CN102289003B - 一种低成本高精度重力仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低成本高精度重力仪，包括有悬臂梁，重锤，力频石英谐振器；所述悬臂梁上下两侧侧面上安装有力频石英谐振器，由于悬臂梁在重锤的作用下发生变形，使得上边的其中力频石英谐振器被拉伸，而下端的力频石英谐振器被压缩，悬臂梁由电机驱动可做180度旋转，通过测量力频石英谐振器的频率变化，从而推算出重力加速度的相对值。

Description

一种低成本高精度重力仪
技术领域
    本发明涉及一种低成本高精度重力仪，是用来测量相对重力加速度的仪器。
背景技术
石英谐振器的力频效应最早由Bottom于1947年发现。在随后至今的50年中，人们对这一效应进行了大量的实验和理论研究。结论是当石英谐振器振子受力(或应变) 的作用时，谐振器的谐振频率会随力的改变而线性变化。无论是Bottom 还是随后的New nham等人在定性研究谐振器频率随外力线性变化的同时，均发现力频效应与谐振器旋转角有关。1966 年Ratajski列出了那些对由于外力作用而产生频漂有影响的参数，并对它们进行了定义。所有这些参数中影响最大的是：加力方向角、晶体切型角以及环境温度。
基于石英谐振器力频特性的传感器在上世纪六七十年代有较大发展， 如在压力传感器、加速度传感器和力传感器方面的应用， 这些传感器的作用原理均是将被测量转换为石英晶体的应变，使石英谐振器产生频偏， 通过测频偏得到被测量。利用石英谐振器制作传感器有许多优点，如分辨力高、 重复性好、 在理论上无滞后、 稳定性好等特点。另外频率是数字量输出，抗干扰能力强，同时还具有很高的工作频率和低功耗等优点。 人工石英技术的成熟，使其成本大大降低。正是由于这些优点， 使石英谐振器成为传感器中极具吸引力的敏感元件。石英谐振器是石英谐振式力传感器中的敏感元件，它的力-频特性决定了整个传感器的输入输出特性。
相对重力测量：用仪器测定地面上两点之间的重力差值。地球表面上的最大重力差约为5000mGal。测定两点的重力差值，可采用动力法和静力法。最早的相对重力测量是奥地利测量学家施特内克(R.V.Sterneck)于1887年采用动力法的摆仪进行的。此法是用长度不变的摆在两个待测点上观测摆动周期，根据两点的周期差求重力差。从而避免了精确测量摆长的困难。此后，欧洲各国都采用这种摆仪来进行相对重力测量。以后在仪器结构和观测方法上虽作了不少改进，但测定精度只能达到毫伽级，加上摆仪观测既费时又麻烦，所以目前已很少采用。现在普遍采用静力法的弹簧重力仪测定重力差值。国际上对这种仪器研究甚多，发展很快，不论是测定精度还是使用的方便程度都已达到很高水平。一般精度可达几十微伽，甚至几微伽。野外工作时，在一个测站只需几分钟就可观测完毕。为了克服弹性重力仪因弹性疲劳而引起的零点漂移，1968年又出现了超导重力仪。这种重力仪对重力变化具有很高的分辨力，零点漂移极小，所以特别适合于固定台站上的潮汐和非潮汐重力变化观测。几十年来，世界上比较流行的或者应用最广泛的传感器有两种：一种是以La Coste 和Romberg 发明的“零长弹簧”思想为基础而设计的倾斜零长金属弹簧传感器，其代表作是目前世界上应用最广泛的LaCoste 和Romberg 金属弹簧重力仪；另一种是石英零长弹簧传感器，如加拿大先达利(Scientrex) 公司的CG3 型全自动重力仪，我国曾经使用过的加拿大World2Wide 重力仪和美国的Worden 重力仪。还有一种“虚弹簧设计”的传感器。它利用磁性悬浮物而不是弹簧，实现了作为弹簧仪器的相同的效果，而没有物理弹簧中所固有的缺点。在这个系统中，测量使重荷悬浮到零点所需要的电压，便得到重力测量值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种低成本高精度重力仪，其结构设计巧妙，成本低，结构简单，能实现相对重力加速度测量。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种低成本高精度重力仪，包括有可旋转的悬臂梁，其特征在于：所述悬臂梁的自由端设有重锤，所述悬臂梁的上、下侧面上分别设有晶体谐振器。
所述的一种低成本高精度重力仪，其特征在于：所述晶体谐振器的引线引出并接到谐振电路中。
所述的一种低成本高精度重力仪，其特征在于：所述悬臂梁通过电机驱动做180°旋转。
所述的一种低成本高精度重力仪，其特征在于：所述晶体谐振器为力频石英谐振器。
所述的一种低成本高精度重力仪，其特征在于：所述悬臂梁、重锤以及晶体谐振器均安装在恒温槽内。
本发明的工作原理为：
所述悬臂梁上、下两侧侧面上分别贴有力频石英谐振器，此时，位于悬臂梁上方的力频石英谐振器处于拉伸状态，下方的力频石英谐振器处于压缩状态，这时，将悬臂梁旋转180度，改变了上、下力频石英谐振器的受力状态，从而引起两只力频石英谐振器的谐振频率。
本发明的优点是：
本发明结构设计巧妙精密，通过旋转交替改变两只力频石英谐振器的受力状态，制造技术成熟，可批量生产，基本不受环境温度影响。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
参见附图：
一种低成本高精度重力仪，包括有悬臂梁1，悬臂梁1通过电机7驱动可做180°旋转，所述悬臂梁1的自由端设有重锤2，所述悬臂梁1的上、下侧面上分别贴有晶体谐振器3、4。晶体谐振器3、4上分别设有引线5、6。
在重锤2的作用下，所述悬臂梁1上方的力频石英谐振器3受到拉伸作用，下边的力频石英谐振器4受到压缩作用，引线5和6连接到谐振电路；当电机旋转180度时，力频石英谐振器3由拉伸状态变为压缩状态，力频石英谐振器4由压缩状态变为拉伸作用，通过测量力频石英谐振器的频率变化来测量重力加速度。

Claims (1)

1.一种低成本高精度重力仪，包括有可旋转的悬臂梁，其特征在于：所述悬臂梁的自由端设有重锤，所述悬臂梁的上、下侧面上分别设有晶体谐振器，所述晶体谐振器为力频石英谐振器；所述晶体谐振器的引线引出并接到谐振电路中；所述悬臂梁通过电机驱动做180°旋转；所述悬臂梁、重锤以及晶体谐振器均安装在恒温槽内；
在重锤的作用下，所述悬臂梁上方的力频石英谐振器受到拉伸作用，下边的力频石英谐振器受到压缩作用，引线连接到谐振电路；当电机旋转180度时，悬臂梁上方的力频石英谐振器由拉伸状态变为压缩状态，悬臂梁下方的力频石英谐振器由压缩状态变为拉伸作用，通过测量力频石英谐振器的频率变化来测量重力加速度。
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刘海静等.双端调谐音叉石英谐振器的结构设计方法研究.《仪表技术与传感器》.2003,(第10期),第3页第1-2栏，图1.
双端调谐音叉石英谐振器的结构设计方法研究;刘海静等;《仪表技术与传感器》;20031231(第10期);第3页第1-2栏，图1 *

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