專(zhuān)利名稱(chēng)：用于重力梯度測(cè)量的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及重力梯度儀(gravity gradiometry)，并尤其涉及一種絕對(duì)測(cè)量重力梯度張量的分量的方法。
背景技術(shù)：
該重力梯度張量是相對(duì)于某一任意參考系的卡笛爾(Cartesian)坐標(biāo)x、y、z的重力勢(shì)能的二階導(dǎo)數(shù)的二維矩陣V。它代表在這些方向的每一個(gè)中該重力矢量本身如何沿著所述軸改變。
在某一局部坐標(biāo)系OXYZ所采用的該重力梯度張量Tij＝2ijV(ij＝x，y，z)的分量的精確絕對(duì)測(cè)量對(duì)于在地質(zhì)勘探、地球重力場(chǎng)的繪圖、和太空、海洋及水下航行領(lǐng)域的發(fā)展很重要。
首先由Baron Roland von Eǒtvǒs最早在1890年利用具有在與細(xì)絲懸掛的水平梁不同的高度吊著的檢測(cè)質(zhì)量的扭秤，而發(fā)明了重力梯度張量分量的絕對(duì)測(cè)量方法。該重力梯度引起施加到所述質(zhì)量上的差分力(differential force)，導(dǎo)致施加到所述梁上的扭矩，并從而引起能利用合適傳感器檢測(cè)到的質(zhì)量的角偏轉(zhuǎn)?？蛇_(dá)到大約1E(1E＝1Eǒtvǒs＝10-9s-2)的靈敏度，但由于必須根據(jù)每一個(gè)具有不同方位角的角偏轉(zhuǎn)的至少5個(gè)獨(dú)立測(cè)量而重新計(jì)算該重力梯度分量，所以在單個(gè)位置測(cè)量需要幾個(gè)小時(shí)。
已根據(jù)該基本原理構(gòu)造的實(shí)際設(shè)備尺寸大并具有低環(huán)境抗擾性，從而需要排除在移動(dòng)運(yùn)載工具上使用它們的任何可能性的為測(cè)量而特別準(zhǔn)備的條件。
由Forward在60年代發(fā)明了一種增強(qiáng)了以上方法的絕對(duì)測(cè)量重力梯度張量分量的方法(見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利3,722,284(Forward等人)和3,769,840(Hansen))。該方法包括在平臺(tái)上安裝啞鈴振蕩器和位移傳感器，該平臺(tái)以某一頻率Ω繞扭絲的軸均勻水平旋轉(zhuǎn)。該啞鈴然后以雙倍的旋轉(zhuǎn)頻率以強(qiáng)加的振蕩移動(dòng)，同時(shí)以該旋轉(zhuǎn)頻率調(diào)制或不調(diào)制(尤其是1/f噪聲)誤差源和噪聲源的大多數(shù)。當(dāng)該旋轉(zhuǎn)頻率滿(mǎn)足共振條件2Ω＝ω0時(shí)，該強(qiáng)加的振蕩振幅最大，其中ω0是共振角頻率，振蕩器品質(zhì)因數(shù)Q趨于無(wú)窮大。與非旋轉(zhuǎn)方法不同，該方法通過(guò)利用與頻率2Ω的參考信號(hào)的同步檢測(cè)來(lái)分離該響應(yīng)的正交分量，使得一個(gè)人能迅速判定Tyy-Txx和Txy的數(shù)量。
如果一個(gè)人用兩個(gè)或多個(gè)正確定位在這樣的移動(dòng)平臺(tái)上的單一加速計(jì)代替該啞鈴振蕩器，則如Metzger提出的一樣(見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利3,564,921)，可直接利用相同原理。除了成對(duì)加速計(jì)的輸出需要附加平衡之外，與先前方案相比該方案沒(méi)有原理上的新特征。
已根據(jù)該方法構(gòu)造了設(shè)備，但它們遇到的問(wèn)題多于優(yōu)點(diǎn)，主要由于需要相對(duì)于參考旋轉(zhuǎn)系而精確維持均勻旋轉(zhuǎn)和小位移測(cè)量。該設(shè)備已達(dá)到了對(duì)于一秒測(cè)量間隔的大約幾十Eǒtvǒs的最大工作精度，并且由于它們相對(duì)低的共振頻率使得它們對(duì)環(huán)境振動(dòng)噪聲非常敏感。這種情況中出現(xiàn)的技術(shù)問(wèn)題很難被克服，使得旋轉(zhuǎn)重力梯度儀的現(xiàn)在開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)展示了遠(yuǎn)低于有限的理論評(píng)估的測(cè)量精度。
在WO96/10759中，描述了一種測(cè)量該重力梯度張量的兩個(gè)對(duì)角外(off-diagonal)分量的方法和裝置。根據(jù)該文獻(xiàn)，具有固定端的靜止柔性弦的第二基本模式(S模式)與對(duì)角外重力梯度耦合，同時(shí)其第一基本模式(C模式)與有效(沿該弦的長(zhǎng)度的重量函數(shù)的平均)橫向重力加速度耦合。換言之，假設(shè)具有固定端的弦不經(jīng)歷任何角運(yùn)動(dòng)，則僅由重力梯度將具有固定端的弦彎曲到其S模式。所以，通過(guò)絕對(duì)測(cè)量對(duì)應(yīng)于該S模式的弦的機(jī)械位移，可能絕對(duì)測(cè)量該重力梯度張量的對(duì)角外分量。
由于柔性弦在兩個(gè)正交的垂直面上具有兩個(gè)S投影，所以如果選擇該局部坐標(biāo)系的Z方向以指向沿著該弦的方向，則原理上可能同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)對(duì)角外重力梯度，即Txz和Tyz。
如果該弦不是靜止的，即如果它位于例如飛機(jī)或輪船的移動(dòng)平臺(tái)上。然后由該平臺(tái)的線(xiàn)和角運(yùn)動(dòng)引起的運(yùn)動(dòng)學(xué)加速度影響該弦的S模式或C模式。
該弦同時(shí)彎曲到信號(hào)模式(S模式)或寄生模式(C模式)的能力引入了額外噪聲，并且為了平衡該C模式，必須由與所述弦鄰近的讀出系統(tǒng)格外小心。該問(wèn)題類(lèi)似于平衡作為構(gòu)建移動(dòng)重力梯度儀的傳統(tǒng)元件的差分加速計(jì)的公用模式的公知問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種具有比以上公知系統(tǒng)改善的靈敏度、輕便性和抗擾性的測(cè)量重力梯度的裝置。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種用于絕對(duì)測(cè)量該重力梯度張量的對(duì)角外和所有分量的新穎裝置，其中用敏感元件和主動(dòng)反饋回路之間的參量力相互作用而取代該旋轉(zhuǎn)作用，從而獲得增強(qiáng)的靈敏度和抗擾性。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種利用先進(jìn)低溫技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)的以上裝置的簡(jiǎn)單技術(shù)實(shí)現(xiàn)，所述先進(jìn)低溫技術(shù)已展示了提供機(jī)械位移測(cè)量的最大靈敏度和將固有噪聲保持在最低水平的能力。
為了達(dá)到本發(fā)明的這些目的，提供了一種測(cè)量準(zhǔn)靜態(tài)重力梯度的裝置，包括柔性弦；和輸出部件，用于產(chǎn)生作為所述重力梯度的函數(shù)的輸出；并且其中在兩端固定該弦；并且其中該裝置包括感測(cè)部件，用于檢測(cè)由于圍繞所述弦的重力梯度而引起的所述弦從其不受干擾的參考位置的橫向位移；并且該輸出部件響應(yīng)于該檢測(cè)的位移以產(chǎn)生作為該重力梯度的函數(shù)的所述輸出；該裝置還包括安裝在與該弦的固定端之間的中點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置的部件，構(gòu)造該部件以防止與其所有奇數(shù)模式(從C模式開(kāi)始)對(duì)應(yīng)的所述弦的移動(dòng)，同時(shí)至少不影響與其第二基本模式(S模式)對(duì)應(yīng)的所述弦的移動(dòng)。這是可能的，因?yàn)閷?duì)于S模式，該弦的中點(diǎn)不移動(dòng)，同時(shí)對(duì)于所有奇數(shù)模式，該弦的對(duì)應(yīng)位移在該點(diǎn)達(dá)到它們的最大值。
不意欲具體限制“弦”的材料或構(gòu)造。包括能被重力場(chǎng)橫向偏移并提供恢復(fù)力的任何拉長(zhǎng)張力元件。在一個(gè)實(shí)施例中，該弦是金屬帶，在另一個(gè)實(shí)施例中，該弦為金屬線(xiàn)。
具有固定端的不受干擾的柔性弦在穿過(guò)固定該弦的兩端的點(diǎn)的空間中形成一根絕對(duì)直線(xiàn)。該線(xiàn)可被識(shí)別為局部坐標(biāo)系中的軸之一，即Z，并且選擇另外兩個(gè)軸X和Y位于橫向(到該弦)平面中。由施加到該弦的每一單元元件的每單位長(zhǎng)度的力的橫向分量的絕對(duì)值引起從該參考位置的任何弦偏轉(zhuǎn)。
可通過(guò)任何合適的機(jī)械位移感測(cè)設(shè)備容易地檢測(cè)該弦從其不受干擾的參考位置的S位移。
該弦最好由高傳導(dǎo)或超導(dǎo)材料形成。在兩種情況下，如果電流流經(jīng)該弦，則在該橫向平面中并沿該弦的長(zhǎng)度產(chǎn)生磁場(chǎng)分布。如果該弦由超導(dǎo)材料制造，則能承載更大的電流，并能達(dá)到對(duì)機(jī)械位移的更好的靈敏度。假如該弦形成閉合傳導(dǎo)或超導(dǎo)回路的部分，則通過(guò)直接將該弦合并入電流承載電路中或與抽吸電路的電感耦合，而在該弦中產(chǎn)生直流或交流電流。使用交流電流的優(yōu)點(diǎn)在于其允許輸出信號(hào)的同步檢測(cè)。
在一個(gè)實(shí)施例中，該“弦”是僅與該帶的平面垂直移動(dòng)的金屬帶?？赏ㄟ^(guò)夾子將該帶固定在其端部。為了匹配它們的熱膨脹系數(shù)，整個(gè)配置可包含在相同材料制成的盒子中。
當(dāng)該弦承載電流時(shí)，圍繞該弦的橫向磁場(chǎng)可通過(guò)電感耦合與可能由超導(dǎo)材料形成的其他電感器相互作用。在與該弦相鄰的電感器中感應(yīng)的電流振幅將與該弦和該電感器之間的距離直接有關(guān)。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，兩個(gè)拾取線(xiàn)圈沿著該弦的長(zhǎng)度安排，以用作位移感測(cè)部件，并且在每一線(xiàn)圈中感應(yīng)的電流可用作該弦的任何低頻位移的外差類(lèi)型高頻調(diào)制的信號(hào)載波電流。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該感測(cè)部件包括相對(duì)于該弦的中點(diǎn)、沿縱向方向?qū)ΨQ(chēng)安置的至少兩個(gè)傳感器，可能為拾取線(xiàn)圈。
在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，在兩個(gè)不平行、最好正交的平面中鄰近該弦安排例如拾取線(xiàn)圈的位移傳感器，從而能同時(shí)測(cè)量該弦沿兩個(gè)橫向方向的位移。
當(dāng)該弦是能在多于一個(gè)的平面中移動(dòng)的圓線(xiàn)時(shí)，安裝在中點(diǎn)的部件最好是刀刃環(huán)的形式。涉及實(shí)現(xiàn)期望接觸的公差是非常精細(xì)的。如果該孔即使僅稍微大一點(diǎn)，將沒(méi)有任何影響。然而，如果該孔稍微小一點(diǎn)，該弦將不能穿過(guò)它。為了提供穩(wěn)固接觸，該弦的材料與所述環(huán)的材料應(yīng)具有相近的熱膨脹系數(shù)。紅寶石(或藍(lán)寶石)和鎢是它們的熱膨脹系數(shù)完美匹配的一對(duì)材料。
產(chǎn)生具有這樣小和精確尺寸的環(huán)的一種方式是利用金剛石鉆頭從上和下面鉆入紅寶石(或類(lèi)似材料)塊。該方法導(dǎo)致由足夠精度形成的具有放射性向內(nèi)面向刀刃的紅寶石環(huán)。
可替換地，當(dāng)該弦是金屬帶時(shí)，應(yīng)彼此成直角安排兩根這樣的帶子。安裝在該弦中點(diǎn)的部件具有濾除所有不必要的奇數(shù)振動(dòng)模式的效果，而不影響需要的(S形)模式的動(dòng)態(tài)特性。換言之，該部件應(yīng)提供與該弦的點(diǎn)狀或刀刃接觸，而不再其上施加任何力。
在該“弦”是金屬帶形式的情況下，不需要穿過(guò)該安裝在中點(diǎn)的部件而拽出。因此，該部件可為例如從該帶的上和下面單獨(dú)安裝的、具有向內(nèi)面向刀刃的夾子形式。與該帶子精密接觸的刀刃可安裝在具有與選為夾子的材料的熱膨脹系數(shù)相近的熱膨脹系數(shù)的任何材料上，并且可選擇支撐結(jié)構(gòu)的尺寸和熱膨脹系數(shù)，以補(bǔ)償沿橫過(guò)其平面的方向的帶子的膨脹或收縮。
為了提供這樣的“狹窄”弦的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)描述，考慮從其不受干擾的參考位置的長(zhǎng)度l的柔性弦的位移，也就是說(shuō)，沿作為單元元件的z位置和時(shí)間的函數(shù)x(z，t)的以上局部坐標(biāo)系的x方向?？捎梢韵挛⒎址匠堂枋?amp;eta;∂2∂t2x(z,t)+h∂∂tx(z,t)-α∂2∂z2x(z,t)+β∂4∂z4x(z,t)=]]> 利用對(duì)應(yīng)于該弦的固定端的邊界條件和該弦的中點(diǎn)都不移動(dòng)的條件，即x(0，t)＝x(l/2，t)＝x(l，t)＝0。
在該方程中，η表示每單位長(zhǎng)度的弦的質(zhì)量，α和β表示確定該弦的每單位長(zhǎng)度的恢復(fù)力的正常數(shù)。數(shù)量gx(0，t)和Txz(0，t)是在選擇的該局部坐標(biāo)平面的中心、沿著該弦的重力加速度和對(duì)應(yīng)重力梯度的x分量的絕對(duì)值。
由于該弦經(jīng)受Brownian波動(dòng)，所以在方程1的右側(cè)示出了對(duì)應(yīng)熱噪聲激勵(lì)源。
在本說(shuō)明書(shū)中，已選擇x方向作為簡(jiǎn)化本發(fā)明解釋的任意例子。然而，前述和以下分析可等同應(yīng)用于橫過(guò)該弦的任一方向或任意數(shù)目的方向。
簡(jiǎn)明地示出方程1只有一個(gè)可能解，其對(duì)應(yīng)于加到該弦上的邊界條件，即x(0，t)＝x(l/2，t)＝x(l，t)＝0。該解可表示為滿(mǎn)足該邊界條件的該弦的離散數(shù)目特征函數(shù)的無(wú)限和。
x(z,t)=Σn=1∞Cx(n,t)sin(2πnlz)---(2)]]>其中Cx(n，t)是對(duì)于某一特征模式(eigenmode)n(n＝1，2，3，...)的弦沿x方向的位移的振幅。
通過(guò)在方程1中代入方程2，并兩邊都乘以sin(2πn’z/l)，并然后從0到l在z上求兩邊的積分，人們可獲得Cx(n，t)的主方程。
d2dt2CX(n,t)+2τddtCX(n,t)+ωn2CX(n,t)=]]>
(3)方程3描述了具有松弛時(shí)間τ和特定共振頻率ωn的傳統(tǒng)強(qiáng)迫諧波振蕩器。該本征頻率不必由頻域中的一個(gè)倍頻程間隙隔開(kāi)，并依賴(lài)于所使用的弦的類(lèi)型。
可容易地看見(jiàn)，支配這樣的“狹窄”弦的行為的方程根本不包含重力加速度。它是可建立直接重力梯度計(jì)的直接重力梯度感測(cè)元件，其將是扭秤的直接等同物，是19世紀(jì)的偉大發(fā)明。
給出測(cè)量重力梯度的最好靈敏度的最佳模式是該弦的S模式(n＝1)。如果位移傳感器位于與由于重力梯度的該弦的最大位移對(duì)應(yīng)的z＝l/4和z＝3l/4的位置，則特別有用，并因此所感測(cè)的信號(hào)也具有最大、給出的適宜靈敏度。
根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步發(fā)展，將提供與該傳導(dǎo)柔性弦相鄰和平行的靜止導(dǎo)體。該導(dǎo)體可承載電流，該電流可為交流電流并將進(jìn)一步稱(chēng)為反饋載波電流，而不是上述的信號(hào)載波電流。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，選擇該反饋載波電流的頻率以遠(yuǎn)低于直接抽吸入該弦的信號(hào)載波電流的頻率。這么做是為了防止該反饋載波滲透進(jìn)感測(cè)部件提供的檢測(cè)通道。
僅由與該感測(cè)部件的解調(diào)輸出直接相關(guān)的信號(hào)調(diào)制的相同反饋載波電流，也可利用主動(dòng)反饋回路與該信號(hào)載波電流一起抽吸進(jìn)該弦中。當(dāng)激活該反饋回路時(shí)，該電流創(chuàng)建它自己和該靜止導(dǎo)體中的反饋載波電流之間的磁力相互作用，其具有反饋載波主振蕩器提供的恒定振幅。由于兩種電流之間的磁力直接與它們的乘積成比例，所以該弦將與該靜止導(dǎo)體同步相互作用，并且該相互作用力將與該感測(cè)部件的解調(diào)輸出成比例，即與該弦在其S模式中的位移成比例。通過(guò)選擇反饋電流為“同相”或“反相”，可能將正或負(fù)剛度參量地引入該弦振蕩器。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該弦中的反饋電流以“開(kāi)-關(guān)”方式被周期性激活。以這種方式，可能將該弦的S模式從低剛度狀態(tài)周期性切換到高剛度狀態(tài)。換言之，在高剛度的狀態(tài)，進(jìn)入S模式中的該弦的位移由于重力梯度而無(wú)窮小，并且該弦占用其參考位置。否則，當(dāng)該弦的有效剛度低時(shí)，該弦進(jìn)入其S模式中的位移最大。該情況在某些程度上與周期性從零增益狀態(tài)切換到具有確定值的狀態(tài)的可變?cè)鲆孢\(yùn)算放大器類(lèi)似。然后施加到其輸入端的DC電壓被轉(zhuǎn)換為與該DC電壓成比例的交替脈沖信號(hào)。通過(guò)應(yīng)用這類(lèi)調(diào)制，可能避免靜態(tài)重力梯度儀的靜態(tài)測(cè)量問(wèn)題，以及與旋轉(zhuǎn)重力梯度儀中的旋轉(zhuǎn)調(diào)制關(guān)聯(lián)的那些，并同時(shí)獲得與準(zhǔn)靜態(tài)重力梯度成比例的可變輸出。該可變輸出似乎是周期性的，具有與該調(diào)制處理相同的周期，并所以可被鎖定為參考反饋激活信號(hào)。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例中，兩個(gè)或多個(gè)靜止導(dǎo)體，也可能超導(dǎo)體，在兩個(gè)正交平面中與該弦鄰近和平行，這兩個(gè)正交平面給出對(duì)重力梯度張量的兩個(gè)對(duì)角外分量的同時(shí)檢測(cè)的2D調(diào)制。
一般看來(lái)，本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例提供了一種用于利用具有固定端的柔性電流承載弦來(lái)絕對(duì)測(cè)量該重力梯度張量的對(duì)角外分量的新穎傳感器，該傳感器包括為了防止該弦偏轉(zhuǎn)及因此受重力加速度影響而在該弦中點(diǎn)安裝的部件，并還包括主動(dòng)力反饋。這樣的弦代表其第一基本振蕩模式(S模式)直接與重力梯度直接耦合的單一相干敏感元件。該傳感器意欲在77K低溫環(huán)境(液氮沸騰溫度)使用，由于其降低了熱噪聲，并獲得更高的機(jī)械穩(wěn)定性。
在該特定實(shí)施例中，該弦形成其中安裝有信號(hào)載波電流源和反饋電流源的閉合傳導(dǎo)電路的低阻抗部分。該弦也與調(diào)諧到該信號(hào)載波頻率的微分共振橋傳導(dǎo)耦合。其傳導(dǎo)部分由以梯度配置連接的兩個(gè)拾取線(xiàn)圈組成，僅允許由S模式中該弦的位移而產(chǎn)生的信號(hào)通過(guò)。由該橋來(lái)衰減由該不受干擾的弦而產(chǎn)生的信號(hào)，即由該弦是直線(xiàn)時(shí)的位置而產(chǎn)生。這樣，橫過(guò)該橋出現(xiàn)的信號(hào)是與該弦的機(jī)械移動(dòng)成比例的低頻包絡(luò)，其填充了該信號(hào)載波頻率。該信號(hào)還被放大并然后利用該同步檢測(cè)器解調(diào)。然后，為了饋送與該弦直接連接的反饋電流源，該解調(diào)的低頻包絡(luò)再次被填充該反饋載波頻率并還被調(diào)節(jié)。


現(xiàn)在將參考以下附圖并僅通過(guò)例子而描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中圖1是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的總體示意圖表示；圖2是根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例構(gòu)造的單一軸模塊原型傳感器的全視圖；圖3是條狀弦、夾子和刀刃的詳細(xì)視圖；圖4是本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的局部剖視圖；圖5示出了不受角加速度影響并因此可在條帶下模式中使用的、由四個(gè)單軸模塊組成的雙通道模塊；圖6示出了也不受角加速度影響的、以傘狀配置裝配的由三個(gè)雙通道模塊組成的全張量測(cè)量系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明的重力梯度計(jì)的單通道原型(見(jiàn)圖2)具有金屬帶形式的柔性弦1。由夾子2、2’在該弦的兩端夾住該弦。該整個(gè)組件放置在弦框架21內(nèi)形成的面朝上(face-up)的室內(nèi)，該弦框架21最好用與該弦相同的材料由機(jī)器制造。該室包括預(yù)留給拾取線(xiàn)圈L1、L2和將該弦保持在其中點(diǎn)的部件30(見(jiàn)圖3)的位置。該室還包括饋通端，允許所述拾取線(xiàn)圈與安裝在面朝下(face-down)室中的共振橋相連，該面朝下室形成在同一弦框架中并由實(shí)心隔板31將其與該面朝上室隔開(kāi)。為了利用流入靜止導(dǎo)體的反饋載波電流而向該弦提供該反饋相互作用，該靜止導(dǎo)體3(圖2中未示出)也與該弦相鄰和平行地放置在面朝上室中。
如圖1所示，由重力梯度將該長(zhǎng)度l的柔性弦1從其參考位置偏轉(zhuǎn)，并與分布在與該弦接近和基本平行的靜止導(dǎo)體3上的正弦式電流同步地相互作用。當(dāng)該靜止導(dǎo)體3的中點(diǎn)與該弦的中點(diǎn)一致時(shí)，該分布最適宜。當(dāng)該靜止導(dǎo)體3的長(zhǎng)度與該弦的長(zhǎng)度相同時(shí)，該反饋相互作用最大。
該靜止導(dǎo)體3中的交流電流由反饋載波主振蕩器6提供，并通過(guò)緩沖放大器5抽吸入該靜止導(dǎo)體，并然后還通過(guò)變流器4。
當(dāng)該反饋信號(hào)激活開(kāi)關(guān)7打開(kāi)時(shí)(圖1中在其斷開(kāi)位置)，該反饋通道通過(guò)反饋緩沖放大器8直接連接到弦1，該反饋緩沖放大器8提供弦中反饋電流和靜止導(dǎo)體3中的交流電流之間的相互作用。在圖1中，將電流示出為“同相”，這種情況下，該反饋相互作用將負(fù)剛度(stiffness)引入該弦振蕩器，并且該弦還被“推動(dòng)”增加其S模式中的偏轉(zhuǎn)。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，當(dāng)反饋激活開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，將靜止導(dǎo)體3中的交流電流和弦中反饋電流選擇為“反相”。著意味著在激活該反饋相互作用的時(shí)間周期期間，其將正剛度引入該弦振蕩器，并且所以該弦處于更高剛度的狀態(tài)。當(dāng)該反饋關(guān)閉時(shí)，該弦處于低剛度的自然狀態(tài)。
該實(shí)施例具有一個(gè)特別的優(yōu)點(diǎn)在于在作為反饋關(guān)閉時(shí)間周期的測(cè)量間隔期間，該弦不受在主動(dòng)反饋中一直存在的反作用噪聲的影響。
當(dāng)該弦處于該高剛度狀態(tài)時(shí)，其從該直線(xiàn)的偏轉(zhuǎn)變得無(wú)窮小，并且它占據(jù)無(wú)梯度的參考位置。然后，當(dāng)該弦從其高剛度狀態(tài)釋放時(shí)，它采用具有與該弦周?chē)撵o態(tài)重力梯度成正比的振幅的S形狀。
使反饋周期性地“開(kāi)”和“關(guān)”的處理將用與越過(guò)該共振橋10(見(jiàn)圖1)的交流電壓相同的周期調(diào)制，該共振橋10包括兩個(gè)拾取線(xiàn)圈L1、L2和電容器，并被調(diào)諧到該信號(hào)載波主振蕩器11所提供的信號(hào)載波頻率。后者也提供通過(guò)緩沖放大器9直接泵入該弦的信號(hào)載波電流。為了最小化越過(guò)該橋的載波偏移電壓，它也通過(guò)相位和振幅控制單元12直接抽吸(pump)該共振橋10。
該周期性調(diào)制的信號(hào)載波電壓還由低溫前置放大器13和室溫放大器14放大，并由同步檢測(cè)器15同步解調(diào)。然后，通過(guò)將其與來(lái)自反饋載波主振蕩器6的反饋載波參考信號(hào)相乘16而再次調(diào)制該同步檢測(cè)器15的輸出。當(dāng)該得到的信號(hào)通過(guò)反饋調(diào)節(jié)單元17，并然后通過(guò)由該脈沖振蕩器18控制的反饋激活開(kāi)關(guān)7時(shí)，該反饋回路關(guān)閉。
該同步檢測(cè)器15的輸出還通過(guò)直流偏移控制單元19，并然后被該結(jié)束鎖定放大器20鎖定到該反饋激活頻率，該結(jié)束鎖定放大器20給出與該弦附近的靜態(tài)重力梯度成比例的輸出信號(hào)。
根據(jù)本發(fā)明開(kāi)發(fā)的單軸傳感器(見(jiàn)圖2)不具有與該重力或運(yùn)動(dòng)學(xué)線(xiàn)性加速度耦合的任何機(jī)械自由度。這意味著可在包括水平線(xiàn)的任意方向使用它。
圖3示出了與條狀弦1一起使用的中點(diǎn)部件30的刀刃35的細(xì)節(jié)。如上所述，該刀刃接觸該弦，以防止其平面外的任何移動(dòng)，但不在該弦上施加任何力。所以期望非常精細(xì)的調(diào)整和擴(kuò)展匹配。
圖4示出了適于與線(xiàn)弦1一起使用的刀刃36。該刀刃36最好通過(guò)向上和下的金剛石鉆頭鉆孔而由一塊紅寶石等機(jī)器加工而成。該鉆頭形成在細(xì)線(xiàn)所交叉的兩個(gè)圓錐部分。
可按照?qǐng)D5所示的配置裝配少數(shù)這樣的模塊。它包括兩個(gè)T塊，由彼此正交放置的兩個(gè)單軸模塊組成。如果如圖5所示選擇它們的靈敏度軸，則例如，該傳感器S11測(cè)量以下動(dòng)態(tài)梯度output(S11)=T‾XZ=TXZ-ΩXΩZ-∂ΩY∂t]]>其中TXZ是真的重力梯度，而ΩX、ΩY和ΩZ是前俯(pitch)、搖擺(roll)和側(cè)轉(zhuǎn)(yaw)率。然而該傳感器S12的輸出如下
output(S12)=T‾ZX=TZX-ΩZΩX+∂ΩY∂t]]>由于對(duì)所有重力梯度張量分量Tij＝Tji，所以以上兩個(gè)輸出的和為output(S11)+output(S12)＝2TXZ-2ΩXΩZ相同的考慮可以應(yīng)用到該較低T塊，其中output(S21)+output(S22)＝2TYZ-2ΩYΩZ在以上輸出中包含ΩX、ΩY和ΩZ的數(shù)量作為它們的乘積。所以，與必須確定角加速度的情況相比，它們確定的需求非常低。這意味著圖5所示的配置可直接用(被捷聯(lián))在移動(dòng)平臺(tái)上，而不用利用穩(wěn)定的桌子。相同的考慮可以被歸結(jié)為圖6所示的全張量測(cè)量系統(tǒng)。
圖6示出了以傘狀配置裝配的圖5的三個(gè)組件M1、M2、M3，以提供也不受角加速度影響的全張量測(cè)量系統(tǒng)。所述雙通道模塊M1、M2、M3對(duì)稱(chēng)安排在z軸周?chē)⑶夷KM1在z-y平面中?？呻S意選擇該角α——更大角導(dǎo)致更緊湊的組件。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量準(zhǔn)靜態(tài)重力梯度的裝置，包括柔性弦；和輸出部件，用于產(chǎn)生作為所述重力梯度的函數(shù)的輸出；并且其中在兩端固定該弦；并且其中該裝置包括感測(cè)部件，用于檢測(cè)由于圍繞所述弦的重力梯度而引起的所述弦從其不受干擾的參考位置的橫向位移；并且該輸出部件響應(yīng)于該檢測(cè)的位移以產(chǎn)生作為該重力梯度的函數(shù)的所述輸出；該裝置還包括安裝在與該弦的固定端之間的中點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置的部件，構(gòu)造該部件以防止與其所有奇數(shù)模式(從C模式開(kāi)始)對(duì)應(yīng)的所述弦的移動(dòng)，同時(shí)至少不影響與其第二基本模式(S模式)對(duì)應(yīng)的所述弦的移動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述防止移動(dòng)的部件包括與該弦接觸的刀刃。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中該弦是圓線(xiàn)，而該防止移動(dòng)的部件包括刀刃環(huán)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中由實(shí)心塊形成該刀刃環(huán)，該實(shí)心塊沿相反方向的軸被鉆孔以形成兩個(gè)交叉的圓錐部分。
5.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的裝置，其中該弦由高傳導(dǎo)或超導(dǎo)材料形成。
6.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的裝置，其中該弦是僅與該帶的平面垂直移動(dòng)的金屬帶。
7.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的裝置，其中該感測(cè)部件包括相對(duì)于該弦的中點(diǎn)、沿縱向方向?qū)ΨQ(chēng)安置的至少兩個(gè)傳感器。
8.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的裝置，其中在該弦中產(chǎn)生電流并且該感測(cè)部件包括拾取線(xiàn)圈。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中該電流是交流電流，并且由同步檢測(cè)器檢測(cè)該感測(cè)部件的輸出。
10.根據(jù)權(quán)利要求7、8或9中的任一個(gè)所述的裝置，其中在兩個(gè)不平行的平面中與該弦鄰近安排位移傳感器，從而能同時(shí)測(cè)量該弦沿兩個(gè)橫向方向的位移。
11.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的裝置，其中橫靠該弦提供靜止電流承載導(dǎo)體，并向該弦提供對(duì)應(yīng)電流，以提供力反饋。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中該反饋電流被周期性激活。
全文摘要
一種測(cè)量準(zhǔn)靜態(tài)重力梯度的裝置，包括柔性弦(1)；和輸出部件，用于產(chǎn)生作為所述重力梯度的函數(shù)的輸出；并且其中在兩端(2，2’)固定該弦；并且其中該裝置包括感測(cè)部件(L1，L2)，用于檢測(cè)由于圍繞所述弦的重力梯度而引起的所述弦從其不受干擾的參考位置的橫向位移；并且該輸出部件響應(yīng)于該檢測(cè)的位移以產(chǎn)生作為該重力梯度的函數(shù)的所述輸出；該裝置還包括安裝在與該弦的固定端之間的中點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置的部件(30)，構(gòu)造該部件以防止與其所有奇數(shù)模式(從C模式開(kāi)始)對(duì)應(yīng)的所述弦的移動(dòng)，同時(shí)至少不影響與其第二基本模式(S模式)對(duì)應(yīng)的所述弦的移動(dòng)。
文檔編號(hào)G01V7/00GK1561455SQ02819199
公開(kāi)日2005年1月5日 申請(qǐng)日期2002年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月27日
發(fā)明者亞歷克賽·V·弗亞斯金 申請(qǐng)人:格雷維泰克儀器有限公司