CN104793257A - 一种基于高压悬浮的便携式相对重力仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高压悬浮的便携式相对重力仪，包括真空腔体模块、温度控制模块、高压悬浮控制模块、水平调节模块、机械敏感探头模块；真空腔体模块为机械敏感探头模块提供一个高真空的工作环境；温度控制模块为机械敏感探头模块提供一个温度波动在0.01℃以内的恒温工作环境；高压悬浮控制模块为机械敏感探头模块提供千伏高压产生足够的静电力抵消地表重力加速度，其输出反馈电压信号表征当地重力加速度值；水平调节模块为机械敏感探头模块提供一个水平的工作平台；机械敏感探头模块是该便携式相对重力仪的核心部件，其中动极板受到六根细丝和两根弹簧约束仅能沿其轴线方向平动。

Description

一种基于高压悬浮的便携式相对重力仪

技术领域

本发明属于重力加速度测量领域，更具体涉及一种基于静电高压悬浮的便携式相对重力仪。

背景技术

准确测量重力加速度g及其变化在大地测量、地震预测、资源勘探等领域具有重要作用。一般而言，重力仪分为绝对重力仪和相对重力仪，其中绝对重力仪主要采用摆法和自由落体法，用来测量重力加速度g的绝对值；相对重力仪可以采用超导磁悬浮原理和精密弹簧原理，用来测量重力加速度g的相对变化。基于超导磁悬浮原理的相对重力仪需要工作在低温环境，因此相对体积庞大，结构较复杂；基于精密弹簧原理相对重力仪的性能指标直接与机械弹簧相关，这对弹簧的制作工艺提出了严格的要求，目前精密机械弹簧加工工艺是国内相对重力仪研制的薄弱环节。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于高压悬浮的相对重力仪，其竖直方向潜在测量精度可以达到毫伽水平(1mGal＝10^-5m/s²)；由于机械设计保证极板为直线运动而非圆弧运动，因此机械引入的非线性误差小；此外该种重力仪不采用精密机械弹簧，结构简单、便于携带、功能模块化。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于高压悬浮的便携式相对重力仪，包括真空腔体模块、温度控制模块、高压悬浮控制模块、水平调节模块和机械敏感探头模块；所述温度控制模块用于对所述真空腔体模块内部的温度进行控制，减小所述真空腔体模块内部的温度波动；所述高压悬浮控制模块设置在所述真空腔体模块的周围，用于提供静电悬浮力；所述水平调节模块设置于所述真空腔体模块的上表面，且与所述机械敏感探头模块中的动极板平行；所述机械敏感探头模块设置于所述真空腔体模块内，所述机械敏感探头模块包括第一敏感探头骨架、第二敏感探头骨架、第一定极板、动极板和第二定极板；所述第一定极板固定在所述第一敏感探头骨架中；所述第二定极板固定在所述第一敏感探头骨架中；所述动极板位于所述第一定极板和所述第二定极板中间；工作时，通过测量所述动极板相对所述第一定极板和所述第二定极板的位移，并通过施加千伏高压信号产生静电力使所述动极板悬浮于所述真空腔体模块中。

其中，真空腔体模块包括真空腔体底座单元和真空腔室单元，机械敏感探头模块提供一个真空工作环境；所述温度控制模块紧密安装在真空腔体模块两侧，使重力仪的工作温度波动稳定在0.01℃以内；所述高压悬浮控制模块包括电容位移传感单元、PID控制单元和高压反馈单元，电容位移传感单元测量动极板相对定极板位移，经过PID控制单元计算，利用高压反馈单元在上极板施加高压信号产生足够的吸引力抵消动极板竖直方向的重力加速度g；水平调节模块安装在真空腔体上，配合对重力仪水平方向进行测量与调节；机械敏感探头模块放置于真空腔体模块内，主要包括动极板、定极板和敏感探头骨架，其中两块定极板固定在敏感探头骨架上，动极板通过六根细丝和两根弹簧与敏感探头骨架连接，并限制动极板水平方向的运动，使其仅能沿着竖直方向运动，动极板与定极板相互配合并构成差分电容；

进一步优选地，所述真空腔体模块可以为立方体结构，可以为圆柱体结构。

进一步优选地，所述温度控制模块紧密对称分布在真空腔体两侧。

进一步优选地，所述水平调节模块安装在真空腔体上，通过机械安装保证其与动极板平行。

进一步优选地，所述机械敏感探头模块中动极板通过第一细丝、第二细丝、第三细丝、第四细丝、第五细丝和第六细丝与敏感探头骨架连接，为限制动极板在除竖直方向自由度的运动，需要第一细丝、第二细丝和第三细丝在同一个平面，第四细丝、第五细丝和第六细丝在同一个平面，第一细丝和第四细丝在同一个平面，第二细丝和第五细丝在同一个平面，第三细丝和第六细丝在同一个平面。

进一步优选地，所述高压悬浮控制模块紧密真空腔体一侧，主要包括电容位移传感单元、PID控制单元和高压反馈单元；所述电容位移传感单元与两块定极板和单块动极板通过带屏蔽导线连接，用来测量动极板相对定极板的位移，所述高压反馈单元通过带屏蔽导线在上极板施加千伏高压产生足够的静电力抵消动极板竖直方向的重力加速度g。

进一步优选地，电容位移传感单元包括载波信号和偏置电压产生器、以及依次连接的前置运算放大器、交流放大器、解调器和低通滤波器；所述前置运算放大器的输入端用于连接所述定极板，所述低通滤波单元的输出端提供动极板相对定极板的位移信息；所述载波信号和偏置电压产生器的输出端用于连接所述动极板，并为所述动极板提供频率为10kHz-100kHz、幅值为0.1V-100V的交流调制信号和幅值约0.1V-100V的直流偏置电压。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

(1)该仪器不需要精密弹簧机械锁摆保护装置，因此结构简单、体积小、质量轻、便携性好、且操作方便和功能模块化；

(2)机械敏感探头采用低温度系数、高稳定性材料制作而成，并且工作在高真空环境中，同时温度控制系统能为测量过程提供一个0.01℃的恒温环境，因此该仪器重复度高、稳定性好、受外部环境干扰小。

(3)由于采用了合适的措施限制动极板在其他自由度的运动，因此其输出信号不受水平方向交叉耦合加速度影响，且机械敏感探头的线性度相对较好。

(4)该仪器标度因子可以动态调节，结合稳定平台能直接搭建车载、机载、船载重力仪，并为航空重力梯度仪提供技术基础。

附图说明

图1(a)是本发明实施例提供的基于高压悬浮便携式重力仪的结构示意图；

图1(b)是本发明实施例提供的基于高压悬浮便携式重力仪的内部结构透视图；

图2是本发明实施例提供的真空腔体模块的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的温度控制模块的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的高压悬浮控制模块的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的电容位移传感单元的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的水平调节模块的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的机械敏感探头模块的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的动极板与定极板安装结构示意图。

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。

本发明提供的一种基于静电高压悬浮原理的便携式相对重力仪，不采用精密机械弹簧即可测量当地重力加速度g的变化；主要适用于地面资源勘探、快速重力测量等科学领域。本发明提供的基于高压悬浮的相对重力仪与基于超导磁悬浮的相对重力仪类似，其工作原理是利用电容传感电路测量动极板相对定极板的位移信息，并在上极板施加高压V_H产生足够的静电力来悬浮动极板，此时得到重力加速度g可表示为相对传统的超导磁悬浮原理和精密弹簧原理的相对重力仪而言，基于高压悬浮重力仪是一种新型利用高压产生静电虚拟弹簧来抵消重力加速度g的相对重力仪。相对超导磁悬浮原理重力仪而言，它不需要超导低温环境；相对精密弹簧原理重力仪而言，它由于没有弹簧，不需要另外设计机械锁摆装置限制搬运过程对弹簧可能造成的冲击，降低了机械设计的复杂性，且体积更小方便搬运。

本发明提供的基于高压悬浮的便携式相对重力仪能快速实时测量地表重力加速度g；其结构如图1所示，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：

基于高压悬浮的便携式相对重力仪需要产生近千幅高压来悬浮动极板抵消地表重力加速度g，此时在动极板与定极板之间形成很强的电场，容易击穿空气等绝缘介质，因此需要为机械敏感探头提供一个高真空环境抑制高压击穿现象；此外环境温度波动和仪器倾斜对机械敏感探头的影响也需要进行削弱；因此该相对重力仪主要包括真空腔体模块1、温度控制模块2、高压悬浮控制模块3、水平调节模块4、机械敏感探头模块5；其中温度控制模块2安装在真空腔体模块1两侧，便于减小机械敏感探头工作环境的温度波动和温度梯度波动；高压悬浮控制模块3安装在真空腔体模块1周围，为动极板悬浮提供静电悬浮力；水平调节模块4安装在真空腔体模块1上表面，通过机械安装保证水平调节模块4与机械敏感探头模块5中动极板平行，通过前期调试为仪器提供一个水平方向的工作状态；机械敏感探头模块5安装于真空腔体模块1内部，工作在一个高真空的环境。

图2为真空腔体选用导热性良好、渗透率低、出气率小、易加工的金属材料，如铝、不锈钢等；真空腔体形状可根据需求进行合理设计，一般选用立方体或者圆柱体等；真空腔体包括真空腔体底座单元11和真空腔室单元12，机械敏感探头模块5与真空腔室单元12固定在真空腔底座11上。

温度控制模块2对称分布在真空腔室12两侧，其组成部分如图3所示主要包括温度传感器21、PI控制器22、电流转换器23和加热电阻丝24。温度传感器21实时监测真空腔体12表面的温度、PI控制器22将温度传感信号转换为反馈电压信号、电流转换器23根据反馈电压信号在加热电阻丝24中施加合适的电流信号，产生热量对真空腔室12进行加热。温度控制模块对称分布在真空腔12两侧，能减小真空腔体内部的温度波动和温度梯度。

图4所示高压悬浮控制模块3用于产生近千伏的高压信号施加到构成差分电容的第一定极板53和第二定极板55上，并产生足够的静电力用于抵消竖直方向重力加速度g；高压悬浮控制模块3包括电容位移传感单元31、PID控制单元32和高压反馈单元33；电容位移传感单元31用来测量动极板54相对第一定极板53和第二定极板55的位移信息，其输入端分别与第一定极板53和第二定极板54通过带屏蔽的导线连接，其输出端与动极板54通过带屏蔽的导线连接，这些连接导线的屏蔽层都与地相连用于屏蔽环境电磁场波动对弱信号产生的影响；PID控制单元32对动极板54相对第一定极板53和第二定极板55的位移信息进行滤波、放大、积分等处理，最终将其转化为反馈电压信号；反馈电压信号经过高压反馈单元33的滤波放大，将最终的千伏高压施加在第一定极板53和第二定极板55上。

在本发明实施例中，如图5所示电容位移传感单元31包括实现互阻放大的前置运算放大器311、衰减带宽外噪声的交流放大器312、提取高频信号幅值的解调器313、滤除高频噪声的低通滤波器314和产生高频正弦调制信号与直流偏置电压的载波偏置电压产生单元315；第一定极板53、第二定极板55与前置运算放大器311通过带屏蔽的导线连接，载波偏置电压产生单元315为动极板54提供频率为10kHz-100kHz、幅值为0.1V-100V的交流调制信号和幅值为0.1V-100V的直流偏置电压；调制信号将低频段的差分电容信号调制到高频载波频率10kHz-100kHz处，通过交流放大单元312提高电路信噪比，经过解调单元313和低通滤波单元314提取所需的低频段差分电容信号。

在本发明实施例中，如图6所示，水平调节模块4包括两个相互垂直的第一水平仪41和第二水平仪42，可以选用0.02mm/m精度的水平仪，减小仪器倾斜对输出结果的影响。

在本发明实施例中，如图7所示，机械敏感探头模块5包含低膨胀系数的第一敏感探头骨架51、低膨胀系数的第二敏感探头骨架52、第一定极板53、动极板54和第二定极板55；第一定极板53固定在第一敏感探头骨架51中；第二定极板55固定在第一敏感探头骨架52中；动极板54位于第一定极板53和第二定极板55中间。

其中第一定极板53和第二定极板55由膨胀系数小于10^-7的微晶玻璃经过机械加工制作成与动极板54对应的圆盘形状，再经过表面碾磨和镀金而成；动极板54采用低热膨胀系数、低磁化率、高导热性的轻质材料制作，抑制外部环境温度扰动、电磁场变化对机械敏感探头模块产生的影响，这里可选用磁化率小于10^-5的低温度系数金铂合金；第一定极板53、动极板54和第二定极板55的平面度优于2μm；安装完成后的机械敏感探头的温度系数小、稳定性能好、导电性良好。

第一定极板53、动极板54和第二定极板55安装相对位移如图8所示，通过六根直径为20μm标号分别为571、572、573、574、575和576的细钨丝与两根标号分别为561和562的零长弹簧限制动极板54水平自由度运动，细钨丝和零长弹簧一端固定连接动极板，另一端固定在敏感探头骨架51和52上；其中细钨丝571、572和573处于第一个平面，细钨丝574、575和576处于第二个平面，细钨丝571和574处于第三个平面，细钨丝572和575处于第四个平面，细钨丝573和576处于第五个平面；其中弹簧561和弹簧562处于第六个平面；动极板54在六根细钨丝和两个弹簧的约束下，仅有一个沿着其自身轴线垂直上线运动的自由度，不受水平加速度的影响，且动极板54的运动轨迹是直线而不是圆弧，因此引入的非线性误差较小；这种结构无论从拉力、应力还是从钨丝位置的分布上都是轴对称的，因而动极板54的运动比较平稳，有利于提高仪器的精度和抗干扰能力，为了提高仪器抗水平加速度扰动的能力，这里采用较大的拉丝拉力；在实际运动时，动极板54沿轴线平动的同时还会有微小转动，但是不影响仪器的精度。

作为本发明的一个实施例，细钨丝也可以采用其它材料的细丝替代。

综上所述，本发明不需要精密弹簧机械锁摆保护装置，因此结构简单、体积小、质量轻、便携性好、且操作方便和功能模块化；机械敏感探头采用低温度系数、高稳定性材料制作而成，并且工作在高真空环境中，同时温度控制系统能为测量过程提供一个0.01℃的恒温环境，因此该仪器重复度高、稳定性好、受外部环境干扰小。

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 (7)

1.一种基于高压悬浮的便携式相对重力仪，其特征在于，包括真空腔体模块(1)、温度控制模块(2)、高压悬浮控制模块(3)、水平调节模块(4)和机械敏感探头模块(5)；

所述温度控制模块(2)用于对所述真空腔体模块(1)内部的温度进行控制，减小所述真空腔体模块(1)内部的温度波动；

所述高压悬浮控制模块(3)设置在所述真空腔体模块(1)的周围，用于提供静电悬浮力；

所述水平调节模块(4)设置于所述真空腔体模块(1)的上表面，且与所述机械敏感探头模块(5)中的动极板平行；

所述机械敏感探头模块(5)设置于所述真空腔体模块(1)内，所述机械敏感探头模块(5)包括第一敏感探头骨架(51)、第二敏感探头骨架(52)、第一定极板(53)、动极板(54)和第二定极板(55)；所述第一定极板(53)固定在所述第一敏感探头骨架(51)中；所述第二定极板(55)固定在所述第一敏感探头骨架(52)中；所述动极板(54)位于所述第一定极板(53)和所述第二定极板(55)中间；

工作时，通过测量所述动极板(54)相对所述第一定极板(53)和所述第二定极板(55)的位移，并通过施加千伏高压信号产生静电力使所述动极板(54)悬浮于所述真空腔体模块(1)中。

2.如权利要求1所述的便携式相对重力仪，其特征在于，所述高压悬浮控制模块(3)包括：

电容位移传感单元(31)，其输入端与所述第一定极板(53)和所述第二定极板(55)连接，其输出端与所述动极板(54)连接，用于测量所述动极板(54)相对于所述第一定极板(53)和第二定极板(55)的位移；

PID控制单元(32)，用于对所述位移进行PID运算后输出反馈信号；

高压反馈单元(33)；用于对所述反馈信号进行滤波放大后得到千伏高压信号，并将所述千伏高压信号施加在所述第一定极板(53)和所述第二定极板(55)上。

3.如权利要求2所述的便携式相对重力仪，其特征在于，所述电容位移传感单元(31)包括：

前置运算放大器(311)，其输入端连接至所述第一定极板(53)和所述第二定极板(55)，用于对微弱电流信号进行互阻放大后输出第一电压信号的；

交流放大器(312)，用于对所述第一电压信号的带宽外噪声进行衰减后形成低噪声的第二电压信号；

解调器(313)，用于提取所述第二电压信号的幅值并形成第三电压信号；

低通滤波器(314)，用于滤除所述第三电压信号中的高频噪声，提取所需低频的第四电压信号；

载波偏置电压产生单元(315)，其输出端连接至所述动极板(54)，用于产生高频正弦调制信号与直流偏置电压。

4.如权利要求1所述的便携式相对重力仪，其特征在于，所述水平调节模块(4)包括两个相互垂直的第一水平仪(41)和第二水平仪(42)，所述第一水平仪(41)用于测量重力仪沿着一个水平方向的倾斜角度；所述第二水平仪(42)用于测量重力仪沿着另一个水平方向的倾斜角度。

5.如权利要求1所述的便携式相对重力仪，其特征在于，所述第一敏感探头骨架(51)和所述第二敏感探头骨架(52)的膨胀系数小于10^-7。

6.如权利要求1所述的便携式相对重力仪，其特征在于，所述动极板(54)在六根细丝和两根零长弹簧的限制下只沿竖直自由度运动。

7.如权利要求6所述的便携式相对重力仪，其特征在于，所述细丝为直径为20μm的钨丝。