一种簧片杠杆式垂直重力梯度仪的制作方法

1.本发明属于重力测量技术领域，更具体地，涉及一种簧片杠杆式垂直重力梯度仪。


背景技术：

2.高精度的垂直重力梯度仪在地质勘探、地球物理等领域有着重要的应用。1890年匈牙利物理学家设计出一种扭秤式重力梯度仪，使得对重力梯度测量的精度达到了1e(10
‑9/s2)，该设备开始在一些地质勘探中得到广泛应用。后来，由于这种扭秤所需测量时间长、体积大，以及受地形影响严重，且不适合在野外使用，使得重力梯度仪的进一步发展成为必须。
3.现有的重力梯度仪可以分为两大类：依靠差分加速度测量的差分式重力梯度仪和依靠扭矩测量的扭秤式重力梯度仪。如今前者的精度已经可以达到很高，但是要求两个加速度计之间高度精确匹配，结构复杂，技术难度大；后者即是以扭秤为代表的一类重力梯度仪，不存在两个加速度计之间匹配的问题，但是测量时间长且受地形和环境的影响很大。在实际应用中需要一种结构简单且测量时间短、便于携带的重力梯度仪。
4.此外，全张量簧片式重力梯度仪在测量过程中必须要通过旋转设备测量三个不同方位上的数据才能得到最终结果，而旋转台则带来了操作复杂度的提升以及额外的误差。在地表的地质勘探中，由于垂直重力梯度数据解释工具较为完善，所需的大多数信息都可以从垂直重力梯度中获取，多数情况下并不需要全张量重力梯度仪。垂直重力梯度仪有着十分重要的运用需求，而目前市面上还没有实用的高精度垂直重力梯度仪。


技术实现要素：

5.针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种簧片杠杆式垂直重力梯度仪，旨在解决现有重力梯度仪结构复杂、测量时间较长的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种簧片杠杆式垂直重力梯度仪，包括上检验质量、上簧片、上横杆、竖杆、下横杆、下检验质量、下簧片、上极板、下极板和信号处理电路；
7.上簧片的顶端固定，底端和上横杆相连；上横杆的一端与上检验质量固定连接，另一端与竖杆上端可转动连接，竖杆下端和下横杆可转动连接；下横杆一端和下检验质量固定连接，另一端下方连接下簧片的顶端，下簧片的底端固定；
8.上检验质量与下检验质量的质心位于同一条铅垂线上；上极板和下极板分别固定位于下检验质量的上方和下方构成探头，并与信号处理电路连接。
9.进一步地，所述信号处理电路包括电容位移传感模块、静电反馈模块以及模数转换模块；
10.电容位移传感模块与上极板、下极板均连接，用于检测下检验质量在垂直方向的位移信号；
11.静电反馈模块用于将所述位移信号转换为反馈电压，并施加于上极板和下极板；
12.模数转换模块用于将所述反馈电压转化为数字信号进行数据处理。
13.进一步地，静电反馈模块采用pid控制模块。
14.进一步地，上检验质量和上横杆的连接方式为：上横杆的一端与上检验质量的一个侧面正中连接，且上横杆与所述侧面垂直；下检验质量和下横杆的连接方式为：下横杆的一端与下检验质量的一个侧面正中连接，且下横杆与所述侧面垂直。
15.进一步地，上极板和下极板分别置于平衡状态的下检验质量的正上方和正下方，且平行于下检验质量的上下表面。
16.进一步地，还包括外壳；上检验质量、上簧片、上横杆、竖杆、下横杆、下检验质量、下簧片、上极板和下极板位于所述外壳内。
17.进一步地，上簧片的顶端、下簧片的底端、上极板和下极板固定于所述外壳。
18.进一步地，还包括上铰链和下铰链；上横杆与竖杆上端通过上铰链连接，竖杆下端和下横杆通过下铰链连接。
19.通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
20.(1)本发明的簧片杠杆式垂直重力梯度仪，其结构简单，且得益于高精度的电容位移传感模块和反馈控制模块，可快速进行高精度的垂直重力梯度测量。
21.(2)本发明相对于全张量簧片式重力梯度仪，仅测量重力梯度张量的单个分量即垂直重力梯度，测量时无需转动设备，大幅降低了该设备的复杂度，变得更易于实现。
22.(3)本发明的垂直重力梯度仪对于探测三维空间中的密度分布异常有着非常高的灵敏度，适合用于推测地下三维等效质量分布，探测浅部地质构造等领域，具有十分广阔的应用前景。
附图说明
23.图1是是本发明实施例提供的簧片杠杆式垂直重力梯度仪的原理框图；
24.图2是本发明实施例提供的簧片杠杆式垂直重力梯度仪探头部分的结构示意图；
25.图3是本发明实施例提供的簧片杠杆式垂直重力梯度仪簧片结构示意图。
具体实施方式
26.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
27.本发明实施例提出了一种簧片杠杆式垂直重力梯度仪。如图1示出了本发明实施例所提供的簧片杠杆式垂直重力梯度仪的原理框图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
28.本发明结构包括依次连接的上检验质量1，上横杆3，上簧片2，上铰链14，竖杆4，下铰链15，下横杆5，下簧片7，下检验质量6，以及上极板8和下极板9，均置于外壳13内，构成了装置的杠杆系统。上极板8和下极板9连接到电容位移传感模块10。
29.电容位移传感模块10和静电反馈模块11以及模数转换模块12都是装置的信号处理电路部分，如图2所示，电容位移传感模块10获得下检验质量6在垂直方向产生的位移信号，会传递到静电反馈模块11，静电反馈模块11通过该位移信号计算出所需的反馈电压v
f
，
再传输到极板8和9的反馈控制端；最后的模数转换模块12获得来自静电反馈模块的反馈电压信号，将其转换成数字信号后可以被计算机读取、储存，用于后续的处理。
30.其中，上横杆3、下横杆5的长度、与上簧片2、下簧片7与竖杆4连接位置，均由计算确定，原则是当整个装置所处位置垂直重力梯度值w
zz
为零时，要保持上横杆3和下横杆5处于水平状态以及竖杆4处于竖直状态，且上簧片2和下簧片7均不发生扭转。
31.优选地，此处上横杆与竖杆上端、竖杆下端和下横杆可转动连接的方式可采用铰链。具体采用何种可转动连接结构本发明实施例不作唯一性限定。
32.由于垂直重力梯度的存在，上检验质量和下检验质量所在位置的重力加速度大小不同，在开环条件下，杠杆系统会偏离平衡位置，具体表现为：当垂直重力梯度w
zz
大于零时，下检验质量6受到的重力大于上检验质量1，于是下检验质量6会向下偏移，下横杆5会绕下簧片7作顺时针转动，拉动竖杆4向下运动，进而拉动上横杆3左端下沉，上横杆3绕上簧片2作逆时针转动，上检验质量1会向上偏移；当垂直重力梯度w
zz
小于零时，下检验质量6受到的重力小于上检验质量1，于是上检验质量1会向下偏移，上横杆3会绕上簧片2作顺时针转动，拉动竖杆4向上运动，进而拉动下横杆5上升，下横杆5绕下簧片7作逆时针转动，下检验质量6会向上偏移。这种偏移会受到来自簧片刚度的约束，最终达到平衡。在存在电容位移传感模块10和静电反馈模块11的闭环回路中时，上极板8、下极板9以及下检验质量6都处于通电状态，电容位移传感模块10能检测到下检验质量6发生的位移，具体原理为下检验质量6的偏移使得上极板8、下极板9和下检验质量6构成的差分电容大小发生变化，当下检验质量6向上偏移时，和上极板8之间的电容变大，和下极板9之间的电容变小，当下检验质量6向下偏移时反之，这个差分量会直接被电容位移传感模块10检测到，通过标定实验，差分电容大小可以表示出下检验质量6相对平衡位置的偏移量。静电反馈模块11根据该被检测到的位移信号计算得到所需的反馈电压v
f
，反馈电压作用到上极板8、下极板9上，通过该附加的电压对下检验质量6施加一个静电力，使下检验质量6回到平衡位置。在本发明实施例中，静电反馈模块11可以采用pid控制模块。在深度负反馈系统里，在这里得到的反馈电压v
f
正好反映了垂直重力梯度w
zz
的信息，该反馈电压信号同时通过模数转换模块12转换为数字信号，通过标定实验，可以得到输出电压值和垂直重力梯度值之间的转换关系。值得一提的是，本发明相较于测量垂直重力梯度的绝对值，更适合于测量垂直重力梯度的变化量。
33.本发明实施例提供的簧片式重力梯度仪具有结构相对稳定、反应速度快等优点，并且避免了差分加速度测量模式对加速度计一致性的要求。其以较小体积以及较快的测量速度满足一般基于重力梯度场测量的地球物理、地质学、资源勘探等应用需求。相对于全张量簧片式重力梯度仪，仅测量重力梯度张量的单个分量，测量时无需转动设备，有效降低了设备的复杂度，变得更易于实现。
34.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种簧片杠杆式垂直重力梯度仪，包括上检验质量(1)、上簧片(2)、上横杆(3)、竖杆(4)、下横杆(5)、下检验质量(6)、下簧片(7)、上极板(8)、下极板(9)和信号处理电路(10，11，12)；上簧片(2)的顶端固定，底端和上横杆(3)相连；上横杆(3)的一端与上检验质量(1)固定连接，另一端与竖杆(4)上端可转动连接，竖杆(4)下端和下横杆(5)可转动连接；下横杆(5)一端和下检验质量(6)固定连接，另一端下方连接下簧片(7)的顶端，下簧片(7)的底端固定；上检验质量(1)与下检验质量(6)的质心位于同一条铅垂线上；上极板(8)和下极板(9)分别固定位于下检验质量(6)的上方和下方构成探头，并与信号处理电路(10，11，12)连接。2.如权利要求1所述的簧片杠杆式垂直重力梯度仪，其特征在于，所述信号处理电路(10，11，12)包括电容位移传感模块(10)、静电反馈模块(11)以及模数转换模块(12)；电容位移传感模块(10)与上极板(8)、下极板(9)均连接，用于检测下检验质量(6)在垂直方向的位移信号；静电反馈模块(11)用于将所述位移信号转换为反馈电压，并施加于上极板(8)和下极板(9)；模数转换模块(12)用于将所述反馈电压转化为数字信号进行数据处理。3.如权利要求2所述的簧片杠杆式垂直重力梯度仪，其特征在于，静电反馈模块(11)采用pid控制模块。4.如权利要求1所述的簧片杠杆式垂直重力梯度仪，其特征在于，上检验质量(1)和上横杆(3)的连接方式为：上横杆(3)的一端与上检验质量(1)的一个侧面正中连接，且上横杆(3)与所述侧面垂直；下检验质量(6)和下横杆(5)的连接方式为：下横杆(5)的一端与下检验质量(6)的一个侧面正中连接，且下横杆(5)与所述侧面垂直。5.如权利要求1所述的簧片杠杆式垂直重力梯度仪，其特征在于，上极板(8)和下极板(9)分别平行于处于平衡状态的下检验质量(6)的上下表面。6.如权利要求1所述的簧片杠杆式垂直重力梯度仪，其特征在于，还包括外壳(13)；上检验质量(1)、上簧片(2)、上横杆(3)、竖杆(4)、下横杆(5)、下检验质量(6)、下簧片(7)、上极板(8)和下极板(9)均位于所述外壳(13)内。7.如权利要求6所述的簧片杠杆式垂直重力梯度仪，其特征在于，上簧片(2)的顶端、下簧片(7)的底端、上极板(8)和下极板(9)固定于所述外壳。8.如权利要求1所述的簧片杠杆式垂直重力梯度仪，其特征在于，还包括上铰链(14)和下铰链(15)；上横杆(3)与竖杆(4)上端通过上铰链(14)连接，竖杆(4)下端和下横杆(5)通过下铰链(15)连接。
技术总结
本发明公开了一种簧片杠杆式垂直重力梯度仪，属于重力测量领域。包括上检验质量、下检验质量、上横杆、下横杆、竖杆、上簧片、下簧片、上极板、下极板、电容位移传感模块、静电反馈模块以及模数转换模块组成。上横杆和下横杆分别和上检验质量和下检验质量固定连接；下检验质量置于两个电容极板之间，共同构成电容位移传感探头；上横杆和下横杆之间用竖杆连接；上横杆和下横杆分别通过上簧片和下簧片与装置外壳相连。本发明结构简单，且得益于高精度的电容位移传感模块和反馈控制模块，可快速进行高精度的垂直重力梯度测量，具有广阔的应用前景。景。景。


技术研发人员：吴书朝 周泽兵 黄俊越 白彦峥 屈少波
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2021.03.26
技术公布日：2021/6/25