02重力仪原理与结构解析.docx

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1、2.重力勘查的仪器从原理上说，凡是与重力有关的物理现象都可以用于设计制造重力仪器，并用它们来测定出重力全值10一710一N量级变更，因此要求重力仪要有高敏度、高精度等良好性能。2.1 重力仪基本原理依据测量的物理量的不同，重力测量分为动力法和静力法两大类，动力法观测的是物体的运动状态（时间与路径），用以测定重力的全值，即肯定重力值（早期的摆仪也可用于相对测量）；静力法则是观测物体在重力作用下静力平衡位置的变更。以测量两点间的重力差，称相对重力测定，重力仪是一种精密、珍贵的仪器。2.1.1 肯定重力测量仪器肯定重力测量的简洁原理是利用自由落体的运动规律，在固定或移动点上测量时有单程下落和上抛下落

2、两种行程，自由落体为一光学棱镜，利用稳定的氢氨激光束的波长作为迈克尔逊（IniCheISon）干涉仪的光学尺，干脆测量空间距离:时间标准是采纳高稳定的石英振荡器与天文台原子频率指标对比。观测时，仍旧还有很多干扰因素影响重力值的精度测定，如大地脉动、真空度、落体下落偏摆等等，因此必需加以分析、限制和校正。1）自由下落单程观测图2.1表示自由落体在真空中的下落，其质心在时刻tl、t2、t3相对经过的位置分别为hl、h2、h3,时间间隔为ThT2,经过的距离为Si、S2,则由自由落体运动方程式最终可导出重力值的公式：精确测定Si、S2是采纳迈克尔逊干涉仪的原理，当物体光心在光线方向上移动半波长（3/

3、1）时，干涉条纹就产生一次明暗变更，显示干涉条纹数目干脆代表下落距离（S=N+,N为半干涉条纹数）。这些干涉条纹信号由光电倍增管接受，转化成电信号，放大后与来自石英振荡器的标准频率信号同时送入高精度的电子系统，以便计算时间间隔与条纹数目，从而精确到Si、S2、ThT2O2）上抛下落双程观测上抛下落对观测可避开残存空气阻力、时间测定、电磁等影响带来的误差，物体被铅垂上抛后，其质量中心所走的路程先铅垂向上而后下，其时间与距离的关系如图2.2o图2.1自由下落单程肯定重力测量示意图图2.2上抛下落双程肯定重力测量示意图印刷干涉杀tt图2.3上抛下落棱镜的光程图中C和cB和BA和A，在空间都是一点。从

4、运动学公式可以导出式中Tz=U-t,T1=t3-t2,S=hche上抛下落光程如图2.3所示，用以抛射运动棱镜的机件必需使该棱镜上抛时,平移与旋转角不超过肯定限度。肯定重力测量的精确性是一项困难精细的工作,它有赖于几种物理量的精密测定，涉及到光学、电子学和精密机械的有关技术。我国是为数不多的能生产肯定重力测量仪器的国家之一。80年头中期研制的单程下落可移式仪器在国际对比中，精确度为0.14g.u.,世界上最先进的可移式上抛法仪器，其精确度约为0.05g.u.这类仪器重达数百公斤，安装、调试、测定是一项特别困难的工作。国家计量科学院从1964年起先研制下落式肯定重力仪979年制成精确度为lg.u

5、.的固定式仪器。1980年制成NIM-I型可移式仪器，精确度为0.2g.u01985年制成NIM-Il型，NIM-In型可移式仪器,精确度为0.14g.u0目前世界上最先进的可移式仪器为法国和意大利的产品,均采纳上抛法,精确度为0.05g.u.MICROG1.ACOSTE公司生产的AlO肯定重力仪是唯一可用于流淌测量的肯定重力仪在国际单位制中,在以前的资料中,lms2=106g.u也用伽作单位，lgal（伽）=1Crn/s?Igal=104g.u2.1.2 相对重力测量仪器概述用于重力勘探工作中的重力仪，都是相对重力测量仪器，即只能测出某两点之间的重力差，由于重力差比重力全值小几个数量级以上，

6、因而要运用测量值达（l-0.0n）g.u.精度，其相对精度就比肯定重力仪小得多了，这样使仪器轻巧，小型化就较为实现，但即便如此，为能正确反映重力极微小的变更，在仪器设计、材料选取、各种干扰的消退等方面仍非易事。1）工作原理一个恒定的质量m在重力场内的重量随g的变更而变更，假如用另一种力（弹力，电磁力等）来平衡这中重量或重力矩的变更，则通过对物体平衡状态的观测，就有可能测量出两点间的重力差值，按物体受重力变更而产生位移方式的不同，重力仪可分为平移（或线位移）式或旋转（或角位移）式两大类。日常生活中运用的弹簧称从原理上说就是一种平移式重力仪。设弹簧的原始长度为so,弹力系数为k,挂上质量为m的物体

7、后其重量为mg,当由弹簧的形变产生的弹簧与重量大小相等（方向相反）时，重物静止在某一平衡位置上，此时有mg=k（S-So）（）式中S为平衡时弹簧的长度，若将系统分别置于重力值为gl和g2的两个点上，弹簧形变后的长度为Sl和S2,可类似得到上述两个方程，将它么们相减便有=S2-g=（S2-S1）=CSO系数C称为格值，因此测得重物的位移量就可以换算出重力差。将上式全微分后并除以该式，可得到相对误差表达式=f（）设Ag=1000u,dgm.lg.u.o则相对误差为104,平均地说，对格值与AS测定的相对误差不能超过05X104,可见要求实施是相当困难的。2）构造上的基本要求不同类型重力仪尽管结构上

8、差异很大，但任何一台重力仪都有两个基本的部分：一是静力平衡系统，又叫灵敏系统，用来感受重力的变更，因而是仪器的“心脏”；二是测读机构，用来观测平衡系统的微小变更并测量出重力变更，对前者来说。系统必需具备足够高的灵敏度以便能精确地感受到重力的微小变更，对后者来说，应有足够大的放大实力以辨别出灵敏系统的微小变更，同时测量重力变更的范围较大，读数与重力变更间的换算要简洁。图2.5旋转式重力仪灵敏系统对弹簧称式重力仪的分析:全值重力场下(=l()7g.u.),弹簧伸长IOCm一个半径为50m,中心埋深100m,剩余密度0.5gcm3的球体在中心上方的最大重力异样2g.u.,该异样引起的弹簧长度变更2*

9、10-6mm.可见重力仪要灵敏地感受这一微小变更，并测出这一变更须要在仪器结构上进行细心的设计。图2.6弹簧式重力仪灵敏系统结构示意图2)平衡方程式与灵敏度简化了的旋转式弹性重力仪中灵敏系统如图2.5所示，1为带重荷m的摆杆(亦称平衡体)，它与杆3骨节为一体，可绕旋转轴。转动，此旋转轴可为一对水平扭丝或水平扭转弹簧。2称为主弹簧，上端固定，下端与支杆3相连。这样，-平衡体在重力矩和弹力矩的作用下可在某一位置达到平衡(静止)，设Mg表示平衡体所受的重力矩，它是重力g与平衡体偏离水平位置为角的函数;M,表示平衡体受到的弹力矩，是角的函数的函数，在平衡体静止时，合力矩MO为零，即Mo=Mg(g,)+

10、M()=0()这就是重力仪的基本平衡方程式，从该式动身我们来探讨角灵敏度问题。所谓角灵敏度，是指单位重力变更所能引起平衡体偏角的大小，假如偏角越大，则表示仪器越灵敏，即叫灵敏度大，反之亦然。将式(2.1.6)对g和进行微分得到轰M,q),)dg+岔Mg(g,)d+卷MT(P)d(p=GO稍加整理既获得角灵敏度的表达式d=:/W()一飞?(M*AM夕)2因此，从原理上说，提高灵敏度有两个途径：一是加大上式中的分子，这意味着要增大m和1.(1.为平衡体质心到转轴O的距离)，其结果是会增大仪器的重量和体积，也同时会使各种干扰因素的影响加大，这是不行取的；二是削减上式中的分母，其物理意义为削减平衡系统

11、的稳定性。依据力学中的三种平稳状态的表示为：舞Vo时为稳定平衡，普=0时为随遇平衡，舞0时为不稳定平衡，因此，让式()中的分母小于零的方向趋近于零而不等于零，既是削减系统的稳定性，但又不使其达到不稳定性状态，使灵敏度达到我们所须要的范围。为实现这一要求，可实行加助动装置(亦称敏化)方法、倾斜观测法以及适当主弹簧位置等方法。图2.1-4中的主弹簧连在支杆上的布局，本身就是起到了自动助动作用，随着角的减小，灵敏度会渐渐增大。图2.7灵敏系统的稳定性示意图这个条件就物理意义来说，就是设计和制造重力仪时，设法减小灵敏系统的稳定性，但又不使其达到不稳定状态，如图2.7o假设图中（八）,(b),(C)中M

12、与接触面间的摩擦系数是相等的。尽管M均处在平衡状态，明显因2.7c中的M稳定性很差，当有很小的水平方向的外力作用时，质块M就会产生较大的位移。为了达到敏化平衡体的目的.通常用增加敏扮装置的方法，以便使灵敏系统满意敏化条件。也可用适当布置弹簧法。测读机构与零点读数法由于重力的变更所能引起平衡体的偏转角的变更量特别的微小，肉眼无法判别，因此为能视察出这一微小的变更，测读机首先要有一套具有足够放大实力的放大机构，如光学放大、光点放大和电容放大等；其次应有一套测读机构，如测微记数器，或自动记录系统等，将平衡体角位移变更量测读出来，以换算出重力变更量。现代重力仪的测读都是采纳补偿法进行的，也称零点读数法

13、，其含意是:选取平衡器的某一位置作为测量重力变更的起始，即零点位置，重力变更后，第一步是通过放大装置观测平衡体对零点位置的偏离状况；其次步是用另外的力去补偿重力的变更，即通过放大装置将平衡体又精确地调回到零点位置，测微器上前后两个读数的变更就反映了重力的变更。采纳零点读数法有很多优点；扩大了干脆测量范围，减小了仪器的体积，测读精度高，以相同的灵敏度在各点上施测，此外，读数换算也比较简洁。4）影响重力仪精度的因素及消退影响的措施精度是指实测值靠近真实值的程度，它与测量次数有关，更与测量中不行避开的各种干扰因素造成的误差有关，影响重力仪观测精度的因素很多，如何实行相应措施使这扰的影响减低到最低水平

14、，是确定重力仪性能或质量懂得根本保证。鉴于这一问题涉及的面很广也很困难，下面只能作写简要的介绍。温度影响温度变更会使重力仪各部件热胀冷缩，使各着力点间的相对位置发生变更；弹簧的弹力系数也是温度的函数，以石英弹簧为例，它的弹性温度系数约为120IO6,即温度变更时，相当于重力（全值）变更了1200g.u.!因此，克服温度变更的影响是提高重力仪精度的重要保证，为此，已采纳的措施有：研制与选用受温度变更影响小的材料作仪器的弹性元件；附加自动温度补偿装置；采纳电热恒温（有的仪器加双层恒温），这样使仪器内部温度基本保持不变，此外在野外运用仪器时，应极力避开阳光干脆照耀的仪器上，搬运中应设计通风性能好的专

15、用外包装箱等。气压影响主要是使空气密度变更而使平衡体所受的浮力变更，并在仪器内部可能形成微弱的气体流淌冲击弹性系统。消退的方法有：将弹性系统置于高真空的封闭容器内；在与平衡体相反方向上（相对旋转轴而言）加一个等体积矩的气压补偿器;条件须要和许可时，应将仪器置入气压舱内检测受气压变更的影响，以便引入相应的气压校正。电磁力影响用石英材料制成的摆杆（平衡体），因质量很小无须夹固，当它在自由摇摆时，会与容器中残存的空气分子相摩擦而产生静电，电荷的不断累积会使仪器读数发生变更。因此，这类仪器常在平衡体旁边放一适量的放射性物质，使残存气体游离而导走电荷；对于用金属制成的弹性元件来说，材料中含的铁磁性元素就会对地磁场变更产生响应而变更仪器读数，为此，要将整个弹性系统作消磁处理，外面再加上磁屏以屏蔽磁场；有条件时，应在人工磁场中进行实际测量，以了解受磁场方向、强度变更的影响，必要时引入相应的校正项；在野外工作中，利用指北针定向安放仪器，让摆杆方向总与地磁场垂直。安置状态不一样的影响由于在各测点上安放重力仪时不行能完全一样，因而摆杆与重力的交角就会不一样，从而使测量结果不仅包含有各测点间重力的变更量，还包含了摆杆与重力方向夹角不一样的影响，假设选定的零点位置与水平面夹角为a,则重力矩为Mg=m*g*l*cos,分别对g和微分后可得dg=-g*t*g*