[发明专利]一种基于高压悬浮的便携式相对重力仪

说明书

技术领域

本发明属于重力加速度测量领域，更具体涉及一种基于静电高压悬浮的便携式相对重力仪。

背景技术

准确测量重力加速度g及其变化在大地测量、地震预测、资源勘探等领域具有重要作用。一般而言，重力仪分为绝对重力仪和相对重力仪，其中绝对重力仪主要采用摆法和自由落体法，用来测量重力加速度g的绝对值；相对重力仪可以采用超导磁悬浮原理和精密弹簧原理，用来测量重力加速度g的相对变化。基于超导磁悬浮原理的相对重力仪需要工作在低温环境，因此相对体积庞大，结构较复杂；基于精密弹簧原理相对重力仪的性能指标直接与机械弹簧相关，这对弹簧的制作工艺提出了严格的要求，目前精密机械弹簧加工工艺是国内相对重力仪研制的薄弱环节。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于高压悬浮的相对重力仪，其竖直方向潜在测量精度可以达到毫伽水平(1mGal＝10^-5m/s²)；由于机械设计保证极板为直线运动而非圆弧运动，因此机械引入的非线性误差小；此外该种重力仪不采用精密机械弹簧，结构简单、便于携带、功能模块化。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于高压悬浮的便携式相对重力仪，包括真空腔体模块、温度控制模块、高压悬浮控制模块、水平调节模块和机械敏感探头模块；所述温度控制模块用于对所述真空腔体模块内部的温度进行控制，减小所述真空腔体模块内部的温度波动；所述高压悬浮控制模块设置在所述真空腔体模块的周围，用于提供静电悬浮力；所述水平调节模块设置于所述真空腔体模块的上表面，且与所述机械敏感探头模块中的动极板平行；所述机械敏感探头模块设置于所述真空腔体模块内，所述机械敏感探头模块包括第一敏感探头骨架、第二敏感探头骨架、第一定极板、动极板和第二定极板；所述第一定极板固定在所述第一敏感探头骨架中；所述第二定极板固定在所述第一敏感探头骨架中；所述动极板位于所述第一定极板和所述第二定极板中间；工作时，通过测量所述动极板相对所述第一定极板和所述第二定极板的位移，并通过施加千伏高压信号产生静电力使所述动极板悬浮于所述真空腔体模块中。

其中，真空腔体模块包括真空腔体底座单元和真空腔室单元，机械敏感探头模块提供一个真空工作环境；所述温度控制模块紧密安装在真空腔体模块两侧，使重力仪的工作温度波动稳定在0.01℃以内；所述高压悬浮控制模块包括电容位移传感单元、PID控制单元和高压反馈单元，电容位移传感单元测量动极板相对定极板位移，经过PID控制单元计算，利用高压反馈单元在上极板施加高压信号产生足够的吸引力抵消动极板竖直方向的重力加速度g；水平调节模块安装在真空腔体上，配合对重力仪水平方向进行测量与调节；机械敏感探头模块放置于真空腔体模块内，主要包括动极板、定极板和敏感探头骨架，其中两块定极板固定在敏感探头骨架上，动极板通过六根细丝和两根弹簧与敏感探头骨架连接，并限制动极板水平方向的运动，使其仅能沿着竖直方向运动，动极板与定极板相互配合并构成差分电容；

进一步优选地，所述真空腔体模块可以为立方体结构，可以为圆柱体结构。

进一步优选地，所述温度控制模块紧密对称分布在真空腔体两侧。

进一步优选地，所述水平调节模块安装在真空腔体上，通过机械安装保证其与动极板平行。

进一步优选地，所述机械敏感探头模块中动极板通过第一细丝、第二细丝、第三细丝、第四细丝、第五细丝和第六细丝与敏感探头骨架连接，为限制动极板在除竖直方向自由度的运动，需要第一细丝、第二细丝和第三细丝在同一个平面，第四细丝、第五细丝和第六细丝在同一个平面，第一细丝和第四细丝在同一个平面，第二细丝和第五细丝在同一个平面，第三细丝和第六细丝在同一个平面。

进一步优选地，所述高压悬浮控制模块紧密真空腔体一侧，主要包括电容位移传感单元、PID控制单元和高压反馈单元；所述电容位移传感单元与两块定极板和单块动极板通过带屏蔽导线连接，用来测量动极板相对定极板的位移，所述高压反馈单元通过带屏蔽导线在上极板施加千伏高压产生足够的静电力抵消动极板竖直方向的重力加速度g。

进一步优选地，电容位移传感单元包括载波信号和偏置电压产生器、以及依次连接的前置运算放大器、交流放大器、解调器和低通滤波器；所述前置运算放大器的输入端用于连接所述定极板，所述低通滤波单元的输出端提供动极板相对定极板的位移信息；所述载波信号和偏置电压产生器的输出端用于连接所述动极板，并为所述动极板提供频率为10kHz-100kHz、幅值为0.1V-100V的交流调制信号和幅值约0.1V-100V的直流偏置电压。