一种适用于地质勘测的高精度电子重力仪的制作方法

本发明属于地质勘测领域，尤其是一种适用于地质勘测的高精度电子重力仪。

背景技术：

重力仪是用来测定重力加速度的仪器，可以分为绝对重力仪和相对重力仪两类，前者用来测定一点的绝对重力加速度值，后者用来测定两点的绝对重力加速度差。由于重力仪具有较高的灵敏度可以感受出微小的重力变化，可广泛用于地球重力场的测量，固体潮观测，地壳形变观测，以及重力勘探等项工作中。现有重力仪内部的石英传感器对外界温度非常敏感，必须保障在高精度的恒温环境下才可正常测量微小的重力变化，然而现有重力仪为纯机械式，受环境温度影响比较大；同时，在进行地质勘测的时候，需要进行高精度的重力测量，测量分辨率非常高，必须达到10^-6伽以上才能满足高精度测量的要求，现有的重力仪结构简单，无法达到较高的测量精度；另外，在进行地质勘测时，要求将重力仪位置精确地调节到水平状态，精确指示倾斜角度，倾角分辨率要求能达到1角秒，现有的重力仪无法满足上述要求。总之，国内进行地质勘测时对重力仪温度精准控制、重力仪倾角精确测量以及对重力仪测量的数据精确的系统现在尚没有。

有鉴于此，特提出本发明。

技术实现要素：

本发明提供一种适用于地质勘测的控温、倾角测量、数据采集都高精准的电子重力仪。

为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：

一种适用于地质勘测的高精度电子重力仪，包括本体、控温系统、数据转换与采集系统和倾角测量与校正系统，所述控温系统、数据转换与采集系统和倾角测量与校正系统置于本体内。

进一步的，所述控温系统包括外控温系统、内控温系统和隔离系统，其 中，所述内控温系统置于所述外控温系统内，所述隔离系统位于外控温系统与内控温系统之间；

所述外控温系统包括第一恒温仓、第二恒温仓、第三恒温仓、第一控制电路、第二控制电路和第三控制电路，第一恒温仓与第一控制电路连接，第二恒温仓与第二控制电路连接，第三恒温仓与第三控制电路连接，所述第一恒温仓、第二恒温仓、第三恒温仓分别为外控温系统的顶面、侧面和底面；

所述内控温系统包括第四恒温仓和第四控制电路，第四恒温仓与第四控制电路连接。

进一步的，所述第一恒温仓由第一恒温桶、第一保温材料、第一加热膜和第一热敏电阻组成，所述第一热敏电阻固定在第一恒温桶外壁上，第一加热膜固定在带有第一热敏电阻的第一恒温桶外壁的四周，在第一加热膜四周固定有第一保温材料。

进一步的，所述第二恒温仓由第二恒温桶、第二保温材料、第二加热膜和第二热敏电阻组成，所述第二热敏电阻固定在第二恒温桶外壁上，第二加热膜固定在带有第二热敏电阻的第二恒温桶外壁的四周，在第二加热膜四周固定有第二保温材料。

进一步的，所述第三恒温仓由第三恒温桶、第三保温材料、第三加热膜和第三热敏电阻组成，所述第三热敏电阻固定在第三恒温桶外壁上，第三加热膜固定在带有第三热敏电阻的第三恒温桶外壁的四周，在第三加热膜四周固定有第三保温材料。

进一步的，所述第四恒温仓由第四恒温桶、第四保温材料、第四加热膜和第四热敏电阻组成，所述第四热敏电阻固定在第四恒温桶外壁上，第四加热膜固定在带有第四热敏电阻的第四恒温桶外壁的四周，在第四加热膜四周固定有第四保温材料。

进一步的，所述第一控制电路包括串联连接的第一精密电桥电路、第一放大电路、第一比较器和第一开关电路。

进一步的，所述第二控制电路包括串联连接的第二精密电桥电路、第二放大电路、第二比较器和第二开关电路。

进一步的，所述第三控制电路包括串联连接的第三精密电桥电路、第三 放大电路、第三比较器和第三开关电路。

进一步的，所述第四控制电路包括第四精密电桥电路、一级放大电路、二级放大电路、PID控制电路和第四开关电路。

进一步的，所述第一热敏电阻、第二热敏电阻、第三热敏电阻、第四热敏电阻至少为1个。

进一步的，所述数据转换与采集系统包括信号衰减器、输入缓冲器、差分输入缓冲器、模数转换器、电压基准源和信号采集器，所述信号衰减器的输出端连接所述输入缓冲器的输入端，所述输入缓冲器的输出端连接差分输入缓冲器的输入端，所述差分输入缓冲器的输出端连接模数转换器的输入端，所述模数转换器的输出端连接信号采集器的输入端；所述电压基准源连接在模数转换器输入端。

从信号衰减器衰减后得到的信号幅度减少；幅度减少的信号进入输入缓冲器阻抗信号匹配，阻止信号损失；从输入缓冲器出来的信号进入差分输入缓冲器后转换成2个具有差动信号；从差分输入缓冲器出来的差动信号进入AD转换器，将压力信号转化成计算机可识别的数字信号；数字信号被收集到信号采集器后进行后续处理。

进一步的，所述信号衰减器的电路中包括运算放大器。

进一步的，经过所述信号衰减器衰减后的幅度为0～5V。

重力传感器输出信号是直流信号，输出幅度范围为±18V，如此高的电压信号不能直接输入到AD转换器，必须通过衰减电路将±18V衰减到0～5V，通过AD转换器将0～5V的模拟信号转换成数字量，送入到计算机进行后续处理。

进一步的，所述输入缓冲器的电路中采用AD8675作为缓冲放大器。

为了让模数转换器达到高的精度，选择缓冲放大器时需要考虑的关键因素是：适当的带宽、摆率、VP-P输出、低噪声、低失真和低失调。应保持尽可能低的缓冲放大器噪声—远远低于ADC的SNR。放大器的整体失调误差，包括漂移，在整个温度范围内都应小于所要求的精度误差。基于以上考虑，精心选择了AD8675作为缓冲放大器。

进一步的，所述差分输入缓冲器的电路中采用LT1368运算放大器， LT1368有着较高的共模抑制比,极低的输入失调电压，使用双跟随器作为ADC的差分输入缓冲器，可以有效消除失调电压的影响。

进一步的，所述模数转换器为24位模数转换器。

优选的，所述模数转换器为LTC2445AD，该转换器具有2ppm的线性度，24位无漏码；2.5ppm的满度增益误差，0.1ppm的失调误差，0.16ppm的噪声等优良直流性能和良好的低噪声特性；该转换器的输入回路无缓冲器，输入电压可以超过基准电压范围的12.5％，可以方便解决超量程和负电压的测量问题；该转换器与其他转换器相比最大的特点是单周期零点和满度校准透明，不需用户编程参与ADC的自动校准，使用极其方便。此外，该转换器拥有SPI数字接口。

结合信号输入接口电路，转换器的输入回路外接差分缓冲器,构成8通道24位高精度ADC数据采集系统。

进一步的，所述电压基准源分为+5V基准电压和+2.5V基准电压。

进一步的，所述电压基准源采用MAX6350芯片，MAX6350具有超低温漂系数，如1ppm/℃，极低噪声水平，1.5μVp-p(0.1Hz～10Hz)；长时间稳定性达30ppm/1000hr。

进一步的，所述信号采集器内部具有精度较高的集成震荡器时钟，外部不需任何频率调整元件，内部的四阶数字陷波滤波器对50Hz/60Hz的信号具有最小为87dB的衰减能力。

进一步的，所述倾角测量与校正系统包括激励源电路、第一单轴倾角传感器电路、第二单轴倾角传感器电路、第一相敏检波电路、第二相敏检波电路、第一信号放大电路、第二信号放大电路、第一低通滤波电路和第二低通滤波电路；

所述激励源电路产生第一方波信号和第二方波信号；所述第一方波信号输入到第一单轴倾角传感器电路，第二方波信号输入到第二单轴倾角传感器电路；从第一单轴倾角传感器电路出来的信号进入到第一相敏检波电路，从第二单轴倾角传感器电路出来的信号进入到第二相敏检波电路；从第一相敏检波电路出来的直流电信号进入第一信号放大电路，从第二相敏检波电路出来的直流电信号进入第二信号放大电路；从第一信号放大电路出来的信号进 入第一低通滤波电路，从第二信号放大电路出来的信号进入第二低通滤波电路，相敏检波电路输出的信号经过放大电路后仍然存在244hz的锯齿阶梯，使用一阶无源低通滤波后，变成纯直流信号。

进一步的，所述第一单轴倾角传感器和第二单轴倾角传感器均为电解质倾角传感器。

电解质倾角传感器具有灵敏度高、体积小、耐腐蚀、耐潮湿等特点，但温度变化会影响其工作特性；本发明用的是RG-33T型倾角传感器，RG-33T型倾角传感器是一种液摆式电解质倾角传感器，测量范围为-0.5°～+0.5°,分辨率为0.2″，重复精度为0.0008°，时间常数为0.2s(20℃环境温度下)。

电解质型倾角传感器可分为单轴和双轴，本发明选用的是单轴倾角传感器。单轴倾角传感器有三个引脚，从密封的小玻璃瓶中引出。在盛有电解质溶液的玻璃瓶中留有一气泡，当装置倾斜时气泡会运动使电阻发生变化而产生出倾角的“液体摆”，类似于机械式水平尺的玻璃水泡，因此也可称电解质型倾角传感器为“电子水泡”。当单轴倾角传感器微微倾斜，电解质液体流动，在重力的作用下，电解质液体表面保持水平。单轴倾角传感器相当于一个线性电位器R，改变单轴倾角传感器倾斜角度，相当于滑动电位器的中间抽头，两端的电阻R1、R2发生相对变化，电阻与倾角成比例变化。而单轴倾角传感器可以测量的倾角范围为电解液容量、电极间距和电极长度的函数。

进一步的，所述第一方波信号和第二方波信号的占空比为1:1，且频率相同、幅度相等、相位相反。

进一步的，所述第一方波信号的频率与第一单轴倾角传感器的频率相匹配，第二方波信号的频率与第二单轴倾角传感器的频率相匹配。

优选的，所述第一方波信号和第二方波信号的频率均为244Hz，幅度均为0.714V。对于不同类型的电解质型倾角传感器，激励源电路产生的方波频率可以不相同，本发明中激励源电路产生的方波频率选为244Hz。

进一步的，所述激励源电路由激励源发生电路和激励信号驱动电路组成；激励源发生电路由电压基准电路和斩波电路组成，激励信号驱动电路由两个运算放大器组成的跟随器组成。激励源发生电路产生的两路方波信号，经两个由运算放大器组成的跟随器作为驱动电路，以提高激励源驱动能力。

由于电解质型倾角传感器电解液的特性，直流电流能引起电解质的化学反应，最终结果使电解质失去导电性，对传感器造成不可逆转的损坏，所以为了防止电解反应的发生，传给传感器的信号不能含有直流必须为交变电流，在两根电极之间加上幅值相等的交流电压，电极之间会形成离子电流。

进一步的，所述第一相敏检波电路和第二相敏检波电路都是由电子开关电路和相敏检波器组成。电子开关电路用来控制相敏检波器，当电子开关电路处于“断开”状态时，相敏检波器为反向运算放大器，输入与输出信号反向；当电子开关电路处于“接通”状态时，相敏检波器为同向运算放大器，输入与输出信号同向。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明采用了电子控制方式来实现对重力仪的温度、测量数据、倾角的精准控制，具体如下：

(1)本发明采用双层恒温结构大大减小外界温度的变化，外控温通过三路单独的控温电路控制，更加精细准确的控制恒温仓内的温度使其均匀分布，同时内控温又通过PID电路能够精细的控制和调节使其达到高精度恒温效果，从而保证石英传感器能够在稳定的恒温环境中工作；

(2)本发明采用数据转换与采集系统可以高灵敏度、高分辨率测出微小的重力变化，保证重力仪高精度的重力测量；

(3)采用本发明所述的倾角测量及校正系统，当重力仪的角度发生倾斜时，能够准确的、高精度的测量出来倾角的大小，从而及时对重力仪进行角度调整。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的恒温系统结构示意图；

图3是恒温系统的外控温系统结构示意图；

图4是恒温系统的内控温系统结构示意图；

图5是本发明的数据转换与采集系统结构示意图；

图6是数据转换与采集系统信号的衰减器的电路图；

图7是数据转换与采集系统信号的输入缓冲器的电路图；

图8是数据转换与采集系统信号的电压基准源的电路图；

图9是数据转换与采集系统信号的差分输入缓冲器的电路；

图10是数据转换与采集系统信号的信号采集器的电路；

图11是本发明的倾角测量及校正系统结构示意图；

图12是倾角测量及校正系统产生的方波示意图；

图13是倾角测量及校正系统的激励源电路结构示意图；

图14是倾角测量及校正系统的第一相敏检波电路结构示意图；

图15是倾角测量及校正系统的信号放大电路结构示意图；

图16是倾角测量及校正系统的低通滤波电路结构示意图。

1、控温系统；2、数据转换与采集系统；3、倾角测量与校正系统；4-本体；11、外控温系统；12、内控温系统；13、隔离系统；111第一恒温仓；112第二恒温仓；113第三恒温仓；121、第四恒温仓；21、信号衰减器；22、输入缓冲器；23、差分输入缓冲器；24、24位AD转换器；25、信号采集器；26、电压基准源；31、激励源电路；32、第一单轴倾角传感器电路；33、第二单轴倾角传感器电路；34、第一相敏检波电路；35、第二相敏检波电路；36、第一信号放大电路；37、第二信号放大电路；38第一低通滤波电路；39第二低通滤波电路

具体实施方式

以下结合具体实施例和附图对本发明做进一步解释说明。

一种适用于地质勘测的高精度电子重力仪，包括本体4、控温系统1、数据转换与采集系统2和倾角测量与校正系统3，所述控温系统1、数据转换与采集系统2和倾角测量与校正系统3置于本体4内。

一种适用于重力仪的控温系统，包括外控温系统11、内控温系统12和隔离系统13，其中，所述内控温系统12置于所述外控温系统11内，所述隔离系统13位于外控温系统11与内控温系统12之间；

所述外控温系统1包括第一恒温仓111、第二恒温仓112、第三恒温仓113、第一控制电路、第二控制电路和第三控制电路，第一恒温仓111与第一控制电路连接，第二恒温仓112与第二控制电路连接，第三恒温仓113与第三控制电路连接，所述第一恒温仓111、第二恒温仓112、第三恒温仓113 分别为外控温系统的顶面、侧面和底面，一般来说，第一恒温仓111、第二恒温仓112、第三恒温仓113为恒温铝桶的顶面、侧面和底面，由于温度分布的不均匀，所以在每个部位的温度均不相同，因此为了保证温度一致，需要及时调整不同部分的温度；

所述内控温系统12包括第四恒温仓121和第四控制电路，第四恒温仓121与第四控制电路连接。

在本实施例中，所述第一恒温仓111由第一恒温桶、第一保温材料、第一加热膜和第一热敏电阻组成，所述第一热敏电阻固定在第一恒温桶外壁上，第一加热膜固定在带有第一热敏电阻的第一恒温桶外壁的四周，在第一加热膜四周固定有第一保温材料。由于铝材质轻、导热效率快，因此所述第一恒温桶我们首选铝桶，第一热敏电阻是用来感应第一恒温仓111的温度的，当第一恒温仓111过高或者过低，第一热敏电阻都会将信号传递给第一控制电路，第一控制电路会根据实际情况作出相应调整，如果温度低，会加热第一加热膜来升高温度，如果温度低，会断开加热膜的升温连接。

所述第二恒温仓112由第二恒温桶、第二保温材料、第二加热膜和第二热敏电阻组成，所述第二热敏电阻固定在第二恒温桶外壁上，第二加热膜固定在带有第二热敏电阻的第二恒温桶外壁的四周，在第二加热膜四周固定有第二保温材料，第二保温材料是为了保证温度不会很快扩散，尽可能的保证第二恒温仓112恒温。

所述第三恒温仓113由第三恒温桶、第三保温材料、第三加热膜和第三热敏电阻组成，所述第三热敏电阻固定在第三恒温桶外壁上，第三加热膜固定在带有第三热敏电阻的第三恒温桶外壁的四周，在第三加热膜四周固定有第三保温材料。

所述第四恒温仓121由第四恒温桶、第四保温材料、第四加热膜和第四热敏电阻组成，所述第四热敏电阻固定在第四恒温桶外壁上，第四加热膜固定在带有第四热敏电阻的第四恒温桶外壁的四周，在第四加热膜四周固定有第四保温材料。

所述第一控制电路包括串联连接的第一精密电桥电路、第一放大电路、第一比较器和第一开关电路。

所述第二控制电路包括串联连接的第二精密电桥电路、第二放大电路、第二比较器和第二开关电路。

所述第三控制电路包括串联连接的第三精密电桥电路、第三放大电路、第三比较器和第三开关电路。

所述第四控制电路包括第四精密电桥电路、一级放大电路、二级放大电路、PID控制电路和第四开关电路。

所述第一热敏电阻、第二热敏电阻、第三热敏电阻、第四热敏电阻至少为1个。

需要申明的是：本发明中所述热敏电阻贴在恒温桶外壁，之后在恒温桶的外壁上在粘上一层加热膜，在加热膜的外面裹一层保温材料，一般选用聚碳酸酯作为保温材料。所有的热敏电阻、恒温桶、保温材料、加热膜的连接方式都一样。

本发明中第一控制电路的工作方式如下：第一精密电桥电路用来接收来自第一恒温仓11中第一热敏电阻的温度信号，将接受到的信号经过第一放大电路放大，通过第一比较器比较，如果温度过高，第一开关电路断开，第一热敏电阻停止对第一恒温仓11加热；如果温度过低，第一开关电路连接，第一热敏电阻开始对第一恒温仓11加热。第二控制电路、第三控制电路的工作方式与第一控制电路相同。

第四控制电路的工作方式如下：第四精密电桥电路用来接收来自第四恒温仓121中第四热敏电阻的温度信息，将接受到的信息依次经过一级放大电路、二级放大电路放大，传递给PID控制电路，最后传递给第四开关电路，如果温度过高，第四开关电路断开，第四热敏电阻停止对第四恒温仓121加热；如果温度过低，第四开关电路连接，第四热敏电阻开始对第四恒温仓121加热。

所述数据转换与采集系统包括信号衰减器21、输入缓冲器22、差分输入缓冲器23、24位AD转换器24、电压基准源26和信号采集器25，所述信号衰减器21的输出端连接所述输入缓冲器22的输入端，所述输入缓冲器22的输出端连接差分输入缓冲器23的输入端，所述差分输入缓冲器23的输出端连接24位AD转换器24的输入端，所述24位AD转换器24的输出端连接信号采集器25的输入端；所述电压基准源26连接在24位AD转换器24 输入端，如图5所示。

其中，所述信号衰减器1的电路由U10、C1、C2、C3、R1、R2、R3组成，如图6所示，其中R3/R1＝3/20；R3/R2＝1/2；

所述输入缓冲器22的电路由U11、C2、R4、R5、R6组成，如图7所示；

所述电压基准源26的电路由U4、U5、RT1、RN1A、RN1B、C11、C12、C13、C14等元器件组成，如图8所示；

所述差分输入缓冲器3的电路由U2A、U2B、C3、C4、C5等元器件组成，如图9所示；

所述信号采集器25的电路由U1、U2B、C3、C4等元器件组成，如图10所示。

一种倾角测量及校正系统，如图11所示，所述系统包括激励源电路31、第一单轴倾角传感器电路32、第二单轴倾角传感器电路33、第一相敏检波电路34、第二相敏检波电路35、第一信号放大电路36、第二信号放大电路37、第一低通滤波电路38和第二低通滤波电路39；

所述激励源电路1产生第一方波信号a和第二方波信号a’，如图12所示，方波的占空比为1:1，频率为244HZ，信号幅度为0.714V；所述第一方波信号a输入到第一单轴倾角传感器电路32，第二方波信号a’输入到第二单轴倾角传感器电路33；从第一单轴倾角传感器电路32出来的信号进入到第一相敏检波电路34，从第二单轴倾角传感器电路33出来的信号进入到第二相敏检波电路35；从第一相敏检波电路34出来的直流电信号进入第一信号放大电路36，从第二相敏检波电路35出来的直流电信号进入第二信号放大电路37；从第一信号放大电路36出来的信号进入第一低通滤波电路38，从第二信号放大电路337出来的信号进入第二低通滤波电路39。

所述的激励源电路31由激励源发生电路和激励信号驱动电路组成；激励源发生电路由电压基准电路和斩波电路组成，激励信号驱动电路由两个运算放大器组成的跟随器组成。具体结构如图13所示：

由U17、U18、C34、C35、C36、R15、R16组成激励源发生电路，从C34、C35输入12v的直流电给U17，经过U17后的电压转变为5v电压，优选MAX6350作为U17的型号，从U17出来的5v直流电压经过分压作用的 R15、R16，5v直流电压变成0.714v后进入C36滤波电容，经过C36的滤波后进入U18，在U18中将0.714v的直流电转变成幅值为0.714v的交流电；

由U19A、U19B、C26组成激励信号驱动电路，激励源发生电路产生的两路方波信号分别经过U19A、U19B运算放大器后得到第一方波信号a和第二方波信号a’，如图13所示。

所述第一相敏检波电路34和第二相敏检波电路35电路组成相同，所起作用也相同，以第一相敏检波电路34为例进行说明。

相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路。第一相敏检波电路34主要由两部分组成，如图14所示，一是由U22组成的电子开关电路，控制相敏检波器；二是由U3C组成的相敏检波器部分。当电子开关电路处于“断开”状态时，相敏检波器为反向运算放大器，输入与输出信号反向；当电子开关电路处于“接通”状态时，相敏检波器为同向运算放大器，输入与输出信号同向。

第一信号放大电路36由U15、U3D、C22、C23、C24、R12、R22、R23、R35等组成；第二信号放大电路7由U21、U4D、C25、C29、C31、R14、R21、R25、R27等组成。其中，所述U15、U21选用AD8429仪表放大器，AD8429放大微小信号，AD8429具有高共模抑制比(CMRR)，CMRR随着增益提高而提高，如图15所示，其中，图上所述的测X电路指的是第一信号放大电路36，测Y电路指的是第二信号放大电路37。

相敏检波输出后，信号存在244Hz的锯齿阶梯，使用一阶无源低通滤波后，变成纯直流信号送到A/D入口端。由U3A、U3B、C13、C14、C15、C16、R9、R10、R11等组成第一低通滤波电路；由U4A、U4B、C21、C28、C32、C33、R13、R24、R28等组成第二低通滤波电路，如图16所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。