一種精密單擺式相對重力儀的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種精密單擺式相對重力儀，一根擺桿或兩根懸絲和橫梁連接，下方連接擺體構成單擺系統，支架通過橫梁上的耐磨觸點支撐單擺系統，并用真空腔、溫控系統、靜電屏蔽罩和減震底座來維持單擺所處環境的穩定，減小等效擺長波動，從而實現高穩定、低損耗的單擺運動。在擺體的正上方和正下方分別分布有一對電容位移傳感極板，和擺體一起構成變面積電容位移傳感器，用于測量擺體的實時位移。第一、第二起振和鎖擺位移執行機分別安裝于擺體的兩側，構成單擺運動的起振和鎖擺機構。該重力儀結構簡單，使用方便，方便于機動觀測，實現了亞豪伽分辨率的單擺式相對重力測量。
【專利說明】一種精密單擺式相對重力儀
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于重力加速度測量儀器領域，更具體涉及一種經濟適用的精密單擺式相對重力儀，適用于地質調查、資源勘探、基礎科學研究等對區域地表重力加速度數據有需求的研究領域。
【背景技術】
[0002]重力加速度是一個基本的地球物理學常數，準確測量重力加速度在地球科學、資源勘探等領域都具有重要意義。
[0003]重力加速度測量可分為絕對測量和相對測量，對應儀器分別稱之為絕對重力儀和相對重力儀。絕對重力儀是指測量重力加速度g的絕對大小，常用方法有擺法(包括單擺法和卡特擺法)和落體法。相對重力儀是指測量重力加速度g的相對變化，需要標定后才能給出絕對重力值。基于超導懸浮原理和精密彈簧秤原理均可搭建相對重力儀，可以達到較高精度，但通常體積龐大，結構較復雜，價格昂貴，不便于對不同地點重力場的移動觀測。落體法測量絕對重力的基本原理是根據落體在某一時間段內下落的距離來得到重力加速度g的絕對大小。用該方法設計的儀器精度較高，但結構上非常復雜。卡特擺法測量絕對重力的基本原理是通過兩對刀口分別懸掛復擺，調節刀口位置使得兩次擺動周期相同，測量周期T及兩對刀口的距離L得到重力加速度g的絕對大小。利用該方法測量重力加速度，精度可達到10豪伽，但是周期相同的兩刀口位置難以精確測定，且操作比較麻煩。
[0004]單擺法測量絕對重力的基本原理是根據測得的單擺擺長L和單擺運動周期T來得到重力加速度g的大小，
[0005]g =4π2 2/T2
[0006]利用單擺原理測量重力加速度時，由于受懸點、擺體質心難以確定等因素的影響，擺長L的絕對精確測定往往較為困難，使得g值測量精度低，測量精度只能在豪伽水平。
[0007]在重力測量過程中，檢驗質量塊的位移是重要的待測物理量，直接影響最終的重力測量精度。常見的高精度位移測量方式有電容位移傳感和激光干涉測量。傳統的變間距電容傳感方式會對檢驗質量有靜電反作用干擾；而激光干涉測量系統又比較復雜。
【發明內容】
[0008]本實用新型的目的是在于提供了一種精密單擺式相對重力儀，結構簡單，使用方便，方便于機動觀測，改進了傳統單擺重力儀的測量精度，相對重力測量分辨率可以達到亞豪伽水平(0.1 mGal =IO-6 m/s2)，實現了更高分辨率的單擺式相對重力測量。
[0009]為了實現上述目的，本實用新型采用以下技術措施:
[0010]基于上述研究背景，研究人員發現，單擺式重力儀可以不追求擺長L的絕對精確測定，而是通過特殊的擺體及懸掛方式的設計，以控制等效擺長的漂移。在擺體周圍合理分布差動變面積電容傳感電極板進行位移傳感，可實現更高分辨率的單擺式相對重力測量。在與其他絕對重力儀對比測量后得到標定，也可用于測量測點的絕對重力值。
[0011]本實用新型公開了這種相對經濟適用的精密單擺式相對重力儀，結構簡單，方便于機動觀測，改進了傳統單擺重力儀的測量精度，相對重力測量分辨率可以達到亞豪伽水平(0.1 mGal =IO-6 m/s2)。本實用新型用一根T型擺桿或兩根懸絲懸掛擺體，可限制擺體的扭轉運動模式和另一個正交方向的單擺運動模式，從而抑制這些無關模式對單擺運動中等效擺長的周期性的影響。通過采用低熱膨脹系數材料，在一定的溫控和真空環境下，保證了等效擺長的長期穩定性和單擺運動的穩定性，解決了單擺重力儀通常需要測量絕對擺長的技術難題。該發明使得基于單擺原理的重力儀的測量分辨率不再主要受擺長測量誤差的限制，而是主要取決于單擺運動周期的測量精度。
[0012]這種精密單擺式相對重力儀，它由擺體、擺桿(或兩根懸絲)、橫梁、耐磨觸點、支架、一側起振和鎖擺位移執行機、另一側起振和鎖擺位移執行機、靜電屏蔽罩、真空腔、溫控系統、減震底座、電容檢測調制信號注入電極、差動變面積電容位移檢測極板、時鐘、電容檢測前置放大和信號解調電路、數據采集和處理系統等部分組成。其連接關系是:擺桿(或兩根懸絲)和橫梁連接成T型(或Π型)，在擺桿的下端連接擺體，橫梁的兩端分別連接有用耐磨材料做成的凹槽，并放置于用同樣的耐磨材料制成的支點上，組成第一耐磨觸點和第二耐磨觸點。支架通過第一耐磨觸點和第二耐磨觸點支撐單擺系統，并使擺體能在紙面內自由擺動，同時又限制了擺體在另一個方向的單擺運動和扭轉運動。支架本身固定在真空腔的內表面上。真空腔用于維持其腔內真空度，以降低大氣擾動引起的單擺運動和差動電容位移傳感的噪聲水平。在擺體兩側分別分布有第一起振和鎖擺位移執行機、第二起振和鎖擺位移執行機，在工作之前需要激勵單擺運動或搬運之前需要鎖定擺體時，它們用于構成一對單擺運動的起振和鎖擺機構。電容檢測調制信號上注入電極、第一差動變面積電容位移檢測上極板、第二差動變面積電容位移檢測上極板為一對差動電容，在同一塊基底上通過鍍金屬膜并分割鍍膜面而成，電容檢測調制信號下注入電極、第三差動變面積電容位移檢測下極板、第四差動變面積電容位移檢測下極板為另一對差動電容，在另一塊基底上通過鍍金屬膜并分割鍍膜面而成，兩塊基底分別位于擺體的正上方和正下方。電極和擺體一起組成差動位移傳感器探頭，并與電容檢測前置放大和信號解調電路相連。靜電屏蔽罩用于罩著差動電容傳感器探頭，以抑制位移測量的電磁噪聲。靜電屏蔽罩外圍依次包圍有真空腔和溫控系統。真空腔外圍的溫控系統的骨架是金屬圓筒，其外表面纏繞有加熱絲，內表面分布有溫度探頭。當探頭探測到筒內溫度發生變化時，伺服電路將對應加熱電流送至加熱絲，以補償溫度波動，達到恒溫控制目的，從而保持等效擺長的時間穩定性。真空腔底部布置有減震底座，為系統提供機械振動的低通濾波作用。電容檢測調制信號上下注入電極位于擺體正上方和正下方，距離擺體一定距離，為擺體注入高頻正弦調制信號，供差動電容位移傳感和檢波使用。第一/第二差動變面積電容位移檢測上極板，和第三/第四差動變面積電容位移檢測下極板分別分布于擺體上下表面相隔一定距離的位置，每一對極板都可以單獨提供所需的差動式變面積電容位移檢測輸出，因此兩對電容極板互為冗余，也為系統噪聲診斷提供了便利。電容檢測調制信號上下注入電極和變面積電容位移檢測上下極板等六個極板均連接到電容檢測前置放大和信號解調電路，最終解調的位移信號送至數據采集和處理系統中處理。由于數據采樣時間的精度對本儀器最終測量精度有重要影響，這里采用精密時鐘為數據采集和數據處理等數字電路部分提供時間基準。[0013]本實用新型與現有技術相比，具有以下優點和效果:
[0014]A、結構簡單，經濟適用。通過擺體及懸掛方式的設計，在一定的溫控和真空環境下，保證了等效擺長的長期穩定性和單擺運動的穩定性，達到了高分辨率的相對重力測量，相對重力測量分辨率可以達到亞豪伽水平。
[0015]B、更進一步講，所述T型擺桿或兩根懸絲用高穩定、低熱膨脹系數材料加工制作，與支架的接觸點采用耐磨材料制作，可限制擺體的扭轉運動模式和另一個正交方向的單擺運動模式，從而抑制這些無關模式對單擺運動中等效擺長的周期性的影響。由于特殊的擺系和環境設計抑制了環境擾動噪聲，可保證高Q值的穩定單擺運動，從而保證測量分辨率。
[0016]該實用新型使得基于單擺原理的重力儀的測量分辨率不再主要受擺長測量誤差的限制，而是主要取決于單擺運動周期的測量精度。
[0017]C、在需要測量絕對重力加速度時，可與其他絕對重力儀對比測量以標定輸出值，這等價于測量了等效擺長這一難以直接精確測定的幾何參數，解決了直接測量絕對擺長的技術難題，從而達到亞豪伽分辨率的絕對重力測量的目的。
[0018]D、本實用新型使用變面積電容位移傳感方式測量單擺運動周期，理論上在單擺方向上對擺體沒有靜電反作用，與變間距電容位移傳感方式相比而言有效地減小了測量本身對擺體的反作用擾動，與激光干涉位移測量方式相比則結構簡單。
[0019]E、更進一步的講，所述擺體為金屬或非金屬但鍍有金屬鍍層以利于變面積電容位移檢測。
[0020]目前，相關支撐技術已經比較成熟，為搭建該經濟適用、架設方便的亞豪伽單擺式相對重力儀提供了基礎。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為一種精密單擺式相對重力儀的結構示意圖。
[0022]I 一擺體，2 —擺桿，3 —橫梁，4a —第一耐磨觸點(由連接在橫梁端點下方的耐磨凹槽和連接在支架上方的耐磨支點組成)，4b —第二耐磨觸點，5 —支架，6a —第一起振和鎖擺位移執行機，6b —第二起振和鎖擺位移執行機,7 —靜電屏蔽罩,8 —真空腔,9 一溫控系統，10 —減震底座，Ila—電容檢測調制信號上注入電極，Ilb —電容檢測調制信號下注入電極，12a/12b 一第一、第二差動變面積電容位移檢測上極板，12c/12d 一第二、第四差動變面積電容位移檢測下極板，13 —時鐘，14 一電容檢測前置放大和信號解調電路，15 —數據采集和處理系統。
【具體實施方式】
[0023]為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。此處所描述的具體實施例僅用于解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型的技術細節。
[0024]實施例1:
[0025]一種精密單擺式相對重力儀，它包括:擺體1、擺桿2、橫梁3、第一耐磨觸點4a (由連接在橫梁下發的耐磨凹槽和連接在支架上方的耐磨支點組成)、第二耐磨觸點4b、支架5、第一起振和鎖擺位移執行機6a、第二起振和鎖擺位移執行機6b、靜電屏蔽罩7、真空腔8、溫控系統9、減震底座10、第一電容檢測調制信號上注入電極11a、第二電容檢測調制信號下注入電極11b，第一差動變面積電容位移檢測上極板12a、第二差動變面積電容位移檢測上極板12b、第三差動變面積電容位移檢測下極板12c、第四差動變面積電容位移檢測下極板12d、時鐘13、電容檢測前置放大和信號解調電路14、數據采集和處理系統15。
[0026]各部件的連接關系和作用如下:擺桿2和橫梁3用低膨脹系數的材料熔融石英制作連接成T型，長方形的擺體I用同種材料制作并鍍金而成，擺體I粘接在擺桿2的正下方，組成單擺系統。橫梁3的兩端分別連接有用耐磨陶瓷(安陽市中原陶瓷有限公司)做成的凹槽，并放置于用同樣的耐磨材料制成的支點上，組成第一耐磨觸點4a和第二耐磨觸點4b。支架5通過第一耐磨觸點4a和第二耐磨觸點4b支撐單擺系統，并使擺體能在紙面內自由擺動。單擺等效擺長約30 cm，單擺周期約I S。支架5本身固定在真空腔8的內表面上。第一起振和鎖擺位移執行機6a、第二起振和鎖擺位移執行機6b (PI公司MllO平移臺)分別安裝于擺體I的兩側離擺體I約10 _的位置，用于程控激勵或抑制單擺運動，構成一對單擺運動的起振和鎖擺機構。靜電屏蔽罩7罩著差動電容傳感器探頭，靜電屏蔽罩7外圍依次包圍有真空腔8和溫控系統9，真空腔10位于減震底座10上方。靜電屏蔽罩7用于罩著差動電容傳感器探頭，以抑制位移測量的電磁噪聲。真空腔8 (北京燕拓航真空公司)由Invar材料制成，并用真空泵維持其腔內真空度小于I Pa，以減小單擺運動的能量耗散。溫控系統9采用PID主動溫控系統(儲海兵等，儀表技術，2007，12)，它的骨架是金屬圓筒，在溫控系統9內表面上布置有溫度探頭、其上纏繞有加熱絲，外圍包圍有絕熱套筒。溫控系統9的工作點溫度設置為約40度(高于外界溫度)，當溫度探頭探測到筒內溫度波動時，加熱絲產生相應熱量來彌補因環境波動引起的散熱量的波動，從而維持真空腔8及其內部部件工作在日波動約0.1度的溫度環境下，以抑制擺長隨溫度的變化。減震底座10為系統提供機械振動的低通濾波作用。第一差動變面積電容位移檢測上極板12a、第二差動變面積電容位移檢測上極板12b為一對差動電容，在同一塊石英基底上通過鍍金屬膜并分割鍍膜面而成，第三差動變面積電容位移檢測下極板12c、第四差動變面積電容位移檢測下極板12d為另一對差動電容，在另一塊石英基底上通過鍍金屬膜并分割鍍膜面而成，兩塊基底分別位于擺體的正上方和正下方。電極和擺體一起組成差動位移傳感器探頭，并與電容檢測前置放大和信號解調電路14相連。上下電極板離擺體上下表面3 mm。第一電容檢測調制信號上注入電極Ila和第二電容檢測調制信號下注入電極llb(L.Carbone et al., PhysicalReview Letters, Vol.91, 2003, 151101)均連接IOkHz峰值IV的正弦信號，為擺體注入調制信號，供差動電容位移傳感和檢波使用。第一差動變面積電容位移檢測上極板12a、第二差動變面積電容位移檢測上極板12b為一對差動電容，第二差動變面積電容位移檢測下極板12c、第四差動變面積電容位移檢測下極板12d為另一對差動電容，這兩對差動變面積電容位移檢測(V.Josselin et al., Sensors and Actuators, Vol.78, 1999, 92)的傳感電極，用于記錄擺體隨時間的位移并解算運動周期。經過電容檢測前置放大和信號解調電路 14 (A.Cavalleri et al., Class.Quantum Grav., Vol.78, 1999, 92)的處理，可以分別獨立的提供擺體相對于電極的位移信息。因此兩對電容極板互為冗余，也為系統噪聲診斷提供方便。電容檢測調制信號上注入電極Ila和電容檢測調制信號下注入電極Ilb及第一差動變面積電容位移檢測極板12a、第二差動變面積電容位移檢測極板12b、第三差動變面積電容位移檢測極板12c、第四差動變面積電容位移檢測極板12d均與電容檢測前置放大和信號解調電路14相連，從而得到擺體的位移信號。時鐘13 (銣原子鐘，北京泰福特電子科技公司)提供的時鐘基準用于采集數據，得到擺體的位移序列，然后在數據采集和處理系統15 (PFI 28000)中進行擬合、去粗大誤差、平滑等數據處理，最終得到單擺運動的周期序列。
[0027]當需要得到絕對重力測量數據時，可將該重力儀與其他絕對重力儀同點測量，從而對重力儀(等價于對擺長)進行標定。隨著時間的推移，等效擺長仍然會帶來系統誤差，但該誤差是已定系統誤差(理論上等效擺長會因為松弛而有變長的趨勢)，可以在一定程度上進行修正。該儀器在安靜環境下積分I個小時有望達到亞彖伽的測量分辨率(0.1 mGal=ICT6 m/s2)ο
[0028]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種精密單擺式相對重力儀，它包括擺體(I)、擺桿或兩根懸絲(2)、橫梁(3)、第一耐磨觸點(4a)、第二耐磨觸點(4b)、支架(5)、第一起振和鎖擺位移執行機(6a)、真空腔(8)、溫控系統(9)、減震底座(10)、第一電容檢測調制信號注入電極(11a)、第一差動變面積電容位移檢測極板(12a)、電容檢測前置放大和信號解調電路(14)，其特征在于:擺桿或兩根懸絲(2 )和橫梁(3 )連接成T型或Π型，下方連接擺體(I)構成單擺系統，橫梁(3 )的兩端分別連接有用耐磨材料做成的凹槽，并放置于用同樣的耐磨材料制成的支點上，組成第一耐磨觸點(4a)和第二耐磨觸點(4b)，支架(5)通過第一耐磨觸點(4a)和第二耐磨觸點(4b)支撐單擺系統，支架(5)固定在真空腔(8)的內表面上，第一起振和鎖擺位移執行機(6a)、第二起振和鎖擺位移執行機(6b)分別安裝于擺體(I)的兩側，構成一對單擺運動的起振和鎖擺機構，靜電屏蔽罩(7 )罩著差動電容傳感器探頭，第一電容檢測調制信號上注入電極(11a)、第一差動變面積電容位移檢測上極板(12a)、第二差動變面積電容位移檢測上極板(12b)在同一塊石英基底上，第二電容檢測調制信號下注入電極(lib)、第三差動變面積電容位移檢測下極板(12c)、第四差動變面積電容位移檢測下極板(12d)在同一塊石英基底上。
2.根據權利要求1所述的一種精密單擺式相對重力儀，其特征在于:所述的第一差動變面積電容位移檢測上極板(12a)、第二差動變面積電容位移檢測上極板(12b)為一對差動電容，第三差動變面積電容位移檢測下極板(12c)、第四差動變面積電容位移檢測下極板(12d)為另一對差動電容，所述的兩塊基底分別位于擺體的正上方和正下方，電極和擺體一起組成差動位移傳感器探頭，并與電容檢測前置放大和信號解調電路(14)相連。
3.根據權利要求1所述的一種精密單擺式相對重力儀，其特征在于:靜電屏蔽罩(7)夕卜圍依次包圍有真空腔(8)和溫控系統(9)，真空腔(10)位于減震底座(10)上方。
【文檔編號】G01V7/12GK203673084SQ201320821124
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2013年12月12日 優先權日:2013年12月12日
【發明者】涂海波, 柳林濤, 鐘敏, 王勇, 吳鵬飛 申請人:中國科學院測量與地球物理研究所