CN103018784B - 一种基于两点固定差分测量的单摆绝对重力仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于两点固定差分测量的单摆绝对重力仪，包括真空腔、金属丝、检验质量、两对刀口夹具、两对水平位移调节装置、位移传感器、起振器和两个长度基准块；通过两对刀口夹具分别夹紧金属丝并通过位移调节装置移动刀口夹具实现固定第一悬点和第二悬点；长度基准块用于校准两对刀口夹具之间的垂直距离；位移传感器用于检测检验质量运动的位移。本发明根据两个不同高度悬点固定测量的思想通过两对刀口夹具分别将不同高度悬点固定，避免了直接测量绝对摆长的难题，相对摆长的直接测定较易实现，且有效降低了外界环境及悬挂点不确定对摆长的影响，相对摆长精度测量可到10-7m，从而提高了单摆测g值的精度，达到mGal水平。

Description

一种基于两点固定差分测量的单摆绝对重力仪

技术领域

本发明属于重力加速度测量仪器领域，更具体地，涉及一种基于两点固定差分测量的单摆绝对重力仪。

背景技术

重力加速度是一个重要的物理常数，准确测量重力加速度在地球科学、基础物理、工程应用等领域都具有重要意义。重力的测量分为重力加速度测量和重力梯度测量，其中重力加速度测量可分为绝对测量和相对测量，对应仪器分别称之为绝对重力仪和相对重力仪。绝对重力仪是指测量重力加速度g的绝对大小，常用方法为摆法（包括单摆法和卡特摆法）和落体法。

落体法测量绝对重力的基本原理是根据落体在某一时间内下落的距离来得到重力加速度g的绝对大小。用该方法设计的仪器精度较高，但结构上非常复杂。

单摆法测量绝对重力的基本原理是根据测出的单摆摆长l和固有周期T来得到重力加速度g的绝对大小。利用该原理测量重力加速度时，由于受悬点、检验质量质心难以确定等因素的影响，摆长l的绝对直接测定受到了悬挂较为困难的影响，使得g值测量精度低，测量精度只能在100mGal水平。

卡特摆法测量绝对重力的基本原理是通过两刀口分别悬挂复摆，调节刀口位置使得两次摆动周期相同，测量两刀口距离l及周期T得到重力加速度g的绝对大小。利用该方法测量重力加速度，精度可达到10mGal，但是周期相同的两刀口位置难以精确确定，且操作比较麻烦。

在单摆法和卡特摆法的基础上，人们总结出利用两次不同摆长周期比较测量来测量重力加速度g的方法，其基本原理是：对同一单摆系统，摆长为l₁时单摆运动周期为摆长为l₂时单摆运动周期为利用该方法测量重力加速度时，只需测出两次摆长之差l＝l₁-l₂（这里默认l₁比l₂长）、两次摆动周期T₁、T₂即可得到重力加速度g值的大小。此时重力加速度g的具体计算表达式为：

$g={4\mathrm{\π}}^2\frac{l_1-l_2}{T_1^2-T_2^2}=\frac{{4\mathrm{\π}}^{2}l}{T_1^2-t_2^2}---\left(1\right)$

该方法优点在于：避免了直接测量绝对摆长的难题，相对摆长l的直接测定较易实现，且有效降低了外界环境对摆长的影响。

人们在此思想基础上，尝试通过提升检验质量改变摆长，比较检验质量不同高度下的周期开展绝对重力加速度的测量。但其改变悬线长度同样受限于悬挂点不确定等问题限制，其该方法难以高精度精确测量摆长的长度变化，重复性较差，只能应用于演示实验。离具体仪器的开发还有较远距离。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于两点固定差分测量的单摆绝对重力仪，旨在解决现有技术难以高精度精确测量摆长的长度变化且重复性较差的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于两点固定差分测量的单摆绝对重力仪，包括真空腔、金属丝、检验质量、两对刀口夹具、两对水平位移调节装置、位移传感器、起振器和两个长度基准块；所述检验质量通过所述金属丝悬挂在所述真空腔中，两对刀口夹具分别经其连接杆的一端固定在所述真空腔的内壁，所述连接杆的另一端连接水平位移调节装置；通过两对刀口夹具分别夹紧所述金属丝并通过位移调节装置移动所述刀口夹具实现固定第一悬点和第二悬点；两个长度基准块位于一对刀口夹具与另一对刀口夹具之间并附着于所述真空腔的内壁，用于校准两对刀口夹具之间的垂直距离；位移传感器位于所述检验质量的侧方，用于检测检验质量运动的位移；起振器位于真空腔的底部，用于使所述检验质量左右摆动。

更进一步地，所述检验质量为金属质量块。

更进一步地，所述检验质量的形状为立方体或者圆柱体。

更进一步地，所述位移传感器为电容位移传感器或光电传感器。

本发明采用两个不同高度悬点固定测量的思想，通过两对刀口夹具分别将不同高度悬点固定，避免了直接测量绝对摆长的难题，相对摆长l的直接测定较易实现，且有效降低了外界环境及悬挂点不确定对摆长的影响，使得长度测量更加精确，相对摆长精度测量可到10^-7m，从而提高了单摆测g值的精度，达到mGal水平。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于两点固定差分测量的单摆绝对重力仪的结构示意图；1为真空腔、2为金属丝、3为检验质量、4为左上刀口夹具、5为右上刀口夹具、6为左下刀口夹具，7为右下刀口夹具，8为左上的水平位移调节装置、9为右上的水平位移调节装置、10为左下的水平位移调节装置、11为右下的水平位移调节装置、12为位移传感器、13为起振器、14为长度基准块、15为时钟标准系统、16为数据采集、处理和存储系统。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明在现有技术的基础上提出了基于悬点固定差分测量的单摆绝对重力仪的测量装置设计；具体涉及一种基于两点固定差分测量的单摆绝对重力仪，该仪器能够改进单摆测量重力加速度的精度，达到mGal水平（1mGal=10^-3cm/s²=10^-5m/s²）。

图1示出了本发明实施例提供的基于两点固定差分测量的单摆绝对重力仪的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

基于两点固定差分测量的单摆绝对重力仪包括真空腔1、金属丝2、检验质量3、两对刀口夹具（图中标号4和5表示一对刀口夹具，标号6和7表示另一对刀口夹具）、两对水平位移调节装置（图中标号8和9表示一对水平位移调节装置，标号10和11表示另一对水平位移调节装置）、位移传感器12、起振器13和两个长度基准块14；检验质量3通过金属丝2悬挂在真空腔1中，两对刀口夹具分别经其连接杆的一端固定在真空腔1的内壁，连接杆的另一端连接水平位移调节装置；通过两对刀口夹具分别夹紧金属丝2并通过位移调节装置移动所述刀口夹具实现固定第一悬点a和第二悬点b；两个长度基准块14位于一对刀口夹具与另一对刀口夹具之间并附着于所述真空腔的内壁，用于校准两对刀口夹具之间的垂直距离；位移传感器12位于所述检验质量3的侧方，用于检测检验质量3运动的位移；起振器13位于真空腔1的底部，用于使所述检验质量3左右摆动。

本发明提出的基于两点固定差分测量的单摆绝对重力仪，其原理仍然是比较不同摆长下单摆的周期来测量重力加速度的绝对大小。考虑到通过比较不同摆长下单摆周期进行重力加速度大小测量的不确定度主要来源于摆长变化l的测量精度，因此，我们提出固定悬点的技术方案，该发明的主要想法在于：不改变检验质量和摆线悬挂点的位置，而是采用夹紧方式对不同高度的摆线两悬点位置分别进行固定，通过测量不同高度固定悬点之间的距离以及两次摆动周期，最终给出当地重力加速度的大小。

该仪器关键点在于利用两对刀口夹具分别固定两悬点，其中较高处悬点可以通过水平移动调节刀口夹具夹紧或者初始设置直接夹紧两种方案，较低处悬点则通过水平移动调节刀口夹具夹紧。上下两悬点之间的垂直距离可通过标定的高稳定基线来保证或通过外部长度校准等手段来精确测量，两悬点之间的垂直距离即相对摆长l的测量不确定度主要依赖于刀口夹具精度和移动夹紧的重复性，不依赖于外部环境对悬线长度及悬挂点不确定的影响，可望提高g值的测量精度，达到1mGal量级甚至更高。

在本发明实施例中，检验质量3为摆线悬挂物体，通过金属丝2悬挂在玻璃真空腔1（真空度约为10Pa）中，其材料可以选用金属，其形状可以采用立方体或者圆柱体。利用两对刀口夹具分别夹紧金属丝2来达到固定第一悬点a和第二悬点b的目的，其中第一悬点a通过左上刀口夹具4和右上刀口夹具5来夹紧固定，第二悬点b通过左下刀口夹具6和右下刀口夹具7来夹紧固定，两对刀口夹具分别经各自连接杆固定在真空腔1左、右内壁上，连接杆的另一端分别连接精密的两对水平位移调节装置，通过位移调节装置移动固定在其上的刀口夹具达到夹紧悬线的目的。长度基准块14位于左上刀口夹具4和左下刀口夹具6、右上刀口夹具5与右下刀口夹具7之间，作为长度标准用于校准两刀口夹具对之间的垂直距离。位移传感器12位于检验质量3侧方，用来检测检验质量3运动的位移，具体可采用电容位移传感器或者是光电传感器，起振器13置于真空腔1底部，使检验质量3左右摆动。

在本发明实施例中，水平位移调节装置可以采用精密的用于水平位移调节的压电陶瓷、磁滞伸缩仪或直线电机等。

在本发明实施例中，该单摆绝对重力仪还外接数据采集、处理和存储系统16以及时钟标准系统15，其中数据采集、处理和存储系统16用于将采集到的数据进行处理和存储以得到检验质量3运动的周期信息，时钟标准系统15用于提供了必需的精密计时信息。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的基于两点固定差分测量的单摆绝对重力仪，现详述其工作原理如下：

当单摆绝对重力仪工作时，整个系统处于真空腔1中。首先，通过左上的水平位移调节装置8与右上的水平位移调节装置9水平移动左上刀口夹具4与右上刀口夹具5来夹紧固定第一悬点a。此时第二悬点b不固定，左下刀口夹具6、右下刀口夹具7与悬线保持一定距离以确保检验质量3在起振器13的作用下绕悬点a做小角度（小于1度）摆动，同时，位移传感器12开始记录检验质量3的位移信息，经数据采集、处理和存储系统16以及时钟标准系统15我们可以获得此时检验质量3绕悬点a做摆动运动的周期T1。

随后，通过左下的水平位移调节装置10与右下的水平位移调节装置11水平移动左下刀口夹具6与右下刀口夹具7来夹紧固定悬点b，检验质量3在起振器13的作用下绕悬点b做小角度（小于1度）摆动，同时，位移传感器12开始记录检验质量3的位移信息，经数据采集、处理和存储系统16以及时钟标准系统15我们可以获得此时检验质量3绕悬点b做摆动运动的周期T2。

固定的第一悬点a和第二悬点b之间的间距l通过长度基准块14来保证，长度基准块14上有经标定的高稳定基线，该基线通过外部长度测量（例如激光干涉仪）进行定期校准。

已知检验质量3做两次单摆谐振周期T₁、T₂及两对刀口夹具之间的间距l，利用公式经数据处理后即可得到重力加速度g的大小。

本发明采用两个不同高度悬点固定测量的思想，通过两对刀口夹具分别将不同高度悬点固定，避免了直接测量绝对摆长的难题，相对摆长l的直接测定较易实现，且有效降低了外界环境及悬挂点不确定对摆长的影响，使得长度测量更加精确，相对摆长精度测量可到10^-7m，从而提高了单摆测g值的精度，达到mGal水平（1mGal=10^-3cm/s²=10^-5m/s²）。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于两点固定差分测量的单摆绝对重力仪，其特征在于，包括真空腔、金属丝、检验质量、两对刀口夹具、两对水平位移调节装置、位移传感器、起振器和两个长度基准块；

所述检验质量通过所述金属丝悬挂在所述真空腔中，两对刀口夹具分别经其连接杆的一端固定在所述真空腔的内壁，所述连接杆的另一端连接水平位移调节装置；通过两对刀口夹具分别夹紧所述金属丝并通过所述水平位移调节装置移动所述刀口夹具实现固定第一悬点和第二悬点；

两个长度基准块位于一对刀口夹具与另一对刀口夹具之间并附着于所述真空腔的内壁，用于校准两对刀口夹具之间的垂直距离；

位移传感器位于所述检验质量的侧方，用于检测检验质量运动的位移；

起振器位于真空腔的底部，用于使所述检验质量左右摆动。

2.如权利要求1所述的单摆绝对重力仪，其特征在于，所述检验质量为金属质量块。

3.如权利要求1或2所述的单摆绝对重力仪，其特征在于，所述检验质量的形状为立方体或者圆柱体。

4.如权利要求1所述的单摆绝对重力仪，其特征在于，所述位移传感器为电容位移传感器或光电传感器。