[发明专利]一种超导重力梯度仪及其灵敏度的提高方法

说明书

本发明公开一种超导重力梯度仪及其灵敏度提高方法，包括：成对的超导检验质量、成对的负刚度超导线圈、成对的正刚度超导线圈以及将成对检验质量耦合成两自由度超导磁力弹簧振子的超导电路。其要点是引入负刚度超导线圈，并使用超导线将负刚度超导线圈串联成超导回路，降低两自由度超导磁力弹簧振子的差模刚度，增大共模刚度与差模刚度的比值。使用本发明方法构建超导重力梯度仪的磁力弹簧振子，特别是构建检验质量全磁悬浮的垂向对角分量超导重力梯度仪时，能显著提高梯度测量的灵敏度；增大共模抑制比，抑制安装平台运动加速度对梯度测量的干扰。

技术领域

本发明涉及重力测量技术领域，更具体地，涉及一种超导重力梯度仪及其灵敏度的提高方法。

背景技术

超导重力梯度仪是利用超导电性构建的时变重力梯度测量仪器，工作在4.2K液氦温度，具有仪器固有噪声低、分辨率高、格值稳定等优点。以矿产资源勘查为应用目标的航空超导重力梯度仪，具有突破常温重力梯度测量仪器的分辨率极限的潜力，可望成为深部资源勘查的重要工具。

一种典型的超导重力梯度仪构建方法是利用超导体载流线圈与超导检验质量之间的磁相互作用，使用超导电路将成对的分开放置的超导检验质量耦合成一个两自由度的磁力弹簧振子，振子运动可分解为共模与差模两种自然模态，通过测量振子的差模位移，给出重力梯度随时间的变化量。

对于构建梯度仪的耦合磁力弹簧振子，希望其差模刚度小，共模刚度大。重力梯度是以差分重力加速度的形式被测量，小的差模刚度意味着从重力梯度到差分位移的传递函数大，有利于提高仪器的灵敏度与分辨率。在运动平台上，平台的运动加速度以共模加速度的形式被仪器感知，是需要通过差分扣除的，大的共模刚度意味着对平台运动不敏感，有利于提高仪器的共模抑制比，弱化仪器安装平台振动对梯度测量的干扰。

在超导重力梯度仪中，有多种因素限制了共模差模刚度比值的提高。例如，在测量重力梯度的垂向对角分量的检验质量全磁悬浮超导重力梯度仪中，超导线圈与检验质量之间的磁斥力需要足够大，能够抵消检验质量所受的重力，从而悬浮检验质量。受这一因素的限制，现有技术中的差模固有频率一般大于10Hz，共模刚度与差模刚度比值也较小。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有超导重力梯度仪的共模差模刚度比值提高受限制，不利于提高重力梯度仪的灵敏度和分辨率的技术问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种超导重力梯度仪，包括：两组超导磁力弹簧振子和超导电路；

每组超导磁力弹簧振子包括：密绕盘型超导线圈、检验质量、螺线管超导线圈以及线圈骨架；检验质量为下方开口的半封闭超导筒体；所述线圈骨架位于检验质量的下方；所述单层密绕盘型超导线圈绕制在线圈骨架的顶部，螺线管超导线圈绕制在线圈骨架的底部；单层密绕盘型超导线圈和螺线管超导线圈与检验质量之间的磁斥力平衡检验质量的重力，将检验质量进行磁悬浮；所述磁斥力是检验质量位移的函数，检验质量所受磁力和重力的合力具有恢复力的性质，构成超导磁力弹簧振子；

所述单层密绕盘型超导线圈施加于检验质量的垂向磁斥力随检验质量偏离平衡位置的位移成比例变化，变化量方向与位移方向相反，为超导磁力弹簧振子贡献正的刚度；螺线管超导线圈磁力线的一部分处于检验质量的封闭空间内呈压缩状态，另一部分处于检验质量的封闭空间外呈扩展状态，螺线管超导线圈施加于检验质量的垂向磁斥力随检验质量偏离平衡位置的位移成比例变化，变化量方向与位移方向相同，为超导磁力弹簧振子贡献负的刚度；所述超导磁力弹簧振子的刚度通过单层密绕盘型超导线圈的电流值和螺线管超导线圈的电流值调节；

所述超导电路通过超导线将两组超导磁力弹簧振子的密绕盘型超导线圈和螺线管超导线圈连接构成超导回路，以将两组超导磁力弹簧振子耦合成两自由度的弹簧振子，构成超导重力梯度仪；所述超导重力梯度仪的共模刚度与差模刚度的比值相比不包括螺线管超导线圈的超导重力梯度仪的共模刚度与差模刚度的比值高。