[发明专利]一种敏感探头及精密竖直弹簧便携式重力仪

说明书

技术领域

本发明涉及重力加速度测量仪器技术领域，具体涉及一种敏感探头及精密竖直弹簧便携式重力仪，该重力仪适用于地质调查、资源勘探、基础科学研究等对区域地表高精度重力加速度数据和地倾斜数据有需求的研究领域。

背景技术

重力加速度是一个基本的地球物理学常数，准确测量重力加速度在地球科学、资源勘探等领域都具有重要意义。

重力加速度测量可分为绝对测量和相对测量，对应仪器分别称之为绝对重力仪和相对重力仪。绝对重力仪是指测量重力加速度g的绝对大小，常用方法有摆法和落体法。相对重力仪是指测量重力加速度g的相对变化，需要标定后才能给出绝对重力加速度值。基于超导悬浮原理和精密弹簧秤原理均可搭建相对重力仪。超导原理的重力仪可以达到很高的分辨率，但通常体积较大，结构较复杂，价格昂贵，不便于对不同地点重力场的流动观测。

基于精密弹簧秤结构亦可搭建高精度便携式重力仪，该类重力仪依重力敏感结构的不同又可以分为斜拉弹簧秤结构和竖直弹簧秤结构。前者采用零长弹簧思想搭建(Lacoste 1932，http://www.microglacoste.com)，该结构对重力变化具有位移放大作用，即极大地降低了摆体与支架间的机械连接刚度，因此同样的重力变化引起的位移量更大，因而降低了对微位移电路的噪声需求。斜拉结构精巧但复杂，导致该型重力仪价格较昂贵且难以大批量生产。

竖直弹簧秤结构则相对简单可靠，且由于电容测微电路的进步，该型重力仪的分辨率亦可达到微伽量级。利用类似结构的DZW型重力仪(李家明,等.DZW-II型微伽重力仪的改进设计.大地测量与地球动力学,2005(4):127-132)得到了不断改进，已广泛用于台站观测。该重力仪工作于开环模式，其测量原理可表示为

Δg=k0·Δxm]]>

其中k₀为弹簧的刚度，Δx为所测量的摆体的位移变化，m为摆体的质量，Δg即为所测得的重力潮汐信号。该型重力仪受工作模式的局限及定位于潮汐重力仪的影响，测量带宽约0.01Hz，而滤掉了较高频率的地震动信号，且不利于流动观测。另一方面，由于是开环工作模式，该型重力仪靠探头加工的对称性和大动态范围下竖直方向电容位移传感(例如激励信号、放大、检波等电路)的对称性来保障测量的线性度，对电容传感电路有很高的量程-精度比需求。

竖直弹簧秤结构还成功地用于CHZ海洋重力仪(张善言,等.新研制的CHZ海洋重力仪.测绘学报,1987,16(1)：1-6)，其动态精度可达到1mGal，其电磁力反馈控制方案有较大的动态范围，但分辨率较低。处于闭环工作原理的重力仪，其测量原理可表示为

Δg=C·Vfeedm]]>

其中，V_feed为加载在磁力反馈时反馈线圈两端或静电反馈时电极板上的电压值，C为标定系数。

另外，高精度垂直摆倾斜仪在我国也已得到了充分发展(吴艳霞.VS新型垂直摆倾斜仪的研究.武汉理工大学图书馆,2005)，分辨率通常达到纳弧度量级。重力潮汐和地倾斜潮汐一直是地球物理研究的重要课题，已经有发明着眼于将两个测地仪器整合到一个测量系统中(李家明,等.重力和倾斜固体潮综合观测仪,CN201110895Y,2008)，但该系统本质上仅是具有独立功能的一个重力仪和一个倾斜仪的测量组合。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种敏感探头，该敏感探头各部件均采用轴对称结构，结合电容测微，使得该探头对竖直方向的重力异常和两个水平方向的地倾斜信号同时敏感。