便携式金属弹簧重力仪探头技术的初步研究

Experiments have shown that portable gravimeter constructed with metallic spring is able to achieve extremely low drift and accuracy as high as 1μGal so that has become one of main protable gravimeters in the world, since some types of elinvar spring have remarkable long-term stability and low temperature sensitivity. The protable metal-spring gravimeter has been fruitful for the relevant study such as on geodynamics and military science. Unfortunately domestic study did not pay any attention to this field in the last a few decades. Aiming at changing this situation, we propose this subject, to design and fabricate a set of protable gravimetric probe with metallic zero-length spring. The design aims at the resolution of microGal level. The main study inclues the performance of the metallic zero-length spring, mechanical design and fabrication of the highly stable gravimetric probe. The final goal is to achieve a gravimetric sensitivity of 5~10 μGal in lab. The study would be a good technical basis for the commercialization of the gravimeter in the future in China.

实践表明，由于恒弹性金属制作的弹簧可以具有极低的老化率和温度系数，便携式金属弹簧重力仪已逐渐发展成了国际上最主要的便携式重力仪之一，有力地促进了地球动力学和军事科学等领域的研究。然而在我国，便携式金属弹簧重力仪的研究长期是一片空白，这与国际上的相关研究明显脱节。针对这一空白，并充分利用我们研究所在重力仪器研发方向二十多年的技术积累，本项目提出设计和试制基于金属弹簧的助动式微伽级的重力敏感探头实验室原理样机一套。主要研究内容包括金属零长弹簧的特性研究，高稳定的助动式重力敏感探头的机械设计和试制。最终目标是经过探头的组装调试，使敏感探头的实验室原理样机的分辨率达到5~10 μGal，为将来形成我国的便携式金属弹簧重力仪的产业化能力打下硬件技术基础。

长期以来，我国的便携式重力仪的研制和生产与国际先进水平差距较大，不能满足国家对基础重力数据获取、资源勘探、军事科学研究等领域的应用需求，导致依赖大量进口CG、LaCoste、Burris等型号的便携式重力仪。上述便携式重力仪或采用熔融石英丝制作弹性结构、或基于精密金属弹簧构建弹性结构，二者各有优缺点。相比较而言，由于金属弹簧比石英弹簧具有更好的长期稳定性，且导体表面不易聚焦大量静电荷而引起静电噪声，因此有更高的潜在分辨率。本项目基于上述背景，面向便携式重力测量需求，以课题组自制精密金属弹簧为核心部件设计和加工试制了对地表重力敏感的机械结构，螺旋主弹簧和杯状的半空圆柱体采样质量及一系列辅助元件构成精密弹性结构固定在低胀框架上构成核心探头，采样质量的底部采用电容极板进行微位移测量和静电反馈控制，核心探头的框架外尺寸为60mmⅹ94mmⅹ193mm。其外侧构建有双层恒温结构，最外层为重力仪保护壳体，重力仪外尺寸为196mmⅹ242mmⅹ306mm，总质量15kg。项目组对探头的参数进行了详细设计分析，重点实验研究了弹簧的特性、双层温控单元、高精度测温和温度补偿、电容式微位移传感与静电反馈等单元以及系统调试。实验表明，测微电路在0.1 Hz附近的检测分辨率达到了0.5nm/Hz1/2。双层恒温单元的温控水平达到0.008oC（当环境温度变化10oC时），自研的高精度温度传感器的测温灵敏度优于1ⅹ10-5K；在5mHz附近，重力仪探头的测量分辨率达到了5μGal/Hz1/2，符合项目预期。残余的非线性温度效应是其限制因素之一。该项目支持发展的相关技术对类似的精密测量仪器具有一定的普适性，可以为其所用；基于金属弹簧的便携式重力测量探头有望在未来几年内投入使用，服务于我国的经济发展和基础科学研究。