CN211318793U - 一种基于减震超材料的海洋三分量重力仪器 - Google Patents
一种基于减震超材料的海洋三分量重力仪器 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型属于海洋测量技术领域，涉及一种海洋三分量重力测量装置。一种基于减震超材料的海洋三分量重力仪器，包括：外壳、安装在所述外壳内部的传感器舱；所述传感器舱内设有三分量重力传感器；其特征在于：所述外壳包括由内向外依次连接的内层、减震隔震层及外层；所述的减震隔震层包括超材料减震层和隔离层；所述的隔离层设置在相邻两层超材料减震层之间。本实用新型的海洋三分量重力仪器，是基于具有超强减震和隔震特性的线性或非线性声学超材料构建三分量重力仪的外壳，充分利用线性或非线性声学超材料的超低频、超宽带的高效震动抑制效果，大大减少海洋重力测量船在移动过程中对三分量重力传感器附加的水平干扰加速度和垂直干扰加速度。
Description
技术领域
本实用新型属于海洋测量技术领域，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。重力测量以牛顿万有引力定律为理论基础，以组成地壳和上地幔各种岩层的密度差异所引起的重力变化为前题，通过专门仪器测定地球水域的重力场数值，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。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（见海洋重力异常）。海洋重力测量最终的成果是调查海域的重力异常平面图（等值线图）或剖面图，以及相应的文字说明和调查报告。
海洋重力测量仪器有海洋摆仪和海洋重力仪两大类。海洋重力测量仪器有海洋摆仪和海洋重力仪两大类。海洋摆仪是根据单摆原理设计的，借助光学照相系统观测摆动周期的变化。它的缺点是结构复杂、笨重低效、抗震性差、资料整理冗繁，因而逐步为重力仪所取代。海洋重力仪按工作条件的差别分为海底重力仪、水中重力仪和船上重力仪。船上重力仪以弹性系统结构划分，有力平衡型（又分直立型和旋转型）和振弦型。船上重力仪的结构原理是通过弹簧的伸缩量，水平摆杆的偏角，振弦的频率变化等测定重力的相对变化。同陆上重力仪相似。海洋重力仪(marine gravimeter)是测量海洋重力加速度的仪器，指船舰上或潜水艇内使用的重力仪，一般指船载走航式海洋重力仪。它由重力传感器、陀罗平台、电子控制机柜等组成。在海洋中匀速直线航行条件下，连续地进行重力测量，由于仪器安放在运动的船体上，受到垂直加速度和水平加速度以及基座倾斜的影响很大。
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。
实用新型内容
本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于减震超材料的海洋三分量重力数据采集装置。
为实现上述目的，本实用新型提供一种基于减震超材料的海洋三分量重力仪器，包括：外壳、安装在所述外壳内部的传感器舱；所述传感器舱内设有三分量重力传感器；其中，所述外壳包括由内向外依次连接的内层、减震隔震层及外层。
作为本实用新型的进一步改进，所述的减震隔震层包括超材料减震层和隔离层；所述的隔离层设置在相邻两层超材料减震层之间。
进一步地，所述的隔离层为具有正交栅格结构的柔性材料层。
作为本实用新型的一种优选方式，所述的传感器舱固定在三轴万向支架上，所述三轴万向支架固定在所述仪器外壳的内层上。
作为本实用新型的一种优选方式，所述的传感器舱内设有三分量姿态传感器。
作为本实用新型的一种优选方式，所述的仪器外壳固定在底座平台上，所述的底座平台由平板及其下方的减震隔震材料组成。
进一步地，所述的减震隔震材料包括超材料减震层和隔离层；所述的隔离层设置在相邻两层超材料减震层之间。
进一步地，所述的隔离层为具有正交栅格结构的柔性材料层。
作为本实用新型的一种优选方式，所述的三分量重力传感器为三分量MEMS重力传感器，或者是三分量超导重力传感器，或者是三分量冷原子重力传感器。
本实用新型的海洋三分量重力仪器，是基于具有超强减震和隔震特性的线性或非线性声学超材料构建三分量重力仪的外壳，充分利用线性或非线性声学超材料的超低频、超宽带的高效震动抑制效果，大大减少海洋重力测量船在移动过程中对三分量重力传感器附加的水平干扰加速度和垂直干扰加速度。三分量重力传感器安装在一个三轴万向支架上，三轴万向支架固定在用减震超材料制作的减震外壳里面的内壳体上，在进行海洋重力测量时，三轴万向支架可以使安装在三轴万向支架上的三分量重力传感器的垂直分量始终保持垂直向上。使用本实用新型的三分量海洋重力仪能在没有稳定平台或只有简易稳定平台的海洋重力测量船上连续测量海洋三分量重力值，提高测量值的准确性。
附图说明
图1是本实用新型实施例的基于减震超材料的海洋三分量重力仪器的结构示意图；
图2是本实用新型实施例中仪器外壳的透视图；
图3是超材料减震层和具有正交栅格结构的柔性材料隔离层组合结构示意图；
图4是MEMS重力传感芯片三轴组合结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本实用新型，下面结合附图和具体实施例，对本实用新型进行更详细的说明。附图中给出了本实用新型的较佳的实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。
本实施例提供的基于减震超材料的海洋三分量重力仪器，结构参考图1和图2，包括外壳及外壳内部的密封真空传感器舱1、三轴万向支架4、微弱信号放大模块5、六通道模数转换模块6、数据存储模块7。外壳通过螺栓固定在底座平台12上。底座平台12下方是陀螺仪进动旋进器15，陀螺仪进动旋进器和力矩马达连接。
其中，密封真空传感器舱1安装在三轴万向支架4上，在密封真空传感器舱1内，安装有三分量重力传感器2和三分量姿态传感器3。外壳内底部安装的微弱信号放大模块5、六通道模数转换模块6、数据存储模块7采用数据线和信号线连在一起。三分量重力传感器2和三分量姿态传感器3分别通过3条（共6条）信号线连接到微弱信号放大模块5的输入端。三轴万向支架4可以使安装在三轴万向支架4上的三分量重力传感器2的垂直分量始终保持垂直向上。三分量姿态传感器3紧挨三分量重力传感器2，用于同步记录三分量海洋重力仪器数据采集位置的三分量姿态数据，对记录到的海洋三分量重力数据进行旋转及投影处理。真空密封的传感器舱1内的六通道微弱信号放大模块5将三分量重力传感器2输出信号和三分量姿态传感器3输出信号先进行放大，然后由六通道模数转换模块6将放大后的信号转换为数字信号并通过数据存储模块7进行存储。
如图1和2所示，外壳为一体结构,由内到外依次为内层8、减震隔震层和外层11。其中，减震隔震层由超材料减震层9、正交栅格状柔性材料隔离层10交替间隔层叠组成，如图3所示。本实施例中，减震隔震层共有3层超材料减震层9和2层正交栅格状柔性材料隔离层10组成。外层11由高强度无磁性金属或非金属复合材料制成，用于抵抗深海海底高压对仪器外壳内的传感器和附属的电子器件的损坏。内层8也由高强度无磁性金属或非金属复合材料制成。内层8被外面紧贴着的减震隔震层包裹起来，减震隔震层被外面紧贴着的外层11包裹起来。
外层11的底部开有螺栓孔，外层11通过螺栓与底座平台12相连。作为本实用新型的一种优选方式，本实施中的底座平台12由上部的平板13和下部的减震隔震材料14组成。其中，减震隔震材料14的结构与外壳的减震隔震层相同，由3层超材料减震层和2层正交栅格状柔性材料隔离层交替间隔层叠构成，如图3所示。
本实施例仪器的外壳利用具有减震特性的线性或非线性声学超材料来制作具有减震功能的仪器外壳来保护安装在其内的三分量重力传感器2及其配套部件。该具有减震特性的外壳不仅在较宽频带范围内具有优异的减震隔震性能，而且具有轻质量、高强度、大阻尼、长寿命的特点。可以高效快速实时消除由于船体上下左右摇摆晃动和震动而加载到三分量重力传感器2上的附加水平加速度和垂直加速度。或在海底作业时，实时减轻和消除由于海浪和洋流的运动造成海洋三分量重力仪器的晃动。
本实施例中，正交栅格状柔性材料隔离层设置在相邻两层超材料减震层之间，分隔超材料减震层。正交栅格状柔性材料可以通过形变进一步吸收不同方向传递到仪器外壳或底座平台的震动或颠簸能量，减少震动或颠簸对仪器造成的影响。
如图4所示，本实施例中，三分量重力传感器2由Z轴MEMS重力传感器芯片22、X轴MEMS重力传感器芯片23和Y轴MEMS重力传感器芯片24组成，其性能主要决定于其核心部件，即基于深硅刻蚀技术、高精度电容位移传感技术和微弱信号检测技术的MEMS重力传感芯片。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。
每个三分量重力传感器2，辅助的三分量重力数据的采集和存储电路（微弱信号放大模块5、六通道模数转换模块6和数据存储模块7）以及紧挨着三分量重力传感器2的三分量姿态传感器3可以组装成一台独立的三分量海洋重力仪器。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2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2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2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2之间的沿侧线方向的水平重力梯度值。
Claims (8)
1.一种基于减震超材料的海洋三分量重力仪器，包括：外壳、安装在所述外壳内部的传感器舱；所述传感器舱内设有三分量重力传感器；其特征在于：所述外壳包括由内向外依次连接的内层、减震隔震层及外层；所述的减震隔震层包括超材料减震层和隔离层；所述的隔离层设置在相邻两层超材料减震层之间。
2.根据权利要求1所述的基于减震超材料的海洋三分量重力仪器，其特征在于：所述的隔离层为具有正交栅格结构的柔性材料层。
3.根据权利要求1所述的基于减震超材料的海洋三分量重力仪器，其特征在于：所述的传感器舱固定在三轴万向支架上，所述三轴万向支架固定在所述仪器外壳的内层上。
4.根据权利要求1所述的基于减震超材料的海洋三分量重力仪器，其特征在于：所述的仪器外壳固定在底座平台上，所述底座平台由平板及其下方的减震隔震材料组成。
5.根据权利要求4所述的基于减震超材料的海洋三分量重力仪器，其特征在于：所述的减震隔震材料包括超材料减震层和隔离层；所述的隔离层设置在相邻两层超材料减震层之间。
6.根据权利要求5所述的基于减震超材料的海洋三分量重力仪器，其特征在于：所述的隔离层为具有正交栅格结构的柔性材料层。
7.根据权利要求1-6任一项所述的基于减震超材料的海洋三分量重力仪器，其特征在于：所述传感器舱内设有三分量姿态传感器。
8.根据权利要求1-6任一项所述的基于减震超材料的海洋三分量重力仪器，其特征在于：所述的三分量重力传感器为三分量MEMS重力传感器，或者是三分量超导重力传感器，或者是三分量冷原子重力传感器。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN112698415A (zh) * | 2020-12-02 | 2021-04-23 | 杭州微伽科技有限公司 | 一种可移动的重力测量实验室 |
| CN112698417A (zh) * | 2020-12-16 | 2021-04-23 | 华中光电技术研究所（中国船舶重工集团公司第七一七研究所） | 一种能用于动态测量的冷原子绝对重力仪 |
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2019
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