CN208488557U - 一种三分量海洋重力测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种三分量海洋重力测量装置，包括三分量海洋重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和位于仪器内底部的三分量姿态传感器，所述仪器外顶部设置数据显示单元和信号指示装置，本实用新型所公开的三分量海洋重力测量装置体积小、灵敏度高、噪声低，加工周期短、制造成本低；测量数据精度高，准确性好；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。

Description

一种三分量海洋重力测量装置

技术领域

本实用新型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。

海洋重力测量的方式有：用海底重力仪进行定点观测；用海洋重力仪在船上进行连续重力测量；用海洋振摆仪在船上或潜艇内进行定点观测。后者效率较低，精度也较差。目前主要采用前两种方法。海底具有不同密度的地层分界面，这种界面的起伏会导致重力的变化。因此，通过对各种重力异常的解释，包括对某些重力异常的分析和延拓，可以取得地球形状、地壳构造和沉积岩层中某些界面的资料，进而解决大地构造、区域地质方面的任务，为寻找矿产提供依据。

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。

一般来讲，海洋重力仪与陆地重力仪在原理结构上并没有根本区别。但海洋重力仪是在航行的载体上工作，经常受到由海浪引起的垂直和水平加速度的扰动。由于海洋重力仪测量值为当地重力与重力基准点的偏差，其数值变化幅度并不十分巨大，而海浪运动造成的垂直方向上加速度可能非常大，这就造成扰动加速度的幅度可能比仪器所要测量的重力加速度大几万倍甚至几十万倍。因此，海洋重力仪传感器必须具有良好的抗扰动能力。

在海洋上进行重力观测时，影响仪器观测的因素除仪器自身因素(如材料的老化、零点漂移)外，还有陀螺平台和船只的因素(如CC效应等)以及导航定位系统精度、水深测量精度等纯外界的因素。在这众多的因素中，有一些对结果的影响远远超过仪器的测量精度。如果不能消除这些不利因素的影响，而要求高精度的测量结果是决然办不到的。在《海洋重力测量规范》中规定“测点的误差一般近海不大于士3meal”，远洋不大于士5meal"。目前仪器本身的精度远高于测量精度，所以要提高海洋重力测量精度，与其说是提高仪器精度，还不如说是提高测量方法本身的精度。

海上重力测量技术远较陆地测量复杂。调查船在风、海流、浪涌和潮汐的作用下，随着海洋表面水体作周期性或非周期性的运动。由于船只的这种运动所发生的纵倾和横摇，以及航速和航向的偏差，都对船上重力仪附加以相当强的水平干扰加速度和垂直干扰加速度，使得海上重力测量从原理、仪器直至观测方法都表现出一定的特殊性。船上重力仪是海洋重力测量的主要设备，是在船只行进中连续测定重力加速度相对变化的仪器。船只的水平干扰加速度和垂直干扰加速度，以及震动等对仪器有很大影响。此外，船向东航行时，船速增大了作用在重力仪上的地球自转向心加速度，而向西航行时，船速减小这种向心加速度。这种导致重力视变化的作用称厄缶(厄特渥斯)效应。这个效应的大小与航向、航速和船只所处的地理纬度有关。克服和消除上述各项干扰效应始终是提高观测精度的关键。

目前的海洋重力测量装置存在种种缺陷，比如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，以及无法克服震动等外力因素对仪器的影响等，因此，都不能做到消除各项干扰，测量精度无法得到保证。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种三分量海洋重力测量装置，以达到测量精度高、抗干扰能力强、稳定性好的目的。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种三分量海洋重力测量装置，包括三分量海洋重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和位于仪器内底部的三分量姿态传感器，所述仪器外顶部设置数据显示单元和信号指示装置。

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6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，本实用新型提供的三分量海洋重力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。

本实用新型公布的三分量海洋重力测量装置可以在海底或海面上进行三分量重力测量，也可以在移动的测量船上进行三分量重力测量。在海底或海面上固定位置进行的三分量重力测量可以用于研究重力垂直分量和水平分量在不同的海底或海面位置上的变化，在移动的测量船上进行三分量重力测量可以用于研究海面以下重力垂直分量和水平分量沿船航行轨迹上的变化。此外，对测量到的三分量海洋重力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的分布和变化，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实用新型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为本实用新型实施例所公开的一种三分量海洋重力测量装置结构示意图；

图2为本实用新型实施例所公开的三分量重力传感器透视图；

图3为本实用新型实施例所公开的三分量重力传感器拆分结构示意图；

图4为本实用新型实施例所公开的MEMS重力传感芯片加工状态示意图。

图中，1、三分量海洋重力仪；2、稳定平台；3、动力平衡装置；4、6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。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本实用新型提供了一种三分量海洋重力测量装置，如图1所示，该装置测量数据精度高，准确性好，可以对后续的科研提供更准确的数据支持。

如图1所示的三分量海洋重力测量装置，包括三分量海洋重力仪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。

三分量海洋重力仪1包括位于仪器内上部的6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和位于仪器内底部的三分量姿态传感器6，三分量姿态传感器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。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及其辅助的三分量重力数据的采集和存储电路以及紧挨着三分量重力传感器的三分量姿态传感器可以组装成一台独立的三分量海洋重力仪。如果在同一地点使用三分量海洋重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梯度值。如果在不同的海面或不同的海底位置上使用三分量海洋重力仪进行测量，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实用新型。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实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型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测量装置，其特征在于，包括三分量海洋重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和位于仪器内底部的三分量姿态传感器，所述仪器外顶部设置数据显示单元和信号指示装置。

2.根据权利要求1所述的一种三分量海洋重力测量装置，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测量装置，其特征在于，所述模数转换电路为6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。