CN103675936B

CN103675936B - 一种精密单摆式相对重力仪

Info

Publication number: CN103675936B
Application number: CN201310680015.2A
Authority: CN
Inventors: 涂海波; 柳林涛; 钟敏; 王勇; 吴鹏飞
Original assignee: Institute of Geodesy and Geophysics of CAS
Current assignee: Institute of Geodesy and Geophysics of CAS
Priority date: 2013-12-12
Filing date: 2013-12-12
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2033-12-12
Also published as: CN103675936A

Abstract

本发明公开了一种精密单摆式相对重力仪，一根摆杆或两根悬丝和横梁连接，下方连接摆体构成单摆系统，支架通过横梁上的耐磨触点支撑单摆系统，并用真空腔、温控系统、静电屏蔽罩和减震底座来维持单摆所处环境的稳定，减小等效摆长波动，从而实现高稳定、低损耗的单摆运动。在摆体的正上方和正下方分别分布有一对电容位移传感极板，和摆体一起构成变面积电容位移传感器，用于测量摆体的实时位移。第一、第二起振和锁摆位移执行机分别安装于摆体的两侧，构成单摆运动的起振和锁摆机构。该重力仪结构简单，使用方便，方便于机动观测，实现了亚豪伽分辨率的单摆式相对重力测量。

Description

一种精密单摆式相对重力仪

技术领域

本发明属于重力加速度测量仪器领域，更具体涉及一种经济适用的精密单摆式相对重力仪，适用于地质调查、资源勘探、基础科学研究等对区域地表重力加速度数据有需求的研究领域。

背景技术

重力加速度是一个基本的地球物理学常数，准确测量重力加速度在地球科学、资源勘探等领域都具有重要意义。

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，常用方法有摆法（包括单摆法和卡特摆法）和落体法。相对重力仪是指测量重力加速度g的相对变化，需要标定后才能给出绝对重力值。基于超导悬浮原理和精密弹簧秤原理均可搭建相对重力仪，可以达到较高精度，但通常体积庞大，结构较复杂，价格昂贵，不便于对不同地点重力场的移动观测。落体法测量绝对重力的基本原理是根据落体在某一时间段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。卡特摆法测量绝对重力的基本原理是通过两对刀口分别悬挂复摆，调节刀口位置使得两次摆动周期相同，测量周期T及两对刀口的距离L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10 豪伽，但是周期相同的两刀口位置难以精确测定，且操作比较麻烦。

单摆法测量绝对重力的基本原理是根据测得的单摆摆长L和单摆运动周期T来得到重力加速度g的大小，

。

利用单摆原理测量重力加速度时，由于受悬点、摆体质心难以确定等因素的影响，摆长L的绝对精确测定往往较为困难，使得g值测量精度低，测量精度只能在豪伽水平。

在重力测量过程中，检验质量块的位移是重要的待测物理量，直接影响最终的重力测量精度。常见的高精度位移测量方式有电容位移传感和激光干涉测量。传统的变间距电容传感方式会对检验质量有静电反作用干扰；而激光干涉测量系统又比较复杂。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种精密单摆式相对重力仪，结构简单，使用方便，方便于机动观测，改进了传统单摆重力仪的测量精度，相对重力测量分辨率可以达到亚豪伽水平（0.1 mGal =10^-6 m/s²），实现了更高分辨率的单摆式相对重力测量。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施：

基于上述研究背景，研究人员发现，单摆式重力仪可以不追求摆长L的绝对精确测定，而是通过特殊的摆体及悬挂方式的设计，以控制等效摆长的漂移。在摆体周围合理分布差动变面积电容传感电极板进行位移传感，可实现更高分辨率的单摆式相对重力测量。在与其他绝对重力仪对比测量后得到标定，也可用于测量测点的绝对重力值。

本发明公开了这种相对经济适用的精密单摆式相对重力仪，结构简单，方便于机动观测，改进了传统单摆重力仪的测量精度，相对重力测量分辨率可以达到亚豪伽水平（0.1 mGal =10^-6 m/s²）。本发明用一根T型摆杆或两根悬丝悬挂摆体，可限制摆体的扭转运动模式和另一个正交方向的单摆运动模式，从而抑制这些无关模式对单摆运动中等效摆长的周期性的影响。通过采用低热膨胀系数材料，在一定的温控和真空环境下，保证了等效摆长的长期稳定性和单摆运动的稳定性，解决了单摆重力仪通常需要测量绝对摆长的技术难题。该发明使得基于单摆原理的重力仪的测量分辨率不再主要受摆长测量误差的限制，而是主要取决于单摆运动周期的测量精度。

这种精密单摆式相对重力仪，它由摆体、摆杆（或两根悬丝）、横梁、耐磨触点、支架、一侧起振和锁摆位移执行机、另一侧起振和锁摆位移执行机、静电屏蔽罩、真空腔、温控系统、减震底座、电容检测调制信号注入电极、差动变面积电容位移检测极板、时钟、电容检测前置放大和信号解调电路、数据采集和处理系统等部分组成。其连接关系是：摆杆（或两根悬丝）和横梁连接成T型（或型），在摆杆的下端连接摆体，横梁的两端分别连接有用耐磨材料做成的凹槽，并放置于用同样的耐磨材料制成的支点上，组成第一耐磨触点和第二耐磨触点。支架通过第一耐磨触点和第二耐磨触点支撑单摆系统，并使摆体能在纸面内自由摆动，同时又限制了摆体在另一个方向的单摆运动和扭转运动。支架本身固定在真空腔的内表面上。真空腔用于维持其腔内真空度，以降低大气扰动引起的单摆运动和差动电容位移传感的噪声水平。在摆体两侧分别分布有第一起振和锁摆位移执行机、第二起振和锁摆位移执行机，在工作之前需要激励单摆运动或搬运之前需要锁定摆体时，它们用于构成一对单摆运动的起振和锁摆机构。电容检测调制信号上注入电极、第一差动变面积电容位移检测上极板、第二差动变面积电容位移检测上极板为一对差动电容，在同一块基底上通过镀金属膜并分割镀膜面而成，电容检测调制信号下注入电极、第三差动变面积电容位移检测下极板、第四差动变面积电容位移检测下极板为另一对差动电容，在另一块基底上通过镀金属膜并分割镀膜面而成，两块基底分别位于摆体的正上方和正下方。电极和摆体一起组成差动位移传感器探头，并与电容检测前置放大和信号解调电路相连。静电屏蔽罩用于罩着差动电容传感器探头，以抑制位移测量的电磁噪声。静电屏蔽罩外围依次包围有真空腔和温控系统。真空腔外围的温控系统的骨架是金属圆筒，其外表面缠绕有加热丝，内表面分布有温度探头。当探头探测到筒内温度发生变化时，伺服电路将对应加热电流送至加热丝，以补偿温度波动，达到恒温控制目的，从而保持等效摆长的时间稳定性。真空腔底部布置有减震底座，为系统提供机械振动的低通滤波作用。电容检测调制信号上下注入电极位于摆体正上方和正下方，距离摆体一定距离，为摆体注入高频正弦调制信号，供差动电容位移传感和检波使用。第一/第二差动变面积电容位移检测上极板，和第三/第四差动变面积电容位移检测下极板分别分布于摆体上下表面相隔一定距离的位置，每一对极板都可以单独提供所需的差动式变面积电容位移检测输出，因此两对电容极板互为冗余，也为系统噪声诊断提供了便利。电容检测调制信号上下注入电极和变面积电容位移检测上下极板等六个极板均连接到电容检测前置放大和信号解调电路，最终解调的位移信号送至数据采集和处理系统中处理。由于数据采样时间的精度对本仪器最终测量精度有重要影响，这里采用精密时钟为数据采集和数据处理等数字电路部分提供时间基准。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

A、结构简单，经济适用。通过摆体及悬挂方式的设计，在一定的温控和真空环境下，保证了等效摆长的长期稳定性和单摆运动的稳定性，达到了高分辨率的相对重力测量，相对重力测量分辨率可以达到亚豪伽水平。

B、更进一步讲，所述T型摆杆或两根悬丝用高稳定、低热膨胀系数材料加工制作，与支架的接触点采用耐磨材料制作，可限制摆体的扭转运动模式和另一个正交方向的单摆运动模式，从而抑制这些无关模式对单摆运动中等效摆长的周期性的影响。由于特殊的摆系和环境设计抑制了环境扰动噪声，可保证高Q值的稳定单摆运动，从而保证测量分辨率。

该发明使得基于单摆原理的重力仪的测量分辨率不再主要受摆长测量误差的限制，而是主要取决于单摆运动周期的测量精度。

C、在需要测量绝对重力加速度时，可与其他绝对重力仪对比测量以标定输出值，这等价于测量了等效摆长这一难以直接精确测定的几何参数，解决了直接测量绝对摆长的技术难题，从而达到亚豪伽分辨率的绝对重力测量的目的。

D、本发明使用变面积电容位移传感方式测量单摆运动周期，理论上在单摆方向上对摆体没有静电反作用，与变间距电容位移传感方式相比而言有效地减小了测量本身对摆体的反作用扰动，与激光干涉位移测量方式相比则结构简单。

E、更进一步的讲，所述摆体为金属或非金属但镀有金属镀层以利于变面积电容位移检测。

目前，相关支撑技术已经比较成熟，为搭建该经济适用、架设方便的亚豪伽单摆式相对重力仪提供了基础。

附图说明

图1为一种精密单摆式相对重力仪的结构示意图。

1－摆体，2－摆杆，3－横梁，4a－第一耐磨触点（由连接在横梁端点下方的耐磨凹槽和连接在支架上方的耐磨支点组成），4b－第二耐磨触点，5－支架，6a－第一起振和锁摆位移执行机，6b－第二起振和锁摆位移执行机，7－静电屏蔽罩，8－真空腔，9－温控系统，10－减震底座，11a－电容检测调制信号上注入电极，11b－电容检测调制信号下注入电极，12a/12b－第一、第二差动变面积电容位移检测上极板，12c/12d－第三、第四差动变面积电容位移检测下极板，13－时钟，14－电容检测前置放大和信号解调电路，15－数据采集和处理系统。

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。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明的技术细节。

实施例1：

一种精密单摆式相对重力仪，它包括：摆体1、摆杆2、横梁3、第一耐磨触点4a（由连接在横梁下发的耐磨凹槽和连接在支架上方的耐磨支点组成）、第二耐磨触点4b、支架5、第一起振和锁摆位移执行机6a、第二起振和锁摆位移执行机6b、静电屏蔽罩7、真空腔8、温控系统9、减震底座10、第一电容检测调制信号上注入电极11a、第二电容检测调制信号下注入电极11b，第一差动变面积电容位移检测上极板12a、第二差动变面积电容位移检测上极板12b、第三差动变面积电容位移检测下极板12c 、第四差动变面积电容位移检测下极板12d、时钟13、电容检测前置放大和信号解调电路14、数据采集和处理系统15。

各部件的连接关系和作用如下：摆杆2和横梁3用低膨胀系数的材料熔融石英制作连接成T型，长方形的摆体1用同种材料制作并镀金而成，摆体1粘接在摆杆2的正下方，组成单摆系统。横梁3的两端分别连接有用耐磨陶瓷（安阳市中原陶瓷有限公司）做成的凹槽，并放置于用同样的耐磨材料制成的支点上，组成第一耐磨触点4a和第二耐磨触点4b。支架5通过第一耐磨触点4a和第二耐磨触点4b支撑单摆系统，并使摆体能在纸面内自由摆动。单摆等效摆长约30 cm，单摆周期约1 s。支架5本身固定在真空腔8的内表面上。第一起振和锁摆位移执行机6a、第二起振和锁摆位移执行机6b（PI公司 M110平移台）分别安装于摆体1的两侧离摆体1约10 mm的位置，用于程控激励或抑制单摆运动，构成一对单摆运动的起振和锁摆机构。静电屏蔽罩7罩着差动电容传感器探头，静电屏蔽罩7外围依次包围有真空腔8和温控系统9，真空腔10位于减震底座10上方。静电屏蔽罩7用于罩着差动电容传感器探头，以抑制位移测量的电磁噪声。真空腔8（北京燕拓航真空公司）由Invar材料制成，并用真空泵维持其腔内真空度小于1 Pa，以减小单摆运动的能量耗散。温控系统9采用PID主动温控系统（储海兵等，仪表技术，2007，12），它的骨架是金属圆筒，在温控系统9内表面上布置有温度探头、其上缠绕有加热丝，外围包围有绝热套筒。温控系统9的工作点温度设置为约40度（高于外界温度），当温度探头探测到筒内温度波动时，加热丝产生相应热量来弥补因环境波动引起的散热量的波动，从而维持真空腔8及其内部部件工作在日波动约0.1度的温度环境下，以抑制摆长随温度的变化。减震底座10为系统提供机械振动的低通滤波作用。第一差动变面积电容位移检测上极板12a、第二差动变面积电容位移检测上极板12b为一对差动电容，在同一块石英基底上通过镀金属膜并分割镀膜面而成，第三差动变面积电容位移检测下极板12c、第四差动变面积电容位移检测下极板12d为另一对差动电容，在另一块石英基底上通过镀金属膜并分割镀膜面而成，两块基底分别位于摆体的正上方和正下方。电极和摆体一起组成差动位移传感器探头，并与电容检测前置放大和信号解调电路14相连。上下电极板离摆体上下表面3 mm。第一电容检测调制信号上注入电极11a和第二电容检测调制信号下注入电极11b（L. Carbone et al., Physical Review Letters, Vol.91, 2003, 151101）均连接10kHz峰值1V的正弦信号，为摆体注入调制信号，供差动电容位移传感和检波使用。第一差动变面积电容位移检测上极板12a 、第二差动变面积电容位移检测上极板12b为一对差动电容，第三差动变面积电容位移检测下极板12c 、第四差动变面积电容位移检测下极板12d为另一对差动电容，这两对差动变面积电容位移检测（V. Josselin et al., Sensors and Actuators, Vol.78, 1999, 92）的传感电极，用于记录摆体随时间的位移并解算运动周期。经过电容检测前置放大和信号解调电路14（A. Cavalleri et al., Class. Quantum Grav., Vol.78, 1999, 92）的处理，可以分别独立的提供摆体相对于电极的位移信息。因此两对电容极板互为冗余，也为系统噪声诊断提供方便。电容检测调制信号上注入电极11a和电容检测调制信号下注入电极11b及第一差动变面积电容位移检测极板12a、第二差动变面积电容位移检测极板12b、第三差动变面积电容位移检测极板12c、第四差动变面积电容位移检测极板12d均与电容检测前置放大和信号解调电路14相连，从而得到摆体的位移信号。时钟13（铷原子钟，北京泰福特电子科技公司）提供的时钟基准用于采集数据，得到摆体的位移序列，然后在数据采集和处理系统15（PFI 28000）中进行拟合、去粗大误差、平滑等数据处理，最终得到单摆运动的周期序列。

当需要得到绝对重力测量数据时，可将该重力仪与其他绝对重力仪同点测量，从而对重力仪（等价于对摆长）进行标定。随着时间的推移，等效摆长仍然会带来系统误差，但该误差是已定系统误差（理论上等效摆长会因为松弛而有变长的趋势），可以在一定程度上进行修正。该仪器在安静环境下积分1个小时有望达到亚豪伽的测量分辨率（0.1 mGal =10^-6 m/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

1.一种精密单摆式相对重力仪，它包括摆体(1)、摆杆或两根悬丝(2)、横梁(3)、第一耐磨触点(4a)、第二耐磨触点(4b)、支架(5)、第一起振和锁摆位移执行机(6a)、真空腔(8)、温控系统(9)、减震底座(10)、第一电容检测调制信号注入电极(11a)、第一差动变面积电容位移检测极板(12a)、电容检测前置放大和信号解调电路(14)，其特征在于：摆杆或两根悬丝(2)和横梁(3)连接成T型或п型，下方连接摆体(1)构成单摆系统，横梁(3)的两端分别连接有用耐磨材料做成的凹槽，并放置于用同样的耐磨材料制成的支点上，组成第一耐磨触点(4a)和第二耐磨触点(4b)，支架(5)通过第一耐磨触点(4a)和第二耐磨触点(4b)支撑单摆系统，支架(5)固定在真空腔(8)的内表面上，第一起振和锁摆位移执行机(6a)、第二起振和锁摆位移执行机(6b)分别安装于摆体(1)的两侧，构成一对单摆运动的起振和锁摆机构，第一电容检测调制信号上注入电极(11a)、第一差动变面积电容位移检测上极板(12a)、第二差动变面积电容位移检测上极板(12b)、第二电容检测调制信号下注入电极(11b)、第三差动变面积电容位移检测下极板(12c)、第四差动变面积电容位移检测下极板(12d)和摆体构成差动电容传感器探头，静电屏蔽罩(7)罩着差动电容传感器探头，第一电容检测调制信号上注入电极(11a)、第一差动变面积电容位移检测上极板(12a)、第二差动变面积电容位移检测上极板(12b)在一块石英基底上，第二电容检测调制信号下注入电极(11b)、第三差动变面积电容位移检测下极板(12c)、第四差动变面积电容位移检测下极板(12d)在另一块石英基底上。

2.根据权利要求1所述的一种精密单摆式相对重力仪，其特征在于：所述的第一差动变面积电容位移检测上极板(12a)、第二差动变面积电容位移检测上极板(12b)为一对差动电容，第三差动变面积电容位移检测下极板(12c)、第四差动变面积电容位移检测下极板(12d)为另一对差动电容，所述的两石英基底分别位于摆体的正上方和正下方，差动电容传感器探头与电容检测前置放大和信号解调电路(14)相连。

3.根据权利要求1所述的一种精密单摆式相对重力仪，其特征在于：静电屏蔽罩(7)外围依次包围有真空腔(8)和温控系统(9)，真空腔(10)位于减震底座(10)上方。