CN105005087B - 一种抗干扰的单轴重力梯度仪 - Google Patents

Abstract

一种抗干扰的单轴重力梯度仪，涉及单轴重力梯度仪，用于对地球外部空间重力场的深入研究，本发明是为了解决重力梯度仪精度低、空间分辨率小和抗干扰性差的问题。本发明中的敏感元件组包括质量块、敏感元件机体外壳和两个同轴的圆柱形弹性支架，梯度感应器固定在质量块的四个角处；两个弹性支架分别位于质量块上下两端，并且均与质量块和敏感元件机体外壳固定连接，质量块能够以弹性支架为轴做微角度旋转。本发明实现了同一平面两个相反方向上重力梯度的准确测量，减少了其他方向重力场对测量的影响，测量精度和空间分辨率是传统重力梯度仪的几十倍，适用于对重力场的测量。

Description

一种抗干扰的单轴重力梯度仪

技术领域

本发明涉及重力梯度仪，用于对地球外部空间重力场的深入研究。

背景技术

重力梯度测量与重力测量相比，重力梯度测量不仅可以测量重力位的一阶导数及其分量，还可以测量重力位的二阶导数，即重力梯度张量的各个分量，因此重力梯度的异常能够反映出异常体的细节，即重力梯度测量的分辨率要高于重力测量的分辨率。正是因为重力梯度测量的诸多优点，综合利用各梯度张量分量信息有利于提高地质解释的准确性和描述地球动力学特性的有效性。

由于直接受制于传感器的精度水平和制造工艺，重力仪测量精度和分辨率的提升空间很小。重力梯度仪的空间分辨率能达到重力仪空间分辨率的几十倍甚至更高，突破了重力仪的分辨率瓶颈，弥补了地球重力场模型中缺少的中高频信息，对于描述和刻画地球重力场具有重要意义。

重力梯度仪可用于对地球外部空间重力场的深入研究，并可用于修改或修正地球重力场的模型。确定地球形状、精确求定地面控制点的坐标和高程基准。同时，重力梯度仪也可用于直接测量地球重力场的梯度变化，绘制测量地区的重力梯度张量数据图，还可用于在大范围内分析测量地区的地质结构，寻找矿藏、油气田,也可用于辅助导航的地形匹配等。然而传统的重力梯度仪中的质量块为哑铃状，在使用重力梯度仪时，各个方向的重力场都会对测量产生影响，同时会产生随机噪声，并且测量精度低、空间分辨率较小。

发明内容

本发明是为了解决重力梯度仪空间分辨率小、抗干扰性差和精度低的问题，提供一种抗干扰的单轴重力梯度仪。

一种抗干扰的单轴重力梯度仪，它包括敏感元件组、四个梯度感应器、敏感元件基座、下壳体、上壳体、真空阀门、多根高温导线、电路调理盒和电连接器；

所述上壳体的下端与下壳体的上表面紧密接触，构成密闭的空间；

所述真空阀门固定在上壳体的侧面；

所述电连接器固定在下壳体的下表面；

所述敏感元件基座位于上壳体与下壳体构成的密闭空间内部，并且固定在下壳体的上表面；

所述敏感元件组固定在敏感元件基座上；

所述敏感元件组包括质量块、敏感元件机体外壳和两个结构相同的弹性支架；

质量块为长方形薄板，所述长方形薄板中心设有小长方形切口，并且长方形薄板的长度方向和宽度方向分别与小长方形切口的长度方向和宽度方向平行；敏感元件机体外壳与质量块形状相同，质量块位于敏感元件机体外壳内部，且质量块与敏感元件机体外壳位于同一平面内，弹性支架为圆柱体；两个弹性支架分别固定于质量块的顶部和底部，两个弹性支架中心线与质量块竖直方向的中心线重合，且两个弹性支架均与敏感元件机体外壳固定连接在一起，质量块能够以弹性支架为轴做微角度旋转；

四个梯度感应器分别位于质量块的四个角上，梯度感应器用来测量质量块的感应电压；每个梯度感应器均通过高温导线连接电连接器的正极；

质量块通过高温导线连接电连接器的负极；

电路调理盒通过电连接器为重力梯度仪提供工作电源。

本发明的有益效果是：质量块为长方形薄板，以单轴的形式与敏感元件机体外壳连接，实现了在同一平面两个相反方向上重力梯度的准确测量，减少了其他方向重力场对测量的影响，降低了随机噪声，抗干扰能力强。即使受到很小的惯量，质量块也会发生偏转，具有非常高的灵敏度。测量精度和空间分辨率是传统重力梯度仪的几十倍，具有结构设计简单，灵敏度好、精度高等特点。

附图说明

图1为实施方式一所述的一种抗干扰的单轴重力梯度仪的整体结构示意图；

图2为敏感元件组的结构示意图；

图3为质量块的主视图；

图4为图3的左视图；

图5为图3的俯视图。

具体实施方式

具体实施方式一：根据图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的一种抗干扰的单轴重力梯度仪，它包括敏感元件组1、四个梯度感应器3、敏感元件基座4、下壳体5、上壳体6、真空阀门7、多根高温导线8、电路调理盒10和电连接器9；

所述上壳体6的下端与下壳体5的上表面紧密接触，构成密闭的空间；

所述真空阀门7固定在上壳体6的侧面；

所述电连接器9固定在下壳体5的下表面；

所述敏感元件基座4位于上壳体6与下壳体5构成的密闭空间内部，并且固定在下壳体5的上表面；

所述敏感元件组1固定在敏感元件基座4上；

所述敏感元件组1包括质量块1-1、敏感元件机体外壳1-2和两个结构相同的弹性支架1-3；

质量块1-1为长方形薄板，所述长方形薄板中心设有小长方形切口，并且长方形薄板的长度方向和宽度方向分别与小长方形切口的长度方向和宽度方向平行；敏感元件机体外壳1-2与质量块1-1形状相同，质量块1-1位于敏感元件机体外壳1-2内部，且质量块1-1与敏感元件机体外壳1-2位于同一平面内，弹性支架1-3为圆柱体；两个弹性支架1-3分别固定于质量块1-1的顶部和底部，两个弹性支架1-3中心线与质量块1-1竖直方向的中心线重合，且两个弹性支架1-3均与敏感元件机体外壳1-2固定连接在一起，质量块1-1能够以弹性支架1-3为轴做微角度旋转；

四个梯度感应器3分别位于质量块1-1的四个角上，梯度感应器3用来测量质量块1-1的感应电压，梯度感应器3的功能相当于力矩补偿器和角度位置传感器；每个梯度感应器3均通过高温导线8连接电连接器9的正极；与梯度电压传感器3相连的高温导线8的一端嵌入到梯度电压传感器3的内部。

质量块1-1通过高温导线8连接电连接器9的负极；与质量块1-1相连的高温导线8的一端嵌入到质量块1-1的内部；

电路调理盒10通过电连接器9为重力梯度仪提供工作电源。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种抗干扰的单轴重力梯度仪进一步限定，在本实施方式中所述上壳体6分为上、下两部分，上部分为空心半球、下部分为空心圆柱，所述空心半球外表面的球径和空心圆柱的外径相同；所述下壳体5为圆形平板，所述圆形平板的半径与空心圆柱的外径相同。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种抗干扰的单轴重力梯度仪进一步限定，在本实施方式中，所述质量块1-1、敏感元件机体外壳1-2和两个弹性支架1-3为一体结构。弹性支架1-3高度为1mm、底面直径为0.78mm。敏感元件组1采用无磁超硬合金材料3J40，该合金材料尺寸和形状具备不受温度影响、稳定性好、使用寿命长等优点。其所具备的物理机械特性最大程度上符合用于生产精准装置元件的材料的要求。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种抗干扰的单轴重力梯度仪进一步限定，在本实施方式中，梯度感应器3为金属薄板，梯度感应器3采用螺钉固定在质量块1-1的上表面或下表面。质量块1-1与电连接器9的负极相连，梯度感应器3与电连接器9的正极相连，即质量块1-1带负电荷、梯度感应器3带正电荷，因此，会产生静电场，即质量块1-1此时位于静电场内。当有力矩作用在质量块1-1上时，质量块1-1会主要在力的作用方向上发生扭转，产生电流，根据扭转角度和重力梯度张量之间的关系，可以得到重力梯度仪所在位置的重力梯度张量。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种抗干扰的单轴重力梯度仪进一步限定，在本实施方式中，敏感元件组1通过螺钉固定在敏感元件基座4的上表面。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种抗干扰的单轴重力梯度仪进一步限定，在本实施方式中，敏感元件基座4通过至少三个螺钉固定在下壳体5的上表面上。

具体实施方式七：根据图3、图4和图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种抗干扰的单轴重力梯度仪进一步限定，在本实施方式中，由重力梯度测量原理可知，重力梯度的大小用质量块1-1绕弹性支架1-3偏转的角度来确定，而转角的表达式为：

其中г是梯度张量，I_X、I_y、I_z是质量块1-1对于相关轴的转动惯量，Ω是固有振动频率、是旋转钢度，ξ是摩擦系数。

当系统处于准静态状态时，或则转角与重力梯度关系为：

其中为系统处于准静态状态时的转角。

当系统处于共振状态并且摩擦力较小时，即并且则转角与重力梯度关系为：能够实现系统在共振模式重力梯度的测量。

其中为系统处于共振状态且摩擦力较小时的转角。

当系统处于临界摩擦状态时，则转角与重力梯度关系为：

在重力场的作用下，由质量块1-1的振动方式可知，I_y-I_x值越大则转角摆动幅值越大。转动惯量I的值由质量块1-1的外形尺寸和材质决定，质量块1-1延x、y、z轴即长方形的长、宽、高的三个尺寸分别用L、W、H表示。图2中，左右方向为x轴方向，前后方向为y轴方向，竖直方向为z轴方向，质量块1-1中心小长方形切口尺寸为L₁、W₁、H₁表示。质量块1-1的转动惯量计算表达式为：

这里其中是恒定系数，该参数在0到1之间变化。本发明经过仿真计算，当L＝14cm，H＝4cm，m＝300g，ρ＝8g/cm³时，转动惯量最接近真实值，因而测量结果最准确。参数≈0.7时，经仿真得出质量块1-1的构造紧密。质量块1-1宽度的计算公式为代入计算得出W≈1.3cm。因此质量块1-1外形尺寸为长×宽×高＝14cm×1.3cm×4cm。小长方形切口尺寸为长×宽×高＝9.8cm×1.3cm×2.8cm。

Claims (6)

1.一种抗干扰的单轴重力梯度仪，包括多根高温导线(8)、电路调理盒(10)和电连接器(9)；

其特征在于：它还包括敏感元件组(1)、四个梯度感应器(3)、敏感元件基座(4)、下壳体(5)、上壳体(6)和真空阀门(7)；

所述上壳体(6)的下端与下壳体(5)的上表面紧密接触，构成密闭的空间；

所述真空阀门(7)固定在上壳体(6)的侧面；

所述电连接器(9)固定在下壳体(5)的下表面；

所述敏感元件基座(4)位于上壳体(6)与下壳体(5)构成的密闭空间内部，并且固定在下壳体(5)的上表面；

所述敏感元件组(1)固定在敏感元件基座(4)上；

所述敏感元件组(1)包括质量块(1-1)、敏感元件机体外壳(1-2)和两个结构相同的弹性支架(1-3)；

质量块(1-1)为长方形薄板，所述长方形薄板中心设有小长方形切口，并且长方形薄板的长度方向和宽度方向分别与小长方形切口的长度方向和宽度方向平行；敏感元件机体外壳(1-2)与质量块(1-1)形状相同，质量块(1-1)位于敏感元件机体外壳(1-2)内部，且质量块(1-1)与敏感元件机体外壳(1-2)位于同一平面内，弹性支架(1-3)为圆柱体；两个弹性支架(1-3)分别固定于质量块(1-1)的顶部和底部，两个弹性支架(1-3)中心线与质量块(1-1)竖直方向的中心线重合，且两个弹性支架(1-3)均与敏感元件机体外壳(1-2)固定连接在一起，质量块(1-1)能够以弹性支架(1-3)为轴做微角度旋转；

四个梯度感应器(3)分别位于质量块(1-1)的四个角上，梯度感应器(3)用来测量质量块(1-1)的感应电压；每个梯度感应器(3)均通过高温导线(8)连接电连接器(9)的正极；

质量块(1-1)通过高温导线(8)连接电连接器(9)的负极；

电路调理盒(10)通过电连接器(9)为重力梯度仪提供工作电源。

2.根据权利要求1所述的一种抗干扰的单轴重力梯度仪，其特征在于：所述上壳体(6)分为上、下两个部分，上部分为空心半球、下部分为空心圆柱，所述空心半球外表面的球径和空心圆柱的外径相同；所述下壳体(5)为圆形平板，所述圆形平板的半径与空心圆柱的外径相同。

3.根据权利要求1或2所述的一种抗干扰的单轴重力梯度仪，其特征在于：所述质量块(1-1)、敏感元件机体外壳(1-2)和两个弹性支架(1-3)为一体结构。

4.根据权利要求3所述的一种抗干扰的单轴重力梯度仪，其特征在于：梯度感应器(3)为金属薄板。

5.根据权利要求1、2或4所述的一种抗干扰的单轴重力梯度仪，其特征在于：敏感元件组(1)通过螺钉固定在敏感元件基座(4)的上表面。

6.根据权利要求5所述的一种抗干扰的单轴重力梯度仪，其特征在于：敏感元件基座(4)通过至少三个螺钉固定在下壳体(5)的上表面上。