CN104502988B - 一种敏感探头及精密竖直弹簧便携式重力仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种敏感探头及精密竖直弹簧便携式重力仪，该敏感探头至少包括摆体和绝缘的电极框架，电极框架包括底部开口、呈正柱体状、绝缘的框架主体和绝缘板，绝缘板的形状与框架主体顶部的形状相同，摆体的形状与框架主体的形状相同，框架主体侧壁上镀有偶数对电极板，框架主体顶壁和绝缘板上镀有至少一对电极板，摆体位于框架主体顶壁和绝缘板之间，摆体到所有电极板的距离均相等。该重力仪应用了上述敏感探头，是一个高精度的二维竖直摆倾斜仪，将相对重力加速度和二维地倾斜信号的测量通过一次测量实现，从而实现了现有高精度重力仪和倾斜仪的双重功能。

Description

一种敏感探头及精密竖直弹簧便携式重力仪

技术领域

本发明涉及重力加速度测量仪器技术领域，具体涉及一种敏感探头及精密竖直弹簧便携式重力仪，该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高精度重力加速度数据和地倾斜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加速度值。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。超导原理的重力仪可以达到很高的分辨率，但通常体积较大，结构较复杂，价格昂贵，不便于对不同地点重力场的流动观测。

基于精密弹簧秤结构亦可搭建高精度便携式重力仪，该类重力仪依重力敏感结构的不同又可以分为斜拉弹簧秤结构和竖直弹簧秤结构。前者采用零长弹簧思想搭建(Lacoste1932，http://www.microglacoste.com)，该结构对重力变化具有位移放大作用，即极大地降低了摆体与支架间的机械连接刚度，因此同样的重力变化引起的位移量更大，因而降低了对微位移电路的噪声需求。斜拉结构精巧但复杂，导致该型重力仪价格较昂贵且难以大批量生产。

竖直弹簧秤结构则相对简单可靠，且由于电容测微电路的进步，该型重力仪的分辨率亦可达到微伽量级。利用类似结构的DZW型重力仪(李家明,等.DZW-II型微伽重力仪的改进设计.大地测量与地球动力学,2005(4):127-132)得到了不断改进，已广泛用于台站观测。该重力仪工作于开环模式，其测量原理可表示为

$\mathrm{\Δg}=\frac{k_0\·\mathrm{\Δx}}{m}$

其中k₀为弹簧的刚度，Δx为所测量的摆体的位移变化，m为摆体的质量，Δg即为所测得的重力潮汐信号。该型重力仪受工作模式的局限及定位于潮汐重力仪的影响，测量带宽约0.01Hz，而滤掉了较高频率的地震动信号，且不利于流动观测。另一方面，由于是开环工作模式，该型重力仪靠探头加工的对称性和大动态范围下竖直方向电容位移传感(例如激励信号、放大、检波等电路)的对称性来保障测量的线性度，对电容传感电路有很高的量程-精度比需求。

竖直弹簧秤结构还成功地用于CHZ海洋重力仪(张善言,等.新研制的CHZ海洋重力仪.测绘学报,1987,16(1)：1-6)，其动态精度可达到1mGal，其电磁力反馈控制方案有较大的动态范围，但分辨率较低。处于闭环工作原理的重力仪，其测量原理可表示为

$\mathrm{\Δg}=\frac{C\·V_{\mathrm{feed}}}{m}$

其中，V_feed为加载在磁力反馈时反馈线圈两端或静电反馈时电极板上的电压值，C为标定系数。

另外，高精度垂直摆倾斜仪在我国也已得到了充分发展(吴艳霞.VS新型垂直摆倾斜仪的研究.武汉理工大学图书馆,2005)，分辨率通常达到纳弧度量级。重力潮汐和地倾斜潮汐一直是地球物理研究的重要课题，已经有发明着眼于将两个测地仪器整合到一个测量系统中(李家明,等.重力和倾斜固体潮综合观测仪,CN201110895Y,2008)，但该系统本质上仅是具有独立功能的一个重力仪和一个倾斜仪的测量组合。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种敏感探头，该敏感探头各部件均采用轴对称结构，结合电容测微，使得该探头对竖直方向的重力异常和两个水平方向的地倾斜信号同时敏感。

本发明还提供了一种精密竖直弹簧便携式重力仪，该重力仪应用了上述敏感探头，结构简单，操作方便，而且体积小重量轻，便于携带。更重要的是，该重力仪应用了上述敏感探头，是一个高精度的二维竖直摆倾斜仪，将相对重力加速度和二维地倾斜信号的测量通过一次测量实现，从而实现了现有高精度重力仪和倾斜仪的双重功能。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

一种敏感探头，至少包括摆体和绝缘的电极框架，电极框架包括绝缘板和呈底部开口、正柱体状、绝缘的框架主体，绝缘板和框架主体顶壁的形状、大小相同，摆体的形状与框架主体的形状相同，框架主体外侧壁或内侧壁上对称镀有偶数对电极板，框架主体顶壁和绝缘板上对称镀有至少一对电极板，摆体位于框架主体顶壁和绝缘板之间，摆体到所有电极板的距离均相等。

所述的摆体和框架主体均呈圆柱状或长方体状。

所述框架主体位于摆体内，绝缘板位于框架主体的正上方，框架主体外侧壁上对称镀有偶数对电极板；或者所述摆体位于框架主体外，绝缘板位于框架主体的正下方，框架主体内侧壁上对称镀有偶数对电极板。

所述的摆体和框架主体均呈圆柱状，所述框架主体位于摆体内，绝缘板位于框架主体的正上方，框架主体侧壁上镀有2对电极，2对电极分别为前电极板、后电极板、左电极板和右电极板，框架主体顶壁上镀有下电极板，绝缘板上镀有上电极板。

一种精密竖直弹簧便携式重力仪，至少包括精密弹簧，摆体，温控系统，低胀壳体，微位移调节台，所述的敏感探头，电容测微、反馈控制电路系统以及数据采集、通信电路系统，精密弹簧位于低胀壳体内，低胀壳体位于温控系统内，电容测微、反馈控制电路系统以及数据采集、通信电路系统固定于温控系统的外壁上，框架主体安装在低胀壳体的底部上，绝缘板通过重力仪外围的支架固定，微位移调节台固定在低胀壳体的顶部中心且位于温控系统外，精密弹簧的上端与微位移调节台连接，下端与摆体的顶部中心连接，并穿过绝缘板或框架主体的顶壁，各电极分别通过屏蔽线与电容测微、反馈控制电路系统连接，摆体通过柔软的导电丝与电容测微、反馈控制电路系统连接，低胀壳体的底部安装有三个调平旋钮，且三个调平旋钮均位于温控系统外，低胀壳体、摆体、绝缘板和框架主体竖直方向的对称轴均位于精密弹簧的轴线上。

框架主体上相邻电极板之间均安装有抗冲击能力强的限位条。

所述重力仪还包括呈封闭状的电磁屏蔽层，电磁屏蔽层位于低胀壳体内且固定在低胀壳体的底部上表面上，电磁屏蔽层的顶部中心处开有供精密弹簧穿过的通孔，电极框架和摆体均位于电磁屏蔽层内，电磁屏蔽层和低胀壳体竖直方向的对称轴在同一条直线上。

精密弹簧的上端连接有连接丝A，下端连接有连接丝B，精密弹簧的上端通过连接丝A与微位移调节台连接，下端通过连接丝B与摆体的顶部中心连接，连接丝B穿过绝缘板或框架主体的顶壁。

由上述技术方案可知，在敏感探头中，为测量摆体相对于电极框架在三个平动自由度上的位移，在摆体的每个平动自由度上至少分布一对电极板，各电极板到摆体的距离均相等。框架主体的侧壁上分布有偶数对电极板，框架主体侧壁上位于摆体的每个水平平动自由度上至少分布1对电极板，框架主体顶部和绝缘板上至少分布一对电极板，框架主体顶部和绝缘板上的电极板位于摆体的垂直平动自由度上。摆体在每个平动自由度上的电极板对数越多，摆体相对于电极框架在对应自由度上的位移测量的相对可靠性就越高。

在该重力仪中，各电极板与摆体的距离均相等，因此摆体可在相对于电极框架的三个平动自由度上自由运动，每对电极板中的两个电极板分别与摆体一起构成可变间距的电容器，在电容测微、反馈控制电路系统的检测下实现对对应平动自由度的微位移测量和静电反馈控制。根据电容测微、反馈控制电路系统检测摆体在两个水平平动自由度上的位移，得到低胀壳体在平行于摆体的两个水平平动自由度的倾斜信号，从而实现对该地地倾斜信号的测量；根据电容测微、反馈控制电路系统检测摆体在垂直平动自由度上的位移，通过电容测微和反馈控制系统的处理，将对应反馈电压反馈至框架主体顶部和绝缘板上的电极板，其上电荷产生的静电力将把偏离平衡位置的摆体拉回平衡位置，这时产生的静电力的大小便反映了重力场的实时变化，从而实现对相对重力加速度的测量。

为保护电极框架，在框架主体上相邻电极板之间安装有抗冲击能力强的限位条，因此在仪器搬运过程中或地震发生时，自由运动的摆体将和限位条接触，而不会直接接触电极框架，该设计使重力仪可以抵抗3g以内的冲击。

与现有技术相比，本发明的有益效果与优点在于：

1)该重力仪结构简单，操作方便，而且体积小重量轻，便于携带。

2)该重力仪能同时测量相对重力加速度和二维地倾斜信号，且测量精度高，同时可以利用获得的地倾斜数据实时扣除倾斜对竖直方向重力测量的耦合效应，从而获得高精度的重力变化值。实验表明，使用该重力仪测量相对重力的分辨率达微伽量级，二维地倾斜信号的分辨率达5nrad。

3)该重力仪上限位条的设计，使其具有很强的抗冲击能力，而且使其在运输过程中无须锁定摆体。

4)闭环反馈控制方案与开环测量方案相比，提高了仪器对重力变化的响应速度，大大扩展了现有类似垂直悬挂的开环重力仪的测量带宽，该技术方案使得该仪器可同时记录地震信息至赫兹量级。

5)该重力仪采用静电反馈技术来保证测量的线性水平。相比较开环模式工作的重力仪对机械加工和电容传感电路极高的对称性需求而言，保证静电反馈执行机的线性度较易实现；本发明采用的静电控制方案与现有重力仪的电磁力反馈方案相比，在当前电子技术条件下有更低的噪声本底水平。

附图说明

图1为本发明提供的敏感探头的结构示意图

图2为本发明提供的一种精密竖直弹簧便携式重力仪的结构示意图。

其中：1-温控系统，2-微位移调节台，3-低胀壳体，4-连接丝A，5-精密弹簧，6-电磁屏蔽层，7-连接丝B，8-上电极板，9-摆体，10-下电极板，11-限位条，12-前电极板，13-电极框架，14-右电极板，15-调平旋钮，16-电容测微、反馈控制电路系统，17-数据采集、通信电路系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体说明。

本发明提供的敏感探头至少包括摆体9和绝缘的电极框架13，电极框架包括底部开口、呈正柱体状、绝缘的框架主体和绝缘板，绝缘板的形状与框架主体顶部的形状相同，摆体的形状与框架主体的形状相同，框架主体内侧壁或者外侧壁上镀有偶数对电极，框架主体顶壁和绝缘板上对称镀有至少一对电极板，摆体位于框架主体顶壁和绝缘板之间，摆体到所有电极板的距离均相等。摆体和框架主体均呈圆柱状或长方体状。框架主体位于摆体内时，绝缘板位于框架主体的正上方，框架主体外侧壁上对称镀有偶数对电极板；所述摆体位于框架主体外时，绝缘板位于框架主体的正下方，框架主体内侧壁上对称镀有偶数对电极板。本实施例中，所述的摆体9和框架主体均呈圆柱状，所述框架主体位于摆体内，绝缘板位于框架主体的正上方，框架主体侧壁上镀有2对电极板，2对电极板分别为前电极板12、后电极板、左电极板和右电极板14，框架主体顶壁上镀有下电极板10，绝缘板上镀有上电极板8，如图1所示。

本发明提供的精密竖直弹簧便携式重力仪的结构如图2所示，至少包括精密弹簧5，连接丝A4，连接丝B7，敏感探头，温控系统1，低胀壳体3，电磁屏蔽层6，微位移调节台2，电容测微、反馈控制电路系统16以及数据采集、通信电路系统17。精密弹簧位于低胀壳体内，低胀壳体位于温控系统内，低胀壳体和电磁屏蔽层均呈长方体状。电容测微、反馈控制电路系统以及数据采集、通信电路系统固定于温控系统的外壁上。

该重力仪的敏感探头使用图1所示的敏感探头。框架主体由微晶玻璃经过机械加工成对应形状，再经过表面碾磨和镀金而成，利用激光烧蚀或掩膜的方法将表面分割成多对电极板，每对电极板之间相互绝缘且绝缘电阻大于20MΩ。摆体到各电极板的距离均相等且小于1mm。微位移调节台固定在低胀壳体的顶部中心且位于低胀壳体外，精密弹簧的上端通过连接丝A与微位移调节台(NewportHTFPS301，杭州谱镭光电技术有限公司)连接，下端通过连接丝B与摆体的顶部中心连接，连接丝B穿过上电极板，连接丝B与摆体、上电极板之间是绝缘的，它们之间的绝缘电阻大于20MΩ。上电极板、下电极板、左电极板、右电极板、前电极板和后电极板分别通过屏蔽线与电容测微、反馈控制电路系统连接，摆体通过柔软的导电丝与电容测微、反馈控制电路系统连接。电磁屏蔽层位于低胀壳体内且固定在低胀壳体的底部上表面上，电磁屏蔽层的顶部中心处开有供精密弹簧穿过的通孔，电极框架和摆体均位于电磁屏蔽层内。电磁屏蔽层的设计是为了提高该重力仪的抗电磁干扰能力。低胀壳体、电磁屏蔽层竖直方向的对称轴以及摆体、绝缘板、框架主体的轴心均位于精密弹簧的轴线上。

低胀壳体的底部安装有三个调平旋钮15。重力仪顶部的微位移调节台和底部的三个调平旋钮用于仪器的初调，使重力仪在测量开始之前低胀壳体、电磁屏蔽层竖直方向的对称轴以及摆体、绝缘板、框架主体的轴线竖直且重合，减少误差。框架主体上相邻电极板之间安装有抗冲击能力强的限位条11，在重力仪搬运过程中或地震发生时，自由运动的摆体将和限位条接触，而不会直接接触电极框架而损坏电极框架，该设计使重力仪可以抵抗3g以内的冲击。

精密弹簧由3J58恒弹性材料经过绕簧、定型等工艺制成(陈志远,等.重力仪中零长弹簧的研制.地壳形变与地震,1990,10(3):28-36)，是该型重力仪的核心组件之一，其性能对整个重力仪的性能有决定性影响。但是该精密弹簧刚度的温度系数可达到1×10^-5量级，因此温度效应是该类重力仪的最主要误差源之一。为减少温度效应引起的误差，在重力仪外围包围有控温精度优于10mK的温控系统12，用于抑制该重力仪的温度效应，该系统已在CHZ重力仪上成功应用(宗杰.CHZ海洋重力仪的恒温和温补.测量与地球物理集刊,1988:107-111)，残余的温度效应则由电容测微和反馈控制电路系统来补偿和修正以及数据的后处理来扣除。低胀壳体由膨胀系数小于5×10^-8的微晶玻璃材料搭建而成，以抑制框架自身的温度效应，减小重力仪的温漂。摆体由镁合金经机械加工成相应形状后、再经碾磨和镀金而成，表面有良好的光洁度，减小了表面电势不均匀引起的效应。连接丝A和连接丝B由钨丝绕制后热处理成型。电容测微和反馈控制电路系统由电容测微(V.Josselin,etal.Capacitivedetectionschemeforspaceaccelerometersapplications.SensorsandActuators,1999,78:92-98)和反馈控制(J.Carvajal,etal.FuzzyPIDcontroller:Design,performanceevaluation,andstabilityanalysis,2000,123(3-4):249-270)两个主要部分组成。数据采集和通信电路15(NIUSB-6341)用于对重力仪的位移信号、反馈信号、温度控制水平进行实时记录，并通过串口或无线方式与计算机进行数据交换。

本发明提供的精密竖直弹簧便携式重力仪的工作原理如下：

每个自由度上的两个电极板中心的连线分别与摆体的该平动自由度轴向平行，其中，上电极板和下电极板中心的连线与摆体的竖直平动自由度平行，左电极板和右电极板中心的连线与摆体的其中一个水平平动自由度平行，前电极板和后电极板中心的连线与摆体的另一个水平平动自由度平行。相邻电极板之间是相互绝缘的，所有电极板与摆体的距离相等，由于摆体可自由在相对于电极框架的三个平动自由度上自由运动，每对电极板中的两个电极分别与摆体一起构成可变间距的电容器，在电容测微、反馈控制电路系统的检测下实现对对应自由度的微位移测量和静电反馈控制。

在测量开始之前，调节重力仪顶部的微位移调节台和底部的三个调平旋钮，使重力仪的电极框架、精密弹簧和摆体的轴线以及低胀壳体的竖直方向的对称轴竖直且重合，从而使精密弹簧和摆体构成竖直弹簧振子，本实施例中，连接丝A到摆体的重心即等效的单摆摆长约15cm。将重力仪投入测量后，根据电容测微、反馈控制电路系统检测摆体在两个水平平动自由度上的位移，得到低胀壳体在平行于摆体的两个水平平动自由度的倾斜信号，从而得到该地的地倾斜信号，；根据电容测微、反馈控制电路系统检测摆体在竖直平动自由度上的位移，通过电容测微、反馈控制系统的处理，将对应反馈电压反馈至框架主体顶部和绝缘板上的电极板，其上电荷产生的静电力将把偏离平衡位置的摆体拉回平衡位置，这时产生的静电力的大小便反映了重力场的变化，从而实现对相对重力加速度的测量。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，从而标定出该重力仪的偏置量，换算出绝对重力值。

Claims (8)

1.一种敏感探头，至少包括摆体，其特征在于：还包括绝缘的电极框架，电极框架包括绝缘板和呈底部开口、正柱体状、绝缘的框架主体，绝缘板和框架主体顶壁的形状、大小相同，摆体的形状与框架主体的形状相同，框架主体外侧壁或内侧壁上对称镀有偶数对电极板，框架主体顶壁和绝缘板上对称镀有至少一对电极板，摆体位于框架主体顶壁和绝缘板之间，摆体到所有电极板的距离均相等。

2.根据权利要求1所述的敏感探头，其特征在于：所述的摆体和框架主体均呈圆柱状或长方体状。

3.根据权利要求2所述的敏感探头，其特征在于：所述框架主体位于摆体内，绝缘板位于框架主体的正上方，框架主体外侧壁上对称镀有偶数对电极板；或者所述摆体位于框架主体内，绝缘板位于框架主体的正下方，框架主体内侧壁上对称镀有偶数对电极板。

4.根据权利要求3所述的敏感探头，其特征在于：所述的摆体和框架主体均呈圆柱状，所述框架主体位于摆体内，绝缘板位于框架主体的正上方，框架主体外侧壁上镀有2对电极，2对电极分别为前电极板、后电极板、左电极板和右电极板，框架主体顶壁上镀有下电极板，绝缘板上镀有上电极板。

5.一种精密竖直弹簧便携式重力仪，至少包括精密弹簧，温控系统，低胀壳体，电容测微、反馈控制电路系统以及数据采集、通信电路系统，精密弹簧位于低胀壳体内，低胀壳体位于温控系统内，电容测微、反馈控制电路系统以及数据采集、通信电路系统固定于温控系统的外壁上，其特征在于：还包括微位移调节台和权利要求1所述的敏感探头，框架主体安装在低胀壳体的底部上，绝缘板通过重力仪外围的支架固定，微位移调节台固定在低胀壳体的顶部中心且位于温控系统外，精密弹簧的上端与微位移调节台连接，下端与摆体的顶部中心连接，并穿过绝缘板或框架主体的顶壁，各电极分别通过屏蔽线与电容测微、反馈控制电路系统连接，摆体通过柔软的导电丝与电容测微、反馈控制电路系统连接，低胀壳体的底部安装有三个调平旋钮，且三个调平旋钮均位于温控系统外，低胀壳体、摆体、绝缘板和框架主体竖直方向的对称轴均位于精密弹簧的轴线上。

6.根据权利要求5所述的精密竖直弹簧便携式重力仪，其特征在于：框架主体上相邻电极板之间安装有抗冲击能力强的限位条。

7.根据权利要求5所述的精密竖直弹簧便携式重力仪，其特征在于：还包括呈封闭状的电磁屏蔽层，电磁屏蔽层位于低胀壳体内且固定在低胀壳体的底部上表面上，电磁屏蔽层的顶部中心处开有供精密弹簧穿过的通孔，电极框架和摆体均位于电磁屏蔽层内，电磁屏蔽层和低胀壳体竖直方向的对称轴在同一条直线上。

8.根据权利要求5所述的精密竖直弹簧便携式重力仪，其特征在于：精密弹簧的上端连接有连接丝A，下端连接有连接丝B，精密弹簧的上端通过连接丝A与微位移调节台连接，下端通过连接丝B与摆体的顶部中心连接，连接丝B穿过绝缘板或框架主体的顶壁。