[发明专利]一压电式重力仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种压电式重力仪，在测量地表、高空以及水下地球的重力加速度和地球重力场方面具有特殊用途，也可用于惯性导航、测绘、航测、地质和地球物理勘探、地震监测、大型工程安全监测领域。

背景技术

地球重力加速度g的精确测量是地质和地球物理以及测绘领域长期关注的一个研究课题。理论上，地球重力加速度与地球和太阳、月亮以及其它行星之间的相互作用以及地球的旋转和内部结构相关。在应用方面，精确测量的地球重力加速度以及地球重力场的分布和变化对于惯性导航、测绘、航测、地质和地球物理勘探、地震监测、大型工程安全监测等领域也是重要的物理参数。地球重力加速度的测量技术分为绝对值测量和相对测量两种方式。原理上，绝对值测量技术均基于自由落体加速度的物理原理。通过测量自由落体的位移和时间来确定某点测量时段内的绝对重力加速度。根据测量手段，绝对值测量技术分为机械摆式、光学干涉式以及基于量子效应的原子干涉仪方式。这几种方式测量精度都很高，可达到微伽精度水平。但绝对值测量设备体积庞大，不易搬动，测量时间长，而且测量条件要求苛刻，设备昂贵。地球重力加速度的相对测量是基于测量设备输出的某一物理量与重力加速度相关原理，通过对输出量的标定可以得出输出量与重力加速度的函数关系。一般来说，与重力加速度相对应的测量物理量都转变成电压信号输出。传统的相对重力测量仪有弹簧机械摇摆式,传感器为金属或者石英玻璃零长度变化的弹簧。近期研发的超导磁悬浮相对重力测量仪中，传感器为补偿超导电流仪。这类仪器的测量精度可达微伽水平甚至更高，但都存在设备体积庞大、测量时间较长、测量条件要求苛刻、设备昂贵的局限性。近年来微加速度传感器的研发受到重视。微加速度计是以集成电路技术和微机电(MEMS)加工技术为基础发展起来的新型传感器。在微加速度计中，压阻式或者电容式传感器与微机电测量和控制系统集成在单晶硅片上。微加速度计与通常的加速度计相比，具有体积小、重量轻、成本低、功耗低的特点。但是微加速度计受温度和环境因素影响较大，测量精度较低。

因此体积小、重量轻、测量精度高和测量速度快的重力仪依然是地球重力加速度测量的技术发展方向。特别是高分辨的航空重力测量对测量速度要求很高。快速重力测量设备对于高速的航空重力测量显得十分重要。

压电式加速度传感器是振动加速度测量的最有效的技术手段。与其它类型的加速度传感器相比，压电式加速度传感器有动态范围广、线性度好、频率范围宽、体积小、质量轻的特点，具有其它加速度传感器不可比拟的优势。但是由于存在电荷泄漏的因素，压电式加速度传感器的传统测量方式不适于测量静态或者零频的地球重力加速度。

本发明提供一种压电式重力仪。这种压电式重力仪为一相对重力测量仪器，能够克服现有重力仪体积庞大、测量时间较长、测量条件要求苛刻、设备昂贵的局限性；也能克服传统压电式加速度传感器不能测量零频地球重力加速度的局限。新型压电式重力仪具有动态范围广、线性度好、频率范围宽、测量时间短、体积小、质量轻和结构简单的特点，能够快速准确测量地球重力加速度。

发明内容

本发明涉及一种压电式重力仪，其中一块或者多块压电片通过外加的交变电压信号产生声波或超声波，构成压电振动发生器。另一压电片和与之相连的两个电极片构成压电信号接受器。压电振动发生器和压电信号接受器沿垂直方向相互叠置，并在顶部放置质量块。外加的交变电压信号使压电振动发生器中的压电片产生应变并沿重力方向形成交变的加速度。在交变加速度和质量块的重力加速度的联合作用下，压电信号接受器中的压电片产生周期性变化的净电荷，并在粘贴于其表面的两个电极之间产生交变的电压信号，电压信号与地球重力加速度相关。

本发明提供一种压电式重力仪通过外加的交变电压信号产生声波或超声波。压电振动发生器所形成的交变的加速度与重力加速度叠加在压电信号接受器中的压电片上。通过测量压电振动发生器的输入信号和压电信号接受器的输出的电压信号来计算处理地球重力加速度。因此新型压电式重力仪能够克服传统压电式加速度传感器不能测量零频地球重力加速度的局限。这种新型压电式重力仪具有动态范围广、线性度好、频率范围宽、体积小、质量轻和结构简单的特点，能够为快速准确测量地球重力加速度提供一种可靠技术手段。

本发明的目的是通过如下途径实现的：