CN1118713C - 一种高精度重力仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度重力仪，涉及地学观测技术，尤其适用于固体潮研究及地震前兆的观测。为了提供一种结构简单，但灵敏度高、精度也高，装校方便的重力仪，本发明主要由机械主体、恒温器、测微器、采集器组成，采用了垂直悬挂的弹性系统，采用了双层恒温及反馈控温，采用了三片式电容测微器。由于性能价格比高，因此有着广阔的应用前景。

Description

一种高精度重力仪

技术领域

本发明涉及地学观测技术，尤其适用于固体潮研究及地震前兆的观测。

背景技术

本世纪五十年代以来，重力仪有较大的发展，其精度由毫伽级到微伽级。(1伽＝1cm/s²)目前国际上使用较多的是美国的Lacoste重力仪、大地动力型重力仪；西德的GS型重力仪；加拿大的CG-3型重力仪。随着电子技术的发展又出现了激光重力仪和超导重力仪等高精度重力仪。

相对重力仪，即弹簧重力仪，其基本原理是利用弹性力来平衡重力。当重力场发生变化时，弹簧的长度也相应发生变化。因此重力加速度的测量，就可转化为弹簧长度的测量。

首先，弹簧重力仪测定重力变化的前提是弹簧的弹性必须高度稳定。假如要求测量重力加速度g值的变化达到1微伽的精度，就必须使弹簧的弹性达到10^-9，即要有一个高精度的弹性系统。

其次，由于弹簧的长度随温度变化而变化，温度效应常常影响重力仪的读数。为了保证弹性系统的稳定，因此还要有一个高精度的恒温系统。

第三，由于重力加速度的变化很小，所以弹簧的相对伸长量也很小，即又要有一个高精度的测微系统。

综上所述，弹性系统、恒温系统、测微系统就构成了重力仪的三个主要部分，这三部分的性能指标决定着重力仪的性能。

最早的重力仪的结构是简单的，但精度低；后来为了提高它的精度和灵敏度，在机械结构内加进了助动系统和机械放大，这样就使仪器的结构复杂起来。

目前国外的各种重力仪均采用温度补偿来减少温度变化的影响，这样可以降低重力仪对恒温精度的要求，如美国的Lacoste重力仪和西德的GS型重力仪的恒温精度为0.01℃。但温度补偿的重力仪存在着最佳温度点，在最佳温度点上，温度变化对重力仪的影响是最小的。所以Lacoste重力仪和GS型重力仪的工作温度必须选择在最佳工作温度上。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术中存在的问题和不足，而提供一种结构简单，但灵敏度高、精度也高，装校方便的重力仪。

本发明的目的是这样实现的：

①突破国际现有同类仪器的设计思想，大胆采用垂直悬挂的弹性系统。

②充分利用现有电子技术飞速发展的成果，采用了双层保温及反馈控温系统。

③采用了三片式电容测微器。

具体地说，本发明由弹性系统、恒温系统、测微系统组成，包括机械主体、恒温控制器、测微器、采集器、自动调摆电路和自动锁摆电路；

在内恒温筒内，在主体支架的上端，垂直悬挂有弹簧，弹簧的下端与动片相连接；在动片的上、下方有上定片和下定片，均固定在主体支架上；

恒温系统由恒温热结构和恒温控制器组成，恒温热结构由外向内有外壳、绝缘层、外恒温筒、杜瓦瓶、内恒温筒；恒温控制器由热敏电阻桥路、前置放大器及比例积分放大器组成，并依次连接；其中两个热敏电阻分别置于外恒温筒和内恒温筒之间及杜瓦瓶内；

测微系统由三片式电容传感器和测微器组成，传感器由三块金属板组成，中间的一块为活动板，即动片C₃；上、下二块为固定板，即定片C₁、C₂。

本发明与现有技术即与同类其它型号的重力仪相比，具有以下优点：

①由于本发明采用了垂直悬挂的弹性系统，因此灵敏度高而且稳定。由于机械结构简单，装校方便，有利于大批量生产。

②由于本发明采用高精度恒温系统，恒温精度为0.0001℃，所以毋需进行温度补偿，而且使工作温度的选择较为自由，只要工作温度高于最高环境温度即可。而温度补偿的重力仪由于存在着最佳温度点，在最佳温度点上，才能补偿的较好。

③电容测微器有足够高的精度和稳定性。由于测量位移精度的提高，免除了助动系统和机械放大。

④由于热结构设计合理，密封良好，因此受温度和气压的影响较小，在不恒温的观测室内工作时，也能得到较好的观测结果。

⑤采用微机进行数字滤波和数据运算，有助于提高精度，减少了人工计算和管理工作，减少了台站人员的工作量。

附图说明

图1为本发明组成框图。

图2为机械主体结构示意图。

图3为恒温控制器组成框图。

图4为恒温控制器电路图。

图5为传感器结构示意图。

图6为测微器组成框图。

图7为采集器组成框图。

其中：1-机械主体，2-恒温控制器，3-测微器，4-采集器。5-自动调摆电路，6-自动锁摆电路；1.1-底座，1.2-绝缘层，1.3-外恒温筒，1.4-杜瓦瓶，1.5-调摆机构，1.6-内恒温筒，1.7-弹簧，1.8-锁摆机构，1.9-上定片，1.10-动片，1.11-下定片，1.12-配平块，1.13-调平机构，1.14-主体支架，1.15-外壳，1.16-置平气泡，1.17-底座恒温；R_T-热敏电阻，AD580JH-稳压管，AD624AD-精密仪用放大器，OP07-运算放大器，BUZ11-功率效应管，L-加热电阻丝。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明。

由图1可知，本发明由机械主体1、恒温控制器2、测微器3、采集器4、自动调摆电路5、自动锁摆电路6组成。

(1)机械主体及弹性系统

本发明各部分的性能，如弹性系统的高度稳定、恒温系统的热结构、电容测微系统的精密测量，调摆机构及调平机构的精细调节，都必须有合理、稳定、精密的机械结构来保证。本发明的机械主体结构由以下六个部分组成：弹性系统、电容式传感器、调摆机构、锁摆机构、保温均温和加温结构、调平机构。

由图2可知，机械主体1由下列部件组成，其连接关系是：在安装有调平机构1.13和置平气泡1.16的等边三角形金属底座1.1上及圆形外壳1.15内，有一全封闭的绝缘层1.2，采用40mm厚的聚氨脂硬泡沫塑料制成，实现外恒温保温。向内依次有外恒温筒1.3、杜瓦瓶1.4、内恒温筒1.6，均为圆柱形。内、外恒温筒，均为6mm厚金属筒，实现均温；杜瓦瓶1.4用以实现内恒温保温。

在内恒温筒1.6内，在主体支架1.14的上端，垂直悬挂有弹簧1.7，弹簧1.7的下端与动片1.10相连接；在动片1.10的上、下方有上定片1.9和下定片1.11，均固定在主体支架1.14上。主体支架1.14用螺钉紧固在底座1.1上。在.主体支架1.14上，还安装有调摆机构1.5和锁摆机构1.8。

上定片1.9、动片1.10、下定片1.11即组成电容位移传感器，与测微器3.相连。

恒温控制器2的两个热敏电阻分别置于外恒温筒1.3和内恒温筒1.6之间及杜瓦瓶1.4内。

弹性系统是仪器最精密的部分，其机械结构必须高度稳定，其中摆包括弹簧1.7、动片1.10、配平块1.12。为了保证本发明达到1微伽的精度，机械结构变化的影响必须小于0.0001微米。因此，弹性系统中所有的机械零件都要进行真空热处理。弹性系统的主体支架1.14为整体结构，克服了螺钉连接所产生的粘滑运动。圆筒型结构可使应力分布均匀，热处理后，所受的应力又能均匀释放。

本发明能进行较大范围的调整，这样能使其在全球范围内进行测量。这种大范围的调整采用机械电子方法。由自动调摆电路5控制马达的启动、停止、正转和反转。马达通过减速齿轮和丝杆带动弹簧1.7的上端点进行上下运动。自动调摆电路5能判定马达的转动方向及马达的转动速度，使摆始终朝着零位方向运动。当摆位于零位附近时，调摆控制电路5能使马达立即停止运动。

锁摆机构1.8是为了避免在运输过程中摆与周围发生碰撞导致损伤而设计的。运输时由马达通过传动杆与齿轮将摆锁紧，工作时再通过马达按相反方向运动将摆松开，使摆处于自由状态。

弹性系统是重力仪的关键部件位，必须恰当地选择弹簧1.7参数和摆重，引起弹簧1.7弹性变化的主要因素有下列三种：温度效应、蠕变及弹性后效。设计重力仪时，要尽量克服这三种因数的影响。为了减少温度变化的影响，可设法提高恒温精度；为了减少弹簧1.7的蠕变，可采用减轻弹簧1.7负荷的办法。由于负荷减轻，弹簧1.7的灵敏度略有降低，这就要求测微系统具有更高的精度和灵敏度。

①弹簧的拉伸长度与灵敏度

众所周知，弹簧重力仪的基本原理是利用弹簧的拉力来平衡重力，弹簧的平衡方程为：

                    Mg＝fx                             (1)

式中M为摆的质量，f为弹性强度，x为拉伸长度

由弹簧的平衡方程可导出重力仪变化时弹簧的相对伸长量： $\frac{\mathrm{dx}}{x}=\frac{\mathrm{dg}}{g}$ 或 $\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dg}}=\frac{x}{g}---\left(2\right)$

弹簧灵敏度的选择，不仅与重力仪所要求的精度有关，而且与位移测量所能达到的精度有关。根据实验结果，弹簧的精度dx为0.0001μm，重力仪所要求的精度为1微伽，则弹簧的拉伸长度x＝dx/dg＝100mm，弹簧的灵敏度为dx/dg＝0.0001μm/微伽。

②弹簧参数的选择

弹簧参数的选择是否合理，对仪器的精度和稳定性有很大影响。为了使仪器工作稳定，弹簧工作状态的应力和预应力的许用应力应选择适当小一些。在这种状态下由于弹簧的负荷较轻，因而蠕变较小，为了缩小弹性系统的尺寸，采用零长弹簧。

本发明选择的弹簧材料是国产的3J53弹性钢丝(NiCrTi)，材料的剪切弹性模量为G＝6600kg/mm²，钢丝直径d＝0.45mm，螺旋弹簧的中径G＝10mm，摆重P＝Mg＝40克，则弹簧的圈数n＝128圈，弹簧的几何长度L＝56.6mm。

(2)恒温控制器

本发明的恒温系统由恒温热结构和恒温控制器2组成。如图2所示及前面所述，为了保证恒温系统有足够高的恒温精度，采用双层控温及用杜瓦瓶保温。由于热结构设计合理，加热功率仅6瓦。恒温控制器2是一个用负反馈原理控制的，其电路框图如图3所示，由热敏电阻桥路2.1、前置放大器2.2及比例积分放大器(含功效)2.3组成，并依次连接。电路图如图4所示，R_T为热敏电阻，.44008型，美国Yellow Spring公司生产。

(3)测微器

本测微系统是由高精度三片式的差动电容位移传感器3.1和测微器3组成。由图5可知，传感器3.1由三块金属板(电容板)组成，中间的一块为活动板，即动片C₃(1.10)；上、下二块为固定板，即定片C₁1.9、C₂1.11。装校时三者应严格保持平行，表面光洁度必须很高，且化学性能必须稳定，加工时需研磨后再镀金。动片1.10与定片1.9、1.11之间的间距为0.3mm，电容为36pf；定片1.9、1.11的直径为64mm，厚为5mm；动片1.10的直径为40mm，厚为2mm；测微器3如图5所示，由振荡器3.2、反相器3.3、前置放大器3.4、选频放大器.3.5、锁相放大器、移相器3.6及整形3.7组成。

(4)采集器

采集器4如图7所示

本发明的技术指标如下：

①分辨率为1μg，直接量程为2mg。

②调和分析主要结果为：

全日波单位权中误差±3.2μg.

半日波单位权中误差±1.9μg。

③NaKai检验结果：

误差小于1μg的结果占90％；

误差在1μg和2μg之间的占8％；

误差大于2μg的占2％。

④电容传感器精度：

优于0.0001μm。

⑤恒温精度：

月变化小于0.0001℃；

⑥仪器零漂：

仪器工作两年后零漂为2至8微伽。

Claims (3)

1、一种高精度重力仪，由弹性系统、恒温系统、测微系统组成，具体有机械主体(1)、恒温控制器(2)、测微器(3)、采集器(4)、自动调摆电路(5)和自动锁摆电路(6)；其中测微系统由三片式电容传感器(3.1)和测微器(3)组成，传感器(3.1)由三块金属板组成，中间的一块为活动板，即动片C₃(1.10)；上、下二块为固定板，即定片C₁(1.9)、C₂(1.11)；其特征是：

(1)在内恒温筒(1.6)内，在主体支架(1.14)的上端，垂直悬挂有弹簧(1.7)，弹簧(1.7)的下端与动片(1.10)相连接；在动片(1.10)的上、下方有上定片(1.9)和下定片(1.11)，均固定在主体支架(1.14)上；

(2)恒温系统由恒温热结构和恒温控制器(2)组成，恒温热结构由外向内有外壳(1.15)、绝缘层(1.2)、外恒温筒(1.3)、杜瓦瓶(1.4)、内恒温筒(1.6)；恒温控制器(2)由热敏电阻桥路(2.1)、前置放大器(2.2)及比例积分放大器(2.3)组成，并依次连接；其中两个热敏电阻(R₁)分别置于外恒温筒(1.3)和内恒温筒(1.6)之间及杜瓦瓶(1.4)内。

2、按权利要求1所述的一种高精度重力仪，其特征是：弹簧(1.7)采用零长弹簧，材料为3J53弹性钢丝(NiCrTi)，钢丝直径d≤0.45mm，螺旋弹簧的中径G≤10mm，摆重P＝Mg≤40g，弹簧的圈数n≤128圈，弹簧的几何长度L≤56.6mm。

3、按权利要求1所述的一种高精度重力仪，其特征是动片C₃(1.10)与定片C1(1.9)、C₂(1.11)之间的间距≤0.3mm，电容≤36pf；定片C₁(1.9)、C₂(1.11)的直径≤64mm，厚度≤5mm；动片的直径≤40mm，厚度≤2mm。

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