CN102227651A

CN102227651A - 带有扭转挠曲枢轴的重力梯度仪

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Publication number: CN102227651A
Application number: CN2009801475363A
Authority: CN
Inventors: M·V·穆迪
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-10-24
Filing date: 2009-10-23
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2029-10-23
Also published as: US8069725B2; EP2340450B1; CA2741079C; BRPI0914479B1; WO2010048508A1; RU2011120251A; RU2539093C2; AU2009308266B2; CA2741079A1; CN102227651B; EP2340450A1; AU2009308266A1; US20100101321A1; BRPI0914479A2; EP2340450A4

Abstract

一种用于OQR类型的重力梯度仪的四极响应器，包括壳体和位于该壳体内的四极质量块。该四极质量块具有一对侧面，还具有位于所述侧面之间的质心。所述四极响应器还包括至少两个扭转弹簧挠曲部。该扭转弹簧挠曲部通过多个销进行提供，该多个销将所述四极质量块的每个侧面连接至所述壳体。所述扭转弹簧挠曲部提供了转动轴线，该转动轴线穿过所述四极质量块的质心，并穿过两个扭转弹簧挠曲部。

Description

带有扭转挠曲枢轴的重力梯度仪

相关申请的交叉引用

本申请要求美国临时专利申请No.61/108,262的优先权，该临时专利申请的全部内容通过引用的方式结合到本文当中。

技术领域

本说明书涉及重力梯度仪(gravity gradiometer)。更加具体而言，本说明书涉及一种重力梯度仪，其在优选的形式当中具有正交四极响应器(orthogonal quadrupole responders)(OQR，并包括两个平衡梁)，其中每个四极响应器或者平衡梁通过两个同轴扭转弹簧挠曲部而安装在装置的壳体上。详细情况将在以下的本申请中进行更加全面的描述。

背景技术

重力梯度仪已经存在多年并用来测量地球重力场中的梯度变化。重力梯度仪可以用在矿物和碳氢化合物的勘探当中，这是因为地球中的这些物质的沉积物、以及包含有这些沉积物的地下结构的变化产生了重力变化和重力梯度的变化，如果对这些变化进行正确解析的话就能够导致很有价值的发现。人们希望获得在移动车辆中操作重力梯度仪的能力，这是因为这么做能够极大地减少在给定场地上执行调查所需的时间量。

必须被测量的重力梯度的变化从幅值上而言非常地小，因此需要非常敏感且低噪声的仪器，该仪器带有非常可重复的响应特性。并且，当把重力梯度仪安装在移动车辆中的时候，与由车辆的加速和转动所产生的仪器的不希望的响应相比较，由于这些重力梯度的改变而产生的信号非常弱小，其中所述仪器安装在该车辆上。

在目前商业化运行的航空重力梯度仪中，所报道的性能当前被限制在：当在非常低的湍流飞行条件下操作时，在6秒钟的信号平均时间下大约3到4厄缶(Eotvos)(1E＝每米下每平方秒10^-9米的梯度，大约为10^-10g/米)的误差级别，其中性能随着湍流的增大而降低。尽管这种性能已经足以提示在航空重力梯度测量上的的潜在用处，然而据认为，要广泛地成功应用于矿产勘探，还需要提到高平均每次每秒1E的性能级别。

一种已经实验证明具有提供这种性能增益(gain)的潜力的已知的重力梯度仪的形式是所谓的正交四极响应器(在本文中也称作OQR，并且还被称为正交分量(cross-component)重力梯度仪)。在OQR当中，两个正交导向的四极质量块(mass quadrupoles)(本文中也称为平衡梁)中，每个四极质量块是一个本体，其质量的分布方式使得它沿着两个轴线具有非均等的四极质量块力矩，该两个轴线互相正交并且正交于期望的转动轴线，该两个四极质量块利用多个弹簧联接至壳体，该多个弹簧的互相对准限定了期望的转动轴线，从而构成四极响应器(有时也称作角度加速器)。平衡梁响应于特定重力梯度的张量分量的变化而(在相反方向上)进行差模转动(rotate differentially)，但是响应于壳体的转动加速运动而进行共模转动(两者在相同的方向上)。从而，原则上，当所述壳体安装在车辆中的时候，OQR将弱的重力梯度信号从由车辆的角加速度所产生的大得多的噪声中分离出来。

以下文献中公开了OQR重力梯度仪设计的转动方案的早期方案：申请人为Weber、Zipoy和Forward的美国专利No.3,722,284，和by Robert L.Forward，″Future lunar gravity measurements，″Earth，Moon，and Planets，Volume 22，No.4(1980)pp.419-433(由Robert L.Forward在第22卷，第四期(1980年)，第419-433页的《地球、月亮和行星》杂志中所著的“将来的月球重力测量”)，以及申请人为Lautzenhiser的美国专利No.4,215,578。在Ho Jung Paik，in″Superconducting tensor gravity gradiometry for satellite geodesy and inertial navigation，″The Journal of the Astronautical Sciences，Volume XXIX，No.1，pp.1-18，January-March1981(Ho Jung Paik在“用于人造卫星测地学和惯性导航的超导张量重力梯度仪”一文(航天科学期刊第XXIX卷，第一期，第1-18页，1981年，1月-3月刊))中，刊载了对正交分量梯度仪的描述(第7页和图4中进行了论述)，该梯度仪与Forward的设计是拓扑上等价的，但是该梯度仪利用了超导材料、感应的间隙感测线圈和SQUID换能器，从而获得高的信噪比，而不需要使得整个仪器转动。一种同样采用超导材料的稍晚的方案在申请人为Van Kann和Buckingham的美国专利No.5,668,315中被公开了，并且被(by Van Kann et al.，″Laboratory tests of a mobile superconducting gravity gradiometer″，Physica B，Volume 165(1990)pp.93-94(Vann Kann等人的“移动的超导重力梯度仪的实验室测试”，记载于物理B杂志，第165卷(1990年)第93-94页)一文中描述为OQR。在Moody，Paik & Canavan，″Principle and performance of a superconducting angular accelerometer″，Review of Scientific Instruments，Volume 74，Issue 3(2003)pp.1310-1318(科学仪器评论杂志的第74卷第三期(2003年)第1310-1318页中的Moody、Paik & Canavan所著的“超导角加速度计的原理和性能”)一文当中，描述了已建造的并且已经过测试的超导角加速度计的细节，可以使用一对这样的超导角加速度计来构成OQR重力梯度仪。

OQR重力梯度仪的现有的实例利用了低温(cryogenic temperature)，从而既允许采用基于四极响应器的运动检测的SQUID(超导量子干涉装置)，又获得扭转弹簧的几乎完美的弹性特性，其中四极质量块安装在该扭转弹簧上。Van Kann和Buckingham在美国专利No.5,668,315中描述了这样一种OQR重力梯度仪。另一种方案首先描述于在E.R.Canavan，M.V.Moody，H.J.Paik，R.V.Duncan，and J.A.Demko″Superconducting Gravity Gradiometer for Airborne Survey，″presented at the American Geophysical Union Fall Meeting(San Francisco，December，1995)(美国地球物理协会秋季大会(旧金山市，1995年12月)上提交的由E.R.Canavan，M.V.Moody，H.J.Paik，R.V.Duncan和J.A.Demko所撰写的“用于航空测量的超导重力梯度仪”)一文当中，并且在Moody，M.V.and Paik，H.J.，″A superconducting gravity gradiometer forinertial navigation″，in Proc.IEEE 2004 Position Location and Navigation Symposium(PLANS 2004)，April 2004，pp.775-781.(刊载于Proc.IEEE2004的“位置定位和导航研讨会”(PLANS，2004年)，2004年4月，第775-781页中的由Moody，M.V.和Paik，H.J.所撰写的“用于惯性导航的超导重力梯度仪”)一文当中进行了进一步的详述。此外，在French，J.B.等人的美国专利No.7,360,419中描述了另外的方案。在显著高于低温的温度(包括标准室温)下，所有的多晶材料呈现出蠕变和磁滞效应，这降低了仪器的响应的可重复性(这就是为什么(例如)某些高品质的重力计由表现出低得多的蠕变和磁滞现象的非结晶的熔融石英制成)。

目前的非转动的OQR类型的重力梯度仪利用弹簧将它们的平衡梁联结至它们的壳体，所述弹簧呈“需要用显微镜来观察的”厚度的腹板的形式。由于非常薄，这种腹板将具有很小的横截面面积，这在腹板材料上引起了响应于壳体的加速度的很大应力；因此，这种腹板很脆弱并且很容易断裂。已经证明在制造这种类型的腹板挠曲部的时候很难达到所需的尺寸公差。重要的是，在受到移动中的飞行器或者车辆的加速度所施加的应力的时候，该腹板将承受非等弹性的(anisoelastic)变形(如上所述)，这导致了施加在梯度仪信号上的不希望的非线性误差(有时称为噪声)。

发明内容

本发明所公开的内容涉及OQR类型的重力梯度仪，其可具有改进的特性，特别是减少了对飞行器或车辆的平动加速的误差响应。

在一个方面当中，所公开的内容提供了一种用于OQR类型的重力梯度仪的四极响应器，其包括壳体和位于该壳体内的四极质量块。该四极质量块具有一对侧面(sides)，并且还具有位于所述侧面之间的质心。所述四极响应器还包括至少两个扭转弹簧挠曲部。所述扭转弹簧挠曲部由多个销来提供，所述多个销将所述四极质量块的每个侧面连接至所述壳体。所述扭转弹簧挠曲部提供了转动轴线，该转动轴线穿过所述四极质量块的质心，并穿过两个扭转弹簧挠曲部。

所述多个销可以通过扩散粘结而连接至所述四极质量块并且连接至所述壳体。

所述扭转弹簧挠曲部对于所述四极质量块绕所述转动轴线的旋转运动可以是挠性的，但是对于所述四极质量块在所有其它的转动和平动方向上的运动基本是较为刚性的。

所述四极质量块的一个侧面上的扭转弹簧挠曲部可以与所述四极质量块的另一侧面上的扭转弹簧挠曲部是相同。选择性地，所述四极质量块的一个侧面上的所述扭转弹簧挠曲部，可以在形状或尺寸上与所述四极质量块的另一侧面上的扭转弹簧挠曲部具有至少一个差异。所述挠曲部分之间在形状或尺寸上的一个或多个差异，可以使得产生了对于所述响应器的非等弹性响应。

每个扭转弹簧挠曲部可以具有正方形的横截面。选择性地，每个扭转弹簧挠曲部可以具有圆形的横截面。选择性地，每个扭转弹簧挠曲部可以具有正八边形的横截面。

所述扭转弹簧挠曲部可以提供绕所述轴线的组合的扭转刚度，其产生了对于所述四极质量块相对于所述壳体而绕所述轴线的转动运动的所需的谐振频率。

所述壳体可以包括多个侧部面(side faces)，并且所述多个销可以正交于所述多个侧部面而定位。所述多个销可以分别安装在第一侧板和第二侧板当中，并且所述第一侧板和第二侧板紧固至所述壳体。

所述壳体和所述四极质量块可以由铌制成，并且所述多个销至少由铌和钛合金的其中之一制成。

所述多个销可以将四极质量块的每个侧面连接至所述壳体，而没有利用任何机械接头。

所述壳体可以限定了容纳所述四极质量块的容积，并且该容积可以具有与所述四极质量块大致相同的形状。所述容积可以在所述四极质量块和所述壳体之间限定有间隙。所述多个销可以适于允许所述四极质量块在该间隙当中围绕所述轴线进行转动。所述的四极响应器还可以包括安装在所述壳体当中的至少一个传感器，该传感器被配置成检测所述四极质量块和所述壳体之间的距离变化。该至少一个传感器安装在紧邻所述间隙的凹穴(pocket)当中。

所述扭转弹簧挠曲部可以为所述四极质量块绕所述轴线的转动提供第一谐振频率，并为所述四极质量块的其它转动和平动模下的运动提供额外的谐振频率。该第一谐振频率可以低于所述额外的谐振频率。

所述多个销可以由杆形成，并且所述扭转弹簧挠曲部可以在所述杆当中包括被移除材料的区域。所述杆可以延伸穿过所述四极质量块，并且该杆在其端部和所述扭转弹簧挠曲部的外侧包括第一凸起和第二凸起。该第一凸起和第二凸起可以固定至所述壳体。

在另一个方面当中，所公开的内容提供了一种对具有低信噪比的重力梯度信号进行检测的方法，包括：(a)选择OQR重力梯度仪，该OQR重力梯度仪具有一对四极质量块，该一对四极质量块具有共线的并穿过每个四极质量块的质心的多个转动轴线，所述轴线为公共轴线，(b)为每个四极质量块至少提供一对扭转弹簧挠曲部，在每个四极质量块的每个侧面提供一个，所述扭转弹簧挠曲部是共线的并且将所述四极质量块的每个侧面连接至所述壳体。

所述方法还可以包括选择所述扭转弹簧挠曲部的参数，以使得所述扭转弹簧挠曲部提供了绕所述公共轴线的组合的扭转刚度，其导致了所述四极质量块相对于所述壳体而绕所述公共轴线的转动运动的所需的谐振频率。

可以对所述扭转弹簧挠曲部的参数进行选择，从而为所述一对四极质量块围绕所述轴线的转动提供第一谐振频率，并为所述四极质量块的其它转动和平动模下的运动提供了额外的谐振频率。该第一谐振频率可以低于所述额外的谐振频率。

所述扭转弹簧挠曲部可以通过多个销来提供，所述多个销通过扩散粘结而固定连接至所述四极质量块并且连接至所述壳体。

所述扭转弹簧挠曲部可以通过多个销来提供，所述多个销将每个四极质量块的每个侧面连接至所述壳体。

步骤(b)可以包括：通过扩散粘结而将所述多个销固定至所述四极质量块并且固定至所述壳体。

附图说明

在具体实施方式部分中引用了附图，在附图中：

图1是传统的现有技术中的OQR类型的重力梯度仪的四极质量块、壳体和挠曲部的简图；

图2是根据本申请的四极响应器的第一实施例的侧视图；

图3是沿着图2中的A-A线截取的截面图；

图3A是用于图2和图3的四极响应器的销的侧视图，该销由单一杆加工而成并且为单一杆零件；

图4是四极响应器的另一实施例的侧视分解图；

图5是图4中的四极质量块、销和壳体下部的侧视图；

图6是对用于图4和图5的四极响应器的扭转挠曲销进行端部固定(encastering)的替代方法的放大侧视图；

图7是显示制造图4中的四极响应器的另一个方法的侧视图；

图8是图7中的四极响应器的局部分解端视图；

图9A是用来形成四极响应器的初始的单体件的立体图，其带有坐标系的示意图，该坐标系用来描述显示在以下附图中所显示的四极响应器；

图9B是用于四极响应器的平衡梁和多个扭转销之一的立体图，该四极响应器是从图9A中的单体件雕刻出来的；

图10A是图9A中的单体件的立体图，其显示了在该单体件上所执行的加工操作；

图10B是用于图10A中的四极响应器的平衡梁的立体图；

图11A是图10A中的单体件的立体图，其显示了在该单体件上所执行的加工操作；

图11B是用于图11A中的四极响应器的平衡梁的立体图；

图12A是图11A中的单体件的立体图，其显示了在该单体件上所执行的额外的加工操作；

图12B是图12A中的四极响应器的平衡梁的立体图；

图13A是图10A、11A和12A中的单体件的立体图，其显示了在该单体件上所执行的进一步的加工操作；

图13B是由图13A中的单体件中所形成的平衡梁的立体图；

图14A是显示了形成在图13B中的壳体当中的凹穴的立体图；

图14B是显示了用于图14A的平衡梁的间隙传感器的位置的立体图；

图15A是用于在图1中所示的那种现有技术的四极响应器的挠曲部区域的放大图；以及

图15B是图15A中所示的挠曲部区域的放大图，并显示了加速度效应。

具体实施方式

首先参考图1，其图示性地显示了现有技术中的四极响应器8(如French等人的美国专利No.7,360,419和已公开的美国专利申请No.US2006/0207326A1中所示的那样)的侧视图。它基本上是二维的厚板，其包括壳体10、四极质量块12(平衡梁)和腹板挠曲部14，该腹板挠曲部14将四极质量块12联结至壳体10。通过在四极响应器12整个周围(除了留作形成挠曲部14的薄的腹板材料之外)放电加工(EDM)出间隙16，整个组件能够从一个厚板中便利地切割出来。当响应于变化的重力梯度，四极质量块或者平衡梁12在间隙16当中绕转动轴线19轻微转动的时候，位于凹穴18当中的传感器检测到了该运动，该凹穴18也是从最初的厚板中切割出来的。每个传感器所定位的位置，使得当平衡梁绕挠曲部轴线19转动的时候，该传感器和平衡梁的表面之间的距离(该距离是间隙的宽度)发生改变。对传感器进行选择，使得传感器产生的输出随着该间隙距离改变而发生变化，从而测量出平衡梁相对于壳体的转动角度。尽管就原理而言，只有一个这种传感器就能足以进行该测量，但是可以采用额外的多个传感器来产生多种好处，例如减少对热膨胀的敏感度或者减少对平衡梁在其它方向上的运动的敏感度，并且(在使用超导材料的平衡梁和感应线圈传感器的情况下)允许对平衡梁关于挠曲部轴线19的谐振频率进行调谐，并且它的转动运动被“以电的方式”从OQR重力梯度仪中的另一个四极响应器中扣除，从而如美国专利申请No.US2006/0207326A1中所描述的那样，以最大的敏感度和稳定性来测量差模运动。图1中显示了这样的多个传感器凹穴(在本实例中为八个)。

对四极质量块的形状进行设计，以使得它的质心尽可能地靠近转动轴线19，该转动轴线19由腹板挠曲部14的中心进行限定。两个这样的四极响应器组件互相地正交排列，并且它们的转动轴线共线，这形成了正交的四极响应器形式的重力梯度仪，或者OQR(该重力梯度仪也在French等人的上述专利中进行了显示)。

接下来参考图2和图3，其显示了根据本申请的四极响应器20的第一实施例。与现有技术中的一样，四极响应器20包括由壳体24包围的平衡梁或四极质量块22，其具有能够在间隙26中轻微转动的能力。然而，平衡梁22并不是通过腹板而是通过两个耳轴销28(图2和图3)而连接至壳体24，该耳轴销28安装在侧板30当中，侧板30通过螺栓32紧固至壳体24。正如在本文中所使用的那样，术语“销”包括可以将平衡梁22连接至壳体24的任何结构，并且它包括可以充当扭转弹簧(也称为扭转挠曲部、挠曲部区域、或者扭转弹簧挠曲部)的至少一部分。也就是说，所述销提供了扭转弹簧挠曲部。在本实施例当中，销28通过侧板30间接地将平衡梁22连接至壳体24。然而，在替代的实施例当中，销28可以将平衡梁22直接连接至壳体24。此外，在本实施例当中，每个销28仅有一部分充当扭转弹簧。具体而言，将平衡梁22和侧板30之间的间隙进行桥接的多个销28的部分29充当扭转弹簧。由两个销28的中心线限定的转动轴线34位于——优选地是精确地位于——穿过四极质量块22的质心的位置上，并且位于与壳体24的侧部面35的平面进行正交的位置上，从而两个这样的组件能够便利地进行组装，其中它们的轴线精确地对准成与互相90°定向的四极质量块22的长轴线共线，从而形成完整的OQR类型的梯度仪。

在图2和图3当中，多个侧板30被绘制成正好对靠近多个销28的区域进行桥接，但是显而易见的是，它们能够被放大，从而当组装完成的时候，它们既用来对销28进行定位又充当抗剪腹板(shear webs)，所述抗剪腹板为整个壳体24提供了额外的刚度。

为了进行组装，通过在所述梁和壳体之间保留桥部，所述平衡梁22可以精确地定位在壳体24当中，该桥部在制造过程结束时被去除。可选择地，可以利用临时组装薄垫片和夹具(图中未示)。在进行钻孔和插入销之前将侧板30紧固到位，以使得能够在侧板30当中钻出的孔36和平衡梁当中钻出的孔38之间获得精确的对准。孔的直径使得当销28受迫穿过侧板当中的孔36并进入到平衡梁当中的孔38内而到位的时候，获得了强迫配合(forced fit)。

可选择地，为避免强迫配合的要求，所述销可以由长的、大直径的杆300(图3A)形成，通过对该杆进行加工(例如使用车床)来将该杆的两个部分中的材料进行移除，以形成两个扭转弹簧挠曲部(图3A中示出的标号302处)，从而扭转弹簧挠曲部的中心线304与杆的中心线306共线，并且从而两个扭转弹簧挠曲部302互相分开预期的距离。作为例子，图3A显示了直径为0.2英寸的这种杆300，其中加工有直径为0.016英寸长度为0.010英寸两个扭转弹簧挠曲部302，伴随有两个中间直径的凸起308，该凸起308恰好在扭转弹簧挠曲部302的外侧而由杆300加工而成。在该实施例当中，每个销的整个部分包括扭转弹簧挠曲部，并且所述销和扭转弹簧挠曲部都通过对平衡梁22和侧板30之间的缝隙进行桥接的区域来进行限定。为了容置该选择性实施例的杆300和销302，可以在平衡梁22的整个厚度上形成有钻孔(图中未示)。通过对平衡梁和壳体组件进行加热和/或对销部件(加工之后的杆300)进行冷却以通过热膨胀/收缩而获得足够的间隙，能够将销插入到图3中的平衡梁22和壳体24当中。紧接着，可以将杆300依次插入到三个孔(平衡梁22当中具有一个孔，并且壳体24的每一侧上具有一个孔)的每一个孔当中，并且将杆300保持到位一定时间，直到多个部分达到同一温度。作为例子，销部件由直径为0.2英寸的钛合金杆制成，该销部件可以被冷却至-196℃，并且铌材料的壳体和平衡梁被加热到300℃，从而在杆和用于插入的孔之间产生0.0005英寸的间隙，其导致了当所有部分都返回到同一温度的时候，产生了0.00025英寸的干涉配合。

典型地，重力梯度仪可以要求四极响应器的平衡梁相对于所述壳体进行可重复性地转动，其转角为大约10^-12弧度，这等价于响应于重力梯度的1E的变化，传感器(位于图1中的其中一个凹穴18当中)表面和平衡梁的邻近表面之间的间隙尺寸产生了10^-13m的可重复性改变。通过多部件组件来获得这种量级的可重复性十分困难。这是因为在组件的接头处由于应力解除而产生的磁滞效应和蠕变效应能够引起尺寸改变，该尺寸改变对应于大得无法接受的仪器测量漂移，特别是在移动使用的情况下受到无法避免的振动的时候尤其如此。

为了避免这个问题，已经发现，如果组件中的配对表面被正确制备并且处在足够的压缩下的话(例如通过销28在侧板30和平衡梁22当中的强迫配合而进行提供，或者通过上述的干涉配合进行提供)，整个组件接着在真空中承受适宜的高温，例如1100℃，就会发生退火和扩散粘结的组合，从而整个组件有效地变成消除了应力的单体件实体。这可以涉及多步骤的工艺。

以下两个表格中显示了示例性的尺寸和由此导致的动态和静态特性。所表示的公式利用了简支梁理论(simple beam theory)以一级近似(first approximation)的方式来估算挠曲部在各种转动和平动方向上的刚度。尽管需要对扭转销的短高度的效应进行更加详细的分析(例如使用有限元模型(finite element modeling))，以便为此确定更高精度的估值，但是这些简支梁理论的估值足以确认这种设计方法在所有方向产生了足够的刚度，而在平衡梁绕挠曲部轴线进行明显的大角度转动的时候不会承受过大的应力。

表1

表2

这些尺寸和特性可兼容于低温重力梯度仪，该低温重力梯度仪适合于移动的地球物理调查应用。低温的温度使得铌的超导特性得以利用，通过利用四极质量块的材料的迈斯纳效应(Meissner effect)来将感测线圈的电感耦合至四极质量块的运动，通过使用感应传感器，利用SQUID(超导量子干涉装置)以非常低的噪声来测量那些电感，通过使用超导罩(superconducting enclosure)来排除在其它方式下由地球的磁场所产生的电流，并且将布朗运动效应降低至可接受的量级。然而，将会了解到，以下描述的布置的优点也将会在其它梯度仪设计中得以实现，例如设计为在室温下工作的梯度仪。

在实例当中，为销28选择高强度的钛合金，这是因为它提供了额外的强度，并且在现有技术的重力梯度仪当中已经成功地扩散粘结至铌，该现有技术的重力梯度仪是基于由这种合金制成的腹板型挠曲部。然而，可以使用具有适宜特性的其它合金，如可以使用诸如铌的纯金属。

对于最终的信噪比而言，包含有悬挂件(例如，扭转弹簧)可能非常有利，该悬挂件在信号模中呈相对挠性(对应于四极质量块绕挠曲部轴线相对于壳体的运动的相对较低的谐振频率)，但是在所有其它模中呈相对刚性(对应于四极质量块相对于壳体在所有其它转动和平动方向上的运动的较高的谐振频率，并因此具有对应于这些不需要的运动的较小的偏转和噪声)。从这些其它模中产生的噪声的根源可以是平动加速度、壳体绕除了挠曲部轴线的其它轴线的转动加速度或转动速度，或者可以是由于这些运动的结合所导致的高阶效应(high order effect)。这种布置所导致的优于现有技术的优点如下。

首先，与5.6Hz下的信号模相比，平动加速度响应模的频率很高(在该实例中估计超过1100Hz)。这减少了由相关的质心漂移效应所导致的噪声。

其次，当使用腹板布局(web geometry)的时候(如图1所示)，误差的主源是所谓的“感应偶极子”效应，其如图15A和15B所示。图15A是图1所示的现有技术中的四极响应器类型的挠曲部区域的特写视图(然而要注意，该图中的间隙和挠曲部尺寸并非是成比例的，而是进行了夸大，以用于清晰显示)。在图15A当中，壳体10、平衡梁12和腹板挠曲部14作为加工位置和形状而象征性地进行了显示。挠曲部的轴线19沿着挠曲部的中心线定位。平衡梁已经被加工并被修整，从而它的质心150(尽可能靠近地)位于挠曲部的轴线19上。

图15B是相同的挠曲部区域的视图，其表示当壳体正在以示例性的加速度矢量“a”加速的情况，该矢量“a”具有如图所示的矢量分量a_X和a_Y。腹板挠曲部由弹性材料制成，由于因平衡梁对加速度分量a_X和a_Y的惯性阻力而产生的假力F158(与加速度矢量“a”成比例并且方向相反)的存在，该腹板挠曲部将会在x方向和y方向上都产生变形。使用虚线14表示了未变形的腹板形状，用实线152显示了已变形的腹板形状(腹板偏转被很夸大地显示，以用于清晰显示)。挠曲部的中心154的变形位置位于已变形的挠曲部的中心。质心156的变形位置相对于如图15A所示的已变形的平衡梁而言仍然位于同一固定位置。它们都沿着x方向和y方向从他们未变形的位置进行了位移；对于这种类型的腹板挠曲部而言，已知质心156沿着x方向和y方向两者上的移动量大约是挠曲部的中心154沿着这些方向中的每个方向的移动量的两倍，从而它们并未重合。对于实际的现有技术的重力梯度仪的设计而言，还已知例如，在Section 4.2.1.2 of[Matthews，Robert，″Mobile Gravity Gradiometry″，Ph.D.thesis，Dept.of Physics，University of Western Australia，Perth，2002](Matthews，Robert所著的“移动重力梯度测量”博士论文，西澳大利亚大学物理系，佩思，2002年)一文中进行了详细讨论，响应于这种壳体的加速度，挠曲部在y方向上比在x方向上刚性大得多；这样，例如当a_X和a_Y大小相等的话，其如图15B所示的情况那样，质心156从其初始位置150沿着y方向的位移远小于它沿着x方向的位移，并且挠曲部的中心154的位移情况是类似的。结果，穿过了平衡梁的质心156的假力F158的作用线将从已变形的挠曲部的中心154移动了距离d 160。(尽管这在a_X＝a_Y的情况下进行了说明，然而，除了a_X＝0或a_Y＝0情形之外，类似的结果在所有的加速度矢量方向和大小下均有效，其中包括a_X和a_Y不相等的情况)。

如果平衡梁的质量表示为m，那么量d*m则称为感应偶极子(induced dipole)，亦即，相对于被壳体的加速度所感应的挠曲部中心的质量偶极子(mass dipole)。这使得了平衡梁上产生了扭矩，其大小为d*m*a＝d*F，这称为感应偶极子力矩。可以看出，感应偶极子力矩与两个加速度a_X*a_Y的乘积成比例，因此该扭矩以及所导致的平衡梁的转动，在a_X和a_Y上是非线性的。这导致了利用这种腹板挠曲部的重力梯度仪的输出中的非线性误差或噪声项。对于现有技术的重力梯度仪的设计，这种感应偶极子力矩误差的大小特别大，限制了这种仪器在诸如航空调查的应用中所能够达到的信噪比性能，在所述应用中这种加速度是持续存在的。

这种效应发生的根本原因在于，腹板型的扭转挠曲部相对于平动加速度而言是非等弹性的。也就是说，腹板型的挠曲部抵抗壳体在一个方向上的加速度a_X所产生的惯性力的刚度比它抵抗因在垂直方向上的加速度a_Y所产生的力的刚度更大。非等弹性是一种特性，并且还已知该特性降低了其他类型的惯性感测仪器的性能；正如在[Lawrence，Anthony，″Modern Inertial Technology″，2^nd edition，Springer，New York，1992](Lawrence，Anthony所著的“现代惯性技术”，第二版，施普林格出版社，纽约，1992年)的第二章的方程式2.4中所描述的那样。已知，机械陀螺仪当中的感测元件的支撑件的非等弹性在这些仪器当中产生了类似的非线性误差。这种非线性误差特别麻烦，因为它们无法利用标准线性信号滤波技术而被移除，并且因为通过称作互调的效应，它们能够调整不重要的高频误差，从而导致了显著的低频误差。

相对照而言，本申请提供了等弹性挠曲部，该挠曲部将平衡梁连接至四极响应器的壳体。因此，可以理想地消除非线性的感应偶极子误差或噪声源(在实践中，制造公差可以导致非等弹性的残余量，然而该残余量可以远小于腹板型挠曲部当中的固有量)。与当腹板挠曲部被类似的加载时的非对称刚性相比较，当平衡梁对于壳体侧面(垂直于挠曲部轴线)加速度_X和加速度_Y的惯性响应加载到两个销上的时候，由于该两个销的刚性对称而导致了两个销挠曲部的等弹性。因此，能够显著降低将仪器与平动加速度相隔离的要求(或者利用这些加速度的测量结果并减去校准的仪器响应来对原始数据进行后处理的等价的要求)。由于该实施例将会普遍地在飞行器(用于航空测量)中实施，并且由于对因湍流而导致的飞行器平动加速度(特别对于因低频湍流导致的大幅值的漂移)进行隔离既困难又花费高昂，该实施例为在显著降低难度和费用的前提下极大提高信噪比性能提供了可能性。

有利地，可以提供运动限制止挡件，也称作端部止挡件(图2中未示)，以将平衡梁绕挠曲部轴线的旋转运动限制为不大于某一小角度，例如0.0015弧度，从而不接近整个扭转挠曲部的弹性极限，并且平衡梁不与凹穴18当中的间隙测量传感器相碰撞。该限制远大于对应于重力梯度的所需信号范围加上仪器可能遭受的非期望转动加速度的运动。

对于上述的制造方法的这些益处的实现可以取决于：在销28和孔36、38的表面之间获得高质量的成功粘结(例如扩散粘结)，销28强迫配合到所述孔36、38当中，所述孔36、38位于平衡梁22和壳体侧板30两者当中。当遭受扭转负载的时候，销28的外径处(假设为圆形横截面)的应力最大，并且该应力作为高剪切应力而通过扩散粘结进行传递。

在图4和图7当中，仅仅显示了蝴蝶结领结(bowtie)形状的平衡梁，以便与以下讨论的共同悬而未决的申请当中的附图相一致。该形状源于现有技术的腹板挠曲部的设计要求，其将腹板定位在梁的质心，加上通过减少平衡梁的中心区域的厚度而获得的预期的设计特性，从而平衡梁的弯曲能够补偿如图15所示的感应偶极子效应。然而，在本申请中并不需要该蝴蝶结领结形状以及与之相伴的设计特性。例如，中心区域可以制造得较厚，从而减少平衡梁的弯曲。

现在将描述两种可选择的制造方法。

在如图4至图8所示的一种可选择的制造方法中，该制造方法在U.S.provisional patent application 61/108,268，entitled GRAVITYGRADIOMETER WITH TORSION FLEXURE PIVOTS(to Barry French)(标题为“带有扭转挠曲部枢轴的重力梯度仪”(申请人为Barry French)的美国临时专利申请No.61/108,268)中进行了权利要求主张，以及在co- pending PCT and United States patent applications entitled GRAVITY GRADIOMETER WITH TORSION FLEXURE

如图4和图5所示，壳体42是由两个分离的加工半部50形成(如前所示)，随后该两个加工半部50沿着两个研磨并抛光过的表面52进行联结(例如，通过螺栓，图中未示)，从而允许高质量的扩散粘结。在这些表面当中加工了两个精密的V形切痕的凹槽54，以在围绕平衡梁40的凸起44的外部48进行组装的时候形成两爪夹盘(two-jaw chuck)或夹具。选择相对于凹槽54的面(其形成了夹具)具有略微过大直径的凸起44，以提供高接触压力，该高接触压力对于在适宜的高温下(例如1100℃)获得一致的高品质扩散粘结是十分必要的。多个侧板56与它们各自的壳体半部50一体形成并且能够遮盖壳体42的每个整个侧面，其中V形切痕的凹槽54位于该侧板56当中。图5显示了局部组装的这种结构。

为了确保最终的熔合、退火组件的尺寸稳定性，配对表面52和夹持表面54优选地在组装期间都处于正压缩下。

现在将参考图6来论述获得预期的正压缩的另一个示例性方法。该方法旨在便于将适宜的高夹紧压力施加在配对表面52上，并施加在位于夹持表面204内的凸起44的部分上。通过夹持表面204而在凸起44上施加了压力。然而，可能很难在两组部件上同时获得这种高夹紧压力。在图6所示的方法中，对于夹紧在一起的两个壳体半部50a、50b钻出精密孔200，该两个夹紧在一起的壳体半部50a、50b之间带有薄垫片202。接着，将该两个壳体半部50a、50b分开并且移除垫片202。接着在上壳体半部50a中制造EDM环形切口203，其典型地呈现为与孔200同心的薄狭槽的形状。优选地，所述切口或狭槽203通过另一个EDM切口205而分成两个部分203a、203b，从而产生两个舌部206。在没有垫片202的情况下重新组装的时候，在配对表面52上和两个凸起44的每一个上同时获得了适宜的大的压缩力，从而确保在受热时的扩散粘结。切口203、205以及由此形成的舌部206至少为上夹持表面204在凸起44处提供了径向挠性，从而有助于在整个夹持界面上和配对表面52上同时提供强大的夹紧压力。

参考图4、图5和图6所描述的整个方法可以提供若干优点。首先，宽阔的侧板56通过充当剪切腹板可以显著增大整个壳体组件42的刚度，从而减少了在壳体受到通过安装区域传递到壳体当中的加速度力的时候壳体42可能承受的变形。当然，可以在侧板56当中形成切槽来减轻结构的重量，并且该切槽优选地设置在凹穴60上方的合适位置(如附图标记58所指示的那样)，其中在已完成的组件当中传感器插入并安装到该位置。对平衡梁40的单独加工允许通达所述梁的感测表面，以用于抛光处理和抛光损坏和杂质等的微观检查，以往经验显示，所述抛光损坏和杂质等能够在超导温度下引起量子化的(quantized)磁通量跃变或者磁通量蠕变，该磁通量跃变或者磁通量蠕变对位置测量的SQUID方法产生干扰。然而，主要由于销47(在该实施例中，销47等价于挠曲部区域46)与平衡梁40形成为一体，因此当与图2和图3的实施例相比较的时候，该方法消除了保持扭转挠曲部的四个扩散粘结的端部固定接头(encastering joints)中的两个，并可以以100的因子增大其它两个接头的粘结面积，并且可以以10的因子将响应于平衡梁绕挠曲部轴线的转动的接头处的剪切扭矩的力矩臂增大，从而以数百倍的因子降低响应于这种载荷的接头处的剪切应力，并相称地减少了任何蠕变倾向。

同样的原理可以应用于其它布局，如图7和图8中的实例所示。对于图7和8的实施例而言，平衡梁70、凸起72和销73在一个工件中进行制造，并且对质量进行修整以将结构的质心尽可能接近地安置在转动轴线75上。再一次地，在该实施例当中，每个销73的整个部分包括挠曲部区域74，并且销73和挠曲部区域74都通过对平衡梁70和壳体之间的间隙进行桥接的区域来限定。壳体76由两个分离的工件78、80制成。在该方案中，如图8所示，壳体沿着边缘被分开。位于壳体工件78、80的周缘上的精密导向孔81和销82提供了精确的对准。穿过平衡梁70的临时导向孔和销可以在必要的时候提供所述梁的转动定位。由于优选地，在凸起-壳体接头84上由于挠曲部74的精密性(delicacy)而没有轴向夹紧压力待被施加，因此，将凸起72松配合到壳体孔86、88之后，可以在该接头上以及两个壳体孔86、88的配对面上使用低共熔焊接(eutectic soldering)。

在图4至图8的实施例当中，销通过凸起而间接地将平衡梁连接至壳体。

在第二种替代的制造方法中，该制造方法在U.S.provisional application 61/108,271 entitled GRAVITY GRADIOMETER WITH TORSION FLEXURE PIVOTS(to Kieran Carroll)(申请号为No.61/108，271、名称为“带有扭转挠曲部枢轴的重力梯度仪”(申请人为Kieran Carroll)的美国临时专利申请)中进行了权利要求主张，并在co-pending PCT and United States patent applications entitled GRAVITY GRADIOMETER WITH TORSION FLEXURE PIVOTS filed concurrently herewith，both to Kieran Carroll and Barry French(标题为“带有扭转挠曲部枢轴的重力梯度仪”、申请人为Kieran Carroll和Barry French、与本申请同时递交的共同悬而未决的PCT和美国专利申请)中进行了权利要求主张，在该第二种替代的制造方法中，通过利用各种加工操作从单一的初始单体件材料形成整个组件(壳体、平衡梁和销)，从多个部件机械地组装四极响应器的必要性可以完全被排除。在该实施例中，其类似于图4至图8所示的实施例那样，每个销的整个部分是挠曲部区域，并且所示销和挠曲部区域都通过对平衡梁和壳体之间的间隙进行桥接的区域来限定。在该方法中，优选地，在平衡梁、挠曲部元件和壳体之间没有组装的机械接头，从而极大地消除了这些接头当中潜在的磁滞现象和蠕动。此处，术语“单体件”表示没有机械接头的连续固体材料的质量块。该质量块在成分上可以是均质的(例如，纯铌的矩形条)，或者它可以在成分上是异质的(例如，纯铌的矩形条，诸如用于表1(见以上的描述)中指定的销的钛合金的圆柱杆被插入到在该铌制的条当中钻出的圆柱孔当中，接着被扩散粘结，并接着被退火，或者通过将熔融状态的钛合金灌入到在铌制的条当中钻出的圆柱孔当中而浇注到位，然后使其固化)。

现在将对该方法中使用的制造过程的实例进行描述。该过程首先通过任何适宜的加工手段(例如铣削(milling))而将适宜材料的单体件形成为合适的初始形状。为了使得材料合适，优选地它具有与所产生的达到足够性能的四极响应器相符合的材料特性。例如，该材料优选地足够坚固，以使得扭转销能够支撑平衡梁来抵抗预计的负载环境，而不会屈服或者断裂。它的弹性模量优选的处在一定范围内，使得在那些扭转销中产生了一定的扭转刚度，从而所导致的转动谐振频率(其也取决于材料密度)处在重力梯度仪应用所需的范围当中。它的刚度还优选地足够高，以使得壳体和平衡梁的变形充分地小，以至于并未不可接受地降低了重力梯度仪的性能。各种称为内摩擦、粘弹性和质量因子的若干相关特性(cf.R.S.Lakes，″Viscoelastic Measurement Techniques，″Review of Scientific Instruments，Vol.75，No.4，April 2004，pp.797-810)(查阅，R.S.Lakes所著的“粘弹性测量技术”，科学仪器评论杂志，第75卷，第四期，2004年4月出版，第797-810页)优选地还使得扭转销当中的磁滞现象和蠕变足够低，从而使得四极响应器达到了例如对于滤波处理(bias drift)而言的足够的性能。如果初始的单体件形状与用于壳体和平衡梁的预期的最终形状相一致，并且与一系列的加工操作的执行相一致从而将平衡梁从固体块中释放的话，则初始的单体件形状是合适的，例如，所述块应当被成形为使得它在每个加工操作期间被稳固地夹紧。

图9A显示了示例性的单体件的初始形状，其为带有相对的平行面的矩形块100。为了便于引用，该块的六个面被标记为+x，-x，+y，-y，+z和-z；相同的术语用来表示平衡梁的对应位置面(correspondingly-positioned faces)。图9B显示了从单体件100中雕刻出的平衡梁102和两个销104的其中一个(在平衡梁的+z面上)的形状；从该单体件100中还雕刻出了同样的销，其与所示的销104共线，该第二个销从平衡梁的-z面突出(因此在图9B中不可见)。所示的销104具有正方形横截面，该形状能够通过这种加工方法而获得，并且所示的销104响应于平衡梁相对于壳体的在x方向和y方向上的平动加速度而具有重要必不可少的等弹性特性。很显然，初始的单体件100必须做得比平衡梁102加上销104要大。

图10A显示了从单体件100中释放(release)了平衡梁102的+y和-y面的部分的一组加工操作，其如在图10B中的平衡梁102的+y面上的左下至右上的断面线的区域106、108所局部表示的那样(类似地，平衡梁102的-y面上的对应区域也将被释放，但是由于平衡梁的-y面在图10B中不可见，因此并未在图10B中用断面线显示)。基本加工操作是一组4个切口109，其可以通过静电放电加工(EDM)而形成。为了便利EDM操作，辅助加工操作也进行了显示，它们是垂直于单体件100的+z面并穿过单体件100直达单体件的-z面而形成的一组4个孔110；它们可以通过若干替代手段而形成，例如通过钻孔或者通过全面进给EDM(plunge-EDM)切割。上述的多种EDM操作的每一种都涉及通过4个孔110的其中一个来穿过EDM线，接着将该EDM线在+x方向或者-x方向上牵拉，以形成平行于单体件的+y和-y面的平面切口109。

图11A显示了将平衡梁102的+y面的其余部分从单体件100中释放的加工操作，其如图11B中的平衡梁的+y面上的左上至右下的断面线区域116所示的那样。这是铣削操作，其中铣削工具从+y方向靠近单体件100，从该单体件中铣削出矩形狭槽120，其铣削深度恰好足够达到平衡梁102的+y表面。被铣削的狭槽120在+z/-z方向上的高度优选地被形成得足够大，以完全在该方向上释放平衡梁102的+y面。被铣削的狭槽120在+x/-x方向上的宽度优选地制造得足够大，以接合或者叠盖住之前的EDM操作中被释放的平衡梁102的+y面上的多个部分。请注意，还要在单体件100的-y面上也进行类似的铣削操作，以释放平衡梁102的-y面上的其余区域。

此时，平衡梁102的+y和-y面已经完全从初始的单体件100中释放出来，其如图11B所示。

图12A显示了将平衡梁102的+x和-x面从单体件100中释放的一组加工操作。四个EDM切口121这样形成：首先将EDM线穿过起初在图10A中所示的四个钻孔110，接着在+y和-y方向上牵拉这些线，以形成平行于单体件100的+x和-x面的平面切口121。通过这些操作而被释放的平衡梁102的+x面上的多个部分通过图12B中左下至右上的断面线区域124进行了表示(平衡梁的-x面上的对应区域将会类似地进行释放，但是由于平衡梁102的-x面在图12B中不可见，因此无法在图12B中显示断面线)。接着制成两个铣削的狭槽122，单体件100的+x和-x面上每一个面当中具有一个狭槽(图12A中示出了+x面上的狭槽122)，该狭槽将平衡梁的+x和-x面的剩余部分从单体件100当中释放。被这些铣削操作释放的单体件的+x面的部分在图12B的左上至右下的断面线125中进行了显示(平衡梁的-x面上的对应区域将会类似的进行释放，但是由于平衡梁102的-x面在图12B中不可见，因此无法在图12B中显示断面线)。被铣削的狭槽122在+z/-z方向上的高度优选地被制成的足够大，以完全在该方向上释放平衡梁102的+x和-x面。被铣削的狭槽122在+y/-y方向上的宽度优选地制造为足够大，以接合或者叠盖住之前的EDM操作中被释放的平衡梁102的+x和-x面上的多个部分。

此时，平衡梁的+y，-y，+x和-x面已经完全从初始的单体件中释放出来。

图13A显示了将平衡梁的+z和-z面从单体件中释放的一组加工操作，以及形成两个销104的加工操作。这些操作首先涉及形成一组四个孔130，它们垂直于+y面并通达-y面，并涉及形成另一组四个孔132，它们垂直于+x面并通达-x面；可以通过若干替代手段来形成这些孔，例如通过钻孔或者通过全面进给EDM切割。接下来的一组操作涉及制造一组平行于单体件的+z和-z面的EDM切口134、136，其制造方法为首先将EDM线穿过八个孔130和132的每个孔，接着在+x、-x或者+y或-y方向上牵拉该EDM线。通过在+x、-x方向上穿过孔132的所述线制成的EDM切口134将释放平衡梁的+z面的多个部分，该多个部分利用图13B中的左下至右上的断面线138进行了表示。通过在+y、-y方向上穿过孔130的所述线制成的EDM切口136将释放平衡梁的+z面的多个部分，该多个部分利用图13B中的左上至右下的断面线140进行了表示(部分140一定程度上叠盖了部分138)。-z面上的对应区域也将通过这些操作而被类似地进行释放。

还将通过这些操作形成两个销104。这些EDM切口的厚度至少在销104的区域当中优选地等于扭转销的预期高度(亦即，在+z/-z方向上)。这可以通过利用足够粗细的EDM线来实现，在每个EDM切口中利用单次行程(a single pass)来形成多个销104。可选择地，它也可以通过利用较细的EDM线进行多个EDM行程(multiple EDM passes)来实现，从而削去平行于单体件100的+z和-z面的单体件100的多个序列层。

与这些操作相关联的若干尺寸参数可以对使用所产生的四极响应器而制成的重力梯度仪的性能产生很大影响。这些参数包括销104在x和y方向上的厚度、以及所述销在z方向上的高度，并且这些参数将都需要在它们具体值的非常小的公差范围内进行切割。这可以通过制造初始为粗糙的EDM切口而实现，接着测量所产生的扭转销尺寸，接着对EDM切口进行随后的精细调整，以将扭转销尺寸修整到它们的最终值。

请注意，对于平衡梁102而言，在之前所示的实施例当中销104不必具有圆形横截面。取而代之的是，它们具有正方形横截面，其如图13B中所示的销104。还应注意，尽管部分104被称为销，实际上每个可以由大的凸起(类似于图4和图5中的凸起44以及图7和图8中的凸起72)和位于所述大的凸起的端部之间的小的挠曲部区域构成。以下将描述正方形横截面与圆形横截面之间进行比较所带来的影响。

此时，平衡梁102的+y、-y、+x、-x、+z和-z面已经完全从初始的单体件100中释放出来，并且+z和-z销104也已经被雕刻出来。平衡梁102通过两个销保持与初始的单体件的其余部分进行连接，该初始的单体件的其余部分现在包括用于四极响应器的壳体。尽管在单体件的外部、壳体部分残留有各种切口，但是它们已经被设计为在合适位置留有足够的材料，以确保壳体的结构完整性。

为了完成起作用的四极响应器，可以添加诸如间隙传感器和运动限制止挡件这样的装置。这些装置必须紧邻着平衡梁设置，该平衡梁嵌入到壳体当中，因此必须将材料从壳体中进一步移除，以容纳这些装置。图14A显示了加工到壳体的+y面当中的示例性的凹穴142，其可以通过在-y方向上从+y面垂直铣削到狭槽109的深度而得以实现。这样，插入到这些凹穴当中的间隙传感器会与平衡梁的+y面的区域144相邻，其如图14B所示。放置到这些位置中的间隙传感器则对平衡梁绕挠扭转挠曲部轴线的转动很敏感。可以在例如加工到壳体的-y面中的凹穴中类似地放置另外的传感器。相同的操作也适用于运动限制止挡件(图中未示)的放置。

请注意，在以上的论述中已经对非常具体的一组加工操作进行了描述，其目的是尽可能清晰并且简单地显示本发明的原理。明显地，这些操作能够以不同于所呈现的顺序来进行执行，而获得相同的效果。并且，可以采用具有类似效果的替代的加工操作，从而从初始的单体件中获得雕刻出的平衡梁、扭转销和传感器凹穴。

以上的示例性描述和附图涉及包括平衡梁的四极响应器，该平衡梁为带有矩形横截面的棱柱形，它是从类似的矩形横截面的棱柱状的初始单体件中雕刻出的，该两者通过一对正方形横截面的共线的扭转销进行连接。对于该实例来选择这些特定的形状是因为它们的几何形状的简单性，它们使得以最大的清晰度来显示了本发明的主要原理。然而，该示例性的描述并非旨在将本发明的应用限制在该实例的几何细节当中。也可以使用其它的几何形状以及相关的传感器布置。十分显而易见的是，通过类似于本文中上述的一系列步骤，可以类似地从具有不同形状的初始的单体件中雕刻出平衡梁和多个销，并且可以从初始的单体件中雕刻出具有不同形状的平衡梁和多个等弹性销。作为另一个平衡梁形状的具体实例，可选择地，该方法可以用来从棱柱的矩形横截面的初始单体件中雕刻出蝴蝶结领结状的平衡梁，其形状类似于图1至图8(参见以上)中所示的形状。关于销的横截面形状，可以看出，如果扭转挠曲部的横截面(例如图13B中的横截面)的两个基本的截面惯性矩(second moments of area)相等的话，那么四极响应器则相对于平衡梁的平动是等弹性的，因此相对于平衡梁上的惯性荷载是等弹性的，所述平衡梁的平动是在x和y方向上相对于壳体而进行的，所述平衡梁上的惯性荷载是由于壳体在x和y方向上的平动加速度而导致的。换言之，每个销在沿着每个销当中的转动轴线的一部分轴线的每个点上具有横截面。可以在所述横截面当中限定一对正交轴线。该对正交轴线可以与转动轴线相交并垂直。绕该横截面的每根所述正交轴线的截面惯性矩可以是相等的。具有这种特性的扭转挠曲部横截面形状的其它具体实例是圆形和正八边形，后者可以通过上述的加工操作的直接变型而获得。

在本说明书中已经假设两个扭转挠曲部区域(例如图7和图8中所示的扭转挠曲部区域74)的横截面形状和尺寸互相相同。一般而言，这是优选的(亦即，两个扭转挠曲部区域(在平衡梁的每个侧面上都有一个)在横截面的形状和尺寸上相等，且在长度上相等)。如果是这种情况(其将会称为两个挠曲部区域互相对称)，那么对结合图15B所谈到的两个侧面加速度中的任何一个的响应将会是平衡梁相对于壳体的在与加速度相反的方向上的纯侧向位移，并且平衡量并未相对于壳体进行转动。这被称为等弹性响应，并且四极响应器(如以上所述)相对于平衡梁上的惯性荷载是等弹性的，所述平衡梁上的惯性荷载是由于壳体在x和y方向上的平动加速度导致的。

如果两个扭转挠曲部区域74互相是不对称的(意味着在平衡梁一侧上的其中一个扭转挠曲部区域74与平衡梁的另一侧上的的扭转挠曲部74具有不同的横截面形状或尺寸，以及/或者具有不同的长度)，那么，响应于壳体在在x和y方向上的加速度，这可以(取决于两个销的长度以及它们的横截面尺寸的具体值)导致平衡梁相对于壳体的转动(如图9所定义的那样)，这种转动的轴线垂直于挠曲部轴线(z)。这种额外的转动在第一层面上(to a first order)预计不会影响仪器的重力梯度感测通道的输出，这是因为它将导致某些感测元件的各半部变得彼此不在一个平面(non-planar)，但是任何间隙感测元件的一个半部和另一个半部之间的平均距离却并未变化。然而，间隙感测元件的响应当中可以具有对于这种类型运动的非线性分量；这种非线性响应的最大可接受量，可以用来设定两个销之间的长度或者横截面尺寸的最大可接受偏差的上限，所述偏差是由于设计或者由于加工的不精确性而导致的。

请注意，在任意一种情况下，多个凸起(例如，图7和图8中的凸起72)的扩大部分对于较小直径的挠曲部区域74所允许的平衡梁的移动的贡献是可以忽略的。这是因为凸起72的扩大部分优选地充分大于挠曲部区域74的厚度。

在以上的实施例当中，销具有大致直的侧面。在替代实施例当中，销可以具有弯曲侧面或者倒角端。这可以减少应力集中。

尽管已经对本发明的优选实施例进行了描述，但应该理解，在本发明的范围内可以进行各种改变。

Claims

1.一种用于OQR类型的重力梯度仪的四极响应器，包括：

(a)壳体；

(b)位于所述壳体内的四极质量块，所述四极质量块具有一对侧面，还具有位于所述侧面之间的质心；

(c)至少两个扭转弹簧挠曲部，所述扭转弹簧挠曲部由将所述四极质量块的所述侧面连接至壳体多个销提供，所述扭转弹簧挠曲部一起提供了转动轴线，该转动轴线穿过所述四极质量块的质心，并穿过两个扭转弹簧挠曲部。

2.如权利要求1所述的四极响应器，其中所述销通过扩散粘结而连接至所述四极质量块并且连接至所述壳体。

3.如权利要求1所述的四极响应器，其中所述扭转弹簧挠曲部对于所述四极质量块围绕所述转动轴线的旋转运动是挠性的，但对于所述四极质量块在所有其它转动和平动方向上的运动基本是较为刚性的。

4.如权利要求1所述的四极响应器，其中所述四极质量块的一个侧面上的扭转弹簧挠曲部与所述四极质量块的另一侧面上的扭转弹簧挠曲部是相同的。

5.如权利要求1所述的四极响应器，其中所述四极质量块的一个侧面上的扭转弹簧挠曲部与所述四极质量块的另一侧面上的扭转弹簧挠曲部在形状或尺寸上至少具有一个差异。

6.如权利要求1所述的四极响应器，其中每个扭转弹簧挠曲部具有正方形横截面。

7.如权利要求1所述的四极响应器，其中每个扭转弹簧挠曲部具有圆形横截面。

8.如权利要求1所述的四极响应器，其中每个扭转弹簧挠曲部具有正八边形的横截面。

9.如权利要求5所述的四极响应器，其中在形状或尺寸上的所述至少一个差异使得产生了对于所述响应器的非等弹性响应。

10.如权利要求1所述的四极响应器，其中所述扭转弹簧挠曲部提供了绕所述轴线的组合的扭转刚度，其导致了所述四极质量块相对于所述壳体而绕所述轴的旋转运动的所期望的谐振频率。

11.如权利要求1所述的四极响应器，其中所述壳体包括多个侧部面，并且所述多个销正交于所述多个侧部面而进行定位。

12.如权利要求1所述的四极响应器，其中所述多个销分别安装在第一侧板和第二侧板当中，并且所述第一侧板和第二侧板紧固至所述壳体。

13.如权利要求1所述的四极响应器，其中所述壳体和所述四极质量块由铌制成，并且所述多个销至少由铌和钛合金的其中之一制成。

14.如权利要求1所述的四极响应器，其中所述多个销将所述四极质量块的每个侧面连接至所述壳体，而没有利用任何机械接头。

15.如权利要求1所述的四极响应器，其中所述壳体限定了容纳所述四极质量块的容积，并且该容积具有与所述四极质量块基本相同的形状。

16.如权利要求15所述的四极响应器，其中所述容积在所述四极质量块和所述壳体之间限定了间隙。

17.如权利要求16所述的四极响应器，其中所述多个销适于允许所述四极质量块在所述间隙当中围绕所述轴线进行转动。

18.如权利要求17所述的四极响应器，还包括安装在所述壳体当中的至少一个传感器，该传感器被配置成检测所述四极质量块和所述壳体之间的距离变化。

19.如权利要求18所述的四极响应器，其中所述至少一个传感器安装在紧邻所述间隙的凹穴当中。

20.如权利要求1所述的四极响应器，其中所述扭转弹簧挠曲部为所述四极质量块绕所述轴线的转动提供了第一谐振频率，并为所述四极质量块的其它转动和平动模的运动提供了额外的谐振频率，所述第一谐振频率低于所述额外的谐振频率。

21.如权利要求1所述的四极响应器，其中所述多个销由杆形成，并且所述扭转弹簧挠曲部包括所述杆中材料被移除的区域。

22.如权利要求21所述的四极响应器，其中所述杆延伸穿过所述四极质量块，并且该杆在其端部和所述扭转弹簧挠曲部的外侧包括第一凸起和第二凸起，其中所述第一凸起和第二凸起固定至所述壳体。

23.一种对具有低噪比的重力梯度信号进行检测的方法，包括：

(a)选择OQR重力梯度仪，该OQR重力梯度仪具有一对四极质量块，所述一对四极质量块具有多个转动轴线，所述多个转动轴线是共线的并穿过每个四极质量块的质心，所述轴线为公共轴线，以及

(b)为每个四极质量块至少提供一对扭转弹簧挠曲部，每个四极质量块的每个侧面提供一个，所述扭转弹簧挠曲部是共线的并且将所述四极质量块的每个侧面连接至所述壳体。

24.如权利要求23所述的方法，还包括选择所述扭转弹簧挠曲部的参数，以使得所述扭转弹簧挠曲部提供了绕所述公共轴线的组合的扭转刚度，其导致了所述一对四极质量块相对于所述壳体而绕所述公共轴线的旋转运动的所期望的谐振频率。

25.如权利要求24所述的方法，其中对所述扭转弹簧挠曲部的参数进行选择，从而为所述一对四极质量块对绕所述轴线的转动提供了第一谐振频率，并为所述四极质量块的其它转动和平动模的运动提供了额外的谐振频率，所述第一谐振频率低于所述额外的谐振频率。

26.如权利要求23所述的方法，其中所述扭转弹簧挠曲部通过多个销进行提供，该多个销通过扩散粘结而固定连接至所述四极质量块并且固定连接至所述壳体。

27.如权利要求23所述的方法，其中所述扭转弹簧挠曲部通过多个销进行提供，该多个销将每个四极质量块的每个侧面连接至所述壳体。

28.如权利要求27所述的方法，其中所述步骤(b)包括：通过扩散粘结而将所述多个销固定至所述四极质量块并且固定至所述壳体。