流動(dòng)式相對(duì)重力儀的研制與應(yīng)用

[摘要]""" 地球重力場(chǎng)信息是進(jìn)行地球物理研究的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)我國(guó)具有重要意義。作為陸上高精度重力測(cè)量的核心儀器，流動(dòng)式相對(duì)重力儀因其技術(shù)門檻高，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)長(zhǎng)期被國(guó)外產(chǎn)品所壟斷。天津航海儀器研究所依托掌握的金屬零長(zhǎng)彈簧制備核心技術(shù)，成功研制出流動(dòng)式相對(duì)重力儀，成為國(guó)內(nèi)極少數(shù)掌握該項(xiàng)技術(shù)的單位，可全面滿足包括陸上重力基線場(chǎng)在內(nèi)的野外測(cè)量作業(yè)要求。由天津航海儀器研究所研制的流動(dòng)式相對(duì)重力儀通過(guò)了國(guó)內(nèi)最具權(quán)威用戶組織中國(guó)地震局的入網(wǎng)測(cè)評(píng)，實(shí)測(cè)重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差為3.1 μGal，精度為3.5 μGal，分辨力優(yōu)于1 μGal，整體性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

[關(guān)鍵詞] 相對(duì)重力儀; 重力測(cè)量; 零長(zhǎng)彈簧; 設(shè)備入網(wǎng)測(cè)試

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2024-009

0" 引言

相對(duì)重力儀是用于精確測(cè)量地球各點(diǎn)之間重力加速度相對(duì)變化量的精密儀器，是獲取地球重力場(chǎng)信息的核心儀器。高精度相對(duì)重力儀可以為地球重力場(chǎng)測(cè)量和地球物理基礎(chǔ)理論研究提供更加準(zhǔn)確和全面的數(shù)據(jù)，也可以為石油和金屬礦藏的重力勘探提供更加高效和可靠的方法。此外，重力儀測(cè)得的重力場(chǎng)信息對(duì)于衛(wèi)星的發(fā)射和精確觀測(cè)也有著重要的作用[1-3]。因此，各國(guó)高度重視地球重力場(chǎng)信息的獲取和利用，重力儀的重要性日益突出。

零長(zhǎng)彈簧技術(shù)方案是國(guó)內(nèi)外相對(duì)重力儀所使用的主流技術(shù)方案，按照零長(zhǎng)彈簧材質(zhì)可分為石英零長(zhǎng)彈簧和金屬零長(zhǎng)彈簧，國(guó)際上這兩類技術(shù)方案的典型產(chǎn)品分別為加拿大Scintrex公司研發(fā)的CG-6重力儀和美國(guó)ZLS公司研發(fā)的Burris金屬零長(zhǎng)彈簧自動(dòng)重力儀[4]。流動(dòng)式相對(duì)重力儀是天津航海儀器研究所研制的一款便攜式高精度相對(duì)重力儀，具有數(shù)字化、智能化和自動(dòng)化等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)一鍵式操作。實(shí)物圖見(jiàn)圖1，規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表1。

該型重力儀采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的零長(zhǎng)彈簧重力敏感器技術(shù)方案，提高了重力測(cè)量的精度和穩(wěn)定性。該型重力儀的直接測(cè)程達(dá)8000 mGal，不需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整測(cè)程，極大地提高了設(shè)備使用的便利性，具體技術(shù)指標(biāo)如表2所示。針對(duì)野外工程作業(yè)，重力儀提出自適應(yīng)的水平控制算法，增強(qiáng)了對(duì)野外惡劣環(huán)境的適應(yīng)性。在人機(jī)交互方面設(shè)計(jì)了專用的重力數(shù)據(jù)后處理軟件，提供友好的人機(jī)交互界面，便于數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量評(píng)估。此外，該型重力儀的核心零部件均由天津航海儀器研究所研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了從測(cè)量原理到敏感元件全部核心技術(shù)的自主可控，為我國(guó)在重力測(cè)量領(lǐng)域的發(fā)展增添了一塊重要拼圖。

1" 基本工作原理

該型重力儀使用自研金屬零長(zhǎng)彈簧作為重力敏感元件，當(dāng)重力發(fā)生變化時(shí)，彈簧敏感重力變化量產(chǎn)生長(zhǎng)度變化，經(jīng)電容位移傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，控制反饋回路產(chǎn)生相應(yīng)反向輸出電壓，使電磁力矩器產(chǎn)生平衡電磁力，保持彈性系統(tǒng)處于零位平衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)零位閉環(huán)控制，最后通過(guò)對(duì)伺服反饋電流值進(jìn)行后續(xù)計(jì)算處理實(shí)現(xiàn)重力測(cè)量，所使用的清晰原理和簡(jiǎn)潔結(jié)構(gòu)能夠有效地提高重力測(cè)量的精度和穩(wěn)定性。重力測(cè)量原理圖見(jiàn)圖2。

在重力儀的重力敏感器中，零長(zhǎng)彈簧的使用提高了測(cè)量的精度和穩(wěn)定性。零長(zhǎng)彈簧是一種經(jīng)過(guò)特殊處理后帶有預(yù)載力的精密彈簧，因其具有高穩(wěn)定性和高分辨率的特點(diǎn)，成為重力測(cè)量使用的最佳敏感元件。零長(zhǎng)彈簧作為重力儀的核心敏感元件可以實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的控制和調(diào)節(jié)，其較強(qiáng)的彈性恢復(fù)力和對(duì)外力的抗干擾能力可以直接提高重力儀的測(cè)量效率（圖3）。

在特定的制備工藝下，零長(zhǎng)彈簧的彈性系數(shù)與長(zhǎng)度成正比。當(dāng)彈簧一端被固定，另一端懸掛一個(gè)質(zhì)量為m的重物時(shí)，彈簧被拉伸，其拉伸長(zhǎng)度為Δl，此時(shí)彈簧的彈性力F和物體的重力mg達(dá)到平衡。重物受到地球的自轉(zhuǎn)、潮汐、地震等因素的影響，物體的重力發(fā)生變化，彈簧的彈性力與重力之間的平衡被打破，由于重物質(zhì)量恒定，可計(jì)算出重力的變化：

（1）

式中，k是零長(zhǎng)彈簧的彈性系數(shù)。

此外，為了減小設(shè)備運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的震動(dòng)和沖擊對(duì)儀器測(cè)量造成的影響，重力敏感器采用了拉絲定中方案限制檢測(cè)質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)自由度。當(dāng)檢測(cè)質(zhì)量處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，水平的拉絲系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生豎直方向的分力；當(dāng)設(shè)備運(yùn)動(dòng)時(shí)，檢測(cè)質(zhì)量由于受到震動(dòng)和沖擊，在豎直方向上產(chǎn)生微小位移，平衡狀態(tài)被破壞，拉絲系統(tǒng)受到拉力和扭矩作用后對(duì)檢測(cè)質(zhì)量施加反向的力和力矩，使其恢復(fù)平衡狀態(tài)。

整個(gè)彈性系統(tǒng)的剛度由零長(zhǎng)彈簧和拉絲系統(tǒng)共同組成：

（2）

式中，Ks是零長(zhǎng)彈簧的剛度，Kt是拉絲系統(tǒng)在豎直方向上的剛度。對(duì)其進(jìn)行合理的理論計(jì)算設(shè)計(jì)彈性系統(tǒng)各部分參數(shù)，使得敏感器分辨力達(dá)到一定指標(biāo)，具備高精度重力測(cè)量的能力。

為了準(zhǔn)確地測(cè)量零長(zhǎng)彈簧因重力變化所產(chǎn)生的微小位移，重力儀采用了差分式電容位移傳感器。差分式電容位移傳感器由3塊平行的金屬板組成，動(dòng)極板可沿垂直面移動(dòng)，當(dāng)金屬板之間的距離發(fā)生變化時(shí)，他們之間的電容也會(huì)發(fā)生變化，這個(gè)變化可以通過(guò)電路轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而反映出位移的大小。差分式電容位移傳感器相比于普通的電容位移傳感器具有更高的靈敏度和更小的非線性誤差，可以更加精確地檢測(cè)零長(zhǎng)彈簧的位移變化。通過(guò)對(duì)電信號(hào)的后續(xù)計(jì)算處理，重力儀可以實(shí)現(xiàn)重力測(cè)量（圖4）。

重力儀所測(cè)得的重力測(cè)量值包含自身誤差以及測(cè)區(qū)地形、位置、固體潮汐等，輸出值并不能直接反映出測(cè)點(diǎn)的真實(shí)重力值，需要對(duì)其進(jìn)行一系列的補(bǔ)償處理才能得到準(zhǔn)確的相對(duì)重力值[7]。

補(bǔ)償處理包括濾波、固體潮改正、溫度校正、傾斜改正和零位漂移改正（圖5）。濾波去除重力信號(hào)中的噪聲和干擾，提高信噪比；固體潮改正消除月球和太陽(yáng)對(duì)地球引力的周期性影響，使重力值更加穩(wěn)定；溫度校正消除溫度變化對(duì)重力敏感器的影響；傾斜改正消除重力儀的傾斜角度對(duì)重力測(cè)量的影響，使重力測(cè)量值更加精確；零位漂移改正是為了消除重力儀的零位漂移對(duì)重力測(cè)量的影響，使重力值更加穩(wěn)定。通過(guò)這些補(bǔ)償處理后，重力儀得到測(cè)點(diǎn)的相對(duì)重力值，完成高精度的重力測(cè)量。

2" 設(shè)備性能測(cè)試

流動(dòng)式相對(duì)重力儀在武漢中心地震臺(tái)和廬山重力基線場(chǎng)完成入網(wǎng)測(cè)試。廬山重力基線場(chǎng)共有重力基本點(diǎn)24個(gè)，重力基準(zhǔn)點(diǎn)1個(gè)，最大高差超過(guò)1000 m，重力段差超過(guò)300 mGal，是我國(guó)最早建立的重力儀格值標(biāo)定測(cè)量短基線之一。該型重力儀主要技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表3所示，滿足技術(shù)要求，獲得入網(wǎng)資質(zhì)。

設(shè)備野外工程作業(yè)地點(diǎn)選擇在西藏自治區(qū)林芝市（圖6）。林芝盆地位于青藏高原，平均海拔3100 m，測(cè)量該地的重力場(chǎng)信息有利于開(kāi)展相關(guān)研究。此次工程測(cè)量跟隨湖北省地震局測(cè)量院，共測(cè)量超過(guò)150個(gè)測(cè)點(diǎn)，每日測(cè)量時(shí)長(zhǎng)超過(guò)8小時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)完整、有效，滿足工程作業(yè)指標(biāo)要求。

3" 結(jié)論

目前流動(dòng)式相對(duì)重力儀在北京靈山國(guó)家重力基線場(chǎng)、武漢九宮山國(guó)家重力基線場(chǎng)已進(jìn)行多次設(shè)備檢驗(yàn)，并參加了湖北省地震局組織的高原實(shí)地測(cè)量工程，滿足野外測(cè)量作業(yè)的要求。該型重力儀的成功研制對(duì)于打破國(guó)內(nèi)對(duì)國(guó)外高端產(chǎn)品依賴的現(xiàn)狀有重要意義，但作為重力測(cè)量領(lǐng)域的追趕者，它仍然存在不足之處，在測(cè)量精度等關(guān)鍵指標(biāo)上需要開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)，不斷加大科研力度，在性能上追趕國(guó)外高精度產(chǎn)品，為我國(guó)地球物理科學(xué)研究夯實(shí)基礎(chǔ)，成為中國(guó)重力儀器一張亮麗的名片。

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Development and application of mobile relative gravimeter

Zhang Han*， Zhu Xueyi， Gou Xiaolu， Wu Wei， Qiu Kai， Gao Feng

Tianjin Navigation Instrument Research Institute， Tianjin 300131， China

[Abstract]"""" The information of Earth gravity field is an important basic data for geophysical research， and is of great significance to China. As a core equipment for land high precision measurement， mobile relative gravimeter’s technical threshold is high， and the domestic market has been monopolized by foreign products for a long time. Based on the core technology of metal zero-length spring preparation， Tianjin Navigation Instrument Research Institute has successfully developed mobile relative gravimeter， which has become one of the few units in China that have mastered this technology and can fully meet the requirements of field measurement operations， including the terrestrial gravity baseline field. Mobile relative gravimeter developed by Tianjin Navigation Instrument Research Institute passed equipment admittance testing of China Earthquake Administration， the most authoritative user organization in China. The measured repeatability standard deviation is 3.1 μGal， the accuracy is 3.5 μGal， and the resolution is better than 1 μGal. Its performance reached the international advanced level.

[Keywords] relative gravimeter; gravity measurement; zero-length spring; equipment admittance testing