CN108445547A - 一种三分量海洋重力磁力复合测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三分量海洋重力磁力复合测量装置，包括三分量海洋重力磁力仪和位于其底部的稳定平台，所述稳定平台底部安装有动力平衡装置；所述三分量海洋重力磁力仪包括位于仪器内上部的模数转换电路和数据存储电路、位于仪器内中部的三分量重力传感器、位于三分量重力传感器下方的三分量姿态传感器，以及位于仪器内底部的三分量磁力传感器，所述仪器外顶部设置数据显示单元和信号指示装置，所述稳定平台上安装有温盐探仪，本发明所公开的测量装置可以同步采集三分量海洋重力磁力复合数据，测量数据精度高，准确性好，对后续的科研提供更准确的数据支持。

Description

一种三分量海洋重力磁力复合测量装置

技术领域

本发明涉及地球物理勘探技术领域，特别涉及一种三分量海洋重力磁力复合测量装置。

背景技术

海洋重力测量是海洋地球物理测量方法之一，是测量海区重力加速度的工作。海洋重力测量技术的进步，以及重力成果的广泛使用越来越证明海洋重力数据在大地测量学、地球科学、海洋科学、航天技术的研究和军事上的重要意义。充分的重力测量数据，可以求定大地水准面的形状，给出重力异常分布特征和变化规律，进而研究地质构造、地壳结构、地球形态和勘探海底矿产等。现阶段陆地重力数据比较充分，海洋重力数据不足，而且海洋面积大，一旦有了充分的海洋重力数据，就可得出较精确的全球大地水准面的形状，这对海洋测量本身，以及研究地球形状都是非常必要的。

海洋重力测量是对仪器测得的原始数据引入各项校正计算重力异常的过程。观测重力值在引入必要的校正后与正常重力值的偏差称为重力异常。校正的项目很多，但可归结为两类：一类是为得到观测重力值所作的校正，如厄特渥斯校正、零点漂移校正、引入绝对重力值等；另一类是为得到重力异常所附加的校正，如自由空间校正、布格校正、地形校正和均衡校正，最后是正常场校正。

海洋磁力测量是海洋地球物理调查方法之一，是以海底下岩层具有不同的磁性并产生大小不同的磁场为原理，在海上进行地球磁场测定。早期时，勘测曾使用饱和式磁力仪，目前，多使用核子旋进磁力仪、光泵磁力仪或海上梯度仪等进行连续测量地磁场总向量的绝对值及用三分量磁力仪测量地磁场的三个分量。海洋磁力测量在海面上通过磁力仪测量地磁强度的方法。它是以岩石的磁性差异为前提，根据磁异常场的特征及其分布规律，了解海底岩石磁性不均匀性，进而推断地壳结构和构造、洋底生成和演化历史，以及勘查大陆边缘地区的矿产分布。海洋磁力测量可分为面积测量和路线测量。在大陆架区石油普查中，为查明区域构造和局部构造的特征，采用面积测量；在大洋中，多采用宽间距的路线测量和小范围的面积测量，以查明条带状磁异常的展布方向和磁性海山的磁场特征。海洋磁力测量广泛使用质子旋进磁力仪。质子磁力仪测量地磁场总强度值T，包括均匀磁化球体引起的磁场、大陆异常、区域和局部异常、船磁场影响和日变磁场影响。为了得到反映地壳上部结构和构造的磁场异常，对观测值须进行正常场校正、船磁校正和日变校正。

目前世界上正在使用的几款海洋重力仪和海洋磁力仪存在种种缺陷，比如海洋重力仪和海洋磁力仪是各自独立的海洋重力场和海洋磁场测量仪器，海洋重力仪只能测量重力的垂直分量，传感器精度低、抗船只的水平干扰加速度和垂直干扰加速度能力差，以及震动等对仪器有很大影响等等。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种三分量海洋重力磁力复合测量装置，以达到可以同步采集三分量海洋重力磁力复合数据的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种三分量海洋重力磁力复合测量装置，包括三分量海洋重力磁力仪和位于其底部的稳定平台，所述稳定平台底部安装有动力平衡装置；所述三分量海洋重力磁力仪包括位于仪器内上部的模数转换电路和数据存储电路、位于仪器内中部的三分量重力传感器、位于三分量重力传感器下方的三分量姿态传感器，以及位于仪器内底部的三分量磁力传感器，所述仪器外顶部设置数据显示单元和信号指示装置，所述稳定平台上安装有温盐探仪。

上述方案中，所述三分量重力传感器包括圆柱状外壳，和位于外壳内的长方体状的安装体，所述安装体的三个相邻的侧面上分别安装有X轴传感模块、Y轴传感模块和Z轴传感模块。

上述方案中，所述X轴传感模块包括固定于PCB板上的X轴MEMS重力传感芯片和弱信号检测集成电路芯片，所述Y轴传感模块包括固定于PCB板上的Y轴MEMS重力传感芯片和弱信号检测集成电路芯片，所述Z轴传感模块包括固定于PCB板上的Z轴MEMS重力传感芯片和弱信号检测集成电路芯片，所述X轴MEMS重力传感芯片、Y轴MEMS重力传感芯片和Z轴MEMS重力传感芯片在空间呈三维正交分布。

上述方案中，所述圆柱状外壳的底部设有底座，所述底座的侧面设有用于安装的螺纹，所述底座的底部设有四个安装孔。

上述方案中，所述圆柱状外壳的内侧设有与安装体配合的螺纹，顶部设有可供电源及信号输送的通孔。

上述方案中，所述模数转换电路为9通道模数转换电路。

上述方案中，所述动力平衡装置包括陀螺仪、旋进器和力矩马达。

上述方案中，所述X轴MEMS重力传感芯片、Y轴MEMS重力传感芯片和Z轴MEMS重力传感芯片是基于深硅刻蚀技术、高精度电容位移传感技术和微弱信号检测技术于一体的重力传感芯片。

上述方案中，所述圆柱状外壳的底面直径为45mm，高度为70mm。

通过上述技术方案，本发明提供的三分量海洋重力磁力复合测量装置采用三分量重力传感器进行三个维度的重力测量，采用三分量磁力传感器进行三个维度的磁场测量，采用三分量姿态传感器进行三个维度的姿态修正，测量数据精度高，准确性好，对后续的科研提供更准确的数据支持。该装置的三轴重力传感芯片是基于深硅刻蚀技术、高精度电容位移传感技术和微弱信号检测技术于一体的重力传感芯片，体积小、灵敏度高、噪声低，加工周期短、制造成本低。底部通过稳定平台的支撑，稳定性好，抗船只的水平干扰加速度和垂直干扰加速度能力强，抗震动能力强。

本发明公布的三分量海洋重力磁力复合测量装置可以在海底或海面上同一位置同步进行三分量重力和磁力测量，也可以在移动的测量船上同步进行同一位置的三分量重力和磁力测量。在海底或海面上固定位置进行的三分量重力和磁力测量可以研究同一位置同一时刻的重力和磁力的垂直分量和水平分量在不同的海底或海面位置上的变化，在移动的测量船上同步进行的三分量重力和磁力测量可以研究海面以下三分量重力和磁力垂直分量和水平分量沿船航行轨迹上的变化。该变化是由地下密度和地下磁性不均匀体(岩石或岩石孔隙中的流体)的垂向和横向位置的变化所引起的。

海洋三分量重力随深度的变化可以用来研究测量点周围的三分量重力场的变化，海洋三分量磁力随深度的变化可以用来研究测量点周围的三分量磁场的变化。通过海洋三分量重力场的变化计算推断出测量点周围一定范围内岩石或岩石孔隙中流体密度的变化，可以用于研究区域地质构造、勘探固体矿产和油气资源、以及对进入开采期的油气田进行地下流体分布变化的长期动态监测。根据测量点周围的三分量磁场的变化和磁异常场的特征及其分布规律，可以了解海底岩石磁性不均匀性，进而推断地壳结构和构造、洋底生成和演化历史，以及勘查大陆边缘地区的矿产分布。此外，对测量到的同一位置海洋三分量重力数据和三分量磁场数据进行相互约束反演或联合反演，可以获得更为可靠的测点周围一定范围内岩石或岩石孔隙中流体密度和岩石的磁性的分布和变化规律，极大的降低单一地球物理数据处理解释结果的非唯一性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例所公开的一种三分量海洋重力磁力复合测量装置结构示意图；

图2为本发明实施例所公开的三分量重力传感器透视图；

图3为本发明实施例所公开的三分量重力传感器拆分结构示意图；

图4为本发明实施例所公开的MEMS重力传感芯片加工状态示意图。

图中，1、三分量海洋重力磁力仪；2、稳定平台；3、动力平衡装置；4、9通道模数转换电路和数据存储电路；5、三分量重力传感器；6、三分量姿态传感器；7、数据显示单元和信号指示装置；8、外壳；9、安装体；10、PCB板；11、X轴MEMS重力传感芯片；12、弱信号检测集成电路(ASIC)芯片；13、Y轴MEMS重力传感芯片；14、Z轴MEMS重力传感芯片；15、底座；16、螺纹；17、安装孔；18、通孔；19、三分量磁力传感器；20、温盐探仪。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示的三分量海洋重力磁力复合测量装置，包括三分量海洋重力磁力仪1和位于其底部的稳定平台2，稳定平台2底部安装有动力平衡装置3，动力平衡装置3包括陀螺仪、旋进器和力矩马达，稳定平台2上安装有温盐探仪20，用来测定不同深度的海水水温和盐度。

三分量海洋重力磁力仪1包括位于仪器内上部的9通道模数转换电路和数据存储电路4、位于仪器内中部的三分量重力传感器5、位于三分量重力传感器5下方的三分量姿态传感器6，以及位于仪器内底部的三分量磁力传感器19。三分量姿态传感器6用于同步记录三分量重力传感器5数据采集位置的三分量姿态数据，用于对记录到的海洋三分量重力数据进行处理。三分量磁力传感器19用于同步记录同一位置的三分量磁场数据。仪器外顶部设置数据显示单元和信号指示装置7，用于显示仪器各部件的工作状态。

如图2所示的三分量重力传感器5，包括圆柱状外壳8，和位于外壳8内的长方体状的安装体9，安装体9的三个相邻的侧面上分别安装有X轴传感模块、Y轴传感模块和Z轴传感模块。圆柱状外壳8的底面直径为45mm，高度为70mm。

如图3所示，X轴传感模块包括固定于PCB板10上的X轴MEMS重力传感芯片11和弱信号检测集成电路(ASIC)芯片12，Y轴传感模块包括固定于PCB板10上的Y轴MEMS重力传感芯片13和弱信号检测集成电路(ASIC)芯片12，Z轴传感模块包括固定于PCB板10上的Z轴MEMS重力传感芯片14和弱信号检测集成电路(ASIC)芯片12，X轴MEMS重力传感芯片11、Y轴MEMS重力传感芯片13和Z轴MEMS重力传感芯片14在空间呈三维正交分布。

圆柱状外壳8的底部设有底座15，底座15的侧面设有用于安装的螺纹16，底座15的底部设有四个安装孔17。圆柱状外壳8的内侧设有与安装体9配合的螺纹，顶部设有可供电源及信号输送的通孔18。

X轴MEMS重力传感芯片11、Y轴MEMS重力传感芯片13和Z轴MEMS重力传感芯片14是基于深硅刻蚀技术、高精度电容位移传感技术和微弱信号检测技术于一体的重力传感芯片。如图4所示，芯片的重力敏感单元是硅基一体化弹簧-质量块系统，通过微纳加工工艺对硅晶圆进行整体高准直度深槽刻蚀形成。X轴MEMS重力传感芯片、Y轴MEMS重力传感芯片和Z轴MEMS重力传感芯片在一块硅片上一次刻蚀成型，使用时，将其分开，安装于PCB板上。敏感单元中重力检验质量块的大小对仪器机械热噪声的高低起决定性作用，而深硅加工工艺可以加工出更厚的硅质量块体(500μm)，相较传统表面工艺(10～100μm)可在同样的面积内获得更大的质量块。这也是此重力敏感单元能够达到更低噪声，也即更高精度的主要因素。另外，该敏感单元的设计和加工充分利用硅材料比金属更加优秀的机械性能、稳定性和可大批量、高精密加工的优势，在达到与金属弹簧相对重力传感器相当性能的前提下，还可以做到更小的体积、更短的加工周期和更低的成本。敏感单元因重力变化产生的位移由芯片上集成的高精度变面积式阵列差分电容位移传感器感知，并经弱信号检测电路转换成电压信号。

每个三分量重力传感器5及其辅助的三分量重力数据的采集和存储电路、紧挨着三分量重力传感器的三分量姿态传感器6以及其下的三分量磁力传感器19可以组装成三分量海洋重力磁力仪。

如果在同一地点使用三分量海洋重力磁力仪在海面和海底进行测量，不但可以获取每个三分量重力传感器位置的三分量重力值，而且可以通过简单的计算获得海面和海底的三分量重力传感器之间的垂直重力分量的梯度值。如果在不同的海面或不同的海底位置上使用海洋三分量重力磁力复合仪进行测量，不但可以获取每个三分量重力传感器位置的三分量重力值，而且可以通过简单的计算获得每两个相邻且处于同一水平面的三分量重力传感器之间的沿侧线方向的水平重力分量的梯度值。同时还可以获取同一地点每个三分量磁力传感器位置的三分量磁场值，而且可以通过简单的计算获得海面和海底的三分量磁场传感器之间的垂直磁场分量的梯度值。如果在不同的海面或不同的海底位置上里使用三分量海洋重力磁力仪进行测量，不但可以获取每个三分量磁力传感器位置的三分量磁场值，而且可以通过简单的计算获得每两个相邻且处于同一水平面的三分量磁力传感器之间的沿侧线方向的水平磁场分量梯度值。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种三分量海洋重力磁力复合测量装置，其特征在于，包括三分量海洋重力磁力仪和位于其底部的稳定平台，所述稳定平台底部安装有动力平衡装置；所述三分量海洋重力磁力仪包括位于仪器内上部的模数转换电路和数据存储电路、位于仪器内中部的三分量重力传感器、位于三分量重力传感器下方的三分量姿态传感器，以及位于仪器内底部的三分量磁力传感器，所述仪器外顶部设置数据显示单元和信号指示装置，所述稳定平台上安装有温盐探仪。

2.根据权利要求1所述的一种三分量海洋重力磁力复合测量装置，其特征在于，所述三分量重力传感器包括圆柱状外壳，和位于外壳内的长方体状的安装体，所述安装体的三个相邻的侧面上分别安装有X轴传感模块、Y轴传感模块和Z轴传感模块。

3.根据权利要求2所述的一种三分量海洋重力磁力复合测量装置，其特征在于，所述X轴传感模块包括固定于PCB板上的X轴MEMS重力传感芯片和弱信号检测集成电路芯片，所述Y轴传感模块包括固定于PCB板上的Y轴MEMS重力传感芯片和弱信号检测集成电路芯片，所述Z轴传感模块包括固定于PCB板上的Z轴MEMS重力传感芯片和弱信号检测集成电路芯片，所述X轴MEMS重力传感芯片、Y轴MEMS重力传感芯片和Z轴MEMS重力传感芯片在空间呈三维正交分布。

4.根据权利要求2所述的一种三分量海洋重力磁力复合测量装置，其特征在于，所述圆柱状外壳的底部设有底座，所述底座的侧面设有用于安装的螺纹，所述底座的底部设有四个安装孔。

5.根据权利要求2所述的一种三分量海洋重力磁力复合测量装置，其特征在于，所述圆柱状外壳的内侧设有与安装体配合的螺纹，顶部设有可供电源及信号输送的通孔。

6.根据权利要求1所述的一种三分量海洋重力磁力复合测量装置，其特征在于，所述模数转换电路为9通道模数转换电路。

7.根据权利要求1所述的一种三分量海洋重力磁力复合测量装置，其特征在于，所述动力平衡装置包括陀螺仪、旋进器和力矩马达。

8.根据权利要求3所述的一种三分量海洋重力磁力复合测量装置，其特征在于，所述X轴MEMS重力传感芯片、Y轴MEMS重力传感芯片和Z轴MEMS重力传感芯片是基于深硅刻蚀技术、高精度电容位移传感技术和微弱信号检测技术于一体的重力传感芯片。

9.根据权利要求2所述的一种三分量海洋重力磁力复合测量装置，其特征在于，所述圆柱状外壳的底面直径为45mm，高度为70mm。