一种敏感探头及精密竖直弹簧便携式重力仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及重力加速度测量仪器技术领域，具体设及一种敏感探头及精密竖直弹 黃便携式重力仪，该重力仪适用于地质调查、资源勘探、基础科学研究等对区域地表高精度 重力加速度数据和地倾斜数据有需求的研究领域。
【背景技术】
[0002] 重力加速度是一个基本的地球物理学常数，准确测量重力加速度在地球科学、资 源勘探等领域都具有重要意义。
[0003] 重力加速度测量可分为绝对测量和相对测量，对应仪器分别称之为绝对重力仪和 相对重力仪。绝对重力仪是指测量重力加速度g的绝对大小，常用方法有摆法和落体法。相 对重力仪是指测量重力加速度g的相对变化，需要标定后才能给出绝对重力加速度值。基 于超导悬浮原理和精密弹黃砰原理均可搭建相对重力仪。超导原理的重力仪可W达到很高 的分辨率，但通常体积较大，结构较复杂，价格昂贵，不便于对不同地点重力场的流动观测。
[0004] 基于精密弹黃砰结构亦可搭建高精度便携式重力仪，该类重力仪依重力敏感结 构的不同又可W分为斜拉弹黃砰结构和竖直弹黃砰结构。前者采用零长弹黃思想搭建 (Lacoste 1932, ht1:p://www. microglacoste. com)，该结构对重力变化具有位移放大作用， 即极大地降低了摆体与支架间的机械连接刚度，因此同样的重力变化引起的位移量更大， 因而降低了对微位移电路的噪声需求。斜拉结构精巧但复杂，导致该型重力仪价格较昂贵 且难W大批量生产。
[0005] 竖直弹黃砰结构则相对简单可靠，且由于电容测微电路的进步，该型重力仪的分 辨率亦可达到微伽量级。利用类似结构的DZW型重力仪（李家明，等.DZW-II型微伽重力 仪的改进设计.大地测量与地球动力学，2005(4):127-132)得到了不断改进，已广泛用于 台站观测。该重力仪工作于开环模式，其测量原理可表示为
[0006] Ag = /("A、 m
[0007] 其中k。为弹黃的刚度，Ax为所测量的摆体的位移变化，m为摆体的质量，Ag即为 所测得的重力潮软信号。该型重力仪受工作模式的局限及定位于潮软重力仪的影响，测量 带宽约0. OlHz，而滤掉了较高频率的地震动信号，且不利于流动观测。另一方面，由于是开 环工作模式，该型重力仪靠探头加工的对称性和大动态范围下竖直方向电容位移传感（例 如激励信号、放大、检波等电路）的对称性来保障测量的线性度，对电容传感电路有很高的 量程-精度比需求。
[000引竖直弹黃砰结构还成功地用于C监海洋重力仪（张善言，等.新研制的C监海洋 重力仪.测绘学报，1987, 16(1) ; 1-6)，其动态精度可达到ImGal，其电磁力反馈控制方案有 较大的动态范围，但分辨率较低。处于闭环工作原理的重力仪，其测量原理可表示为
[0009] A备=C,,,,,,,括 m
[0010] 其中，Vfw历加载在磁力反馈时反馈线圈两端或静电反馈时电极板上的电压值，c 为标定系数。
[0011] 另外，高精度垂直摆倾斜仪在我国也已得到了充分发展（吴艳霞.VS新型垂直摆 倾斜仪的研究.武汉理工大学图书馆，2005)，分辨率通常达到纳弧度量级。重力潮软和地 倾斜潮软一直是地球物理研究的重要课题，已经有发明着眼于将两个测地仪器整合到一个 测量系统中（李家明，等.重力和倾斜固体潮综合观测仪，CN201110895Y，2008)，但该系统 本质上仅是具有独立功能的一个重力仪和一个倾斜仪的测量组合。
【发明内容】
[0012] 为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种敏感探头，该敏感探头各 部件均采用轴对称结构，结合电容测微，使得该探头对竖直方向的重力异常和两个水平方 向的地倾斜信号同时敏感。
[0013] 本发明还提供了一种精密竖直弹黃便携式重力仪，该重力仪应用了上述敏感探 头，结构简单，操作方便，而且体积小重量轻，便于携带。更重要的是，该重力仪应用了上述 敏感探头，是一个高精度的二维竖直摆倾斜仪，将相对重力加速度和二维地倾斜信号的测 量通过一次测量实现，从而实现了现有高精度重力仪和倾斜仪的双重功能。
[0014] 实现本发明上述目的所采用的技术方案为：
[0015] 一种敏感探头，至少包括摆体和绝缘的电极框架，电极框架包括绝缘板和呈底部 开口、正柱体状、绝缘的框架主体，绝缘板和框架主体顶壁的形状、大小相同，摆体的形状与 框架主体的形状相同，框架主体外侧壁或内侧壁上对称锻有偶数对电极板，框架主体顶壁 和绝缘板上对称锻有至少一对电极板，摆体位于框架主体顶壁和绝缘板之间，摆体到所有 电极板的距离均相等。
[0016] 所述的摆体和框架主体均呈圆柱状或长方体状。
[0017] 所述框架主体位于摆体内，绝缘板位于框架主体的正上方，框架主体外侧壁上对 称锻有偶数对电极板；或者所述摆体位于框架主体外，绝缘板位于框架主体的正下方，框架 主体内侧壁上对称锻有偶数对电极板。
[001引所述的摆体和框架主体均呈圆柱状，所述框架主体位于摆体内，绝缘板位于框架 主体的正上方，框架主体侧壁上锻有2对电极，2对电极分别为前电极板、后电极板、左电极 板和右电极板，框架主体顶壁上锻有下电极板，绝缘板上锻有上电极板。
[0019] 一种精密竖直弹黃便携式重力仪，至少包括精密弹黃，摆体，温控系统，低胀壳体， 微位移调节台，所述的敏感探头，电容测微、反馈控制电路系统W及数据采集、通信电路系 统，精密弹黃位于低胀壳体内，低胀壳体位于温控系统内，电容测微、反馈控制电路系统W 及数据采集、通信电路系统固定于温控系统的外壁上，框架主体安装在低胀壳体的底部上， 绝缘板通过重力仪外围的支架固定，微位移调节台固定在低胀壳体的顶部中屯、且位于温控 系统外，精密弹黃的上端与微位移调节台连接，下端与摆体的顶部中屯、连接，并穿过绝缘板 或框架主体的顶壁，各电极分别通过屏蔽线与电容测微、反馈控制电路系统连接，摆体通过 柔软的导电丝与电容测微、反馈控制电路系统连接，低胀壳体的底部安装有S个调平旋钮， 且=个调平旋钮均位于温控系统外，低胀壳体、摆体、绝缘板和框架主体竖直方向的对称轴 均位于精密弹黃的轴线上。
[0020] 框架主体上相邻电极板之间均安装有抗冲击能力强的限位条。
[0021] 所述重力仪还包括呈封闭状的电磁屏蔽层，电磁屏蔽层位于低胀壳体内且固定 在低胀壳体的底部上表面上，电磁屏蔽层的顶部中屯、处开有供精密弹黃穿过的通孔，电极 框架和摆体均位于电磁屏蔽层内，电磁屏蔽层和低胀壳体竖直方向的对称轴在同一条直线 上。
[0022] 精密弹黃的上端连接有连接丝A，下端连接有连接丝B，精密弹黃的上端通过连接 丝A与微位移调节台连接，下端通过连接丝B与摆体的顶部中屯、连接，连接丝B穿过绝缘板 或框架主体的顶壁。
[0023] 由上述技术方案可知，在敏感探头中，为测量摆体相对于电极框架在=个平动自 由度上的位移，在摆体的每个平动自由度上至少分布一对电极板，各电极板到摆体的距离 均相等。框架主体的侧壁上分布有