用于重力梯度测量的装置制造方法及图纸

一种测量准静态重力梯度的装置，包括：柔性弦（１）；和输出部件，用于产生作为所述重力梯度的函数的输出；并且其中在两端（２，２’）固定该弦；并且其中该装置包括感测部件（Ｌ１，Ｌ２），用于检测由于围绕所述弦的重力梯度而引起的所述弦从其不受干扰的参考位置的横向位移；并且该输出部件响应于该检测的位移以产生作为该重力梯度的函数的所述输出；该装置还包括安装在与该弦的固定端之间的中点对应的位置的部件（３０），构造该部件以防止与其所有奇数模式（从Ｃ模式开始）对应的所述弦的移动，同时至少不影响与其第二基本模式（Ｓ模式）对应的所述弦的移动。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及重力梯度仪(gravity gradiometry)，并尤其涉及一种绝对测量重力梯度张量的分量的方法。
技术介绍
该重力梯度张量是相对于某一任意参考系的卡笛尔(Cartesian)坐标x、y、z的重力势能的二阶导数的二维矩阵V。它代表在这些方向的每一个中该重力矢量本身如何沿着所述轴改变。在某一局部坐标系OXYZ所采用的该重力梯度张量Tij＝2ijV(ij＝x，y，z)的分量的精确绝对测量对于在地质勘探、地球重力场的绘图、和太空、海洋及水下航行领域的发展很重要。首先由Baron Roland von Eǒtvǒs最早在1890年利用具有在与细丝悬挂的水平梁不同的高度吊着的检测质量的扭秤，而专利技术了重力梯度张量分量的绝对测量方法。该重力梯度引起施加到所述质量上的差分力(differential force)，导致施加到所述梁上的扭矩，并从而引起能利用合适传感器检测到的质量的角偏转。可达到大约1E(1E＝1Eǒtvǒs＝10-9s-2)的灵敏度，但由于必须根据每一个具有不同方位角的角偏转的至少5个独立测量而重新计算该重力梯度分量，所以在单个位置测量需要几个小时。已根据该基本原理构造的实际设备尺寸大并具有低环境抗扰性，从而需要排除在移动运载工具上使用它们的任何可能性的为测量而特别准备的条件。由Forward在60年代专利技术了一种增强了以上方法的绝对测量重力梯度张量分量的方法(见美国专利3,722,284(Forward等人)和3,769,840(Hansen))。该方法包括在平台上安装哑铃振荡器和位移传感器，该平台以某一频率Ω绕扭丝的轴均匀水平旋转。该哑铃然后以双倍的旋转频率以强加的振荡移动，同时以该旋转频率调制或不调制(尤其是1/f噪声)误差源和噪声源的大多数。当该旋转频率满足共振条件2Ω＝ω0时，该强加的振荡振幅最大，其中ω0是共振角频率，振荡器品质因数Q趋于无穷大。与非旋转方法不同，该方法通过利用与频率2Ω的参考信号的同步检测来分离该响应的正交分量，使得一个人能迅速判定Tyy-Txx和Txy的数量。如果一个人用两个或多个正确定位在这样的移动平台上的单一加速计代替该哑铃振荡器，则如Metzger提出的一样(见美国专利3,564,921)，可直接利用相同原理。除了成对加速计的输出需要附加平衡之外，与先前方案相比该方案没有原理上的新特征。已根据该方法构造了设备，但它们遇到的问题多于优点，主要由于需要相对于参考旋转系而精确维持均匀旋转和小位移测量。该设备已达到了对于一秒测量间隔的大约几十Eǒtvǒs的最大工作精度，并且由于它们相对低的共振频率使得它们对环境振动噪声非常敏感。这种情况中出现的技术问题很难被克服，使得旋转重力梯度仪的现在开发的设计展示了远低于有限的理论评估的测量精度。在WO96/10759中，描述了一种测量该重力梯度张量的两个对角外(off-diagonal)分量的方法和装置。根据该文献，具有固定端的静止柔性弦的第二基本模式(S模式)与对角外重力梯度耦合，同时其第一基本模式(C模式)与有效(沿该弦的长度的重量函数的平均)横向重力加速度耦合。换言之，假设具有固定端的弦不经历任何角运动，则仅由重力梯度将具有固定端的弦弯曲到其S模式。所以，通过绝对测量对应于该S模式的弦的机械位移，可能绝对测量该重力梯度张量的对角外分量。由于柔性弦在两个正交的垂直面上具有两个S投影，所以如果选择该局部坐标系的Z方向以指向沿着该弦的方向，则原理上可能同时测量两个对角外重力梯度，即Txz和Tyz。如果该弦不是静止的，即如果它位于例如飞机或轮船的移动平台上。然后由该平台的线和角运动引起的运动学加速度影响该弦的S模式或C模式。该弦同时弯曲到信号模式(S模式)或寄生模式(C模式)的能力引入了额外噪声，并且为了平衡该C模式，必须由与所述弦邻近的读出系统格外小心。该问题类似于平衡作为构建移动重力梯度仪的传统元件的差分加速计的公用模式的公知问题。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种具有比以上公知系统改善的灵敏度、轻便性和抗扰性的测量重力梯度的装置。本专利技术的另一个目的是提供一种用于绝对测量该重力梯度张量的对角外和所有分量的新颖装置，其中用敏感元件和主动反馈回路之间的参量力相互作用而取代该旋转作用，从而获得增强的灵敏度和抗扰性。本专利技术的另一个目的是提供一种利用先进低温技术的优点的以上装置的简单技术实现，所述先进低温技术已展示了提供机械位移测量的最大灵敏度和将固有噪声保持在最低水平的能力。为了达到本专利技术的这些目的，提供了一种测量准静态重力梯度的装置，包括柔性弦；和输出部件，用于产生作为所述重力梯度的函数的输出；并且其中在两端固定该弦；并且其中该装置包括感测部件，用于检测由于围绕所述弦的重力梯度而引起的所述弦从其不受干扰的参考位置的横向位移；并且该输出部件响应于该检测的位移以产生作为该重力梯度的函数的所述输出；该装置还包括安装在与该弦的固定端之间的中点对应的位置的部件，构造该部件以防止与其所有奇数模式(从C模式开始)对应的所述弦的移动，同时至少不影响与其第二基本模式(S模式)对应的所述弦的移动。这是可能的，因为对于S模式，该弦的中点不移动，同时对于所有奇数模式，该弦的对应位移在该点达到它们的最大值。不意欲具体限制“弦”的材料或构造。包括能被重力场横向偏移并提供恢复力的任何拉长张力元件。在一个实施例中，该弦是金属带，在另一个实施例中，该弦为金属线。具有固定端的不受干扰的柔性弦在穿过固定该弦的两端的点的空间中形成一根绝对直线。该线可被识别为局部坐标系中的轴之一，即Z，并且选择另外两个轴X和Y位于横向(到该弦)平面中。由施加到该弦的每一单元元件的每单位长度的力的横向分量的绝对值引起从该参考位置的任何弦偏转。可通过任何合适的机械位移感测设备容易地检测该弦从其不受干扰的参考位置的S位移。该弦最好由高传导或超导材料形成。在两种情况下，如果电流流经该弦，则在该横向平面中并沿该弦的长度产生磁场分布。如果该弦由超导材料制造，则能承载更大的电流，并能达到对机械位移的更好的灵敏度。假如该弦形成闭合传导或超导回路的部分，则通过直接将该弦合并入电流承载电路中或与抽吸电路的电感耦合，而在该弦中产生直流或交流电流。使用交流电流的优点在于其允许输出信号的同步检测。在一个实施例中，该“弦”是仅与该带的平面垂直移动的金属带。可通过夹子将该带固定在其端部。为了匹配它们的热膨胀系数，整个配置可包含在相同材料制成的盒子中。当该弦承载电流时，围绕该弦的横向磁场可通过电感耦合与可能由超导材料形成的其他电感器相互作用。在与该弦相邻的电感器中感应的电流振幅将与该弦和该电感器之间的距离直接有关。在本专利技术的一个优选实施例中，两个拾取线圈沿着该弦的长度安排，以用作位移感测部件，并且在每一线圈中感应的电流可用作该弦的任何低频位移的外差类型高频调制的信号载波电流。在本专利技术的一个优选实施例中，该感测部件包括相对于该弦的中点、沿纵向方向对称安置的至少两个传感器，可能为拾取线圈。在另一个优选实施例中，在两个不平行、最好正交的平面中邻近该弦安排例如拾取线圈的位移传感器，从而能同时测量该弦沿两个横向方向的位移。当该弦是能在多于一个的平面中移动的圆线时，安装在中点的部件最好是刀刃环的形式。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量准静态重力梯度的装置，包括：　　　　柔性弦；和　　　　输出部件，用于产生作为所述重力梯度的函数的输出；并且其中在两端固定该弦；并且其中该装置包括感测部件，用于检测由于围绕所述弦的重力梯度而引起的所述弦从其不受干扰的参考位置的横向位移；并且　　　　该输出部件响应于该检测的位移以产生作为该重力梯度的函数的所述输出；该装置还包括安装在与该弦的固定端之间的中点对应的位置的部件，构造该部件以防止与其所有奇数模式（从Ｃ模式开始）对应的所述弦的移动，同时至少不影响与其第二基本模式（Ｓ模式）对应的所述弦的移动。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：亚历克赛V弗亚斯金，
申请(专利权)人：格雷维泰克仪器有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]