CN106383366A - 一种旋转簧片式重力梯度仪 - Google Patents

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吴书朝
张天翔
白彦峥
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Abstract

本发明公开了一种旋转簧片式重力梯度仪，包括：探头，上检验质量，高位支杆，秤杆，低位支杆和簧片，转台，其输入端与探头连接的电容位移传感模块，其输入端与电容位移传感模块的输出端连接的静电反馈模块，以及其输入端与静电反馈模块的输出端连接的模数转换电路；簧片与秤杆的中部刚性连接，高位支杆与秤杆垂直设置且高位支杆的一端与秤杆的一端刚性连接；低位支杆与秤杆垂直设置，且低位支杆的一端与秤杆的另一端刚性连接；高位支杆的另一端连接上检验质量；低位支杆的另一端连接探头中的下检验质量；探头的控制端连接至静电反馈模块的输出端。本发明只需要一台仪器即可完成全张量重力梯度变化的测量，结构简单，悬挂点在整个系统的中心，可减少随机噪声，对地面振动不敏感。

Description

一种旋转簧片式重力梯度仪
技术领域
本发明属于重力梯度测量仪器领域，更具体地，涉及一种旋转簧片式重力梯度仪。
背景技术
重力梯度测量对于地球科学、空间科学具有重要的意义，同时也是资源勘探的有效手段之一，对基础地质调查和研究、油气矿藏等资源勘查具有重要的应用价值。重力梯度仪分为基于扭秤的重力梯度仪和基于差分加速度计的重力梯度仪。前者有扭秤重力梯度仪，后者有旋转加速度计式重力梯度仪、超导重力梯度仪、静电重力梯度仪和原子干涉重力梯度仪等。
扭秤重力梯度仪的基本原理是利用一根悬丝悬挂一根横杆，在横杆的两端各挂一个检验质量，构成一个扭秤系统，水平重力梯度分量作用在扭秤上，使扭秤在水平面内旋转，可以测量水平方向的重力梯度分量。但其测量时间长，稳定性差，测量受到地形起伏的影响严重，不适合于野外观测使用。差分加速度计式重力梯度仪的基本原理是测量加速度计之间的加速度差值，进而获取重力梯度的观测值。通常这类仪器拥有很高的精度，但结构复杂、制造难度大、造价高，常用于科学实验。
通过比较得知，基于扭秤式的重力梯度仪结构简单、容易实现，但观测时间长、易受干扰、体积大，不利于野外观测。基于差分加速度计的重力梯度仪精度高，多用于科学实验。但这类仪器普遍成本较高、制造难度大、结构复杂。具体来说，超导重力梯度仪需在低温下工作，对先进的低温设备提出了很高要求；原子干涉重力梯度仪体积庞大，不利于野外测量。
针对上述现象，市面上急需一种满足勘探需求、结构简单、容易实现、抗干扰能力强、耗时短、便于携带的重力梯度仪。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种旋转簧片式重力梯度仪，采用簧片连接，由于其中心对称的结构以及基于高精度电容位移传感模块的静电反馈，并结合转台的配合，可以达到对地面振动不敏感、获得较高精度以及对全张量的重力梯度变化直接测量的目的。
本发明提供了一种旋转簧片式重力梯度仪，包括：设置于外框架内的探头、上检验质量、高位支杆、秤杆、低位支杆和簧片，设置在外框架的底部且用于带动外框架及其内部的装置旋转的转台，其输入端与所述探头连接的电容位移传感模块，其输入端与所述电容位移传感模块的输出端连接的静电反馈模块，以及其输入端与所述静电反馈模块的输出端连接的模数转换电路；所述簧片与秤杆的中部刚性连接，高位支杆与所述秤杆垂直设置且高位支杆的一端与秤杆的一端刚性连接；低位支杆与秤杆垂直设置，且低位支杆的一端与秤杆的另一端刚性连接；高位支杆的另一端连接上检验质量；低位支杆的另一端连接探头中的下检验质量；探头的控制端连接至静电反馈模块的输出端。
更进一步地，探头包括：极板框架和位于极板框架中间的下检验质量；极板框架包括：右极板、左极板、后极板和前极板；下检验质量为正立方体结构，所述右极板设置在下检验质量的右侧，左极板设置在下检验质量的左侧，后极板设置在下检验质量的后侧，前极板设置在下检验质量的前侧；且由下检验质量与左极板构成平行板电容，下检验质量与右极板构成另一平行板电容，此两平行板电容的差值构成左右差分电容；由下检验质量与前极板构成平行板电容，下检验质量与后极板构成另一平行板电容，此两平行板电容的差值构成前后差分电容；通过电容位移传感模块采集电容差值，电容差值的大小反映了下检验质量在极板框架中的位置。
更进一步地，工作时，当重力梯度发生变化时，所述秤杆发生倾斜以及绕竖直方向的扭转，下检验质量相对于极板框架的位移发生变化并产生相应的电容差变化，电容位移传感模块根据电容差变化获得所述下检验质量相对于所述极板框架的位移偏离信号，所述静电反馈模块根据偏离信号计算反馈电压，并将反馈电压输送到所述探头的反馈控制端并控制所述下检验质量到所述极板框架中心位置；所述转台将所述外框架绕竖直方向进行两次旋转，所述秤杆旋转前后分别对应的控制电压的组合与泊松方程联立，获得全张量重力梯度的变化量，即完成对全张量重力梯度的相对测量。
更进一步地，所述高位支杆、低位支杆或秤杆的质量远小于所述上检验质量及下检验质量的质量。
更进一步地，所述下检验质量、所述秤杆、所述高位支杆、所述低位支杆和所述上检验质量构成了一个中心对称结构。
更进一步地，所述外框架构成一个密闭系统用于减少气流的影响，其内部还可以进行抽真空以进一步减小气流的影响。
更进一步地，所述转台受内部芯片控制，将装置旋转至特定位置。
更进一步地，通过旋转所述秤杆，由反馈电压以及泊松方程之间的组合，得到全张量的重力梯度变化量。
更进一步地，所述下检验质量、上检验质量、秤杆和支杆组成一个中心对称结构，对地面振动不敏感，从而提高了自身的稳定性。
更进一步地，所述探头感知到的重力梯度的变化可以由电容位移传感模块检测，并送至静电反馈模块，产生静电反馈力使下检验质量被控制在探头的极板框架中央，反馈电压经模数转换电路，转换成数字信号被采集记录。
更进一步地，所述外框架构成一个密闭系统用于减少气流的影响，其内部还可以进行抽真空以进一步减小气流的影响。
本发明的旋转簧片式重力梯度仪，只有几个部件组成，结构简单，容易实现；因其下检验质量、上检验质量、支杆、秤杆呈中心对称结构，因而对地面振动不敏感，提高了稳定性；电路部分采用静电反馈控制，减小了簧片非线性的影响，降低了仪器自身测量数据的漂移；由于秤杆是通过簧片与外框架连接，秤杆不仅能发生绕竖直方向的扭转，还可以发生倾斜，因此不仅可以测量水平重力梯度，还可以测量垂直重力梯度，仅需两次旋转，即可完成全张量重力梯度的相对测量；两次旋转通过安装在仪器下方的转台实现；转台自带芯片可通过程序控制自行旋转，从而避免人工旋转时对测量的干扰。
附图说明
图1是本发明实施例提供的旋转簧片式重力梯度仪的原理框图；
图2是本发明实施例提供的旋转簧片式重力梯度仪电路部分的原理框图；
图3是本发明实施例提供的旋转簧片式重力梯度仪中探头的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的电容位移传感电路原理框图；
图5是本发明实施例提供的控制原理框图。
其中，1为外框架，2为转台，3为电容位移传感模块，31为前置放大器、32为带通滤波器，33为乘法器，34为低通滤波器，35为信号发生器，4为静电反馈模块，5为模数转换电路，11为探头，12为上检验质量，13为高位支杆，14为秤杆，15为低位支杆，16为簧片，111为下检验质量，112为右极板，113为左极板，114为后极板，115为前极板。
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1示出了本发明实施例提供的旋转簧片式重力梯度仪的原理框图，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：
旋转簧片式重力梯度仪包括：簧片16、秤杆14、高位支杆13、低位支杆15、探头11和上检验质量12一并置于外框架1内，簧片16与秤杆14刚性连接；高位支杆13与秤杆14垂直，低位支杆15与秤杆14垂直；高位支杆13、低位支杆15和秤杆14应尽量细和轻，质量远小于上检验质量12和下检验质量111；秤杆14、高位支杆13、低位支杆15、探头11、上检验质量12之间都是刚性连接，呈中心对称结构；外框架1安装于转台2之上，用于将装置旋转到不同的方位角；电容位移传感模块3、静电反馈模块4和模数转换电路5为仪器的电路部分；静电反馈模块的输出端连接至探头11的反馈控制端；探头11的结构如图3所示，由极板框架以及位于极板框架中间的下检验质量111构成；电容位移传感模块3用于检测下检验质量111相对于极板框架的位移偏离信号，静电反馈模块4根据偏离信号计算反馈电压，而后将输出接到探头的反馈控制端，将检验质量控制在极板框架中心；通过转台2的两次旋转至不同方位，每个方位包含两个梯度分量与力矩的方程，三个方位共六个独立方程，利用得到的反馈电压进行组算，获取全张量重力梯度的变化。
在本发明实施例中，为了记录反馈电压信号以便于后续处理，如图2所示，旋转簧片式重力梯度仪中模数转换电路5用于对反馈电压进行采集和存储。当旋转簧片式重力梯度仪所处的位置重力梯度发生变化时，会引起下检验质量111偏离电容极板框架的中间位置，这种偏离由电容位移传感模块3进行检测；静电反馈模块4根据电容位移传感模块检测到的结果产生控制信号并进一步产生静电反馈力驱动下检验质量111回到平衡位置。反馈电压的大小便反映了梯度仪所在位置重力梯度的变化信息。反馈电压由模数转换电路5转化成数字信号被采集记录。
在本发明实施例中，探头11的结构如图3所示；探头11由极板框架以及位于极板框架中间的下检验质量111构成；其中极板框架由左极板113、右极板112以及前极板115、后极板114相对设置并与下检验质量构成两对差分电容，左右差分电容的构成是由下检验质量111与左极板113构成平行板电容，下检验质量111与右极板112构成另一平行板电容，此两平行板电容的差值构成左右差分电容；同理，前后电容极板与检验质量的电容差构成前后差分电容，会被电容位移传感模块3检测出其值的大小。而电容差值的大小，反映了下检验质量111在极板框架的位置。
在本发明实施例中，电容位移传感模块如图4所示，包括：信号发生器35以及依次连接的前置放大器31、带通滤波器32、乘法器33和低通滤波器34；信号发生器35用于产生正弦载波信号并分别输出给前置放大器31和乘法器33；前置放大器31用于根据正弦载波信号将待测电容差信号进行调制后输出；带通滤波器32用于将调制后的待测电容差信号进行带通滤波；乘法器33用于对滤波后的信号进行解调；低通滤波器34用于对解调后的信号进行滤波并输出反映电容差的电压信号。输出的电压信号将输送至静电反馈模块4，用于产生反馈控制电压。
为了更进一步地说明本发明实施例提供的旋转簧片式重力梯度仪的控制原理，现结合如图5所示的控制原理框图详述如下：在本发明实施例中，当仪器周围的重力梯度发生变化，低位支杆15会发生倾斜，进而下检验质量111会偏离极板框架中心位置，电容位移传感模块3会感知到这种位移变化，并将位移变化对应的电容差信号输出至静电反馈模块4，静电反馈模块4通过自身运算，输出反馈电压，并输入至各个极板（左极板113、右极板112、前极板115、后极板114），使极板与下检验质量111之间产生静电力，将下检验质量111拉回极板框架的中心位置。
在本发明实施例中，静电反馈模块4可以采用PID控制模块。本领域的普通技术人员根据现有的公知常识很容易实现，在此不再详述。
在本发明实施例中，模数转换电路5可以为基于FPGA芯片控制的采集模块。本领域的普通技术人员根据现有的公知常识很容易实现，在此不再详述。
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 (6)

1.一种旋转簧片式重力梯度仪，其特征在于，包括：设置于外框架(1)内的探头(11)、上检验质量(12)、高位支杆(13)、秤杆(14)、低位支杆(15)和簧片(16)，设置在所述外框架(1)的底部且用于带动外框架(1)内的装置旋转的转台(2)，其输入端与所述探头(11)连接的电容位移传感模块(3)，其输入端与所述电容位移传感模块(3)的输出端连接的静电反馈模块(4)，以及其输入端与所述静电反馈模块(4)的输出端连接的模数转换电路(5)；
所述簧片(16)与秤杆(14)的中部刚性连接，所述高位支杆(13)与所述秤杆(14)垂直设置且所述高位支杆(13)的一端与所述秤杆(14)的一端刚性连接；所述低位支杆(15)与所述秤杆(14)垂直设置，且所述低位支杆(15)的一端与所述秤杆(14)的另一端刚性连接；所述高位支杆(13)的另一端连接上检验质量(12)；所述低位支杆(15)的另一端连接所述探头(11)中的下检验质量(111)；所述探头(11)的控制端连接至所述静电反馈模块(4)的输出端。
2.如权利要求1所述的旋转簧片式重力梯度仪，其特征在于，所述探头(11)包括：极板框架和位于所述极板框架中间的下检验质量(111)；
所述极板框架包括：右极板(112)、左极板(113)、后极板(114)和前极板(115)；
所述下检验质量(111)为正立方体结构，所述右极板(112)设置在所述下检验质量(111)的右侧，所述左极板(113)设置在所述下检验质量(111)的左侧，所述后极板(114)设置在所述下检验质量(111)的后侧，所述前极板(115)设置在所述下检验质量(111)的前侧；且由所述下检验质量(111)与所述左极板(113)构成平行板电容，所述下检验质量(111)与所述右极板(112)构成另一平行板电容，此两平行板电容的差值构成左右差分电容；由所述下检验质量(111)与所述前极板(115)构成平行板电容，所述下检验质量(111)与所述后极板(114)构成另一平行板电容，此两平行板电容的差值构成前后差分电容；通过电容位移传感模块采集电容差值，电容差值的大小反映了下检验质量(111)在极板框架中的位置。
3.如权利要求2所述的旋转簧片式重力梯度仪，其特征在于，工作时，当重力梯度发生变化时，所述秤杆(14)发生倾斜以及绕竖直方向的扭转，下检验质量(111)相对于极板框架的位移发生变化并产生相应的电容差变化，电容位移传感模块(3)根据电容差变化获得所述下检验质量(111)相对于所述极板框架的位移偏离信号，所述静电反馈模块(4)根据偏离信号计算反馈电压，并将反馈电压输送到所述探头(11)的反馈控制端并控制所述下检验质量(111)到所述极板框架中心位置；所述转台(2)将所述外框架(1)绕竖直方向进行两次旋转，所述秤杆(14)旋转前后分别对应的控制电压的组合与泊松方程联立，获得全张量重力梯度的变化量，即完成对全张量重力梯度的相对测量。
4.如权利要求1-3任一项所述的旋转簧片式重力梯度仪，其特征在于，所述高位支杆(13)、低位支杆(15)或秤杆(14)的质量远小于所述上检验质量(12)及下检验质量(111)的质量。
5.如权利要求2所述的旋转簧片式重力梯度仪，其特征在于，所述下检验质量(111)、所述秤杆(14)、所述高位支杆(13)、所述低位支杆(15)和所述上检验质量(12)构成了一个中心对称结构。
6.如权利要求1-5任一项所述的旋转簧片式重力梯度仪，其特征在于，所述外框架(1)构成一个密闭系统用于减少气流的影响，其内部还可以进行抽真空以进一步减小气流的影响。
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