(在图2到4中未示出)设置用于测量传感器质量块41和42的移动并且用于产生表示在x-y平面中的相对移动并且因此表示重力梯度的输出信号。

图8是示出通过围绕z轴旋转安装架5而稳定梯度仪的致动器控制的概略框图。可以是计算机、微处理器等的控制器50向布置成围绕z轴旋转安装架5的致动器53和54输出信号。每一个致动器相对于凸耳13静止地定位并且被联接到第一安装件10，从而致动器能够相对于凸耳13(和相对于凸耳13静止的其他部件)利用其他部件以小角度的安装件10实现旋转。每一个致动器提供线性移动并且如此定位，即，使得线性移动被转变成安装件10的、小的旋转。将参考图27更加详细地描述致动器。安装架5的位置受到监视，从而能够向控制器50提供适当的反馈并且能够向致动器提供适当的控制信号，以如为了在通过或者在飞行器内的或者拖在飞行器后面的空气移动期间稳定支撑件所要求地围绕z轴旋转支撑件10。

具体实施例还包括形状类似于传感器质量块41和42但是形状得以调节以实现零四重矩的角加速度计。线性加速度计是带有用作弯曲铰链的单一微型枢轴的单摆器件。

图9是准备在壳体1中安装的重力梯度仪的部件的剖视图，壳体1依次被安装在外部平台2中。

转换器71测量传感器质量块41和42的位移角度并且控制电路(未示出)被配置为测量在它们之间的差异。

在该实施例中，转换器71是将参考图22更加详细地描述的恒电荷电容器。

图10到15示出第二实施例，其中同样的部件示意与在前描述的那些同样的部件。

在第二实施例中，第一安装件10具有有效地形成用于接收凸耳(未示出)的狭槽的切口80，凸耳连接到切口80中的安装件10并且还连接到图15和16所示第二安装件20。在该实施例中，凸耳是独立的部件，从而能够使得它们更小，并且比利用第二安装件20切割更加容易地制成。

在图中10制成切口87，以限定榖18的部分18a。切口87然后在88处沿着径向向内并且然后围绕中央部分18c延伸，如由切口101示出。切口101然后沿着切割线18d和18e进入中央部分18c中，以限定内芯18f。内芯18f被弯曲薄片31连接到中央部分18c，弯曲薄片31是在切割线18e和18d之间的未切部分。部分10a因此除了部分18a利用弯曲薄片31结合部分10a之处形成了独立于安装件10的次要安装件部分10a的、安装件10的主要安装件部分。部分18a有效地形成了轴，以允许部分18a围绕弯曲薄片31沿着z方向相对于部分10a旋转。

如在图11中所示，切削线88从图11所示上端到下端向外渐缩，并且内芯18c以相应的形状向外渐缩。

如从图10、12和13显见地，第一安装件10具有八边形形状而不是如在以前的实施例中那样是圆状的。

图14示出用于在第一安装件10中安装的第二安装件20的部件。如图14和15最好地示出地，第二安装件20具有与切口80配准以接收凸耳(未示出)的切口120。凸耳能够被螺栓螺接到第二安装件20，该螺栓穿过凸耳并且进入螺栓孔121中。在安装件20被紧固到第一安装件10之前，凸耳(未示出)被安装到安装件20。

在该实施例中，顶壁24设有中央孔137和两个联结孔138a。设置了三个更小的孔139a，以便如果需要拆解则将第一壳体部分45从部分18a推离。当第二安装件20位于第一安装件10内时，中央部分18c的上部通过孔137突出，如在图13中最好地示出。安装件20然后能够被紧固器连接到安装件10，紧固器穿过孔138并且在部分18a中的孔139b(见图10)中接合。

因此，当第一壳体部分45及其相关联传感器质量块41连接到第一安装件10的边沿75并且第二壳体部分47连接到基部12时，弯曲薄片31允许壳体部分45和47围绕z轴的移动。

因此，当第二安装件20固定到部分18a时，第二安装件20能够围绕由弯曲薄片31限定的z轴随着第一安装件10的第一部分10a枢转，同时由部分18a形成的第二部分保持静止。

图16示出壳体1的主体61和半球形端部被移除的连接器69。

图17是根据本发明的又一实施例的第一壳体部分45的平面视图。如从图17显见地，第一壳体部分45是圆形的，而不是如在图6实施例的情形中是八边形的。

第一壳体部分45以与经由位于传感器质量块41的质心处的弯曲薄片59描述的相同的方式支撑传感器质量块41。传感器质量块41具有V字形(chevron)形状，但是V字形形状稍微不同于在以前实施例中的形状并且具有与弯曲薄片59相对的、更圆滑的边缘41，和与弯曲薄片59相邻的槽形壁部分41f、41g和41h。传感器质量块41的端部具有接收螺纹构件301的螺纹孔300，螺纹构件301可以形式为插塞例如平头螺钉等。螺纹孔300与第一壳体部分45的周边壁52a中的孔302配准。孔302使得能够通过螺丝起子或者其他工具达到插塞301，从而插塞301能够被拧入和拧出螺纹孔300，以调节它们在螺纹孔中的位置，以平衡传感器质量块41，从而重心在弯曲薄片59处。

如在图17中绘制地，螺纹孔300相对于水平和竖直方向成45°角度。因此，两个螺纹孔(图17所示302)彼此相对成直角。

图17还示出用于接收用于监视传感器质量块41的移动并且响应于该移动产生信号的转换器71的一个部分的开口305。通常，每一个转换器71为恒电荷电容器形式。一个电容器板通常被安装到传感器质量块41并且另一个电容器板相对于传感器质量块41静止，从而在电容器板之间限定间隙。传感器质量块的移动改变了该间隙，这依次改变跨接恒电荷电容器的电压。

图18是示出开口305的、图17的壳体部分的一个部分的更加详细的视图。如能够从图18看到地，开口305具有形成凹槽402的肩台401。

图19(a)到(f)示出恒电荷电容器转换器71的一些部分。图19(a)所示转换器包括两个电极。第一电极在该实施例中由处于地电势的传感器质量块41或者42的表面提供，并且第二电极在图19(a)中示出(板408a)。

图19(b)示出包括没有电接触的两个独立电容器元件408b和407b的第二电容器电极。同样，第一电极由处于地电势的传感器质量块41或者42提供。电容器元件408b围绕电容器元件407b。这个布置用于产生将在下面参考图22描述的“虚拟电容器”。

图19(c)和(d)示出图19(b)所示实施例的可替代形式并且所示的第二电极分别地包括相邻的元件408c、407c以及408d和407d。

图19(e)和(f)示出根据本发明的另一实施例的电容器元件。第二电极分别地包括三个电容器元件408e、407e、407f以及408f、407g和407h，并且这个布置也用于产生将在下面描述的“虚拟电容器”。

将会理解，在这个实施例的变型中，电容器板可以具有任何其他适当的截面形状。

例如，图20示出在开口305中并且与相应的第二电容器板411相对的电容器元件407b和408b的位置。在该实施例中电容器元件407b和408b以位于绝缘体409上的金属箔片的形式设置。板411是金属制的并且位于传感器质量块41上。在该实施例中板411提供与电容器元件407b和408b相对的一个电容器元件。在此情形中传感器质量块41可以具有较低的导电性或者可以是电绝缘的。

如果以具有足够高的导电性的金属材料的形式设置传感器质量块41，则传感器质量块41还可以提供电容器元件并且传感器质量块41的一个部分可以不带板411地直接地与电容器元件407b和408b相对，如以上结合图17所讨论的那样。

图21是传感器质量块41和42的视图，示出它们处于它们的“使用中”的配置。位于开口305中的转换器由附图标记71a到71e示出。

如可以从图21显见地，四个转换器71与传感器质量块41的端部相邻地布置。第二壳体部分47也具有与传感器质量块42相邻地布置的四个转换器。因此，在该梯度仪中设置了八个转换器71。

现在参考图22和23，现在描述转换器电路360。转换器71a到71e中的每一个都是恒电荷电容器并且包括第一电容器电极。转换器71a到71e中的每一个都具有与各自的第一电容器电极相对地定位并且相对于壳体部分固定到位的第二电容器电极。第一电容器电极在该实施例中由传感器质量块41或者42的表面提供。例如，每一个转换器71a-71e可以具有第二电极，该第二电极具有如在图19中所示的类型。

传感器质量块41和42的振动移动引起第一电容器电极(传感器质量块41或者42的表面)相对于第二电容器电极的移动。该移动改变了在各自的第一和第二电容器电极之间的间隙并且引起跨接恒电荷电容器转换器71a到71e的电压变化。

如果转换器具有如在图19(b)到20(d)中所示的类型，则在第一电极和第二电极的每一个电容器元件例如407b和408b之间形成独立的部件转换器。在此情形中，图22示出用于在第一板和该两个元件之一之间形成的部件转换器的转换器电路并且模拟电路(被相应地标注)用于在第一电极和另一电容器元件之间形成的部件转换器。

如果转换器具有如在图19(e)和19(f)中所示的类型，则在第一电极和三个电容器元件中的每一个例如408e、408e和407f之间形成独立的部件转换器。图22示出用于在第一电极和三个元件之一之间形成的部件转换器的转换器电路并且两个模拟电路(被相应地标注)用于在第一板和其他电容器元件之间形成的部件转换器。

利用被施加于此的各自的偏置电压源V_Bαβγ，每一个恒电荷电容器部件转换器71a到71e都具有独立的偏置电压。图22示出其中电容器元件之一被连接到地电势的部件转换器71a到71e。如以上所讨论的那样，这些电容器元件是在该实施例中导电并且被连接到地电势的传感器质量块41和42的表面。由偏置电压源361a到361e提供的电压的极性和在恒电荷电容器部件转换器71a到71e之间的电互联被如此选择，使得如果传感器质量块41和42沿着相反方向振动，则由所有的转换器产生的电信号被与相同的极性组合。如果传感器质量块被平衡并且具有相同的机械性质，则沿着相反方向的这种振动通常由重力梯度产生。如果传感器质量块41和42沿着相同方向移动，则由恒电荷电容器部件转换器71a到71e产生的电信号的一半具有一个极性并且另一半具有相反的极性。因此，在此情形中，电信号通常相互抵消。沿着相同方向的这种移动可以例如由重力梯度仪位于其中的飞行器的突然移动产生，并且因此在图22中示意的转换器电路360减小了这种突然移动的效果和不与重力梯度有关的多个其他外部作用力或者外部角加速度的效果。

组合的电信号被引导到将结合图23描述的低噪声放大器。

图22所示的转换器电路360还包括锁定电容器C_Sαβγ，该锁定电容器布置为使得所施加的偏置电压V_Bαβγ不能达到低噪声放大器。锁定电容器362a到362e通常具有大于各自的恒电荷电容器部件转换器71a到71e的10倍或者甚至大于100倍的电容。

此外，转换器电路360包括电阻器R_Bαβγ363a到363e。这些电阻器通常具有非常高的电阻，例如1GΩ或者更大，并且布置成基本上防止电荷流动并且由此提供作为恒电荷电容器操作的部件转换器71a到71e。

被施加到恒电荷电容器的偏置电压产生静电作用力。因此，每一个转换器71a到71e还能够作为致动器起作用。

如果转换器71具有如图19(a)中所示的类型，则图22所示电路360是足够的。然而在本发明的具体实施例中，转换器具有如图19(b)到19(d)中所示的类型并且包括两个部件转换器。在此情形中使用了两个电路360，一个用于在第一电极和电容器元件之一之间形成的部件转换器，并且另一个用于在第一电极和其他电容器元件之间形成的部件转换器。这在图25中概略地示意出。第一电路360用于测量的意图(差分模式，“DM”)并且第二电路360用于提供用于外部旋转运动校正的反馈(普通模式，“CM”)，这将在下面参考图28和29描述。

可替代地，电路360还可以如此连接，即，使得“虚拟电容器”得以形成。这将更加详细地在下面描述并且在图24中概略地示意。

在本发明的另一具体实施例中，转换器具有如在图19(e)或者19(f)中所示的类型并且包括三个部件转换器。在此情形中使用了三个电路360。这在图26中概略地示意出。在该实施例中两个电路360用于测量的意图并且布置为使得形成“虚拟电容器”。第三电路360用于提供用于外部旋转运动校正的反馈。

以下将描述传感器质量块41和42的相对机械性质如何能够得到调谐。传感器质量块41和42的共振频率取决于静电作用力的平方并且因此取决于所施加的偏置电压的平方。例如，可以使用外部作用力被施加到传感器质量块41和42的机械测试设备来调谐共振频率。如果共振频率不是相同的，则偏置电压能够得到调节直至共振频率相同。

转换器电容器对于感测传感器质量块的移动的敏感度线性地取决于静电作用力并且由此线性地取决于所施加的偏置电压。因此，调谐共振频率和转换器的敏感度这两者是可能的。

如上所述，传感器质量块41和42布置为使得传感器质量块41和42彼此相对的移动表示重力梯度变化。只要传感器质量块是相同的，则外部加速度，例如围绕z轴的外部角加速度便并不引起传感器质量块彼此相对的移动。传感器质量块41和42以及它们各自的弯曲薄片被如此以机械方式布置，即，使得它们的惯性矩足够类似，并且转换器71得到调节，从而它们的敏感度足够类似，从而以10³到10⁴的因子减小外部角加速度的冲击。结果传感器质量块41和42被如上所述地形成以在10³分之一内、通常在10⁴分之一内具有几乎相同的共振频率。使用反馈和前馈装置进一步减小了外部角加速度的冲击。将参考图29和30描述的、反馈和前馈类装置引起以大致10³-10⁴的因子减小外部角加速度的影响。

此外，传感器质量块41和42被以机械方式平衡，从而在质心和旋转轴线之间的距离小于传感器质量块的回转半径的10⁶分之一、通常10⁷分之一，这要求高水平的机械精度。

每一个传感器质量块41和42可以从传感器质量块41和42布置成围绕其旋转的的轴线具有小的剩余失衡(可能以具有一个或者多个10^-9m数量级的距离)。引起外部线性加速度的剩余影响的这种“质量块偶极矩”失衡以如下方式加以考虑。

由包括转换器传感器71、加速度传感器(未示出，但是类似于图22(c)所示加速度传感器721和723)例如另外的电容传感器和控制电子设备的部件形成了前馈环。加速度传感器相对于壳体部分45或47位于固定的位置处并且当感测到外部线性加速度时，向控制器(未示出)提供电压。控制器然后引起转换器传感器71产生旨在抵消传感器质量块41和42由于外部线性加速度而将会经历的扭矩差异的、适当的调节作用力。为此目的，要求一个机械响应参数，该参数是关于外部线性加速度和抵消由于外部线性加速度产生的扭矩所要求的、相应的调节作用力的比率的量度。因此，机械响应参数取决于传感器质量块41和42的质量块偶极矩和各自的弯曲薄片的弹簧常数。通过将在它们的各自的壳体中的传感器质量块41和42遭受线性加速度，并且然后确定补偿传感器质量块41和42，否则将会由于外部线性加速度而经历的扭矩差异所要求的作用力而以试验方式确定了机械响应参数。因为传感器质量块41和42布置成在x、y平面中移动，所以仅需要对于在该平面内的加速度考虑这种失衡。

在上述实施例中，转换器传感器71还以作为致动器起作用的电容器的形式设置。应该理解，在一个可替代实施例中重力梯度仪1还可以包括替代电容器71并且具有相应的感测和致动功能的、适当的感应线圈。根据该可替代实施例的重力梯度仪包括适合作为传感器和致动器的感应线圈的功能的电子部件。PCT国际申请号PCT/AU2006/001269公开了一种具有用于感测传感器质量块的相对运动的感应线圈的重力梯度仪。在PCT/AU2006/001269中公开的重力梯度仪使用液氦而被冷却，并且感应线圈是超导器件。以下将描述在PCT/AU2006/001269中公开的重力梯度仪如何能够适合于考虑上述“质量块偶极矩”失衡。

PCT国际申请No.PCT/AU2006/001269公开了用于感测传感器杆的运动的线圈装置(“读出线圈”)和用于调谐传感器杆的机械性质的线圈装置(“弹簧线圈”)。弹簧线圈中的任何一个可以由如图22(b)中所示的电路替代。

超导电路700包括具有感应系数LF并且在使用中携带流动通过热开关704和平稳电感器706的静态持续电流i0的弹簧线圈702。热开关704用于起初地形成电流i0，其幅度得以选择以对于各自的传感器质量块提供调频。因为i0是持续的，所以无任何电流需要在泵引线中流动(除了起初为了形成i0)。弹簧线圈702通常是薄膜，并且具有比弹簧线圈702小得多的感应系数的镇流线圈706是或者在弹簧线圈后部上的小的薄膜线圈或者可以简单地由与热开关704及其引线相关联的杂散电感构成。

电流i0产生静态作用力。被传送到泵引线中的外部电流i被成比例地分割，以流动通过LF和LB这两者，从而能够修改由通过弹簧线圈702的电流产生的作用力。

图22(c)分别示出x和y线性加速度计721和723。加速度计721和723分别包括线圈722、724和726、728，并且产生与位于成对线圈之间的传感器质量块的线性加速度成比例的电流ix和iy。

所产生的电流ix和iy被引导到上述感应线圈电路700，从而由弹簧线圈702产生取决于由加速度计721和723产生的电流的作用力。图22(d)示出示意如何可以将电流注入弹簧线圈702中的电路图720。

以下将描述在重力梯度仪1中使用的电子电路的进一步的细节。

图23示出根据本发明具体实施例的低噪声放大器的概略电路图。低噪声放大器电路366用于放大由转换器电路360产生的电信号并且提供主动反馈，以控制转换器以及传感器质量块41和42的性质。

放大器电路366模拟阻抗Z_L并且Z_L的欧姆分量提供由上述恒电荷电容器部件转换器71a到71e产生的共振电信号的主动减幅。主动减幅减小了共振的Q因子并且由此增加了能够在其内产生共振的带宽。通过在恒电荷电容器部件转换器71a-71e处产生静电减幅作用力，电学减幅引起机械减幅。通常，主动减幅得到调节，从而重力梯度仪具有1Hz数量级的带宽并且主动减幅的Q因子接近0.5。

阻抗Z_L还具有取决于与模拟电阻器R_L并联的模拟电容C_L的虚拟部件。通过模拟传感器质量块41和42的枢转联接件的“刚度(stiffness)”变化，该虚拟部件经由恒电荷电容器转换器71a-71e而主动地控制传感器质量块41和42的共振频率，并且由此精调传感器质量块41和42的共振频率。如上所述，转换器电路360布置为使得其中传感器质量块41和42沿着相反方向振动的共振振动引起附加电信号。模拟阻抗Z_L的模拟电容C_L允许共振精调并且由此进一步帮助从其中传感器质量块41和42沿着相同方向振动的其他普通模式振动区别共振振动。

在该实施例中，放大器电路366提供引入非常小的热噪声的“冷减幅”。避免了被动减幅，例如使用传统电阻器的减幅，因为这将引起热噪声。

如上所述，恒电荷部件电容器71a-71e可以组合感测和致动器功能。放大器电路366在感测和致动器功能之间提供主动反馈环并且提供传感器质量块41和42的机械性质的电子反馈控制。

放大器电路366包括输入368和输出369。此外，放大器电路366包括低噪声j-FET差分放大器370和阻抗Z1、Z2和Z3。低噪声放大器370具有两个输入端子371和372，并且阻抗Z₁在输出端子369和低噪声放大器输入371之间连接。阻抗Z₂在输出端子369和低噪声放大器输入372之间连接。阻抗Z₃在端子372和公共接地端子373之间连接。

放大器电路366利用下式模拟阻抗Z_L

$Z_L\≈-\frac{Z_1{Z}_3}{Z_2}.$ (方程式1)

放大器370具有噪声匹配电阻

S_V项是放大器的电压噪声的光谱密度并且S_i项是放大器的电流噪声的光谱密度。在该实施例中放大器噪声匹配电阻是几个1MΩ。

此外，放大器370具有小于1K的噪声温度(k_B：Bolzman常数)。

由靠近共振的热噪声产生的梯度误差的噪声密度S_Γ由下式给出：

$S_{\mathrm{\Γ}}=\frac{4k_B{T}_{\mathrm{opt}}2\mathrm{\π}{f}_0}{m{\mathrm{\λ}}^2{Q}_{\mathrm{act}}}$ (方程式2)

这里λ是传感器质量块41和42的回转半径，并且Q_act是与主动减幅相关联的有效Q因子，M是传感器质量块41和42的质量，并且f₀是共振频率。噪声密度S_Γ取决于放大器的噪声而不取决于放大器电路的物理温度，这允许“冷减幅”和其他机械性质的控制，而不在正常操作温度下例如在室温下引入相当的热噪声。

部件转换器71a、71b、71g和71h还用于形成用于测量安装架5的角度移动的角加速度计，从而能够提供反馈信号，以补偿该角度移动。

图27示出用于接收控制信号，以响应于安装架5的角度移动调节安装架的致动器。

图27所示致动器还通过附图标记53和54而概略地在图8中示出。致动器是相同的并且将参考致动器54描述图28。

致动器54在该实施例中包括永久NdFeB磁体410、软铁内芯411、非磁性间隔器412(铝、迭尔林(delrin))、导磁合金或者透磁合金壳体413、音圈组件414、中空棒428和管子430，该管子430形成部分壳体413并且以可旋转方式安装有中空棒428。

音圈组件414被安装到棒430上，并且永久磁体410和软铁内芯411设有内孔，棒430穿过该内孔，从而棒430随着音圈组件414能够相对于铁内芯311和磁体410轴向移动。通过中空棒430馈送用于音圈组件414的电连接。

如上所述，传感器质量块41和42中的一个或者两个还能够用作角加速度计，以提供安装架5的角度移动的测度，从而能够利用在前描述的致动器的控制产生适当的反馈信号，以补偿该移动。

图28(a)和(b)示出重力梯度仪1的概略平面和截面视图。如在前示意地，重力梯度仪1包括围绕z轴被外部安装架旋转的壳体2。外部平台3包括内部台500和中间台502以及外部台504。壳体2被如此安装，使得它利用带有轴承的z驱动器508随着内部台500旋转。z驱动器在非常稳定的速度下提供连续旋转。旋转频率在该实施例中可在0到20Hz之间选择。包括内部台500的中间台502能够利用x驱动器510围绕x轴旋转，x驱动器510包括轴承，并且外部台504能够利用也包括适当的轴承的y轴驱动器512围绕y轴随着中间台502旋转。带有y轴驱动器的外部台被安装在支撑框架518中的弹簧516上。

外部平台3包括IMU(惯性测量单元)，IMU包含陀螺仪、加速度计、GPS接收器和计算机。IMU在图28(a)或者(b)中未示出。IMU测量围绕x、y和z轴的旋转并且联接到反馈环中的驱动器。这将在下面参考图29更加详细地描述。

外部平台布置成以大致100DC的增益系数和20Hz的带宽围绕x、y和z轴回转稳定壳体2。这是使用带有直接驱动扭矩马达(508、510和512)的上述3轴“平衡架”轴承布置实现的。在该实施例中，用于围绕z轴的旋转校正的马达驱动器的精调是使用由位于壳体2内的各自的转换器部件提供的“普通模式”信号实现的。

图29示出示意在壳体2(包括内部平台)内产生的普通模式信号如何用于外部平台的旋转z轴校正的框图600。

分别标为“运动响应”和“作用力响应”的框602和604这两者均代表支撑结构3的平衡架结构。每一个平衡架由三个主要部件构成，即框架、经由轴承由框架支撑的部分和向这个部分施加扭矩(作用力)的致动器。每一个平衡架具有两个独立输入，即被施加到框架的运动和被直接地施加到由框架悬挂的部分的作用力。它具有仅一个输出，即支撑部分的角度位置并且这对于该两个输入不同地作出响应。

反馈作用力F_e抵消外部干扰Z。这可以由以下方程式表达

Xe＝HfFe+HzZ(方程式3)

这里H_f和H_z是常数。

方程式3可以被写成

Xe＝Hf(Fe+KeZ)(方程式4)

这里Ke＝Hz/Hf。

外部运动例如定位有重力梯度仪1的飞行器的运动产生由致动器610产生的F_e抵消的等价作用力KeZ。在图29中框602“运动响应”代表Ke，并且框604“作用力响应”代表He。用于外部平台的传感器606是IMU，IMU包含陀螺仪、加速计、GPS接收器和计算机。这提供了测量最内平衡架的支撑部分的角度位置和角速率的信号(通常为数字)。这个信号在控制器608(也通常为数字)中使用，以实现反馈。

内部平台可以以类似的方式表示，其中框612和614分别标为″运动响应″和“作用力响应”，这两者均代表在壳体2内的z轴平衡架结构。以上已经描述了转换器传感器71和致动器54。

在上述实施例中，重力梯度仪1布置为使得围绕z轴的旋转被外部平台控制为固定的均匀旋转速度。用于控制运动的输入信号是由IMU609和传感器606提供的。然而，IMU609和传感器606在更高频率下通常仅具有有限的准确度，并且为了进一步改进z轴旋转校正，从来自内部转换器传感器71的上述“普通模式”信号获取的角加速度用于精调。如上所述，还在反馈环中在内部平台内侧使用相同信号，以针对所施加的角加速度(经由致动器54)稳定器械。用于该内部反馈系统的规格是严格的，并且为了降低这个要求，一些负担被以此方式转移到外部平台。

图30示出示意专门地由外部平台执行的、围绕x和y轴的稳定(无任何旋转)的框图650。图30的所有的元件在上面已经得以描述并且以与抑制围绕x和y轴的旋转类似的方式发挥功能。

虽然已经参考具体示例描述了本发明，但是本领域技术人员将会理解，本发明可以以很多其他形式得以体现。例如，转换器可以并不是必要地以恒电荷电容器的形式设置，而是可以以任何其他适当类型的电容器的形式设置，包括并不允许虚拟电容器模拟的那些。此外，应该理解，图24所示的放大器电路366仅是一个实施例并且从所述实施例作出的各种变化都是可能的。

在上述实施例的变型中，重力梯度仪未布置成围绕z轴旋转，并且内部平台布置为使得传感器质量块的运动的精调是围绕x、y和z轴执行的。在此情形中重力梯度仪通常包括超导部件，并且上述转换器传感器71可以以超导线圈的形式设置。在本申请人的共同未决PCT国际申请PCT/AU2006/001276中详细描述了这种布置。

另外，重力梯度仪可以布置成测量重力梯度的其他分量，在此情形中，重力梯度仪将不布置成在所描述的定向中操作。例如，重力梯度仪可以布置成测量重力梯度的Γ_yz和(Γ_zz-Γ_yy)或者Γ_xz和(Γ_zz-Γ_yy)。

对于PCT申请号PCT/AU2006/001269和PCT申请号PCT/AU2007/001276的引用并不构成这些文献在澳大利亚或者在任何其他国家中形成公知常识的一个部分的承认。

在所附权利要求中并且在本发明的前面的说明中，除了上下文否则由于表达语言或者必要含义而要求之外，单词“包括(comprise)”或者变型例如“包括(comprises)”或者“包括(comprising)”是以包括性的意义使用的，即为了指明所述特征的存在而不是排除本发明的各种实施例中存在或者添加另外的特征。

Claims (23)

1.一种用于检测重力梯度的重力梯度仪，包括：

至少两个传感器质量块，所述至少两个传感器质量块能够围绕各自的轴线枢转，并且每一个传感器质量块都响应于重力梯度的变化而经受扭矩的变化，由此所述至少两个传感器质量块响应于所述重力梯度的变化而彼此相对移动，并且其中响应于所述至少两个传感器质量块的相对移动产生表示所述重力梯度的信号；

加速度传感器，所述加速度传感器用于感测与施加到所述重力梯度仪的外部加速度相关联的加速度；和

致动器，所述致动器用于产生调节作用力，所述调节作用力取决于所述加速度传感器感测到的加速度，所述调节作用力还取决于与所述至少两个传感器质量块中的至少一个传感器质量块相关联的机械响应参数，并且以如下方式施加所述调节作用力，即，使得由所述至少两个传感器质量块响应于所述重力梯度的变化而经受的扭矩的量值之间的差异得以减小。

2.根据权利要求1所述的重力梯度仪，其中所述机械响应参数取决于所述至少一个传感器质量块对于所施加的作用力的机械响应性。

3.根据权利要求1所述的重力梯度仪，其中所述机械响应参数取决于所述至少两个传感器质量块中的所述至少一个传感器质量块的质量块偶极矩的量值。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的重力梯度仪，其中所述致动器和所述加速度传感器形成用于控制所述调节作用力的前馈控制装置的一部分。

5.根据前述权利要求中任一项所述的重力梯度仪，其中所述加速度传感器布置成感测线性加速度。

6.根据前述权利要求中任一项所述的重力梯度仪，其中与所述至少两个传感器质量块中的至少一个传感器质量块相关联的所述机械响应参数取决于所述至少一个传感器质量块的质心与各自的旋转轴线之间的距离。

7.根据权利要求5或6所述的重力梯度仪，其中所述枢轴是弯曲薄片。

8.根据权利要求6或7所述的重力梯度仪，其中每一个传感器质量块的质心位于各自的轴线附近；并且其中由所述传感器质量块经受的扭矩之间的差异的至少一部分是由所述质心相对于所述各自的轴线的不同位置引起的。

9.根据前述权利要求中任一项所述的重力梯度仪，其中所述各自的轴线对准以共轴。

10.根据前述权利要求中任一项所述的重力梯度仪，其中每一个传感器质量块都具有质心，所述质心以小于所述传感器质量块的回转半径的10⁶分之一的距离从所述各自的旋转轴线移位。

11.根据前述权利要求中任一项所述的重力梯度仪，其中每一个传感器质量块都具有质心，所述质心以小于所述传感器质量块的回转半径的5×10⁶分之一的距离从所述各自的旋转轴线移位。

12.根据前述权利要求中任一项所述的重力梯度仪，其中每一个传感器质量块都具有质心，所述质心以小于所述传感器质量块的回转半径的10⁷分之一的距离从所述各自的旋转轴线移位。

13.根据前述权利要求中任一项所述的重力梯度仪，其中以如下方式施加所述调节作用力，即，使得每一个传感器质量块的质心位于所述各自轴线的10nm内。

14.根据前述权利要求中任一项所述的重力梯度仪，其中每一个传感器质量块的质心位于所述各自轴线的5nm内。

15.根据前述权利要求中任一项所述的重力梯度仪，其中所述至少两个传感器质量块能够在一个平面内枢转；并且其中所述重力梯度仪布置为使得对于在所述平面内沿着任何方向施加的加速度，由所述至少两个传感器质量块响应于所述重力梯度的变化而经受的扭矩之间的差异得以减小。

16.根据前述权利要求中任一项所述的重力梯度仪，其中所述加速度传感器的至少一部分相对于所述至少两个传感器质量块中的一个位于固定的位置处。

17.根据前述权利要求中任一项所述的重力梯度仪，包括多个电容器，所述多个电容器布置为使得所述至少两个传感器质量块的相对移动在所述各电容器中产生电信号。

18.根据权利要求1到16中任一项所述的重力梯度仪，包括多个感应线圈，所述多个感应线圈布置为使得所述至少两个传感器质量块的相对移动在所述各感应线圈中产生电信号。

19.根据权利要求18所述的重力梯度仪，其中所述至少两个传感器质量块定位在Dewar中；并且其中所述重力梯度仪包括在使用中在低温温度下操作的超导部件。

20.根据前述权利要求中任一项所述的重力梯度仪，包括稳定平台；并且其中所述加速度传感器位于所述稳定平台的载荷侧上。

21.一种使用检测器检测重力梯度信号的方法，所述检测器包括至少两个传感器质量块，所述至少两个传感器质量块能够移动，并且每一个传感器质量块都响应于重力梯度的变化而经受扭矩的变化，由此所述至少两个传感器质量块彼此相对移动；

确定与所述至少两个传感器质量块中的至少一个传感器质量块相关联的机械响应参数；

感测与外部加速度相关联的加速度；

产生调节作用力，以如下方式施加所述调节作用力，即，使得由所述至少两个传感器质量块经受的扭矩的量值之间的差异得以减小，所述调节作用力取决于感测到的加速度和所确定的机械响应参数；并且

检测所述重力梯度信号。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述外部加速度是线性加速度。

23.根据权利要求21或22所述的方法，其中所述机械响应参数取决于所述至少一个传感器质量块的质量块偶极矩。

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