基于空间十字型挠性支撑结构的海洋相对重力敏感器基础问题研究

The importance of accurate detection of marine gravity field with high speed at low cost has been not only attached to marine seismic monitoring and prediction, marine resource exploration, earth science, and oceanography, but also to the marine economy and marine military of our country. However, the drawback of existing gravimeter such as bulky volume, high cost, and the influence of cross coupling will limit the performance. In light of this, this project proposed an innovative gravimeter to measure relative gravity variation based on the force-balance principle, the distinguishing feature of the structure is spatial cross-shape flexible supporting, which can be miniaturized due to its compact structure and has the ability of perfect fatigue resistance to detect a slight gravity variation. This project adopts differential capacitance to detect the faint change of gravity. What is more, marine gravimeter is susceptible to cross coupling, this project utilized decouple for multiple pendulum pieces and multiple directions by using Rayleigh-Ritz method. All this research has great point in the improvement of high precision gravimeter in theory and application.

对海洋重力场的高精度、快速、低成本探测不仅是海洋地震监测预报、地球科学研究、海洋学、海底资源勘探等自然科学领域的研究基础，而且对我国发展海洋经济和海洋军事具有重要的意义。针对现有的重力仪体积较大、成本高、易受交叉耦合项影响等缺点，本项目运用力平衡式原理，提出了一种基于空间十字型挠性支撑结构的重力敏感器，采用差分电容检测的方法敏感重力的微弱变化；针对海洋重力探测易受交叉耦合效应的影响，拟运用瑞利-里兹法对多摆片多方向耦合问题进行解耦；优化设计摆锤与挠性摆片支撑中心的匹配，实现对重力场的高精度、低成本、便携化测量。本项目的研究成果将为新型高精度重力检测仪器的研制提供理论依据和技术基础。

21世纪是海洋的世纪，世界各国纷纷加强了对海洋资源的占有、利用与开发的程度，海洋主权的争端也随着变得日益激烈，在此背景下高精度的海洋重力仪是建设是争夺海洋主权的必备设备。然而，目前我国的海洋重力仪则由于资金的缺乏和国外成熟产品的冲击，仅停留在试验样机阶段而没有实现量产化。在这样的大背景下，新型高精度海洋重力仪的研制迫在眉睫。. 本基金的主要研究内容包括新型重力仪整体结构的设计和选材、角度传感的设计和测试以及永磁力矩器电磁场的分析。在新型重力仪整体结构设计中采用助动的构造原理和新型悬丝支撑技术，整体结构采用角度传感器、再平衡回路和力矩器的量测系统，大大简化了重力仪的内部结构。并且通过对重力仪浮子摆性和浮液的选择对其进行了合理的选材。针对新型重力仪测量的特点，设计并制造了一种新型的小角度传感器，并对其输出特性进行了理论分析和推导，对其内部电磁场和漏磁场的分布进行仿真分析，得出其具有高灵敏度、高线性度、干扰力矩小和功率损耗小等优点，并证明了其非常适用于此高精度海洋重力仪中。永磁力矩器电磁场的分析，得到其具有气隙磁密分布规律，不存在死区的问题，而且其端部漏磁在距离磁钢12mm处才基本降为零，证明了其设计合理适用于新型重力仪中。以上研究内容是新型重力仪研究的关键问题，为重力的进一步设计和优化，以及其性能的分析提供了理论基础。