專利名稱：一種高精度重力儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地學(xué)觀測技術(shù)，尤其適用于固體潮研究及地震前兆的觀測。
本世紀(jì)五十年代以來，重力儀有較大的發(fā)展，其精度由毫伽級到微伽級。(1伽＝1cm/s2)目前國際上使用較多的是美國的Lacoste重力儀、大地動力型重力儀；西德的GS型重力儀；加拿大的CG-3型重力儀。隨著電子技術(shù)的發(fā)展又出現(xiàn)了激光重力儀和超導(dǎo)重力儀等高精度重力儀。
相對重力儀，即彈簧重力儀，其基本原理是利用彈性力來平衡重力。當(dāng)重力場發(fā)生變化時，彈簧的長度也相應(yīng)發(fā)生變化。因此重力加速度的測量，就可轉(zhuǎn)化為彈簧長度的測量。
首先，彈簧重力儀測定重力變化的前提是彈簧的彈性必須高度穩(wěn)定。假如要求測量重力加速度g值的變化達(dá)到1微伽的精度，就必須使彈簧的彈性達(dá)到10-9，即要有一個高精度的彈性系統(tǒng)。
其次，由于彈簧的長度隨溫度變化而變化，溫度效應(yīng)常常影響重力儀的讀數(shù)。為了保證彈性系統(tǒng)的穩(wěn)定，因此還要有一個高精度的恒溫系統(tǒng)。
第三，由于重力加速度的變化很小，所以彈簧的相對伸長量也很小，即又要有一個高精度的測微系統(tǒng)。
綜上所述，彈性系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)、測微系統(tǒng)就構(gòu)成了重力儀的三個主要部分，這三部分的性能指標(biāo)決定著重力儀的性能。
最早的重力儀的結(jié)構(gòu)是簡單的，但精度低；后來為了提高它的精度和靈敏度，在機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)加進(jìn)了助動系統(tǒng)和機(jī)械放大，這樣就使儀器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜起來。
目前國外的各種重力儀均采用溫度補(bǔ)償來減少溫度變化的影響，這樣可以降低重力儀對恒溫精度的要求，如美國的Lacoste重力儀和西德的GS型重力儀的恒溫精度為0.01℃。但溫度補(bǔ)償?shù)闹亓x存在著最佳溫度點(diǎn)，在最佳溫度點(diǎn)上，溫度變化對重力儀的影響是最小的。所以Lacoste重力儀和GS型重力儀的工作溫度必須選擇在最佳工作溫度上。
本發(fā)明的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題和不足，而提供一種結(jié)構(gòu)簡單，但靈敏度高、精度也高，裝校方便的重力儀。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的①突破國際現(xiàn)有同類儀器的設(shè)計(jì)思想，大膽采用垂直懸掛的彈性系統(tǒng)。
②充分利用現(xiàn)有電子技術(shù)飛速發(fā)展的成果，采用了雙層保溫及反饋控溫系統(tǒng)。
③采用了三片式電容測微器。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)即與同類其它型號的重力儀相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)①由于本發(fā)明采用了垂直懸掛的彈性系統(tǒng)，因此靈敏度高而且穩(wěn)定。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，裝校方便，有利于大批量生產(chǎn)。
②由于本發(fā)明采用高精度恒溫系統(tǒng)，恒溫精度為0.0001℃，所以毋需進(jìn)行溫度補(bǔ)償，而且使工作溫度的選擇較為自由，只要工作溫度高于最高環(huán)境溫度即可。而溫度補(bǔ)償?shù)闹亓x由于存在著最佳溫度點(diǎn)，在最佳溫度點(diǎn)上，才能補(bǔ)償?shù)妮^好。
③電容測微器有足夠高的精度和穩(wěn)定性。由于測量位移精度的提高，免除了助動系統(tǒng)和機(jī)械放大。
④由于熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，密封良好，因此受溫度和氣壓的影響較小，在不恒溫的觀測室內(nèi)工作時，也能得到較好的觀測結(jié)果。
⑤采用微機(jī)進(jìn)行數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)運(yùn)算，有助于提高精度，減少了人工計(jì)算和管理工作，減少了臺站人員的工作量。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明。


圖1為本發(fā)明組成框圖。
圖2為機(jī)械主體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為恒溫控制器組成框圖。
圖4為恒溫控制器電路圖。
圖5為傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為測微器組成框圖。
圖7為采集器組成框圖。
其中1—機(jī)械主體，2—恒溫控制器，3—測微器，4—采集器。5—自動調(diào)擺電路，6—自動鎖擺電路；1·1—底座，1·2—絕緣層，1·3—外恒溫筒，1·4—杜瓦瓶，1·5—調(diào)擺機(jī)構(gòu)，1·6—內(nèi)恒溫筒，1·7—彈簧，1·8—鎖擺機(jī)構(gòu)，1·9—上定片，1·10—動片，1·11—下定片，1·12—配平塊，1·13—調(diào)平機(jī)構(gòu)，1·14—主體支架，1·15—外殼，1·16—置平氣泡，1·17—底座恒溫；RT—熱敏電阻，AD580JH—穩(wěn)壓管，AD624AD—精密儀用放大器，OP07—運(yùn)算放大器，BUZ11—功率效應(yīng)管，L—加熱電阻絲。
由圖1可知，本發(fā)明由機(jī)械主體1、恒溫控制器2、測微器3、采集器4、自動調(diào)擺電路5、自動鎖擺電路6組成。
(1)機(jī)械主體及彈性系統(tǒng)本發(fā)明各部分的性能，如彈性系統(tǒng)的高度穩(wěn)定、恒溫系統(tǒng)的熱結(jié)構(gòu)、電容測微系統(tǒng)的精密測量，調(diào)擺機(jī)構(gòu)及調(diào)平機(jī)構(gòu)的精細(xì)調(diào)節(jié)，都必須有合理、穩(wěn)定、精密的機(jī)械結(jié)構(gòu)來保證。本發(fā)明的機(jī)械主體結(jié)構(gòu)由以下六個部分組成彈性系統(tǒng)、電容式傳感器、調(diào)擺機(jī)構(gòu)、鎖擺機(jī)構(gòu)、保溫均溫和加溫結(jié)構(gòu)、調(diào)平機(jī)構(gòu)。
由圖2可知，機(jī)械主體1由下列部件組成，其連接關(guān)系是在安裝有調(diào)平機(jī)構(gòu)1·13和置平氣泡1·16的等邊三角形金屬底座1·1上及圓形外殼1·15內(nèi)，有一全封閉的絕緣層1·2，采用40mm厚的聚氨脂硬泡沫塑料制成，實(shí)現(xiàn)外恒溫保溫。向內(nèi)依次有外恒溫筒1·3、杜瓦瓶1·4、內(nèi)恒溫筒1·6，均為圓柱形。內(nèi)、外恒溫筒，均為6mm厚金屬筒，實(shí)現(xiàn)均溫；杜瓦瓶1·4用以實(shí)現(xiàn)內(nèi)恒溫保溫。
在內(nèi)恒溫筒1·6內(nèi)，在主體支架1·14的上端，垂直懸掛有彈簧1·7，彈簧1·7的下端與動片1·10相連接；在動片1·10的上、下方有上定片1·9和下定片1·11，均固定在主體支架1·14上。主體支架1·14用螺釘緊固在底座1·1上。在主體支架1·14上，還安裝有調(diào)擺機(jī)構(gòu)1·5和鎖擺機(jī)構(gòu)1·8。
上定片1·9、動片1·10、下定片1·11即組成電容位移傳感器，與測微器3相連。
恒溫控制器2的兩個熱敏電阻分別置于外恒溫筒1·3和內(nèi)恒溫筒1·6之間及杜瓦瓶1·4內(nèi)。
彈性系統(tǒng)是儀器最精密的部分，其機(jī)械結(jié)構(gòu)必須高度穩(wěn)定，其中擺包括彈簧1·7、動片1·10、配平塊1·12。為了保證本發(fā)明達(dá)到1微伽的精度，機(jī)械結(jié)構(gòu)變化的影響必須小于0.0001微米。因此，彈性系統(tǒng)中所有的機(jī)械零件都要進(jìn)行真空熱處理。彈性系統(tǒng)的主體支架1·14為整體結(jié)構(gòu)，克服了螺釘連接所產(chǎn)生的粘滑運(yùn)動。圓筒型結(jié)構(gòu)可使應(yīng)力分布均勻，熱處理后，所受的應(yīng)力又能均勻釋放。
本發(fā)明能進(jìn)行較大范圍的調(diào)整，這樣能使其在全球范圍內(nèi)進(jìn)行測量。這種大范圍的調(diào)整采用機(jī)械電子方法。由自動調(diào)擺電路5控制馬達(dá)的啟動、停止、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。馬達(dá)通過減速齒輪和絲桿帶動彈簧1·7的上端點(diǎn)進(jìn)行上下運(yùn)動。自動調(diào)擺電路5能判定馬達(dá)的轉(zhuǎn)動方向及馬達(dá)的轉(zhuǎn)動速度，使擺始終朝著零位方向運(yùn)動。當(dāng)擺位于零位附近時，調(diào)擺控制電路5能使馬達(dá)立即停止運(yùn)動。
鎖擺機(jī)構(gòu)1·8是為了避免在運(yùn)輸過程中擺與周圍發(fā)生碰撞導(dǎo)致?lián)p傷而設(shè)計(jì)的。運(yùn)輸時由馬達(dá)通過傳動桿與齒輪將擺鎖緊，工作時再通過馬達(dá)按相反方向運(yùn)動將擺松開，使擺處于自由狀態(tài)。
彈性系統(tǒng)是重力儀的關(guān)鍵部件位，必須恰當(dāng)?shù)剡x擇彈簧1·7參數(shù)和擺重，引起彈簧1·7彈性變化的主要因素有下列三種溫度效應(yīng)、蠕變及彈性后效。設(shè)計(jì)重力儀時，要盡量克服這三種因數(shù)的影響。為了減少溫度變化的影響，可設(shè)法提高恒溫精度；為了減少彈簧1·7的蠕變，可采用減輕彈簧1·7負(fù)荷的辦法。由于負(fù)荷減輕，彈簧1·7的靈敏度略有降低，這就要求測微系統(tǒng)具有更高的精度和靈敏度。
①彈簧的拉伸長度與靈敏度眾所周知，彈簧重力儀的基本原理是利用彈簧的拉力來平衡重力，彈簧的平衡方程為Mg＝fx(1)式中M為擺的質(zhì)量，f為彈性強(qiáng)度，x為拉伸長度由彈簧的平衡方程可導(dǎo)出重力儀變化時彈簧的相對伸長量
彈簧靈敏度的選擇，不僅與重力儀所要求的精度有關(guān)，而且與位移測量所能達(dá)到的精度有關(guān)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，彈簧的精度dx為0.0001μm，重力儀所要求的精度為1微伽，則彈簧的拉伸長度x＝dx/dg＝100mm，彈簧的靈敏度為dx/dg＝0.0001μm/微伽。
②彈簧參數(shù)的選擇彈簧參數(shù)的選擇是否合理，對儀器的精度和穩(wěn)定性有很大影響。為了使儀器工作穩(wěn)定，彈簧工作狀態(tài)的應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力的許用應(yīng)力應(yīng)選擇適當(dāng)小一些。在這種狀態(tài)下由于彈簧的負(fù)荷較輕，因而蠕變較小，為了縮小彈性系統(tǒng)的尺寸，采用零長彈簧。
本發(fā)明選擇的彈簧材料是國產(chǎn)的3J53彈性鋼絲(NiCrTi)，材料的剪切彈性模量為G＝6600kg/mm2，鋼絲直徑d＝0.45mm，螺旋彈簧的中徑G＝10mm，擺重P＝Mg＝40克，則彈簧的圈數(shù)n＝128圈，彈簧的幾何長度L＝56.6mm。
(2)恒溫控制器本發(fā)明的恒溫系統(tǒng)由恒溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)和恒溫控制器2組成。如圖2所示及前面所述，為了保證恒溫系統(tǒng)有足夠高的恒溫精度，采用雙層控溫及用杜瓦瓶保溫。由于熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，加熱功率僅6瓦。恒溫控制器2是一個用負(fù)反饋原理控制的，其電路框圖如圖3所示，由熱敏電阻橋路2·1、前置放大器2·2及比例積分放大器(含功效)2·3組成，并依次連接。電路圖如圖4所示，RT為熱敏電阻，44008型，美國Yellow Spring公司生產(chǎn)。
(3)測微器本測微系統(tǒng)是由高精度三片式的差動電容位移傳感器3·1和測微器3組成。由圖5可知，傳感器3·1由三塊金屬板(電容板)組成，中間的一塊為活動板，即動片C3(1·10)；上、下二塊為固定板，即定片C11·9、C21·11。裝校時三者應(yīng)嚴(yán)格保持平行，表面光潔度必須很高，且化學(xué)性能必須穩(wěn)定，加工時需研磨后再鍍金。動片1·10與定片1·9、1·11之間的間距為0.3mm，電容為36pf；定片1·9、1·11的直徑為64mm，厚為5mm；動片1·10的直徑為40mm，厚為2mm；測微器3如圖5所示，由振蕩器3·2、反相器3·3、前置放大器3·4、選頻放大器3·5、鎖相放大器、移相器3·6及整形3·7組成。
(4)采集器采集器4如圖7所示本發(fā)明的技術(shù)指標(biāo)如下①分辨率為1μg，直接量程為2mg。
②調(diào)和分析主要結(jié)果為全日波單位權(quán)中誤差±3.2μg。
半日波單位權(quán)中誤差±1.9μg。
③NaKai檢驗(yàn)結(jié)果誤差小于1μg的結(jié)果占90％；誤差在1μg和2μg之間的占8％；誤差大于2μg的占2％。
④電容傳感器精度優(yōu)于0.0001μm。
⑤恒溫精度月變化小于0.0001℃；⑥儀器零漂儀器工作兩年后零漂為2至8微伽。
權(quán)利要求
1.一種高精度重力儀，由彈性系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)、測微系統(tǒng)組成，具體有機(jī)械主體(1)、恒溫控制器(2)、測微器(3)、采集器(4)、自動調(diào)擺電路(5)和自動鎖擺電路(6)，其特征是(1)在內(nèi)恒溫筒(1·6)內(nèi)，在主體支架(1·14)的上端，垂直懸掛有彈簧(1·7)，彈簧(1·7)的下端與動片(1·10)相連接；在動片(1·10)的上、下方有上定片(1·9)和下定片(1·11)，均固定在主體支架(1·14)上；(2)恒溫系統(tǒng)由恒溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)和恒溫控制器(2)組成，恒溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)由外向內(nèi)有外殼(1·15)、絕緣層(1·2)、外恒溫筒(1·3)、杜瓦瓶(1·4)、內(nèi)恒溫筒(1·6)；恒溫控制器(2)由熱敏電阻橋路(2·1)、前置放大器(2·2)及比例積分放大器(2·3)組成，并依次連接；其中兩個熱敏電阻(RT)分別置于外恒溫筒(1·3)和內(nèi)恒溫筒(1·6)之間及杜瓦瓶(1·4)內(nèi)。(3)測微系統(tǒng)由三片式電容傳感器(3·1)和測微器(3)組成，傳感器(3·1)由三塊金屬板(電容板)組成，中間的一塊為活動板，即動片C3(1·10)；上、下二塊為固定板，即定片C1(1·9)、C2(1·11)。
2.按權(quán)利要求1所述的一種高精度重力儀，其特征是彈簧(1·7)采用零長彈簧，材料為3J53彈性鋼絲(NiCrTi)，鋼絲直徑d≤0.45mm，螺旋彈簧的中徑G≤10mm，擺重P＝Mg≤40g，彈簧的圈數(shù)n≤128圈，彈簧的幾何長度L≤56.6mm。
3.按權(quán)利要求1所述的一種高精度重力儀，其特征是動片C3(1·10)與定片C1(1·9)、C2(1·11)之間的間距≤0.3mm，電容≤36pf；定片C1(1·9)、C2(1·11)的直徑≤64mm，厚度≤5mm；動片的直徑≤40mm，厚度≤2mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高精度重力儀,涉及地學(xué)觀測技術(shù),尤其適用于固體潮研究及地震前兆的觀測。為了提供一種結(jié)構(gòu)簡單,但靈敏度高、精度也高,裝校方便的重力儀,本發(fā)明主要由機(jī)械主體、恒溫器、測微器、采集器組成,采用了垂直懸掛的彈性系統(tǒng),采用了雙層恒溫及反饋控溫,采用了三片式電容測微器。由于性能價(jià)格比高,因此有著廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號G01V7/00GK1278067SQ99120018
公開日2000年12月27日 申請日期1999年10月28日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月28日
發(fā)明者胡國慶, 姚植桂, 蔣幼華, 張勤耕, 張道忠, 朱曉平, 李家敏 申請人:中國地震局地震研究所