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【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于弹性摆的重力梯度测量方法,可用于重力梯度场观测范畴,如地球构造解释、地球物理探测、地质资源勘查、地震预警、被动导航、军事反潜等工程领域。实现重力梯度测量具有重要意义。
技术介绍
1、地球重力场中包含了丰富的密度分布信息,重力加速度是重力位的一阶导数,重力梯度是重力加速度的空间张量,其表达式如(1)式所示。
2、
3、由于重力场的特性,γ矩阵中主对角线的三个分量γxx、γyy、γzz之和为0,所有张量元素关于主对角线对称。γ分量之间的关系汇总于式(2)和式(3)。重力梯度的国际单位为/s2,常用单位为厄缶(符号为e)。e与国际单位的换算关系为1e=10-9/s2。
4、γxx+γyy+γzz=0 (2)
5、
6、重力梯度为重力加速度的空间导数,包含更多的地质空间高频信息,基于重力梯度观测的地质观测方式可以在地质结构探测上实现更高的分辨力。
7、重力梯度探测已经有几十年的发展历史,主要有地面探测和航空探测两种方式。地面探测方式的代表为冷原子干涉式重力梯度仪。航空重力梯度测量的代表方案有线加速度计差分式重力梯度仪、低温超导重力梯度仪。采用的测量手段包括激光干涉仪、线加速度计、超导电路等。但现有的方案均存在局限,应用于地面探测的冷原子干涉式重力梯度仪和应用于航空探测的低温超导重力梯度仪需要复杂的低温维持装置和磁屏蔽装置,严重降低了其工程实用性。应用于航空探测的线加速度计差分式重力梯度仪对加速度计一致性和安装精度要求极高。
1、针对目前重力梯度探测系统结构复杂、使用条件苛刻的难题,本专利技术提供一种基于弹性摆和sagnac干涉仪结合进行的重力梯度测量装置。本方案将重力场信息转换为质量块角运动,利用sagnac干涉仪从一组质量块组角运动差异中解算出重力梯度。
2、本专利技术提供了一种基于弹性摆和sagnac干涉仪的重力梯度测量装置,该装置包括外壳、弹性簧片、硬质轻杆、高密度质量块、光纤环骨架、保偏光纤环、ase光源、光环形器、多功能波导芯片、光电探测器、数据处理硬件和软件。本专利技术从机械装置安装配置和光路装置搭建两部分优化了重力梯度探测方案,有效降低了仪器对于设备和环境要求,提升其测量精度。
3、本专利技术主要包括支撑结构、重力梯度探头、旋转运动测量单元。其中支撑结构和重力梯度探头如图1所示,两个簧片-质量块结构分别形成了一对弹性摆。支撑结构主要有:外壳。重力梯度探头部件有弹性簧片、硬质轻杆、高密度质量块、光纤环骨架。
4、簧片提供弹性回复力,轻质杆起到应力传导的作用,高密度质量块起到传感重力加速度的作用。如图1所示,在z方向重力加速度的作用下,簧片与轻杆连接的端面受到弯折力矩,因此产生绕x轴的弯折形变,进而通过轻杆传递到质量块,质量块在簧片形变的影响下发生绕x轴的旋转摆动。这种运动中包含了质量块位置处重力加速度信息。
5、图1所示的结构示意图中包含了两个完全相同的簧片-质量块结构,每个质量块的角运动中均包含了所处位置处重力加速度信息,由于重力梯度的存在,重力加速度空间分布存在差异,两质量块位置处的重力加速度会有微弱的差异,利用sagnac干涉仪对两个质量块的角速度精密测量,可以从两者的角运动差中解算出重力梯度;质量块a与质量块b的质量、体积相同。
6、具体地,弹性簧片一端安装于外壳上,另一端与轻杆通过螺丝固紧,轻杆末端与测试质量相连。簧片的性能直接影响测量系统的稳定性以及弹性系数,选材时需要选用抗拉强度优于200mpa,弹性模量低于40gpa的材料。簧片上设计缺口以增加其形变能力,如图2(a)。轻杆是力矩传递装置,作为连接机构,其形变会导致传感质量的位置发生偏移,进而影响重力梯度测量精度,同时为了不影响系统的质量分布,轻杆密度要尽可能小,因此需要选用高强度、低密度的材料。同时,为了进一步降低轻杆的形变,本专利技术将其制作为双梁结构,如图2(b)。质量块是仪器中直接敏感重力梯度的组件,同时影响系统的自然振动频率fn,因此需要选用高强度、高密度的材料。两个质量块的形状参数和密度尽可能相同。光纤环骨架是连接机械结构和光学结构的重要部件,其中心设计螺纹孔方便与质量块相连,外部设计凹槽以缠绕光纤,如图2(c)。
7、本专利技术采用一对共用光源的sagnac干涉仪作为旋转运动测量单元,主要部件包括ase光源、50/50保偏耦合器、环形器、多功能波导芯片、光纤环以及光电探测器,具体示意图如图3。两个参数相同的光纤环a和b分别缠绕在两个质量块上的光纤环骨架上。
8、光源共享的两个sagnac干涉仪分别测量两个质量块的角运动情况,作为重力梯度测量的信号获取前端。更重要的是,相对强度噪声在两个sagnac干涉仪中是共模噪声成分,共光源系统可以在解算角运动差的同时抑制相对强度噪声,提升重力梯度测量精度。同时环境振动噪声也可以通过这种差分配置得到抑制,本专利技术降低了重力梯度测量方案对于环境的要求。
9、本专利技术的技术方案为:
10、一种基于弹性摆的重力梯度测量装置,其特征在于,包括支撑结构、重力梯度探头、旋转运动测量单元;所述重力梯度探头位于所述支撑结构内,所述重力梯度探头为一对弹性摆,每一所述弹性摆包括簧片、硬质轻杆、质量块、光纤环骨架;所述硬质轻杆一端通过所述簧片与所述支撑结构连接,另一端与所述质量块连接,所述光纤环骨架安装在所述质量块上;第一所述弹性摆上的质量块记为质量块a、第二所述弹性摆上的质量块记为质量块b;
11、所述旋转运动测量单元包括两个具有相同调制信号的角测量仪,第一角测量仪的光纤环设置在质量块a的光纤环骨架上,第二角测量仪的光纤环设置在质量块b的光纤环骨架上;
12、当测量对角分量重力梯度γzz时,将两所述重力梯度探头沿z方向平行对称放置;当测量非对角分量重力梯度γzy时,调整两探头敏感z轴重力加速度,并沿y方向首尾相对放置;所述质量块a、所述质量块b之间的距离为h;
13、所述旋转运动测量单元用于测量所述质量块相对于初始位置的旋转角并利用计算得到γzz或者γzy;其中,m为所述质量块的质量,l为硬轻质杆的长度,θa表示质量块a相对于初始位置的旋转角,θb表示质量块b相对于初始位置的旋转角;δθ=θa-θb,i为质量块-硬质轻杆-光纤环骨架结构的转动惯量,γ为阻尼系数,k为簧片的弹性系数。
14、进一步的,所述簧片选用抗拉强度优于200mpa、弹性模量低于40gpa的材料;所述簧片上设计缺口以增加其形变能力。
15、进一步的,所述硬质轻杆为双梁式轻杆。
16、进一步的,所述角测量仪为sagnac干涉仪。
17、进一步的,所述角测量仪为角加速度计、角度传感器或角运动传感器。
18、进一步的,两所述角测量仪共用同一光源。
19、与现有技术相比,本专利技术的积极效果为:
20、本专利技术提供了一种基于弹性摆和sagnac干涉仪的重力梯本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于弹性摆的重力梯度测量装置,其特征在于,包括支撑结构、重力梯度探头、旋转运动测量单元;所述重力梯度探头位于所述支撑结构内,所述重力梯度探头为一对弹性摆,每一所述弹性摆包括簧片、硬质轻杆、质量块、光纤环骨架;所述硬质轻杆一端通过所述簧片与所述支撑结构连接,另一端与所述质量块连接,所述光纤环骨架安装在所述质量块上;第一所述弹性摆上的质量块记为质量块A、第二所述弹性摆上的质量块记为质量块B;
2.根据权利要求1所述的重力梯度测量装置,其特征在于,所述簧片选用抗拉强度优于200MPa、弹性模量低于40GPa的材料;所述簧片上设计缺口以增加其形变能力。
3.根据权利要求1所述的重力梯度测量装置,其特征在于,所述硬质轻杆为双梁式轻杆。
4.根据权利要求1或2或3所述的重力梯度测量装置,其特征在于,所述角测量仪为Sagnac干涉仪。
5.根据权利要求1或2或3所述的重力梯度测量装置,其特征在于,所述角测量仪为角加速度计、角度传感器或角运动传感器。
6.根据权利要求1或2或3所述的重力梯度测量装置,其特征在于,两所述角测量仪共
...【技术特征摘要】
1.一种基于弹性摆的重力梯度测量装置,其特征在于,包括支撑结构、重力梯度探头、旋转运动测量单元;所述重力梯度探头位于所述支撑结构内,所述重力梯度探头为一对弹性摆,每一所述弹性摆包括簧片、硬质轻杆、质量块、光纤环骨架;所述硬质轻杆一端通过所述簧片与所述支撑结构连接,另一端与所述质量块连接,所述光纤环骨架安装在所述质量块上;第一所述弹性摆上的质量块记为质量块a、第二所述弹性摆上的质量块记为质量块b;
2.根据权利要求1所述的重力梯度测量装置,其特征在于,所述簧片选用抗拉强度优于200mpa、...
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