[发明专利]一种超导重力梯度仪共模抑制调平结构

说明书

本发明公开了一种通过对超导重力梯度仪内部结构的配对调整达到共模信号不输出的调平结构及相应的调平流程。基于超导重力梯度仪中悬浮质量块运动特性与姿态耦合的特性，该调平结构在保留原有超导重力梯度仪基本结构的基础上，延伸悬浮质量块侧翼，并在侧翼位置安装两翼线圈组，通过两翼线圈组中的不同大小的电流组合控制悬浮质量块的姿态，补偿加工、装配精度不足带来的偏差。调平过程主要为按照一定方式调整两翼线圈中的电流，分别实现在低频下共模信息不输出和在高频下共模信息不输出，迭代操作，实现全宽带内共模信号不输出调平。

技术领域

本发明涉及一种通过对超导重力梯度仪内部结构的配对调整达到共模信号不输出的调平结构，属于电气工程领域。

背景技术

在重力场中，选定零势点后，各点便有确定的重力势，重力势是标量，重力势沿各个方向的变化梯度即为沿该方向的重力加速度，进一步，重力加速度沿各个方向的变化梯度即为重力梯度。用数学方式描述重力梯度，设重力场中各点的重力势为φ(x，y，z)，则沿x，y，z方向的重力加速度为进一步得出重力梯度表达式：

超导重力梯度仪是一种测量重力梯度的高精度仪器，通常装备在飞机、舰船上，高精度重力梯度测量对于地球科学、地质科学、空间科学和高精度惯性制导都有着重要的意义，同时重力梯度测量的高精度、高灵敏度特性，使其在地质资源勘探领域具有极高的应用价值，是进行基础地质调查、基础地质研究、油气矿藏等资源勘查的重要手段。部分重力测量仪通过直接测量重力加速度来获取重力加速度信息，而重力测量仪的安装平台往往不是绝对静止的，所以测量到的重力加速度包含了一部分惯性加速度，要获得准确的重力加速度信息则必须知道准确的惯性加速度信息，经过这个过程往往造成较大的误差，尤其对于满足重力匹配导航的重力场建模精度要求，这样的测量误差显然是不能接受的。超导重力梯度仪中有两个配对的加速度计，通过差分的方式，消除了安装平台运动带来的惯性加速度，该惯性加速度即为共模加速度，共模加速度不输出即共模抑制。理想条件下，上下两个加速度计完美配对，可实现在任意频率下的共模抑制，实际加工制作中，由于加工误差、材料缺陷等，无法实现理想的加速度计配对，此时需要通过结构件调整、电器元件配合等方式实现期望的测量频率宽带内的共模抑制。

目前已有的共模抑制调平手段主要来源于美国马里兰大学超导重力梯度仪研究团队针对自身团队设计的重力梯度仪给出的调平思路，国内也有相关超导重力梯度仪研究团队给出了调平思路及判断调平效果的判据，下面简单讨论三种已有的调平思路及相应的超导重力梯度仪结构，分别记为A、B、C，其中A和B来源于美国马里兰大学物理系研究团队，C来源于国内湖北引力与量子测量实验室与武汉华中科技大学组成的研究团队，三种类型的结构示意图参照附图1～3。

参照图1超导重力梯度仪基本结构A型示意图，根据各参数下标及电路结构，整个结构构成一套差分系统，I_d(t)为差分电流对应着重力梯度信息，在整个系统中，I_d(t)与m₁、m₂的运动存在传递关系为：

其中g_d(ω)为差模加速度对应着重力梯度，g_c(ω)为共模加速度对应着平台运动，目标要求为系统只获取差模加速度，所以有对应着

为实现(3)式的平衡条件，第一步，在ω＞＞ω_1c，ω_2c的情况下，调节I₁与I₂使得输出信号中不包含共模信息，此时有

第二步，在ω＜＜ω_1c，ω_2c的情况下，调节i₁与i₂使得输出信号中不包含共模信息，此时有