[发明专利]一种精密单摆式相对重力仪

说明书

技术领域

本发明属于重力加速度测量仪器领域，更具体涉及一种经济适用的精密单摆式相对重力仪，适用于地质调查、资源勘探、基础科学研究等对区域地表重力加速度数据有需求的研究领域。

背景技术

重力加速度是一个基本的地球物理学常数，准确测量重力加速度在地球科学、资源勘探等领域都具有重要意义。

重力加速度测量可分为绝对测量和相对测量，对应仪器分别称之为绝对重力仪和相对重力仪。绝对重力仪是指测量重力加速度g的绝对大小，常用方法有摆法（包括单摆法和卡特摆法）和落体法。相对重力仪是指测量重力加速度g的相对变化，需要标定后才能给出绝对重力值。基于超导悬浮原理和精密弹簧秤原理均可搭建相对重力仪，可以达到较高精度，但通常体积庞大，结构较复杂，价格昂贵，不便于对不同地点重力场的移动观测。落体法测量绝对重力的基本原理是根据落体在某一时间段内下落的距离来得到重力加速度g的绝对大小。用该方法设计的仪器精度较高，但结构上非常复杂。卡特摆法测量绝对重力的基本原理是通过两对刀口分别悬挂复摆，调节刀口位置使得两次摆动周期相同，测量周期T及两对刀口的距离L得到重力加速度g的绝对大小。利用该方法测量重力加速度，精度可达到10 豪伽，但是周期相同的两刀口位置难以精确测定，且操作比较麻烦。

单摆法测量绝对重力的基本原理是根据测得的单摆摆长L和单摆运动周期T来得到重力加速度g的大小，

。

利用单摆原理测量重力加速度时，由于受悬点、摆体质心难以确定等因素的影响，摆长L的绝对精确测定往往较为困难，使得g值测量精度低，测量精度只能在豪伽水平。

在重力测量过程中，检验质量块的位移是重要的待测物理量，直接影响最终的重力测量精度。常见的高精度位移测量方式有电容位移传感和激光干涉测量。传统的变间距电容传感方式会对检验质量有静电反作用干扰；而激光干涉测量系统又比较复杂。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种精密单摆式相对重力仪，结构简单，使用方便，方便于机动观测，改进了传统单摆重力仪的测量精度，相对重力测量分辨率可以达到亚豪伽水平（0.1 mGal =10^-6 m/s²），实现了更高分辨率的单摆式相对重力测量。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施：

基于上述研究背景，研究人员发现，单摆式重力仪可以不追求摆长L的绝对精确测定，而是通过特殊的摆体及悬挂方式的设计，以控制等效摆长的漂移。在摆体周围合理分布差动变面积电容传感电极板进行位移传感，可实现更高分辨率的单摆式相对重力测量。在与其他绝对重力仪对比测量后得到标定，也可用于测量测点的绝对重力值。

本发明公开了这种相对经济适用的精密单摆式相对重力仪，结构简单，方便于机动观测，改进了传统单摆重力仪的测量精度，相对重力测量分辨率可以达到亚豪伽水平（0.1 mGal =10^-6 m/s²）。本发明用一根T型摆杆或两根悬丝悬挂摆体，可限制摆体的扭转运动模式和另一个正交方向的单摆运动模式，从而抑制这些无关模式对单摆运动中等效摆长的周期性的影响。通过采用低热膨胀系数材料，在一定的温控和真空环境下，保证了等效摆长的长期稳定性和单摆运动的稳定性，解决了单摆重力仪通常需要测量绝对摆长的技术难题。该发明使得基于单摆原理的重力仪的测量分辨率不再主要受摆长测量误差的限制，而是主要取决于单摆运动周期的测量精度。