高精度宽频带重力仪的制作方法

本发明涉及地震前兆预警和固体潮观测技术，尤其涉及一种高精度宽频带重力仪。

背景技术：

最早能记录到固体潮的高精度宽频带重力仪是由西德的格拉夫(graf)发明的gs型重力仪，曾在欧美和中国大量推广使用，后由于阿斯卡尼亚(askania)倒闭，该仪器没有再生产；此后美国的lacoste设计了lacosteet型重力仪，专门用于记录固体潮；80年代，我国自行研制了固体潮重力仪，在国内生产推广。这三种重力仪原理各不相同，差异甚大，各有其特点和优点。但在精度上差异不大。

由于固体潮的精度要到1微伽(μgal约10^-9g)，故能研制和生产该仪器的厂商在国内外只有三家。

地震前兆预测是地震研究工作重大课题之一。成功预测地震发生的时间、地点、震级大小也是世界性的难题，很大程度上不能获得全面的、足够精度和数量的与地震前兆相联系的信息。

目前国内外尚无一种高精度宽频带重力仪。

技术实现要素：

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种高精度宽频带重力仪，既可以提高高精度宽频带重力仪的测量精度和长期稳定性，又拓宽了测量频带，可以记录更多的地震信息。

本发明的目的是这样实现的：

a)采用有效的技术措施，提高高精度宽频带重力仪的输出电压的精度和长期稳定性，从而可以检测是地球潮汐因子的长期变化，潮汐因子的变化可以用于地震预报；

b)由于噪声和频带是成比例的，本发明用窄带滤波和放大，来提高高精度宽频带重力仪的输出电压的信噪比，可用更高的灵敏度来检测地球内部的微小震动信息。

c)本发明除了固体潮通道观测记录外，还增加了三个通道：高频通道(适合于记录近震)；低频通道(适合于记录远震)；地球自由振荡通道。(以往的重力仪仅有记录固体潮通道，而无这3个记录地震的通道。)

具体地说，高精度宽频带重力仪包括电容式位移传感器、弹性单元、恒温单元、调摆单元、锁摆单元、支撑单元和底盘单元；

其位置和连接关系是：

从下到上，底盘单元和恒温单元连接，在恒温单元内设置有支撑单元，在支撑单元上分别设置有电容式位移传感器、弹性单元、调摆单元和锁摆单元；

调摆单元和锁摆单元分别与弹性单元连接；弹性单元和电容式位移传感器连接；

所述的电容式位移传感器是测量弹性单元中的动片位置的上下变化；

所述的弹性单元是一种精密的弹簧；

所述的恒温单元是一个高精度的控温装置。

本发明具有下列优点和积极效果：

a)采用高精度控温系统，国际同类仪器如美国的拉科斯特和德国的gs型重力仪的恒温精度均为0.01℃，由于国外重力仪控温精度不够，均用温度补偿的方法来弥补控温精度的不足；而本发明的恒温精度为0.0001℃，因此毋需进行温度补偿，有温度补偿的重力仪只有在最佳温度点上才能补偿的较好，而本发明高精度宽频带重力仪工作温度的选择较为自由，只要工作温度高于最高的环境温度就可以；

b)由于噪声和频带是成比例的，本发明用窄带滤波和放大，来提高高精度宽频带重力仪的输出电压的信噪比，可用更高的灵敏度来检测地球内部的微小震动信息。

c)采用合理的热结构，密封良好，因此受温度和气压的影响较小，即使在不控温的观测室内工作时，也能得到较好的观测结果。

附图说明

图1是高精度宽频带重力仪的结构方框图；

图2是高精度宽频带重力仪的结构示意图；

图3是电容式位移传感器方框图；

图4是弹簧单元的结构示意图；

图5是弹簧单元的结构方框图；

图6是恒温单元电路的结构方框图；

图7是调摆单元的结构方框图；

图8是锁摆单元的结构方框图；

图9是振荡器的电路原理图；

图10是固体潮曲线图(2019-06-19)；

图11是固体潮曲线图(2019-06-18)；

图12是高频通道的地震记录图(2019-06-18日至2019-06-26)；

图13是低频通道的地震记录图(2019-06-18日至2019-06-26)。

图中：

1—电容式位移传感器，

111—动片，112—上定片，112—下定片，

121—振荡器，122—反相器，123—三级放大器，124—锁相放大器，

125—固体潮通道，126—地球自由振荡通道，127—高频通道，

128—低频通道；

2—弹性单元，

21—弹簧，22—连接件，23—柔丝上，24—弹簧上端固定件，

25—弹簧下端固定件，26—柔丝下，27—摆(动片111)，28—调平板；

3—恒温单元，

311—内恒温热敏电阻桥路，312—内恒温高增益放大器，

313—内恒温功率放大器，314—内恒温加热丝，

321—底座恒温热敏电阻桥路，322—底座恒温高增益放大器，

323—底座恒温功率放大器，324—底座恒温加热丝，

331—外恒温热敏电阻桥路，332—外恒温高增益放大器

333—外恒温功率放大器，334—外恒温加热丝；

4—调摆单元

41—调摆支架，42—调摆马达支架，43—调摆马达，44—调摆马达齿轮，

45—一级齿轮，46—二级齿轮，47—三级齿轮，48—四级齿轮，

49—输出齿轮，410—调摆电路；

5—锁摆单元

51—锁摆马达，52—锁摆马达支架，53—锁摆弹簧，54—锁摆弹簧支架，

55—锁摆上限位，56—锁摆下限位，57—锁摆电路；

6—支撑单元，

61—支撑柱，62—支撑盘，63—支撑座，64—支撑热架构，65—支撑筒；

7—底盘单元，

71—底盘，72—调平丝杆螺母，73—地脚垫块，74—底盘电路盒，75—调平水泡。

具体实施方式

如下结合附图和实施例详细说明。

一、高精度宽频带重力仪的结构

一)总体

如图1、2，高精度宽频带重力仪包括电容式位移传感器1、弹性单元2、恒温单元3、调摆单元4、锁摆单元5、支撑单元6和底盘单元7；

其位置和连接关系是：

从下到上，底盘单元7和恒温单元3连接，在恒温单元3内设置有支撑单元6，在支撑单元6上分别设置有电容式位移传感器1、弹性单元2、调摆单元4和锁摆单元5；

调摆单元4和锁摆单元5分别与弹性单元2连接；弹性单元2和电容式位移传感器1连接。

电容式位移传感器1、弹性单元2、调摆单元4和锁摆单元5其机械部分在恒温单元3内，其电子部分在恒温单元3外；

电容式位移传感器1：测量弹性单元2中的动片111(摆)位置的上下变化，其测量精度优于0.1纳米(nm)；

弹性单元2：是一种精密的弹簧21，由恒弹性合金制成并经过真空热处理的高稳定性的弹簧，其弹性温度系数为10-5，其日漂移要求小于5微伽(μgal)，是高精度宽频带重力仪核心部件——传感器，即将重力加速度变化转换成弹簧长度的变化；

恒温单元3：为了保证弹性单元2的稳定性，必须使弹性单元2置于一个高精度的温度环境中；

调摆单元4：将电容式位移传感器1的动片111(摆)调整到零位附近，由于调整精度要求达到1纳米(nm)，故须5级齿轮系统的减速比为5000倍；

锁摆单元5：为了运输安全，防止摆与其他机械零件碰撞而损坏，设置了锁摆单元。

支撑单元6：支撑电容式位移传感器1、弹性单元2、调摆单元4和锁摆单元5。

底盘单元7：保证高精度宽频带重力仪的输出电压的水平放置。

以下介绍高精度宽频带重力仪功能单元

二)功能单元

1、电容式位移传感器1

如图3，电容式位移传感器1包括动片111、上定片112、下定片113、振荡器121、反相器122、三级放大器123、锁相放大器124、固体潮测量通道125、地球自由振荡通道126、高频地震通道127和低频地震通道128：

其连接关系是：

上定片112和下定片113设置在支撑单元6上，在上定片112和下定片113之间设置有动片111；

振荡器121分别与上定片112、反相器122和锁相放大器124连接，反相器122和下定片113连接，动片111、三级放大器123和锁相放大器124依次连接，锁相放大器124的输出端连接4个通道：固体潮通道125、地球自由振荡通道126、高频通道127和低频通道128。

其工作机理是：

振荡器121输出信号给上定片112和反相器122，反相器122输出信号给下定片113，动片111输出信号给三级放大器123，振荡器121和三级放大器123提供信号给锁相放大器124，锁相放大器124输出4个通道，分别是：固体潮通道125、地球自由振荡通道126、高频通道127和低频通道128。

1)动片111：一种金属圆片，直径40mm，厚度2mm；

为了平面度，用精密磨床加工而成，表面镀金。

2)上定片112：一种金属圆片，直径40mm，厚度2mm；

为了平面度，用精密磨床加工而成，表面镀金。

3)下定片113：一种金属圆片，直径40mm，厚度2mm；

为了平面度，用精密磨床加工而成。表面镀金。

4)振荡器121

振荡器121为一种精心设计的振荡器电路。

如图9，振荡器121包括依次连接的振荡电路121a、分频电路121b和整形电路121c；

4.1)振荡电路121a

振荡电路121a由第1电阻r1、第1电容c1和第1真补反向缓冲器u1a组成；

第1电阻r1和第1电容c1的一端连接于第1真补反向缓冲器u1a的输入端，第1电阻r1和第1电容c1的另一端分别与第1真补反向缓冲器u1a两个输出端连接；

第1真补反向缓冲器u1a是四路真补反向缓冲器4041。

其工作原理是：通过对第1电阻r1和第1电容c1充放电和第1真补反向缓冲器u1a的放大产生振荡信号。

4.2)分频电路121b

分频电路121b由第2、3、4、5电阻r2、r3、r4、r5，第2、3、4电容c2、c3、c4，第1、2、3二极管d1、d2、d3和第2、3真补反向缓冲器u1b、u1c组成；

第2电阻r2和第3电容c3连接，第2电阻r2和第3电阻r3连接；

第3电阻r3的一端与第2真补反向缓冲器u1b的输出端2相连，另一端与第3真补反向缓冲器u1c的输入端6相连；

第4电阻r4的一端与第2真补反向缓冲器u1b的输出端3端相连；另一端与第3真补反向缓冲器u1c的输入端3端相连；

第2二极管d2的一端与第2真补反向缓冲器u1b的3端相连，另一端与第2电阻r2的一端相连；

第2二极管d2的一端与第3真补反向缓冲器u1c的6端相连，另一端与第5电阻r5的一端相连；

第3电容c3与第2电阻r2的一端相连，另一端与第1二极管d1相连；

第4电容c4与第5电阻r5的一端相连，另一端与第1二极管d1相连。

其工作原理是：

第2电容c2与第1真补反向缓冲器u1a相连，第1真补反向缓冲器u1a输出的是方波，经过第2电容c2耦合，转化成负脉冲，第2电容c2输出的信号送到第电容c3和第4电容c4，由于双稳态电路一端是高电平，另一端是低电平。同时加到第2二极管d2和第2二极管d3上，那么负脉冲只对低电平不起作用，对高电平起作用。高电平受负脉冲之后就拉低成低电平。从而使触发器进行翻转。频率振荡器121频率的一半，由此进行了分频。振荡信号输入两个方波之后，分频电路的输出信号就变成一个方波。分频电路的1脚送到定片112，5脚送到和下定片122由于振荡器的短期稳定性非常高，经用数字频率计测试，振荡器短期频率稳定性可达到十万分之一以上。分频后的占空比的精度和稳定性可以提高到万分之一。而分频之前的方波的占空比误差达到2％。

4.3)整形电路121c

整形电路121c由第4真补反向缓冲器u1c组成，使输出的两个幅度相等相位相反的方波信号送到锁相放大器124。

5)反相器122

为一种通用的反相器电路。仅要求运算放大器的零漂为微伏量级，且速要求快，输入电阻和反馈电阻均采用万分之一的铠装精密电阻。铠装电阻无寄生电感。

6)三级放大器123

为一种通用的三级放大器电路。

7)锁相放大器124

为一种通用的精密单频的锁相放大器电路。

8)固体潮测量通道125

为一种通用的有源带通放大电路。

9)地球自由振荡通道126

为一种通用的有源带通放大电路。

10)高频地震通道127

为一种通用的有源带通放大电路。

11)低频地震通道128

为一种通用的有源带通电路。

电容式位移传感器1的精度取决于三个方面：

1、振荡器121的幅度稳定性；

2、振荡器121占空比的稳定性；

3、三级放大器123的增益稳定性和锁相放大器的增益与相位稳定性。

为了提高三级放大器123的增益稳定性，所有的电阻均采用精度为0.0001的精密电阻；反向器122中的电阻采用718厂生产的0.0001的精密电阻；0.001的电阻是铠装电阻，无寄生电感；从而使反相器122不产生附加的相移。

电容式位移传感器1中，采用了锁相放大器124；锁相放大器124可以有效地滤除干扰和噪声的影响，从而提高测量精度。

电容式位移传感器1如图3所示。

由于频带较窄，干扰和噪声较小，本发明设计了4种带宽的放大和记录通道：

固体潮通道125用于记录固体潮；固体潮通道125倍数为6万倍；

地球自由振荡通道126用于记录地球自由振荡信号(地球自由振荡信号的周期为100-3300秒)；地球自由振荡通道126的放大倍数为150万倍。

高频地震通道127用于记录近震，当震源离观测高精度宽频带重力仪的输出电压较近时，可记录到小于0.1级的地震；高频地震通道127放大倍数为100万倍；

低频地震通道128用于记录远震，可以记录全球5级以上的地震信号。低频地震通道128放大倍数为100万倍。

2、弹性单元2

如图4，弹性单元2包括动片111、弹簧21、连接件22、上柔丝23、弹簧上端固定件24、弹簧下端固定件25、下柔丝26和调平板27：

其连接关系是：从上到下，连接件22、上柔丝23、弹簧上端固定件24、弹簧21、弹簧下端固定件25、下柔丝26、动片111和调平板27依次连接。

1)弹簧21

弹簧21是高精度宽频带重力仪的关键部件，必须恰当地选择弹簧21参数和动片111(摆)重量，引起弹簧21弹性变化的主要因素有下列三种：温度效应、蠕变和弹性后效；设计高精度宽频带重力仪时，要尽量克服这三种因素的影响；为了减少温度变化的影响，可设法提高恒温精度；为了减小弹簧的蠕变，可采用减轻弹簧负荷的办法，由于负荷减轻，弹簧的灵敏度略有降低，这就要求弹性单元2具有更高的精度和灵敏度。

2)连接件22

是直径10mm的铜制挂钩。

3)上柔丝23

是直径0.1mm的3j53恒弹性不锈钢丝。

4)弹簧上端固定件24

是直径10mm的铜制挂钩。

5)弹簧下端固定件25

是直径10mm的不锈钢挂钩。

6)下柔丝26

是直径0.1mm的3j53恒弹性不锈钢丝。

7)调平板27

是一种铜制圆板，即一种为了调整动片111严格水平的配重板，且使得动片111与上定片112和下定片113严格平行。

3、恒温单元3

如图2、6，恒温单元3包括外恒温保温层3a、外恒温筒3b、杜瓦瓶3c、内恒温筒3d、杜瓦瓶封口3e和杜瓦瓶瓶口恒温控制器3f；

还包括内恒温热敏电阻桥路311、内恒温高增益放大器312、内恒温功率放大器313、内恒温加热丝314，底座恒温热敏电阻桥路321、底座恒温高增益放大器322、底座恒温功率放大器323、底座恒温加热丝324，外恒温热敏电阻桥路331、外恒温高增益放大器332、外恒温功率放大器333和外恒温加热丝334；

其位置和连接关系是：

从外向内，依次设置有外恒温保温层3a，外恒温筒3b，杜瓦瓶3c及其杜瓦瓶封口3e，在杜瓦瓶3c及其杜瓦瓶封口3e内设置有内恒温筒3d和杜瓦瓶瓶口恒温控制器3f；

内恒温热敏电阻桥路311、内恒温高增益放大器312、内恒温功率放大器313和内恒温加热丝314依次连接，内恒温加热丝314绕制在内恒温筒3d上；

底座恒温热敏电阻桥路321、底座恒温高增益放大器322、底座恒温功率放大器323和底座恒温加热丝324依次连接，底座恒温加热丝324绕制在杜瓦瓶瓶口恒温控制器3f上；

外恒温热敏电阻桥路331、外恒温高增益放大器332、外恒温功率放大器333和外恒温加热丝334依次连接，外恒温加热丝334绕制在外恒温筒3b上。

工作机理：

恒温控制单元要求加温功率严格等于散热功率。若加温功率大于散热功率，则控温单元内的温度上升，若加温功率小于散热功率，则控温单元内的温度下降。

内恒温热敏电阻桥路311输出信号给内恒温高增益放大器312，内恒温高增益放大器312经过内恒温功率放大器313，提供适当大小的功率给内恒温加热丝314。

底座恒温热敏电阻桥路321输出信号给底座温高增益放大器322，底座温高增益放大器322经过底座温功率放大器323，提供适当大小的功率给底座温加热丝324。

外温热敏电阻桥路331输出信号给外温高增益放大器332，外温高增益放大器332经过外温功率放大器333，提供适当大小的功率给外温加热丝334。

1)外恒温保温层3a

外恒温保温层3a包括有保温性能较好的聚丙乙烯材料加工而成的圆筒，和有上下盖的外壳；其功能是保温。

2)外恒温筒3b

外恒温筒3b是一种有上下盖的圆筒，用导热性能好的金属材料加工而成，直径略小于外恒温保温层3a，与其紧密配合；其功能是加热和均温。

3)杜瓦瓶3c

杜瓦瓶是外购件，其真空度小于10^-5pa，其具有良好的保温性能。

4)内恒温筒3d

同外恒温筒3b。

5)杜瓦瓶封口3e

和杜瓦瓶3c适配的圆柱形金属块。

6)杜瓦瓶瓶口恒温控制器3f

前述，杜瓦瓶瓶口恒温控制器3f的结构是：底座恒温热敏电阻桥路321、底座恒温高增益放大器322、底座恒温功率放大器323和底座恒温加热丝324依次连接，底座恒温加热丝324绕制在杜瓦瓶瓶口恒温控制器3f上；其功能是防止杜瓦瓶口环境温度的变化影响杜瓦瓶内的温度。控温系统增加了底座恒温，使整个恒温单元3的精度提高了20多倍，从而使恒温单元3的精度达到了万分之一度。

保温层的保温性能越好，所需的加温功率越小，且控温精度越高。加温筒的导热性能越好，热阻越小，加温筒的温度梯度越小，控温精度越高。

1)内恒温热敏电阻桥路311

是由两个高精度热敏电阻和两个精度优于万分之一的精密电阻组成的桥路。

2)内恒温高增益放大器312

是一种通用的高增益放大电路，为了达到万分之一的控制精度，前置放大器必须采用低漂移的运算放大器，其零漂要小于1微伏；另外要求放大器的开环增益要大于10⁸。

3)内恒温功率放大器313

采用功率运算放大器buz11；

4)内恒温加热丝314

是直径为0.15mm的铜漆包线。

为了实现高精度的控温，必须做到几个方面：

1、低漂移高增益的控温系统，前置放大器的漂移小于1微伏(μv)，环路增益需超过10-8。

2、高稳定性的热敏元件。本发明试验了大量的热敏元件，只有美国生产的44008型热敏电阻才能满足精度和时间常数的要求。

3、合理的热结构设计，均温系统要求材料的导热性很好，热阻小；保温系统要求保温性能很好，热阻很大。为了达到0.0001℃的控温精度，本发明做了三层控温：内恒温、外恒温、底座恒温(杜瓦瓶瓶口的恒温)；杜瓦瓶是一种很好的保温装置；问题是瓶口要散热。环境温度的变化会通过瓶口传到高精度宽频带重力仪的输出电压内部；为了克服这种现象；本发明再杜瓦瓶瓶口加了恒温控制装置，使瓶口的温度保持恒定；该措施最终使得高精度宽频带重力仪的输出电压的控温精度提高了20几倍。热结构的设计对控温精度来说是至关重要的；热结构的设计如图1所示；弹性系统是高精度宽频带重力仪的输出电压中最精密的部分。全部被包围在控温系统之中。

4、调摆单元4

如图7，调摆单元4包括调摆支架41、调摆马达支架42、调摆马达43、调摆马达齿轮44、一级齿轮45、二级齿轮46、三级齿轮47、四级齿轮48、输出齿轮49和调摆电路410；

其位置和连接关系是：

调摆支架41、调摆马达支架42和调摆马达43依次连接，调摆支架41支撑调摆马达支架42，调摆马达支架42支撑调摆马达43；

调摆电路410、调摆马达43、调摆马达齿轮44、一级齿轮45、二级齿轮46、三级齿轮47、四级齿轮48和输出齿轮49依次连接，调摆电路410控制调摆马达43，直至输出齿轮49。

其工作机理是：

调摆支架41支撑调摆马达支架42，调摆马达支架42支撑调摆马达43，调摆马达43带动调摆马达齿轮44，调摆马达齿轮44串联的带动一级齿轮45、二级齿轮46、三级齿轮47、四级齿轮48、输出齿轮49；调摆马达43的转动方向由调摆电路410控制。

1)调摆支架41

由铜加工的支撑件。

2)调摆马达支架42

由软磁合金加工的支撑件。

3)调摆马达43

空心杯低速直流伺服马达。

4)调摆马达齿轮44

模数0.3的马达齿轮。

5)一级齿轮45

6)二级齿轮46

7)三级齿轮47

8)四级齿轮48

9)输出齿轮49

10)调摆电路410

是简单的自动控制电路。

其功能是：让马达控制动片向零位运动，到达零位后马达自动停止。

由于高精度宽频带重力仪的输出电压的精度和分辨力很高，量程较小。每次调零的幅度不超过0.2μm；故必须要一个减速比为5000齿轮系统。

5、锁摆单元5

如图7，锁摆单元5包括锁摆马达51、锁摆马达支架52、锁摆弹簧53、锁摆弹簧支架54、锁摆上限位55、锁摆下限位56和锁摆电路57；

其位置和连接关系是：

锁摆上限位55和锁摆下限位56分别与锁摆弹簧53连接，使锁摆弹簧53在接触锁摆上限位55时被锁紧，马达停止，完成锁摆；使锁摆弹簧53在接触锁摆下限位56时被松开，马达停止，完成松摆。

锁摆马达支架52和锁摆马达51连接；马达支架52固定锁摆马达51。

锁摆弹簧支架54和锁摆弹簧53连接，锁摆弹簧支架54固定锁摆弹簧53。

锁摆电路57和锁摆弹簧53连接，锁摆电路57控制锁摆弹簧53转动。

其工作机理是：

锁摆马达支架52支撑锁摆马达51，锁摆弹簧支架54支撑锁摆弹簧53，锁摆马达51带动锁摆弹簧53，当锁摆弹簧53到达锁摆上限位55即停止转动，当锁摆弹簧53到达锁摆下限位56即停止转动，锁摆马达51的转动方向由锁摆电路57控制。

1)锁摆马达51

锁摆马达是直流伺服马达，外购。

2)锁摆马达支架52

由软磁合金加工而成的支撑架；既支撑锁摆马达51，又屏蔽锁摆马达51的磁场。

3)锁摆弹簧53

锁摆弹簧53是恒弹性合金的片簧。

4)锁摆弹簧支架54

由铜加工而成的支撑架；

5)锁摆上限位55

是覆铜板。

6)锁摆下限位56

是覆铜板。

7)锁摆电路57

是控制马达正转松摆和反转锁摆的通用的开关电路。

6、支撑单元6

如图1、2，支撑单元6是一种机械结构，包括支撑柱、支撑盘、支撑座和支撑筒65；

支撑电容式位移传感器1、弹性单元2、调摆单元4和锁摆单元5。

7、底盘单元7

如图2，底盘单元7包括底盘71、调平丝杆螺母72、地脚垫块73和调平水泡74；

其位置和连接关系是：

底盘71呈等边三角形，在三个顶角上分别设置有调平丝杆螺母72，在调平丝杆螺母72是底部连接有地脚垫块73，在底盘71上安放有两个相互垂直的调平水泡74。

其工作机理是：

底盘71向下支撑地脚螺母72，地脚螺母72支撑地脚螺钉73，地脚螺钉73置于地脚垫块74上，底盘71向下支撑底盘电路盒75。

二、高精度宽频带重力仪的测量原理

本发明由高精度稳幅的振荡器121产生振荡频率为16khz，经过高精度的反相器122，将幅度相同、相位相反的两信号分别接至上定片112和下定片113，在动片111上感应出电信号，经三级放大器123及锁相放大器124，固体潮测量通道125、地球自由振荡通道126、高频地震通道127和低频地震通道128后，直流放大输出，通过数采自动采集和存储。

1、弹簧伸长计算和弹簧灵敏度

众所周知，弹簧高精度宽频带重力仪的基本原理是利用弹簧的力平衡重力，弹簧的平衡方程为：

mg＝kx

式中m为摆的质量，g为重力加速度，k为弹性强度，x为弹簧伸长。则

弹簧21灵敏度的选择，不仅与高精度宽频带重力仪所要求的精度有关，而且与位移测量所能达到的精度有关；根据实验结果，电容式位移传感器1的精度dx为0.0001μm，高精度宽频带重力仪测量的精度为dg为1μgal；则弹簧的拉伸长度弹簧的灵敏度为由于高精度宽频带重力仪的测量精度要达到1μgal，故电容式位移传感器1的测量精度必须优于0.0001μm。

2、弹簧参数中的刚度、有效圈数、原始长度

弹簧21的参数选择是否合理，对高精度宽频带重力仪的精度和稳定性有很大影响；为了使高精度宽频带重力仪工作稳定，弹簧21的工作状态的应力和预应力的许用应力应选择适当小一些；在这种状态下由于弹簧21的负荷较轻，因而蠕变较小，为了缩小弹性系统的尺寸，采用零长弹簧。

本发明弹簧材料是ni42crti，设弹簧丝径d＝0.45mm，中径dm＝9.45mm，弹簧钢丝的切变模量为g＝6600kg/mm³，螺旋弹簧的圈数nc；其刚度是

本发明选择的弹簧材料是国产的3j53弹性钢丝(nicrti)，材料的剪切弹性模量为g＝6600kg/mm³，钢丝直径d＝0.45mm，螺旋弹簧的中径nc＝10mm，摆重m＝30g，则弹簧的圈数为128圈。

则弹簧的原始长度为：

l＝ncd

为了保证弹簧的稳定性，必须通过计算检验弹簧工作状态的预应力和预应力的许用应力τ0是否满足弹簧的设计要求。

式中kc为曲率系数其中c为弹簧的绕线比，c＝dm/d，将给定值代入得：τ0＝10(kg/mm²)。

根据弹簧稳定性要求，工作状态的许用应力应小于抗拉强度的1/3至1/4，即τ0＝(1/3～1/4)θ。由于所采用的弹簧钢丝的抗拉强度极限θ0＝120kg/mm²，故该弹簧的许用应力仅为抗拉强度的1/12。根据弹簧的设计要求，预应力的许用应力τ0应小于抗拉强度的1/10至1/20，即即τ0≤(6～12)kg，故预应力的许用应力亦能满足弹簧的稳定性要求。

3、高精度宽频带重力仪的输出电压

已知动片111的质量m，重力加速度的增量δg，弹簧的刚度k，弹簧伸长的增量δx；则胡克定理：

mδg＝kδx

动片111到上定片112的距离为d1；动片111到下定片113的距离为d2；上定片112到下定片113的距离是d1+d2＝2d。在标定前，进行自动调零，动片111调节到上定片112和下定片113的正中心附近。

d1+d2＝2d

d2-d1＝2δx

上定片112的电压是下定片113电压是动片111的输出电压瞬时值是

三级放大器的放大倍数丝aamps，锁相放大器的放大倍数是hlp，根据锁相放大的公式，锁相放大的输入是交流，输出是直流；高精度宽频带重力仪的输出电压是

此公式即是重力值的变化引起了高精度宽频带重力仪的输出电压变化。

三、高精度宽频带重力仪的主要技术指标

测量范围：大于10000毫伽(mgal)(适用于全球)

分辨力：0.1微伽(μgal)

直接量程：2000微伽(μgal)

电容传感器精度：优于0.0001微米(μm)

控温精度：每季度变化小于0.0001℃

额定功耗：18w

外接电压：220v±10％/50hz

四、高精度宽频带重力仪的观测结果

高精度宽频带重力仪于2018年底完成了研制工作，在实验室经过3个月的稳定后，安装到华中科技大学引力中心的山洞内进行观测。经过半年的观测，其精度、稳定性、功能上有明显提高，未发生故障。近期观测结果如下：

图10为固体潮曲线，从曲线可以看出，固体潮曲线光滑，噪声小，分辨力高(经测试分辨力可达到0.1μgal)。

图11为固体潮曲线和高频通道曲线的对比图，从曲线可看出，高频通道记录的地震信息比固体潮通道记录的地震信息要丰富的多。

图12为2019年6月18日至2019年6月26日的高频通道的地震记录图，图上记录了大量的地震信息，由于湖北武汉地震较少，所记录到的地震均为远震，由于高精度宽频带重力仪的带通放大倍数可达到60至100万倍，其放大倍数高于地震仪的放大倍数，故能记录到比地震仪还要小的地震。

图13为2019年6月18日至2019年6月26日的低频通道的地震记录图，由于低频通道的滤波常数较大，地面噪声影响较小，适合于记录远震。