CN1239923C - 用于重力梯度测量的装置 - Google Patents

Abstract

一种测量准静态重力梯度的装置，包括：柔性弦(1)；和输出部件，用于产生作为所述重力梯度的函数的输出；并且其中在两端(2，2’)固定该弦；并且其中该装置包括感测部件(L1，L2)，用于检测由于围绕所述弦的重力梯度而引起的所述弦从其不受干扰的参考位置的横向位移；并且该输出部件响应于该检测的位移以产生作为该重力梯度的函数的所述输出；该装置还包括安装在与该弦的固定端之间的中点对应的位置的部件(30)，构造该部件以防止与其所有奇数模式(从C模式开始)对应的所述弦的移动，同时至少不影响与其第二基本模式(S模式)对应的所述弦的移动。

Description

用于重力梯度测量的装置

技术领域

本发明涉及重力梯度仪(gravity gradiometry)，并尤其涉及一种绝对测量重力梯度张量的分量的方法。

背景技术

该重力梯度张量是相对于某一任意参考系的卡笛尔(Cartesian)坐标x、y、z的重力势能的二阶导数的二维矩阵V。它代表在这些方向的每一个中该重力矢量本身如何沿着所述轴改变。

在某一局部坐标系OXYZ所采用的该重力梯度张量T_ij＝² _ijV(ij＝x，y，z)的分量的精确绝对测量对于在地质勘探、地球重力场的绘图、和太空、海洋及水下航行领域的发展很重要。

首先由Baron Roland von Eǒtvǒs最早在1890年利用具有在与细丝悬挂的水平梁不同的高度吊着的检测质量的扭秤，而发明了重力梯度张量分量的绝对测量方法。该重力梯度引起施加到所述质量上的差分力(differential force)，导致施加到所述梁上的扭矩，并从而引起能利用合适传感器检测到的质量的角偏转。可达到大约1E(1E＝1Eǒtvǒs＝10^-9s^-2)的灵敏度，但由于必须根据每一个具有不同方位角的角偏转的至少5个独立测量而重新计算该重力梯度分量，所以在单个位置测量需要几个小时。

已根据该基本原理构造的实际设备尺寸大并具有低环境抗扰性，从而需要排除在移动运载工具上使用它们的任何可能性的为测量而特别准备的条件。

由Forward在60年代发明了一种增强了以上方法的绝对测量重力梯度张量分量的方法(见美国专利3,722,284(Forward等人)和3,769,840(Hansen))。该方法包括在平台上安装哑铃振荡器和位移传感器，该平台以某一频率Ω绕扭丝的轴均匀水平旋转。该哑铃然后以双倍的旋转频率以强加的振荡移动，同时以该旋转频率调制或不调制(尤其是1/f噪声)误差源和噪声源的大多数。当该旋转频率满足共振条件2Ω＝ω₀时，该强加的振荡振幅最大，其中ω₀是共振角频率，振荡器品质因数Q趋于无穷大。与非旋转方法不同，该方法通过利用与频率2Ω的参考信号的同步检测来分离该响应的正交分量，使得一个人能迅速判定T_yy-T_xx和T_xy的数量。

如果一个人用两个或多个正确定位在这样的移动平台上的单一加速计代替该哑铃振荡器，则如Metzger提出的一样(见美国专利3,564,921)，可直接利用相同原理。除了成对加速计的输出需要附加平衡之外，与先前方案相比该方案没有原理上的新特征。

已根据该方法构造了设备，但它们遇到的问题多于优点，主要由于需要相对于参考旋转系而精确维持均匀旋转和小位移测量。该设备已达到了对于一秒测量间隔的大约几十Eǒtvǒs的最大工作精度，并且由于它们相对低的共振频率使得它们对环境振动噪声非常敏感。这种情况中出现的技术问题很难被克服，使得旋转重力梯度仪的现在开发的设计展示了远低于有限的理论评估的测量精度。

在WO96/10759中，描述了一种测量该重力梯度张量的两个对角外(off-diagonal)分量的方法和装置。根据该文献，具有固定端的静止柔性弦的第二基本模式(S模式)与对角外重力梯度耦合，同时其第一基本模式(C模式)与有效(沿该弦的长度的重量函数的平均)横向重力加速度耦合。换言之，假设具有固定端的弦不经历任何角运动，则仅由重力梯度将具有固定端的弦弯曲到其S模式。所以，通过绝对测量对应于该S模式的弦的机械位移，可能绝对测量该重力梯度张量的对角外分量。

由于柔性弦在两个正交的垂直面上具有两个S投影，所以如果选择该局部坐标系的Z方向以指向沿着该弦的方向，则原理上可能同时测量两个对角外重力梯度，即T_xz和T_yz。

如果该弦不是静止的，即如果它位于例如飞机或轮船的移动平台上。然后由该平台的线和角运动引起的运动学加速度影响该弦的S模式或C模式。

该弦同时弯曲到信号模式(S模式)或寄生模式(C模式)的能力引入了额外噪声，并且为了平衡该C模式，必须由与所述弦邻近的读出系统格外小心。该问题类似于平衡作为构建移动重力梯度仪的传统元件的差分加速计的公用模式的公知问题。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种具有比以上公知系统改善的灵敏度、轻便性和抗扰性的测量重力梯度的装置。

本发明的另一个目的是提供一种用于绝对测量该重力梯度张量的对角外和所有分量的新颖装置，其中用敏感元件和主动反馈回路之间的参量力相互作用而取代该旋转作用，从而获得增强的灵敏度和抗扰性。

本发明的另一个目的是提供一种利用先进低温技术的优点的以上装置的简单技术实现，所述先进低温技术已展示了提供机械位移测量的最大灵敏度和将固有噪声保持在最低水平的能力。

为了达到本发明的这些目的，提供了一种测量准静态重力梯度的装置，包括：

柔性弦；和

输出部件，用于产生作为所述重力梯度的函数的输出；并且其中在两端固定该弦；并且其中该装置包括感测部件，用于检测由于围绕所述弦的重力梯度而引起的所述弦从其不受干扰的参考位置的横向位移；并且

该输出部件响应于该检测的位移以产生作为该重力梯度的函数的所述输出；该装置还包括安装在与该弦的固定端之间的中点对应的位置的部件，构造该部件以防止与其所有奇数模式(从C模式开始)对应的所述弦的移动，同时至少不影响与其第二基本模式(S模式)对应的所述弦的移动。这是可能的，因为对于S模式，该弦的中点不移动，同时对于所有奇数模式，该弦的对应位移在该点达到它们的最大值。

不意欲具体限制“弦”的材料或构造。包括能被重力场横向偏移并提供恢复力的任何拉长张力元件。在一个实施例中，该弦是金属带，在另一个实施例中，该弦为金属线。

具有固定端的不受干扰的柔性弦在穿过固定该弦的两端的点的空间中形成一根绝对直线。该线可被识别为局部坐标系中的轴之一，即Z，并且选择另外两个轴X和Y位于横向(到该弦)平面中。由施加到该弦的每一单元元件的每单位长度的力的横向分量的绝对值引起从该参考位置的任何弦偏转。

可通过任何合适的机械位移感测设备容易地检测该弦从其不受干扰的参考位置的S位移。

该弦最好由高传导或超导材料形成。在两种情况下，如果电流流经该弦，则在该横向平面中并沿该弦的长度产生磁场分布。如果该弦由超导材料制造，则能承载更大的电流，并能达到对机械位移的更好的灵敏度。假如该弦形成闭合传导或超导回路的部分，则通过直接将该弦合并入电流承载电路中或与抽吸电路的电感耦合，而在该弦中产生直流或交流电流。使用交流电流的优点在于其允许输出信号的同步检测。

在一个实施例中，该“弦”是仅与该带的平面垂直移动的金属带。可通过夹子将该带固定在其端部。为了匹配它们的热膨胀系数，整个配置可包含在相同材料制成的盒子中。

当该弦承载电流时，围绕该弦的横向磁场可通过电感耦合与可能由超导材料形成的其他电感器相互作用。在与该弦相邻的电感器中感应的电流振幅将与该弦和该电感器之间的距离直接有关。在本发明的一个优选实施例中，两个拾取线圈沿着该弦的长度安排，以用作位移感测部件，并且在每一线圈中感应的电流可用作该弦的任何低频位移的外差类型高频调制的信号载波电流。

在本发明的一个优选实施例中，该感测部件包括相对于该弦的中点、沿纵向方向对称安置的至少两个传感器，可能为拾取线圈。

在另一个优选实施例中，在两个不平行、最好正交的平面中邻近该弦安排例如拾取线圈的位移传感器，从而能同时测量该弦沿两个横向方向的位移。

当该弦是能在多于一个的平面中移动的圆线时，安装在中点的部件最好是刀刃环的形式。涉及实现期望接触的公差是非常精细的。如果该孔即使仅稍微大一点，将没有任何影响。然而，如果该孔稍微小一点，该弦将不能穿过它。为了提供稳固接触，该弦的材料与所述环的材料应具有相近的热膨胀系数。红宝石(或蓝宝石)和钨是它们的热膨胀系数完美匹配的一对材料。

产生具有这样小和精确尺寸的环的一种方式是利用金刚石钻头从上和下面钻入红宝石(或类似材料)块。该方法导致由足够精度形成的具有放射性向内面向刀刃的红宝石环。

可替换地，当该弦是金属带时，应彼此成直角安排两根这样的带子。安装在该弦中点的部件具有滤除所有不必要的奇数振动模式的效果，而不影响需要的(S形)模式的动态特性。换言之，该部件应提供与该弦的点状或刀刃接触，而不再其上施加任何力。

在该“弦”是金属带形式的情况下，不需要穿过该安装在中点的部件而拽出。因此，该部件可为例如从该带的上和下面单独安装的、具有向内面向刀刃的夹子形式。与该带子精密接触的刀刃可安装在具有与选为夹子的材料的热膨胀系数相近的热膨胀系数的任何材料上，并且可选择支撑结构的尺寸和热膨胀系数，以补偿沿横过其平面的方向的带子的膨胀或收缩。

为了提供这样的“狭窄”弦的简化数学描述，考虑从其不受干扰的参考位置的长度l的柔性弦的位移，也就是说，沿作为单元元件的z位置和时间的函数x(z，t)的以上局部坐标系的x方向。可由以下微分方程描述：

$\mathrm{\η}\frac{{\∂}^2}{{\∂t}^2}x(z,t)+h\frac{\∂}{\∂t}x(z,t)-\mathrm{\α}\frac{{\∂}^2}{\∂z^2}x(z,t)+\mathrm{\β}\frac{{\∂}^4}{\∂z^4}x(z,t)=$

           ＝η[g_x(0，t)+T_xz(0，t)z]+热噪声

                                   (1)

利用对应于该弦的固定端的边界条件和该弦的中点都不移动的条件，即x(0，t)＝x(l/2，t)＝x(l，t)＝0。

在该方程中，η表示每单位长度的弦的质量，α和β表示确定该弦的每单位长度的恢复力的正常数。数量g_x(0，t)和T_xz(0，t)是在选择的该局部坐标平面的中心、沿着该弦的重力加速度和对应重力梯度的x分量的绝对值。

由于该弦经受Brownian波动，所以在方程1的右侧示出了对应热噪声激励源。

在本说明书中，已选择x方向作为简化本发明解释的任意例子。然而，前述和以下分析可等同应用于横过该弦的任一方向或任意数目的方向。

简明地示出方程1只有一个可能解，其对应于加到该弦上的边界条件，即x(0，t)＝x(l/2，t)＝x(l，t)＝0。该解可表示为满足该边界条件的该弦的离散数目特征函数的无限和。

$x(z,t)=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{C}_x(n,t)\sin \left(\frac{2\mathrm{\πn}}{l}z\right)---\left(2\right)$

其中C_x(n，t)是对于某一特征模式(eigenmode)n(n＝1，2，3，...)的弦沿x方向的位移的振幅。

通过在方程1中代入方程2，并两边都乘以sin(2πn’z/l)，并然后从0到l在z上求两边的积分，人们可获得C_x(n，t)的主方程。

$\frac{d^2}{d{t}^2}{C}_X(n,t)+\frac{2}{\mathrm{\τ}}\frac{d}{\mathrm{dt}}{C}_X(n,t)+{\mathrm{\ω}}_n^2{C}_X(n,t)=$

                        (3)

方程3描述了具有松弛时间τ和特定共振频率ω_n的传统强迫谐波振荡器。该本征频率不必由频域中的一个倍频程间隙隔开，并依赖于所使用的弦的类型。

可容易地看见，支配这样的“狭窄”弦的行为的方程根本不包含重力加速度。它是可建立直接重力梯度计的直接重力梯度感测元件，其将是扭秤的直接等同物，是19世纪的伟大发明。

给出测量重力梯度的最好灵敏度的最佳模式是该弦的S模式(n＝1)。如果位移传感器位于与由于重力梯度的该弦的最大位移对应的z＝l/4和z＝3l/4的位置，则特别有用，并因此所感测的信号也具有最大、给出的适宜灵敏度。

根据本发明的进一步发展，将提供与该传导柔性弦相邻和平行的静止导体。该导体可承载电流，该电流可为交流电流并将进一步称为反馈载波电流，而不是上述的信号载波电流。在一个优选实施例中，选择该反馈载波电流的频率以远低于直接抽吸入该弦的信号载波电流的频率。这么做是为了防止该反馈载波渗透进感测部件提供的检测通道。

仅由与该感测部件的解调输出直接相关的信号调制的相同反馈载波电流，也可利用主动反馈回路与该信号载波电流一起抽吸进该弦中。当激活该反馈回路时，该电流创建它自己和该静止导体中的反馈载波电流之间的磁力相互作用，其具有反馈载波主振荡器提供的恒定振幅。由于两种电流之间的磁力直接与它们的乘积成比例，所以该弦将与该静止导体同步相互作用，并且该相互作用力将与该感测部件的解调输出成比例，即与该弦在其S模式中的位移成比例。通过选择反馈电流为“同相”或“反相”，可能将正或负刚度参量地引入该弦振荡器。

在一个优选实施例中，该弦中的反馈电流以“开-关”方式被周期性激活。以这种方式，可能将该弦的S模式从低刚度状态周期性切换到高刚度状态。换言之，在高刚度的状态，进入S模式中的该弦的位移由于重力梯度而无穷小，并且该弦占用其参考位置。否则，当该弦的有效刚度低时，该弦进入其S模式中的位移最大。该情况在某些程度上与周期性从零增益状态切换到具有确定值的状态的可变增益运算放大器类似。然后施加到其输入端的DC电压被转换为与该DC电压成比例的交替脉冲信号。通过应用这类调制，可能避免静态重力梯度仪的静态测量问题，以及与旋转重力梯度仪中的旋转调制关联的那些，并同时获得与准静态重力梯度成比例的可变输出。该可变输出似乎是周期性的，具有与该调制处理相同的周期，并所以可被锁定为参考反馈激活信号。

在本发明的另一优选实施例中，两个或多个静止导体，也可能超导体，在两个正交平面中与该弦邻近和平行，这两个正交平面给出对重力梯度张量的两个对角外分量的同时检测的2D调制。

一般看来，本发明的一个优选实施例提供了一种用于利用具有固定端的柔性电流承载弦来绝对测量该重力梯度张量的对角外分量的新颖传感器，该传感器包括为了防止该弦偏转及因此受重力加速度影响而在该弦中点安装的部件，并还包括主动力反馈。这样的弦代表其第一基本振荡模式(S模式)直接与重力梯度直接耦合的单一相干敏感元件。该传感器意欲在77K低温环境(液氮沸腾温度)使用，由于其降低了热噪声，并获得更高的机械稳定性。

在该特定实施例中，该弦形成其中安装有信号载波电流源和反馈电流源的闭合传导电路的低阻抗部分。该弦也与调谐到该信号载波频率的微分共振桥传导耦合。其传导部分由以梯度配置连接的两个拾取线圈组成，仅允许由S模式中该弦的位移而产生的信号通过。由该桥来衰减由该不受干扰的弦而产生的信号，即由该弦是直线时的位置而产生。这样，横过该桥出现的信号是与该弦的机械移动成比例的低频包络，其填充了该信号载波频率。该信号还被放大并然后利用该同步检测器解调。然后，为了馈送与该弦直接连接的反馈电流源，该解调的低频包络再次被填充该反馈载波频率并还被调节。

附图说明

现在将参考以下附图并仅通过例子而描述本发明的优选实施例，其中：

图1是本发明优选实施例的总体示意图表示；

图2是根据优选实施例构造的单一轴模块原型传感器的全视图；

图3是条状弦、夹子和刀刃的详细视图；

图4是本发明另一个实施例的局部剖视图；

图5示出了不受角加速度影响并因此可在条带下模式中使用的、由四个单轴模块组成的双通道模块；

图6示出了也不受角加速度影响的、以伞状配置装配的由三个双通道模块组成的全张量测量系统。

具体实施方式

根据本发明的重力梯度计的单通道原型(见图2)具有金属带形式的柔性弦1。由夹子2、2’在该弦的两端夹住该弦。该整个组件放置在弦框架21内形成的面朝上(face-up)的室内，该弦框架21最好用与该弦相同的材料由机器制造。该室包括预留给拾取线圈L1、L2和将该弦保持在其中点的部件30(见图3)的位置。该室还包括馈通端，允许所述拾取线圈与安装在面朝下(face-down)室中的共振桥相连，该面朝下室形成在同一弦框架中并由实心隔板31将其与该面朝上室隔开。为了利用流入静止导体的反馈载波电流而向该弦提供该反馈相互作用，该静止导体3(图2中未示出)也与该弦相邻和平行地放置在面朝上室中。

如图1所示，由重力梯度将该长度l的柔性弦1从其参考位置偏转，并与分布在与该弦接近和基本平行的静止导体3上的正弦式电流同步地相互作用。当该静止导体3的中点与该弦的中点一致时，该分布最适宜。当该静止导体3的长度与该弦的长度相同时，该反馈相互作用最大。

该静止导体3中的交流电流由反馈载波主振荡器6提供，并通过缓冲放大器5抽吸入该静止导体，并然后还通过变流器4。

当该反馈信号激活开关7打开时(图1中在其断开位置)，该反馈通道通过反馈缓冲放大器8直接连接到弦1，该反馈缓冲放大器8提供弦中反馈电流和静止导体3中的交流电流之间的相互作用。在图1中，将电流示出为“同相”，这种情况下，该反馈相互作用将负刚度(stiffness)引入该弦振荡器，并且该弦还被“推动”增加其S模式中的偏转。

在一个优选实施例中，当反馈激活开关打开时，将静止导体3中的交流电流和弦中反馈电流选择为“反相”。着意味着在激活该反馈相互作用的时间周期期间，其将正刚度引入该弦振荡器，并且所以该弦处于更高刚度的状态。当该反馈关闭时，该弦处于低刚度的自然状态。

该实施例具有一个特别的优点在于在作为反馈关闭时间周期的测量间隔期间，该弦不受在主动反馈中一直存在的反作用噪声的影响。

当该弦处于该高刚度状态时，其从该直线的偏转变得无穷小，并且它占据无梯度的参考位置。然后，当该弦从其高刚度状态释放时，它采用具有与该弦周围的静态重力梯度成正比的振幅的S形状。

使反馈周期性地“开”和“关”的处理将用与越过该共振桥10(见图1)的交流电压相同的周期调制，该共振桥10包括两个拾取线圈L1、L2和电容器，并被调谐到该信号载波主振荡器11所提供的信号载波频率。后者也提供通过缓冲放大器9直接泵入该弦的信号载波电流。为了最小化越过该桥的载波偏移电压，它也通过相位和振幅控制单元12直接抽吸(pump)该共振桥10。

该周期性调制的信号载波电压还由低温前置放大器13和室温放大器14放大，并由同步检测器15同步解调。然后，通过将其与来自反馈载波主振荡器6的反馈载波参考信号相乘16而再次调制该同步检测器15的输出。当该得到的信号通过反馈调节单元17，并然后通过由该脉冲振荡器18控制的反馈激活开关7时，该反馈回路关闭。

该同步检测器15的输出还通过直流偏移控制单元19，并然后被该结束锁定放大器20锁定到该反馈激活频率，该结束锁定放大器20给出与该弦附近的静态重力梯度成比例的输出信号。

根据本发明开发的单轴传感器(见图2)不具有与该重力或运动学线性加速度耦合的任何机械自由度。这意味着可在包括水平线的任意方向使用它。

图3示出了与条状弦1一起使用的中点部件30的刀刃35的细节。如上所述，该刀刃接触该弦，以防止其平面外的任何移动，但不在该弦上施加任何力。所以期望非常精细的调整和扩展匹配。

图4示出了适于与线弦1一起使用的刀刃36。该刀刃36最好通过向上和下的金刚石钻头钻孔而由一块红宝石等机器加工而成。该钻头形成在细线所交叉的两个圆锥部分。

可按照图5所示的配置装配少数这样的模块。它包括两个T块，由彼此正交放置的两个单轴模块组成。如果如图5所示选择它们的灵敏度轴，则例如，该传感器S11测量以下动态梯度：

$\mathrm{output}\left(S11\right)={\stackrel{\‾}{T}}_{\mathrm{XZ}}=T_{\mathrm{XZ}}-{\mathrm{\Ω}}_X{\mathrm{\Ω}}_Z-\frac{{\∂\mathrm{\Ω}}_Y}{\∂t}$

其中T_XZ是真的重力梯度，而Ω_X、Ω_Y和Ω_Z是前俯(pitch)、摇摆(roll)和侧转(yaw)率。然而该传感器S12的输出如下：

$\mathrm{output}\left(S12\right)={\stackrel{\‾}{T}}_{\mathrm{ZX}}=T_{\mathrm{ZX}}-{\mathrm{\Ω}}_Z{\mathrm{\Ω}}_X-\frac{{\∂\mathrm{\Ω}}_Y}{\∂t}$

由于对所有重力梯度张量分量T_ij＝T_ji，所以以上两个输出的和为：

output(S11)+output(S12)＝2T_XZ-2Ω_XΩ_Z

相同的考虑可以应用到该较低T块，其中：

output(S21)+output(S22)＝2T_YZ-2Ω_YΩ_Z

在以上输出中包含Ω_X、Ω_Y和Ω_Z的数量作为它们的乘积。所以，与必须确定角加速度的情况相比，它们确定的需求非常低。这意味着图5所示的配置可直接用(被捷联)在移动平台上，而不用利用稳定的桌子。相同的考虑可以被归结为图6所示的全张量测量系统。

图6示出了以伞状配置装配的图5的三个组件M1、M2、M3，以提供也不受角加速度影响的全张量测量系统。所述双通道模块M1、M2、M3对称安排在z轴周围并且模块M1在z-y平面中。可随意选择该角α——更大角导致更紧凑的组件。

Claims (12)

1.一种测量准静态重力梯度的装置，包括：

柔性弦；和

输出部件，用于产生作为所述重力梯度的函数的输出；并且其中在两端固定该弦；并且其中该装置包括感测部件，用于检测由于围绕所述弦的重力梯度而引起的所述弦从其不受干扰的参考位置的横向位移；并且

该输出部件响应于该检测的位移以产生作为该重力梯度的函数的所述输出；该装置还包括安装在与该弦的固定端之间的中点对应的位置的部件，构造该部件以防止与其所有奇数模式对应的所述弦的移动，同时至少不影响与其第二基本模式对应的所述弦的移动。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述防止移动的部件包括与该弦接触的刀刃。

3.根据权利要求2所述的装置，其中该弦是圆线，而该防止移动的部件包括刀刃环。

4.根据权利要求3所述的装置，其中由实心块形成该刀刃环，该实心块沿相反方向的轴被钻孔以形成两个交叉的圆锥部分。

5.根据前述任一权利要求所述的装置，其中该弦由高传导或超导材料形成。

6.根据权利要求1所述的装置，其中该弦是仅与该带的平面垂直移动的金属带。

7.根据权利要求1所述的装置，其中该感测部件包括相对于该弦的中点、沿纵向方向对称安置的至少两个传感器。

8.根据权利要求1所述的装置，其中在该弦中产生电流并且该感测部件包括拾取线圈。

9.根据权利要求8所述的装置，其中该电流是交流电流，并且由同步检测器检测该感测部件的输出。

10.根据权利要求7或8或9中的任一个所述的装置，其中在两个不平行的平面中与该弦邻近安排位移传感器，从而能同时测量该弦沿两个横向方向的位移。

11.根据权利要求1所述的装置，其中横靠该弦提供静止电流承载导体，并向该弦提供对应电流，以提供力反馈。

12.根据权利要求11所述的装置，其中该反馈电流被周期性激活。

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