CN201477216U - 一种加速度计式相对重力测量仪 - Google Patents

Abstract

一种加速度计式相对重力测量仪，包括箱体和控制器两部分，箱体内安装有电源转换电路、双轴水平仪、二位置转动机构、金属挠性摆式加速度计、温控电路、测控电路和A/D转换电路，转动机构水平安装在箱体中间，二位置转动机构内安装加速度计，双轴水平仪固定安装在二位置转动机构上，温控电路用于控制金属挠性摆式加速度计和A/D转换电路的温度保持恒定，测控电路用于控制二位置转动机构带动金属挠性摆式加速度计的二位置旋转，当二位置转动机构转动到位后测控电路控制A/D转换电路对加速度计的输出进行测量并进行信号转换，A/D转换电路的输出信号由控制器进行计算处理得到相对重力的测量结果。该测量仪精度高、使用便捷，可随机对重力加速度进行测量。

Description

一种加速度计式相对重力测量仪

技术领域

本实用新型涉及一种加速度计式相对重力测量仪，特别是一种便利、快速、机动的高精度相对重力测量系统。

背景技术

重力测量仪是用来进行重力测量的仪器。重力测量仪的类型很多，从应用范围来分有陆地用的重力仪、海洋重力仪、海底重力仪、航空航天重力仪、井中重力仪等。地球测定重力值可以利用与重力有关的物理现象，例如在重力作用下的自由落体运动、摆的摆动、弹簧伸缩、弦振动等。重力测量在惯性仪表的应用中具有很重要的作用，主要指测定惯性仪表调试位置的重力加速度和加密重力测量。重力测量仪从测量途径可分为绝对重力仪和相对重力仪，绝对重力测量通常是利用物体在重力作用下的自由落体运动、弹簧伸缩等原理；相对重力测量是指测量数据是与当地重力加速度成比例的信号间接获取重力加速度。前者是为了修正惯性仪表的工具误差，后者主要是通过测定一定范围的重力数据，提供给惯性仪表所需要的、反映局部重力场高频信息的重力资料(如20′×20′、5′×5′或1′×1′的平均空间重力异常数据)，最终达到提高惯性仪表控制精度的目的。

在惯性仪表的应用中重力测量仪需要具有高精度、快捷、随机的特点。目前市场上常用的普通绝对重力仪精度较低，而精度高的产品测试时间长，价格较昂贵；而市场上常用的相对重力测量仪，如G400，都需要回到基准点进行校准，也不能满足随机测量要求，重力网格法需要事先测定很多网格点，对于20′×20′的网格来说，误差能达到50mgal以上，精度相对较低。

实用新型内容

本实用新型的技术解决问题是：克服现有重力测量仪的不足，提供一种测量精度高、使用便捷的加速度计式相对重力测量仪，可随机对重力加速度进行测量。

本实用新型的技术解决方案是：一种加速度计式相对重力测量仪，包括箱体和控制器两部分，箱体内安装有电源转换电路、双轴水平仪、二位置转动机构、金属挠性摆式加速度计、温控电路、测控电路和A/D转换电路，转动机构水平安装在箱体中间，二位置转动机构内设有一圆孔用于安装加速度计，使得金属挠性摆式加速度计的摆轴与转动机构的转动轴相重合，双轴水平仪固定安装在二位置转动机构上用于测量转动机构的水平度，电源转换电路接外接电源用于向双轴水平仪、二位置转动机构、金属挠性摆式加速度计、温控电路供电，温控电路用于控制金属挠性摆式加速度计和A/D转换电路的温度保持恒定，测控电路接收控制器的控制信号用于控制二位置转动机构带动金属挠性摆式加速度计的二位置旋转，当二位置转动机构转动到位后测控电路控制A/D转换电路对加速度计的输出进行测量并进行信号转换，A/D转换电路的输出信号由控制器进行计算处理得到相对重力的测量结果。

所述箱体中安装有锂电池，锂电池由电源转换电路为其充电，当箱体无外接电源时由锂电池为双轴水平仪、二位置转动机构、金属挠性摆式加速度计、温控电路供电。

所述箱体外安装有调平支架，该调平支架由安装板和三个可调锥形支撑腿组成。

所述的金属挠性摆式加速度计，包括壳体、挠性杆、力矩器动圈、由轭铁和永久磁铁组成的力矩器定子、由信号传感器动圈和信号传感器定子组成的信号传感器、三角形摆片和伺服放大器，壳体内充满阻尼液体，三角形摆片、力矩器动圈与信号传感器动圈组成摆组件，三角形摆片的中心位置安装力矩器动圈，三角形摆片的顶端安装信号传感器动圈，底端连接两根挠性杆使摆组件与仪表壳体弹性连接，轭铁固定在壳体的中部，永久磁铁穿过力矩器动圈，力矩器定子和力矩器动圈构成力矩器，信号传感器定子固定在壳体上并连接传感器激磁，当有加速度输入时，信号传感器敏感摆组件的位移并转化为电信号，电信号由信号传感器动圈输出至伺服放大器，伺服放大器将电信号放大、校正后反馈至力矩器动圈并由力矩器产生反馈力矩，该反馈力矩使摆组件恢复到平衡位置。

所述的挠性杆通体为柱形，中间对称位置加工成挠曲圆弧形状。所述的三角形摆片为平面等腰三角形形状，三角形摆片中心位置留有通孔用于安装力矩器动圈，三角形摆片的顶端安装信号传感器动圈，两个底角位置各连接一个挠性杆。所述的三角形摆片在中心线两侧对称位置至少留有1对通孔。

所述的箱体由内壳体和外壳体组成，内壳体与外壳体之间填装柔性隔热材料，所述柔性隔热材料为太空棉。

本实用新型与现有技术相比的优点是：

(1)本实用新型利用金属摆式挠性加速度计作为测量传感器，具有较高的测量精度及抗振和抗冲击的能力，在测量仪内为加速度计和A/D转换电路设置了温控电路，使加速度计和A/D转换电路在恒定的温度内工作，从而提高了测量的精度；

(2)本实用新型将金属摆式挠性加速度计安装在二位置转动机构中，金属摆式挠性加速度计可以随二位置转动机构进行转动，在标定一个地点的相对重力加速度时先利用双轴水平仪调平，调平完后即可通过调整转动机构二位置实现当地的重力加速度的测量并将该测量值作为校准值，这样可以在标定完该地点的重力加速度点完成后，可机动到任意测量点测量出任意地点的重力加速度值，而不需要再次校准，整个测量时间小于8min，相比现有的相对重力测量仪，本实用新型具有随机测量的优点，测量效率高；

(3)本实用新型的测量仪内部增加了锂电池，当测量仪在随机地点测试时，测量仪可采用锂电池为测量仪内的设备供电，从而增加了测量的灵活性；

(4)本实用新型还设计了调平支架，使本实用新型的测量仪可以在软土地点正常工作，提高了本实用新型的适应性。

(5)本实用新型在箱体之间同样设置了保温材料，使测量仪能够在恶劣的环境下工作，提高了适应性。

附图说明

图1为本实用新型的系统组成框图；

图2为本实用新型的系统连接图；

图3为本实用新型调平支架的结构图；

图4为本实用新型二位置转动机构结构图；

图5为本实用新型加速度计的组成结构图；

图6为本实用新型加速度计摆组件的组成结构图，图6(a)为摆组件的俯视图，图6(b)为摆组件的侧视图；

图7为本实用新型加速度计挠性杆的外形图，图7(a)为挠性杆的俯视图，图7(b)为挠性杆的侧视图；

图8为本实用新型加速度计信号传感器定子外形图，图8(a)是信号传感器定子的外形结构，图8(b)是信号传感器定子的绕线方式。

具体实施方式

如图1、2所示，加速度计式重力测量仪主要由箱体1和控制器2组成。箱体内安装有电源转换电路、双轴水平仪、二位置转动机构、金属摆式挠性加速度计、温控电路、测控电路和A/D转换电路，转动机构水平安装在箱体中间，二位置转动机构内设有一圆孔用于安装加速度计，使得金属摆式挠性加速度计的摆轴与转动机构的转动轴相重合，双轴水平仪固定安装在二位置转动机构上用于测量转动机构的水平度，电源转换电路接外接电源4用于向双轴水平仪、二位置转动机构、金属摆式挠性加速度计、温控电路供电，温控电路用于控制金属摆式挠性加速度计和A/D转换电路的温度保持恒定，测控电路接收控制器的控制信号用于控制二位置转动机构带动加速度计的二位置旋转，当二位置转动机构转动到位后测控电路控制A/D转换电路对金属摆式挠性加速度计的输出进行测量并进行信号转换，A/D转换电路的输出信号由控制器2进行计算处理得到相对重力的测量结果。

在箱体1内部还安装有锂电池。重力测量仪在基准地点和行动过程中时由车载电源或外部电源供电并同时给内部锂电池充电，进行随机地点测试时因需要将测量仪搬离车体，减小车体震动带来的误差，此时重力测量仪通电状态下若切断车载电源，重力测量仪将自动切换至内部锂电池供电，以保证重力测量仪的不间断供电，消除加速度计的二次通电误差，此随机地点测量完毕后将重力测量仪重新搬到另外的地点时，此时重新给重力测量仪接上外接电源时，重力仪将自动由内部锂电池供电切换至发射车车载电源供电并同时给测量仪内部锂电池充电。外接电源的优先供电和供电电路的内外切换实现了重力测量仪的机动测量。

控制器2内设有显示器、控制面板和数据处理单元，显示器可以显示二轴水平仪的水平度和数据处理单元的计算处理结果，通过控制面板向箱体内的测控电路发出控制信号控制二位置转动机构带动加速度计进行二位置旋转，当二位置转动机构转动到位后由测控电路自动控制A/D转换电路对加速度计的输出进行测量并进行信号转换。相对重力测量仪的控制器可通过信号线实现与箱体相连，亦可将控制器与箱体实现一体化结构设计。控制器的处理结果可以通过信号线与上位机3相连实现数据的自动远程传输。

由于加速度计式重力测量仪为野外使用环境，当遇到沙土等松软地面测量仪无法进行调平时，可在箱体底部安装一个调平支架。如图3所示，调平支架由一个安装板和三个可调整长度的锥形支撑腿组成，当重力测量仪在沙土等松软地面测量时，将测量仪放在调平支架上，再放到沙土等类松软地面，调整调平支架使其与地面接触相对牢靠、与地面无相对运动，通过调整三个锥形支撑腿的长度使重力测量仪固定，然后再调整二轴水平仪使二位置转动机构达到水平。

如图4所示，二位置转动机构的主要组成部分包括转台台体41、挡钉44伺服电机43和齿轮组45，挡钉44、伺服电机43和齿轮组45均安装在转台台体41上，齿轮组45内留有用于安装加速度计的圆孔42，圆孔42的中心为二位置转动机构的转动轴，转台工作时，伺服电机43带动齿轮组45连同加速度计在台体41上转动，齿轮组45每遇到挡钉44时停止转动完成二位置转换，使加速度计分别处于±1g测试状态。在位置试验状态，试验中位置之间转动轴的转动速率为10°-20°/s，该转动轴具有自动位置功能，能实现二位置的自动位置转换，转动轴位置转动范围为180°。

由于加速度计采用二位置法标定重力加速度，调平精度也直接影响测试精度，因此需要初始调平(两个方向X与Y)，转动机构的上方为水平基准面并安装了数字输出的双轴水平仪，调平精度不大于40″，调平显示范围不大于±5°，调平数据以数字格式在控制器的显示屏上显示。

由于加速度计输出电流很小，本实用新型采用高精度A/D转换电路来完成对微电流的测试，A/D转换电路具有零位与增益校正、数字滤波、隔离放大等功能用于减少零位和增益漂移、干扰等问题。本实用新型测量仪中采用24位A/D转换芯片，不仅可以满足动态范围要求，而且更重要的是其自身具备零点与增益校正、程控放大以及数字滤波，这样大大降低了系统设计复杂性。采用24位A/D转换电路，在外部软、硬件的配合下，可以充分提高系统性能。

为了满足重力测量仪的高精度要求，测量仪的温控电路设计包括加速度计温控和A/D转换电路温控。测量仪内部采用的金属挠性摆式加速度计对温度和温度梯度很敏感，测量仪内部温度变化会直接影响重力测量仪的精度，为了将加速度计做成等温体，温控电路形式采用带有过热保护的脉冲调宽式温控电路。热敏丝、温度点调整电阻设置在加速度计和A/D转换电路中，热敏丝、温度点调整电阻与电路中两固定桥臂组成测量电桥，用来敏感温差并输出信号，经放大后送到比较器中与三角波发生器送来的三角波进行比较，产生控制信号送到功放级，控制加热片加温功率达到恒温的目的。过温保护电路的作用是当意外发生时，加速度计内或A/D转换电路的温度过高，使加热片停止加温，保护加速度计或A/D转换电路。加速度计周围是相对比较复杂的温度场，为了在短时间内获得良好的重力测量精度，在对加速度计进行温控的同时，研究了加速度计的温度补偿方案，加速度计在一定的温度空间中有相对线性的温度系数，针对这一温度系数，采用负温度系数热敏电阻进行温度补偿，使得加速度计自重电流随温度的影响减小。

本实用新型同时在加速计式重力测量仪的外壳与内部主体之间有一层保温装置。最初选择的保温材料为superwool^TM特制柔性隔热材料，此材料保温性能很好，重力测量仪在低温下测试结果很理想，但是重力测量仪是宽温的使用环境(-40℃～+40℃)，在权衡高温散热和低温保温的前提下，保温材料为特制的太空棉，做成合体的带有粘扣的保温层包裹在测量仪内部主体上，另外在低温环境下，采用保温罩覆盖在重力测量仪外壳的外面。

如图5所示，本实用新型采用的金属摆式挠性速度计主要包括壳体51、挠性杆52、力矩器动圈53、由轭铁56和永久磁铁57组成的力矩器定子、由信号传感器动圈55和信号传感器定子54组成的信号传感器、三角形摆片58和伺服放大器59，壳体51内充满硅油作为阻尼液体，三角形摆片58、力矩器动圈53与信号传感器动圈55组成摆组件，三角形摆片58的中心位置安装力矩器动圈53，三角形摆片58的顶端安装信号传感器动圈5，底端连接两根挠性杆52使摆组件与仪表壳体51弹性连接，轭铁56固定在壳体51的中部，永久磁铁57穿过力矩器动圈53，力矩器定子和力矩器动圈53构成力矩器，信号传感器定子54固定在壳体51上并连接传感器激磁，当有加速度输入时，信号传感器敏感摆组件的位移并转化为电信号，电信号由信号传感器动圈55输出至伺服放大器59，伺服放大器59将电信号放大、校正后反馈至力矩器动圈53并由力矩器产生反馈力矩，该反馈力矩使摆组件恢复到平衡位置。

如图6所示，由摆片58、传感器动圈55和挠性杆52组成的摆组件为活动系统，其基体为一个平面三角形的摆片58，三角形摆片58为等腰三角形结构，摆片中心位置留有通孔用于安装力矩器动圈53，与固定在壳体上的永久磁铁7组成推挽式力矩器，三角形摆片58的顶端安装信号传感器动圈55，与绕在铁氧体上的激磁绕组即传感器定子54组成差动式电感传感器，传感器动圈和力矩器线圈的轴线在空间是正交的，摆片58的两个底角位置各用胶粘固定连接一个挠性杆52，对称地支撑着摆组件，挠性杆2由铍青铜制成，三角形摆片58在中心线两侧对称位置至少留有1对通孔，摆组件质心到挠性杆关节的距离称为摆长(l)，由挠性杆52关节至摆组顶端安装的传感器动圈55之间的全部摆组质量组成检测质量(m)，检测质量与摆长的乘积称为摆性。挠性杆52的下端又通过胶粘牢固地固定在基座上，通过这样的结构摆组件可以围绕着挠性杆关节作微小的转动(约±10′)，在闭环工作状态下加速度计的工作角仅有数秒。如图7所示，挠性杆通体为柱形，中间对称位置加工成挠曲圆弧形状，使挠性杆在加速度计的敏感方向上的刚度很小，近似于呈自由无约束状态，而在其他方向上的刚度则很大，提高了仪表的性能和测量精度及抗振和抗冲击的能力。

采用的力矩器是音圈差动式力矩器，组成差动式的一对力矩器具有相同的结构，两力矩器的永久磁铁同名对顶，永久磁铁材料采用2:17钐钴磁钢，稳定度可达到10^-6/月量级(1σ)，轭铁和永久磁铁分别固定在表壳的对称位置上，与绕在摆组上的力矩器线圈组成差动式力矩器，加矩电流流过力矩器线圈时，二力矩器产生的力是叠加的，提高了力矩器的效率和减小了非线性误差。

如图8所示，信号传感器采用差动动圈式结构，信号传感器是一种次级线圈可移动的变压器，利用次级线圈移动时与初级线圈互感的变化产生输出电压，其两组激磁线圈分别绕在一对“c”形铁氧体磁芯上，如图8(a)所示，两只“c”形铁氧体磁芯缺口相对、中间留有间隙固定在定子座上组成传感器定子，两组激磁绕组串联相接，绕线方式如图8(b)所示，绕线由11至31至41最后至21。装在摆组件上的动圈，可以在定子间隙中沿表头输入轴方向运动，随动圈相对定子位置的变化，输出不同相位和幅度的感应电压，从而检测出反映摆组件不同位置的信号。

由于仪表内充有甲基硅油，提高了仪表的抗振能力和增加了阻尼，但随温度变化，硅油体积发生变化，为补偿硅油体积的变化，在仪表的壳体内装有温度补偿膜盒，壳体为圆柱形或方形，其中一端留有充油孔。温度补偿膜盒由铍青铜制成，可以随仪表内硅油体积的变化而伸长或者缩短。温控元件主要包括绕在壳体内的加热片和热敏丝，这些元件与温控电桥组成温控装置，对传感器进行恒温控制，以提高仪表的测量精度和参数稳定性。温控装置的热敏丝装在壳体腔内，作为测温电桥的一个臂，当腔内温度低于标定的工作温度时，测温电桥处于不平衡状态，输出信号通过功率放大器后再反馈到加热片，使仪表的温度升高，一直升高到工作温度，温控装置的测温电桥达到平衡状态时才停止。

本实用新型的工作原理为：测量仪内部的加速度计安装在二位置转动机构上，标定一个地点的相对重力加速度时先调平，根据双轴水平仪的输出利用调平装置进行调平，调平完后转动机构将加表转到+1g的位置进行测量得N_1g，测量完毕后装动机构做180度翻转后将加表转到-1g位置，测量得N_-1g，根据以下公式可计算出此地点的相对重力加速度K₁。

$K_1=\frac{N_{1g}-N_{-1g}}{2}$

采用上述方法，在基准点测出K₁后，测量仪到达任意测量点并用同样方法先调平再测出K₁’，由于加速度计的输出与重力加速度成正比，利用已知点的g₀，根据以下公式计算出任意测量点的g_f。

$g_f=g_0\×\frac{K_1^{\′}}{K_1}$

在已知重力加速度点完成标定后，重力测量仪可机动到任意测量点测量出当地重力加速度值并完成自动传动。测试时间短，从占领随机任意测量点到标定出此地的重力加速度值，时间小于8min。重力加速度测量误差：不大于20mgal(3σ)。便携部分重量小于等于15kg，只需要操作手1人便可实现测量。

本实用新型未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种加速度计式相对重力测量仪，其特征在：包括箱体和控制器两部分，箱体内安装有电源转换电路、双轴水平仪、二位置转动机构、金属挠性摆式加速度计、温控电路、测控电路和A/D转换电路，转动机构水平安装在箱体中间，二位置转动机构内设有一圆孔用于安装加速度计，使得金属挠性摆式加速度计的摆轴与转动机构的转动轴相重合，双轴水平仪固定安装在二位置转动机构上用于测量转动机构的水平度，电源转换电路接外接电源用于向双轴水平仪、二位置转动机构、金属挠性摆式加速度计、温控电路供电，温控电路用于控制金属挠性摆式加速度计和A/D转换电路的温度保持恒定，测控电路接收控制器的控制信号用于控制二位置转动机构带动金属挠性摆式加速度计的二位置旋转，当二位置转动机构转动到位后测控电路控制A/D转换电路对加速度计的输出进行测量并进行信号转换，A/D转换电路的输出信号由控制器进行计算处理得到相对重力的测量结果。

2.根据权利要求1所述的一种加速度计式相对重力测量仪，其特征在：所述箱体中安装有锂电池，锂电池接电源转换电路，当箱体无外接电源时由锂电池为双轴水平仪、二位置转动机构、金属挠性摆式加速度计、温控电路供电。

3.根据权利要求1或2所述的一种加速度计式相对重力测量仪，其特征在：所述箱体外安装有调平支架，该调平支架由安装板和三个可调锥形支撑腿组成。

4.根据权利要求1或2所述的一种加速度计式相对重力测量仪，其特征在：所述的金属挠性摆式加速度计，包括壳体(51)、挠性杆(52)、力矩器动圈(53)、由轭铁(56)和永久磁铁(57)组成的力矩器定子、由信号传感器动圈(55)和信号传感器定子(54)组成的信号传感器、三角形摆片(58)和伺服放大器(59)，壳体(51)内充满阻尼液体，三角形摆片(58)、力矩器动圈(53)与信号传感器动圈(55)组成摆组件，三角形摆片(58)的中心位置安装力矩器动圈(53)，三角形摆片(58)的顶端安装信号传感器动圈(55)，底端连接两根挠性杆(52)使摆组件与仪表壳体(51)弹性连接，轭铁(56)固定在壳体(51)的中部，永久磁铁(57)穿过力矩器动圈(53)，力矩器定子和力矩器动圈(53)构成力矩器，信号传感器定子(54)固定在壳体(51)上并连接传感器激磁，当有加速度输入时，信号传感器敏感摆组件的位移并转化为电信号，电信号由信号传感器动圈(55)输出至伺服放大器(59)，伺服放大器(59)将电信号放大、校正后反馈至力矩器动圈(53)并由力矩器产生反馈力矩，该反馈力矩使摆组件恢复到平衡位置。

5.根据权利要求4所述的一种加速度计式相对重力测量仪，其特征在：所述的挠性杆(52)通体为柱形，中间对称位置加工成挠曲圆弧形状。

6.根据权利要求4所述的一种加速度计式相对重力测量仪，其特征在：所述的三角形摆片(58)为平面等腰三角形形状，三角形摆片(58)中心位置留有通孔用于安装力矩器动圈(53)，三角形摆片(58)的顶端安装信号传感器动圈(55)，两个底角位置各连接一个挠性杆(52)。

7.根据权利要求6所述的一种加速度计式相对重力测量仪，其特征在：所述的三角形摆片(58)在中心线两侧对称位置至少留有1对通孔。

8.根据权利要求1或2所述的一种加速度计式相对重力测量仪，其特征在：所述的二位置转动机构包括转台台体(41)、挡钉(44)、伺服电机(43)和齿轮组(45)，挡钉(44)、伺服电机(43)和齿轮组(45)均安装在转台台体(41)上，齿轮组(45)内留有用于安装加速度计的圆孔(42)，圆孔(42)的中心为二位置转动机构的转动轴，转台工作时，伺服电机(43)带动齿轮组(45)连同加速度计在台体(41)上转动，齿轮组(45)每遇到挡钉(44)时停止转动完成二位置转换。

9.根据权利要求1或2所述的一种加速度计式相对重力测量仪，其特征在：所述的箱体由内壳体和外壳体组成，内壳体与外壳体之间填装柔性隔热材料。

10.根据权利要求9所述的一种加速度计式相对重力测量仪，其特征在：所述柔性隔热材料为太空棉。

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