一压电式重力仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种压电式重力仪，在测量地表、高空以及水下地球的重力加速度和 地球重力场方面具有特殊用途，也可用于惯性导航、测绘、航测、地质和地球物理勘探、地震 监测、大型工程安全监测领域。
【背景技术】
[0002] 地球重力加速度成]精确测量是地质和地球物理以及测绘领域长期关注的一个 研究课题。理论上，地球重力加速度与地球和太阳、月亮以及其它行星之间的相互作用以及 地球的旋转和内部结构相关。在应用方面，精确测量的地球重力加速度以及地球重力场的 分布和变化对于惯性导航、测绘、航测、地质和地球物理勘探、地震监测、大型工程安全监测 等领域也是重要的物理参数。地球重力加速度的测量技术分为绝对值测量和相对测量两种 方式。原理上，绝对值测量技术均基于自由落体加速度的物理原理。通过测量自由落体的 位移和时间来确定某点测量时段内的绝对重力加速度。根据测量手段，绝对值测量技术分 为机械摆式、光学干涉式以及基于量子效应的原子干涉仪方式。这几种方式测量精度都很 高，可达到微伽精度水平。但绝对值测量设备体积庞大，不易搬动，测量时间长，而且测量条 件要求苛刻，设备昂贵。地球重力加速度的相对测量是基于测量设备输出的某一物理量与 重力加速度相关原理，通过对输出量的标定可以得出输出量与重力加速度的函数关系。一 般来说，与重力加速度相对应的测量物理量都转变成电压信号输出。传统的相对重力测量 仪有弹簧机械摇摆式，传感器为金属或者石英玻璃零长度变化的弹簧。近期研发的超导磁 悬浮相对重力测量仪中，传感器为补偿超导电流仪。这类仪器的测量精度可达微伽水平甚 至更高，但都存在设备体积庞大、测量时间较长、测量条件要求苛刻、设备昂贵的局限性。近 年来微加速度传感器的研发受到重视。微加速度计是以集成电路技术和微机电（MEMS)加 工技术为基础发展起来的新型传感器。在微加速度计中，压阻式或者电容式传感器与微机 电测量和控制系统集成在单晶硅片上。微加速度计与通常的加速度计相比，具有体积小、重 量轻、成本低、功耗低的特点。但是微加速度计受温度和环境因素影响较大，测量精度较低。
[0003] 因此体积小、重量轻、测量精度高和测量速度快的重力仪依然是地球重力加速度 测量的技术发展方向。特别是高分辨的航空重力测量对测量速度要求很高。快速重力测量 设备对于高速的航空重力测量显得十分重要。
[0004] 压电式加速度传感器是振动加速度测量的最有效的技术手段。与其它类型的加速 度传感器相比，压电式加速度传感器有动态范围广、线性度好、频率范围宽、体积小、质量轻 的特点，具有其它加速度传感器不可比拟的优势。但是由于存在电荷泄漏的因素，压电式加 速度传感器的传统测量方式不适于测量静态或者零频的地球重力加速度。
[0005] 本发明提供一种压电式重力仪。这种压电式重力仪为一相对重力测量仪器，能够 克服现有重力仪体积庞大、测量时间较长、测量条件要求苛刻、设备昂贵的局限性；也能克 服传统压电式加速度传感器不能测量零频地球重力加速度的局限。新型压电式重力仪具有 动态范围广、线性度好、频率范围宽、测量时间短、体积小、质量轻和结构简单的特点，能够 快速准确测量地球重力加速度。
【发明内容】
[0006] 本发明涉及一种压电式重力仪，其中一块或者多块压电片通过外加的交变电压信 号产生声波或超声波，构成压电振动发生器。另一压电片和与之相连的两个电极片构成压 电信号接受器。压电振动发生器和压电信号接受器沿垂直方向相互叠置，并在顶部放置质 量块。外加的交变电压信号使压电振动发生器中的压电片产生应变并沿重力方向形成交变 的加速度。在交变加速度和质量块的重力加速度的联合作用下，压电信号接受器中的压电 片产生周期性变化的净电荷，并在粘贴于其表面的两个电极之间产生交变的电压信号，电 压信号与地球重力加速度相关。
[0007] 本发明提供一种压电式重力仪通过外加的交变电压信号产生声波或超声波。压电 振动发生器所形成的交变的加速度与重力加速度叠加在压电信号接受器中的压电片上。通 过测量压电振动发生器的输入信号和压电信号接受器的输出的电压信号来计算处理地球 重力加速度。因此新型压电式重力仪能够克服传统压电式加速度传感器不能测量零频地球 重力加速度的局限。这种新型压电式重力仪具有动态范围广、线性度好、频率范围宽、体积 小、质量轻和结构简单的特点，能够为快速准确测量地球重力加速度提供一种可靠技术手 段。
[0008] 本发明的目的是通过如下途径实现的： 一压电式重力仪，其特征在于：压电式重力仪由压电片1、电极片2、质量块3、信号发生 系统4和信号接受处理系统5组成。电极片2通过导电胶粘贴在压电片1的两个平行表面 上。信号发生系统4产生的交变电压信号通过导线施加在电极片1上。压电片1、电极片2 以及信号发生系统4连接在一起构成压电振动发生器。另一压电片1与粘贴在其表面上的 两个电极片2构成压电信号接受器。沿重力方向自上往下分别安置质量块3、压电信号接受 器、压电振动发生器。信号发生系统4所发出的交变电压信号使压电振动发生器中的压电 片1产生应力并沿重力方向形成周期变化的加速度。在质量块3的重力加速度和周期振动 加速度的联合作用下，压电信号接受器中的压电片1产生周期性变化的净电荷，并在粘贴 于其表面的两个电极2之间产生交变的电压信号，电压信号与重力加速度相关。信号接受 处理系统5接受和处理信号发生系统4的输入电压信号和压电信号接受器产生的输出电压 信号。
[0009] 进一步的，压电信号接受器与压电振动发生器的上下位置互换；即沿重力方向自 上往下分别安置质量块3、压电振动发生器、压电信号接受器。压电振动发生器和压电信号 接受器叠加在一起的公共电极接地。
[0010] 更进一步的，压电振动发生器包含一块或者多块压电片1。覆盖有电极的多块压电 片1相互叠加；电极片2通过导线与信号发生系统4并联。在相同输入交变电压信号的条 件下，多块压电片相互并联叠加可以增大振动加速度的幅度，因而增强压电信号接受器的 输出信号。
[0011] 本发明中的压电片1可为压电晶体材料，也可为压电陶瓷材料。为了避免和减小 温度漂移的影响，压电片1可选择石英晶体的AT切片或者SC切片。为了增大压电信号接 受器的输出信号电压，压电信号接受器中的的压电片厚度应大于或等于压电振动发生器中 压电片厚度。
[0012] 本发明中的质量块3由比重大以及物理化学性质稳定的固体(如金属W、Ta、紫铜、 不锈钢）或者液体(如液态汞）构成。
[0013] 本发明的原理如下： 设信号发生系统4产生和输出的交变电压信号为：
(1) 式中《为信号幅值，《为信号角频率。这一信号电压施加于压电振动发生器的压电片 两面，使压电片产生周期应变。根据压电效应原理，产生的应变位移量x为
(2) 上式中的47为压电系数。联立（1)和（2)两式，可导出系统的振动加速度（a=Jx/df) % :
(3) 如图1所示，压电式重力仪中沿重力方向自上往下分别安置质量块3、压电信号接受 器、压电振动发生器。设压电信号接受器中的压电片承重质量为與测点的地球重力加速度 为^?。则压电片的总体加速度为ff+A所受合力为根据压电效应原理，这一作 用于压电片上的合力使其两面产生净电荷ft净电荷的值为即：f式，（〃+3。因 此在粘贴于压电片表面的两个电极之间产生交变的信号电压K由于卢其中战/压电 片的电容值，因此输出信号电压晦重力加速度有关。由（3)式可以导出重力加速度^?与 压电振动发生器的输入信号G以及压电信号接受器的输出信号吃间的关系为：
(4) 通过频率扫描测量不同输入信号频率下的匕，K即可计算测量点的地球重力加速度 ^?。由于压电振动发生器的输入信号频率可设置在声波或者超声波范围，因此结合快速采样 信号接受处理系统，新型压电式重力仪可实现快速准确测量地球重力加速度的功能。
【附图说明】
[0014] 下面结合附图对本发明作进一步详细说明： 图1为包含有两个压电片1的压电式重力仪的剖面结构示意图；一个压电片1与电极 2以及信号发生系统4构成压电振动发生器，另一压电片1与电极2构成压电信号接受器， 并且通过导线与信号接受处理系统5连接；压电信号接受器沿垂直方向置于质量块3和压 电振动发生器之间； 图2为包含有两个压电片1的压电式重力仪的剖面结构示意图；一个压电片1与电极 2以及信号发生系统4构成压电振动发生器，另一压电片1与电极2构成压电信号接受器， 并且通过导线与信号接受处理系统5连接；压电振动发生器沿垂直方向置于质量块3和压 电信号接受器之间； 图3为包含有四个压电片1的压电式重力仪的剖面结构示意图；三个压电片1与电极 2以及信号发生系统4并联构成压电振动发生器，另一压电片1与电极2构成压电信号接 受器，并且通过导线与信号接受处理系统5连接；压电信号接受器沿垂直方向置于质量块