專(zhuān)利名稱(chēng)：用于地球物理勘測(cè)的微比重計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測(cè)量地面上重力加速度的裝置和方法。 可能的應(yīng)用為多種現(xiàn)場(chǎng)工作，用于進(jìn)行礦石與石油勘探或用于環(huán)境 目的、用于地下洞穴內(nèi)的檢測(cè)或者天然或人造非連續(xù)結(jié)構(gòu)的任何情況下 的檢測(cè)。其他應(yīng)用包括對(duì)大型空中或水上運(yùn)載器的結(jié)構(gòu)研究。
背景技術(shù)：
通過(guò)微比重計(jì)勘測(cè)進(jìn)行地球物理分析是一種具有很大潛力并且在日 益發(fā)展的方法。
用于測(cè)量重力加速度的傳感器是已知的。一種傳感器由LRS(Lacoste & Romberg-Scintrex) Inc公司銷(xiāo)售的，并且主要上由彈簧組成，該彈簧 維持在臨界工作條件，以增強(qiáng)作用在其上的力的最小變化。該裝置基于 對(duì)同一儀器在不同位置下的兩次讀數(shù)來(lái)獲得關(guān)于梯度的測(cè)量值，從而測(cè) 量重力值。然而，該裝置存在這樣的缺點(diǎn)，即，需要嚴(yán)格控制磁滯和機(jī) 械漂移，以免這些效應(yīng)影響有用信號(hào)。
為了避免存在這種對(duì)測(cè)量的系統(tǒng)影響，已知并行地使用兩個(gè)微比重 計(jì)來(lái)進(jìn)行差分檢測(cè)。這種勘査還具有獲得重力場(chǎng)梯度的直接測(cè)量值的實(shí) 質(zhì)優(yōu)點(diǎn)。差分檢測(cè)目前用在非商用的裝置內(nèi)，在實(shí)驗(yàn)室專(zhuān)用于空間應(yīng)用 或物理實(shí)驗(yàn)。 一個(gè)例子是馬里蘭大學(xué)的超導(dǎo)比重計(jì)和IFSI-CNR的比重 計(jì)。這些儀器具有非常高的分辨力，例如小于0.01厄缶(E6tv6s),但是不 便于攜帶并且不適合于用在地面上。
市場(chǎng)上已知的便攜式工具是Lockheed Marline開(kāi)發(fā)并且兼用于軍事 和民用的GGI比重計(jì)(Gravity Gradiometer Instrument)。這種儀器特別被 用于航運(yùn)工具或水運(yùn)工具上，并且由正交安裝在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上的兩對(duì)相同 的加速度計(jì)組成。因此，以旋轉(zhuǎn)頻率對(duì)垂直于旋轉(zhuǎn)軸的方向上的線性加
5速進(jìn)行了調(diào)制。這些儀器的靈敏度為約5厄缶。
還已知Bell Geospace Full Tensor Gmvimeter，其由數(shù)個(gè)GGI形成，
并且能夠同時(shí)測(cè)量重力梯度張量r的所有分量，從而能夠完整地構(gòu)建重力圖。然而，該儀器的極高性能關(guān)聯(lián)著相應(yīng)的高成本、高負(fù)擔(dān)以及高重里。
還已知澳大利亞公司BHP-Billiton Discovery Technologies的FalconGravity Gravimeter,其能夠以500m的空間分辨力來(lái)觀測(cè)產(chǎn)生r^lOE6 rms的異常重力的源。
另一已知儀器是具有平衡擺臂(oscillating arm)的可移動(dòng)超導(dǎo)比重計(jì)，其由澳大利亞西部大學(xué)在1994年開(kāi)發(fā)，并且由Gedex Inc商業(yè)化。為空中勘探而開(kāi)發(fā)的儀器的CMRR能夠大于190dB并且分辨力能夠優(yōu)于1HzlE6。然而，由于慣性平臺(tái)的大小和需要具有液態(tài)氦冷卻系統(tǒng)，所以，管理這種儀器并不容易。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)特征是提供了一種用于測(cè)量地面上的重力加速度的梯度的裝置和方法，對(duì)于地球物理勘測(cè)領(lǐng)域中的各種應(yīng)用，所述裝置和方法適于從面向應(yīng)用的觀點(diǎn)獲得顯著的精確性，即使保持了受限的尺寸以裝入小型自推進(jìn)式交通工具內(nèi)也是如此。
本發(fā)明的另一特征是提供這樣一種裝置來(lái)減少每次測(cè)量所需的時(shí)間，以顯著降低測(cè)量活動(dòng)的成本。
本發(fā)明的進(jìn)一步特征是提供這樣一種裝置，其具有有效的抗環(huán)境及儀器噪聲性能，并且具有對(duì)機(jī)械噪聲或地震的高抗干擾力，還能夠放松對(duì)儀器工作環(huán)境進(jìn)行嚴(yán)格控制的條件。
本發(fā)明的又一特征是提供這樣一種裝置，其能夠?qū)χ亓铀俣鹊奶荻冗M(jìn)行高度精確的測(cè)量。
本發(fā)明的再一特征是提供這樣一種裝置，其降低了對(duì)控制機(jī)械與熱磁滯的要求，并且避免了由于材料疲勞(fatigue)所造成的影響。
本發(fā)明的再進(jìn)一步特征是提供一種不受熱變化影響的裝置。這些及其他特征通過(guò)一種用于微比重計(jì)的裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述裝置根據(jù)本發(fā)明來(lái)進(jìn)行針對(duì)地球物理探測(cè)的測(cè)量，其特征在于所述裝置包括基架；
與所述基架成一體的第一塊；
第二塊，其被設(shè)置在與所述第一塊距離最短處，并且相對(duì)于所述第一塊垂直對(duì)齊，從而所述第一塊和所述第二塊形成了電磁輻射的共振器；
用于懸掛所述第二塊的單元，所述用于懸掛的單元連接到所述基架并且彈性地保持所述第二塊，以提供穩(wěn)定的彈性模數(shù)；
用于向所述共振器施加電磁信號(hào)的單元；
用于響應(yīng)于所述電磁信號(hào)來(lái)測(cè)量所述共振器的共振頻率的單元；用于使所述共振頻率的變化與所述兩個(gè)塊之間的距離變化產(chǎn)生關(guān)聯(lián)的單元；以及
用于使所述距離的變化與本地重力加速度產(chǎn)生關(guān)聯(lián)的單元。優(yōu)選地，所述第二塊在所述第一塊上方。
優(yōu)選地，按照上面定義地來(lái)提供第一共振器和第二共振器，它們耦合并安裝在相互結(jié)合在一起的兩個(gè)單獨(dú)的基架上，以在垂直方向上測(cè)量重力加速度梯度。
有利地，所述共振器被包含在其中創(chuàng)建了真空環(huán)境的封閉盒中。這樣，這些塊就可以在沒(méi)有粘度(viscosity)的情況下自由移動(dòng)。
優(yōu)選地，所述電磁共振器的共振頻率在微波范圍內(nèi)。
有利地，用于測(cè)量?jī)蓚€(gè)共振器的共振頻率之間的差的單元包括相位檢測(cè)干涉電路。這樣，就可以通過(guò)上述干涉電路將兩個(gè)共振器反射的波的相位偏移進(jìn)行比較而直接讀取該差。
有利地，用于生成微波信號(hào)的單元包括環(huán)路振蕩器。該環(huán)路振蕩器可以將所述比重計(jì)的一個(gè)或更多個(gè)共振器，即外部共振器，用作參考腔。
有利地，所述塊由以預(yù)定距離設(shè)置的剛玉盤(pán)組成。優(yōu)選地，所述距離在50微米到500微米之間。
優(yōu)選地，所述用于懸掛所述第二塊的單元包括扭擺(torsionpendulum )。
7有利地，所述扭擺是從切割的硅薄板開(kāi)始獲得的，具體來(lái)說(shuō)，該硅薄板為硅單晶薄板，所述薄板具有兩個(gè)相對(duì)的C形切口，以分離開(kāi)固定部分和移動(dòng)部分，所述固定部分和所述移動(dòng)部分通過(guò)所述第二懸掛塊和所述移動(dòng)部分的扭轉(zhuǎn)所驅(qū)策的兩個(gè)連接部分而彼此結(jié)合。這樣，就可以避免材料的磁滯和疲勞效應(yīng)。將單晶材料用于制造所述臂避免了由于材
料的疲勞和略微變形(creep)造成的不期望的影響。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)超聲脈沖來(lái)切割所述硅薄板。
有利地，所述薄板是從以下組中選出的梁(beam):僅固定到一端而形成懸臂的梁(beam);或固定到兩端的梁，在這兩種情況下，所述兩個(gè)塊之間的距離變化均為所述薄板的撓曲度。
有利地，所述剛玉盤(pán)適合于形成以所謂的"回音廊(whisperinggallery)"方式進(jìn)行共振的共振器。
有利地，在差分測(cè)量的情況下，所述兩個(gè)共振器被設(shè)置成，使得最重的塊懸掛在所述薄板上，并且能夠提供相同的彈性反應(yīng)。
有利地，為了使所述兩個(gè)薄板對(duì)重力加速度具有相同的靈敏度，設(shè)置了用于抑制的單元，其抑制每個(gè)薄板的可能振動(dòng)，而不減小機(jī)械良度(merit)系數(shù)且不增加熱噪聲。
優(yōu)選地，所述用于抑制的單元包括
電繞線，其與所述基架一體化，并且適于創(chuàng)建相對(duì)于所述第一塊垂直對(duì)齊的磁場(chǎng)，所述第一塊面對(duì)所述第二塊；
永磁體，其連接到每個(gè)所述共振器的所述薄板。通過(guò)電流發(fā)送到所述繞線的校正信號(hào)優(yōu)選地與所述薄板的速度成比例。
優(yōu)選地，用激光系統(tǒng)來(lái)確定所述薄板的移動(dòng)速度?？商鎿Q地，可以用導(dǎo)數(shù)電路(derivator circuit)來(lái)確定所述移動(dòng)速度，所述導(dǎo)數(shù)電路揭示了單個(gè)共振器所反映的波相對(duì)于參考信號(hào)的相位。
有利地，應(yīng)用被提供了用于平衡所述薄板的機(jī)械振動(dòng)頻率的配重(counterweight),該配重作用于所述薄板的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
有利地，所述薄板具有其上安裝了金屬層的部分，所述金屬層面對(duì)相對(duì)于所述基架固定的至少一個(gè)電極，在所述金屬層與所述至少一個(gè)電 極之間，發(fā)送了電磁場(chǎng)來(lái)削弱所述系統(tǒng)的有效彈性模數(shù)。
優(yōu)選地，提供了用于調(diào)整所述盤(pán)之間的未激勵(lì)距離的單元，所述單 元包括其上安裝了所述第一塊的壓電器件。這樣，就有可能控制電共振 頻率f。，以及距離l與頻率fo之間的轉(zhuǎn)移因子3^1。
有利地，提供了用于阻止的單元，用于在未測(cè)量所述傳感器時(shí)或者 在操作期間發(fā)生震動(dòng)的情況下，阻止所述薄板的移動(dòng)。
具體來(lái)說(shuō)，所述用于阻止的單元包括用于驅(qū)動(dòng)磁體的單元，用于驅(qū) 動(dòng)位于所述兩對(duì)盤(pán)的所述薄板上的磁體，所述盤(pán)具有被激勵(lì)而偏離工作 位置大于數(shù)微米的第二線圈，從而提供了高回復(fù)力。
有利地，所述用于驅(qū)動(dòng)磁體的單元包括每個(gè)所述第一塊的抑制電路， 其包括適合于提供所述鎖定系統(tǒng)的參考的激光傳感器，當(dāng)超過(guò)閾值水平 時(shí)，所述鎖定系統(tǒng)開(kāi)始工作。


通過(guò)本發(fā)明的作為實(shí)例而非限制的示例性實(shí)施方式的以下描述、參 照附圖，將使根據(jù)本發(fā)明的裝置的進(jìn)一步的特性和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，其中， 相同的標(biāo)號(hào)在整個(gè)附圖內(nèi)標(biāo)明相同或類(lèi)似的部分
圖1圖示了根據(jù)本發(fā)明的由單個(gè)共振器組成的比重計(jì)傳感器的實(shí)例 的剖視圖，該比重計(jì)傳感器具有一對(duì)盤(pán)，即固定盤(pán)和振動(dòng)盤(pán)，其中，振 動(dòng)盤(pán)被懸掛在懸臂薄板上；
圖la示出了具有有源阻尼器的比重計(jì)傳感器的實(shí)例。
圖2示出具有固定盤(pán)和振動(dòng)盤(pán)的比重計(jì)傳感器的立體圖，懸掛到該 盤(pán)的薄板是切割薄板。
圖3圖示了根據(jù)本發(fā)明的比重計(jì)傳感器的實(shí)例的剖視圖，其包括與 圖1類(lèi)似的兩個(gè)共振器，適于在兩個(gè)共振器(這兩個(gè)共振器之間的距離 未按比例示出)的共振頻率之間進(jìn)行差分測(cè)量。
圖4示出了差分比重計(jì)的立體圖，其中，通過(guò)如圖2中所示的各個(gè) 單晶薄板來(lái)保持振動(dòng)塊。圖5圖示了一示出比重計(jì)的剖視圖，其具有兩對(duì)由固定到兩端的薄 板保持的振動(dòng)盤(pán)。
圖6示出了抑制(dampening)模塊的可能實(shí)施方式。 圖7示出了相位檢測(cè)干涉測(cè)量電路的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1，圖示了根據(jù)本發(fā)明的微比重計(jì)的微波共振器10，具體來(lái) 說(shuō)，該微比重計(jì)用于地球物理勘測(cè)，例如，用來(lái)進(jìn)行應(yīng)用于開(kāi)采的地球 物理勘探。共振器10包括兩個(gè)振動(dòng)塊，具體來(lái)說(shuō)，包括一對(duì)剛玉盤(pán)l與 2，它們相距一距離d，例如約100微米。將上部盤(pán)1連接到懸臂41，懸 臂41連接到固定基架，該固定基架包括同種材料的堅(jiān)硬的垂直壁30和 基底31。
技術(shù)人員將毫無(wú)困難地選擇垂直壁30、基底31以及所有承載結(jié)構(gòu) 的長(zhǎng)度和材料，以相對(duì)于彈性常數(shù)與介電常數(shù)的擴(kuò)大和變化，將信號(hào)的 總溫度效應(yīng)最小化。
用包括共振器10的"環(huán)路振蕩器"獲得要發(fā)送的微波信號(hào)。具體來(lái)說(shuō)， 有利之處在于，在圖1中，將磁探針11示出為設(shè)置在兩個(gè)盤(pán)1與2之間 的平面內(nèi)。通過(guò)由線性導(dǎo)體12組成的電探針來(lái)檢測(cè)信號(hào)，該線性導(dǎo)體12 設(shè)置在固定盤(pán)2的下方，即固定盤(pán)2的側(cè)邊的下方。
仍然參照?qǐng)D1，調(diào)整兩個(gè)剛玉盤(pán)1與2之間的距離d，使得其標(biāo)準(zhǔn)值 g為約100微米。
根據(jù)本發(fā)明，共振器10的共振頻率受不同的重力加速度值g的影響。 因此，可能通過(guò)監(jiān)控約10.8GHz的微波范圍(通常約為llGHz)內(nèi)的共 振器10的共振頻率來(lái)估計(jì)g的變化。該監(jiān)控步驟是通過(guò)在相互靠近的不 同地球物理點(diǎn)中或者在連續(xù)移動(dòng)期間重復(fù)頻率測(cè)量來(lái)進(jìn)行的。
臂41必須對(duì)加速度測(cè)量信號(hào)極其敏感。此外，因?yàn)閭鞲衅黜憫?yīng)的動(dòng) 態(tài)范圍小于1微米，因此，優(yōu)選地在不減小機(jī)械良度系數(shù)由此不增加熱 噪聲的情況下，抑制臂41的振動(dòng)。如圖1A中所示，通過(guò)有利地應(yīng)用傳 動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行主動(dòng)抑制的方法來(lái)獲得上述效果，該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有尺寸減小
10的磁體8，該磁體8連接到臂41并通過(guò)線圈9來(lái)工作、 一體到固定基架 上，該磁體8向可移動(dòng)臂41施加了與臂41的速度成比例的a.c.校正信號(hào)。 可以通過(guò)從激光定位傳感器開(kāi)始的導(dǎo)數(shù)電路來(lái)產(chǎn)生該信號(hào)，即，測(cè)量共 振器相對(duì)于局部振蕩器的共振頻率移動(dòng)。
如圖2中所示，在優(yōu)選示例性實(shí)施方式中，可以將臂41有利地制造 成關(guān)于水平軸45旋轉(zhuǎn)的扭擺。臂41屬于(例如通過(guò)超聲脈沖來(lái)切割而) 從硅單晶薄板40上獲得的支撐件5。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)薄板40中的超聲脈 沖的作用，獲得了相對(duì)的C形通槽42與43，它們具有不同的長(zhǎng)度并且 將臂41限定為與薄板40部分地分離。因此，臂41、薄板40和關(guān)于軸 45的扭鏈44是單個(gè)單晶體的部分。該方案的有利之處在于，避免了材料 的磁滯、略微變形和疲勞效應(yīng)。單晶薄板40連接到固定基架的壁30。
在優(yōu)選的示例性實(shí)施方式中，如圖3、 4和5中所示，與振蕩器10 相關(guān)聯(lián)地使用第二振蕩器20，它們被稱(chēng)作服務(wù)器，彼此相同。例如，振 蕩器10與20之間的距離可以為20厘米，盤(pán)直徑為4厘米。
這樣，通過(guò)兩個(gè)共振器10和20的"回音廊"將帶X內(nèi)的微波范圍中 的共振頻率進(jìn)行比較，就可以以極高的分辨力來(lái)監(jiān)控g的變化，兩個(gè)共 振器10與20均包括兩個(gè)相對(duì)的剛玉盤(pán)1、 2、 3和4。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備 的獨(dú)立變量是機(jī)械共振頻率fm、電共振頻率f。和盤(pán)之間的分離d，其定
義了轉(zhuǎn)移因子3f/d。
技術(shù)人員可以以已知方式，例如，通過(guò)未示出但是己知類(lèi)型的激勵(lì) 源，來(lái)設(shè)置共振電磁場(chǎng)。
相同界限內(nèi)的兩個(gè)共振器10和20及其相關(guān)部件必須完全相同。 為了校正不可避免的制造與組裝缺陷，以下面的方式來(lái)進(jìn)行小校正。 首先，進(jìn)行粗校正，從而以未示出但是已知的方式，通過(guò)將微小重量添 加到臂41上來(lái)平衡機(jī)械振動(dòng)頻率，而調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。此外，對(duì)于彈性模 數(shù)，以電方法實(shí)現(xiàn)可遠(yuǎn)程操作的微調(diào)。為此，如圖6中所示，為可移動(dòng) 臂41的與軸45相反的端部61提供金屬化，該軸45在上表面和下表面 都具有配重(counterweight),并且為固定結(jié)構(gòu)的與之相對(duì)的表面62和 63提供金屬化。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)在具有電極功能的表面62和63之間布置電場(chǎng)，出現(xiàn)了這樣的效果，艮P，削弱了關(guān)于軸45的有效彈性扭轉(zhuǎn)模數(shù)。
通過(guò)調(diào)整服務(wù)器單元(與共振器相關(guān)聯(lián))的剛玉盤(pán)之間的未受激勵(lì)距離，
由長(zhǎng)度可變的支撐件7 (例如，壓電器件)來(lái)控制電共振頻率fo和轉(zhuǎn)移因 子9^1，共振器10的下部盤(pán)2安裝在該支撐件上。.
為了避免剛玉塊1和2之間的震動(dòng)的可能破壞性，未測(cè)量共振器10 時(shí)，或者在工作期間發(fā)生震動(dòng)的情況下，安全系統(tǒng)阻止臂41的移動(dòng)。通 過(guò)用在偏離工作凸起位置數(shù)微米的情況下被激勵(lì)的第二線圈(未示出) 驅(qū)動(dòng)可移動(dòng)臂41上的磁體8 (圖1A)而提供高回復(fù)力，來(lái)實(shí)現(xiàn)該阻止過(guò) 程?？梢苿?dòng)臂的抑制電路9中使用的激光傳感器提供了一基準(zhǔn)，如果超 過(guò)了閾值水平，則鎖定系統(tǒng)參照該基準(zhǔn)。
圖4圖示了根據(jù)本發(fā)明的比重計(jì)的示例性實(shí)施方式的剖視圖，與圖 2類(lèi)似，該比重計(jì)也具有一對(duì)共振器10和20，這兩個(gè)共振器具有一體到 各自懸臂41和51并且在懸臂端部處被固定到堅(jiān)硬的垂直壁30和32上 的各自的上部盤(pán)1和3。然后，將兩個(gè)共振器10和20安裝在圖4中圖示 的容器(carter) 50內(nèi)，形成一封閉盒，并通過(guò)同種材料的基底將兩個(gè)共 振器10與20分隔開(kāi)。封閉盒50中創(chuàng)建了真空環(huán)境，從而盤(pán)在沒(méi)有粘度 的情況下會(huì)自由移動(dòng)。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的比重計(jì)的另一個(gè)示例性實(shí)施方式，該比重 計(jì)具有兩個(gè)共振器10和20，其上部盤(pán)以類(lèi)似于系統(tǒng)到薄板切割件的方式 連接到各自的固定薄板41'和51'，以連接到各自的堅(jiān)硬的垂直壁30和32， 從而獲得作為扭擺的可移動(dòng)臂。
如圖3-5中所示，包括串聯(lián)安裝的兩個(gè)共振器10和20的比重計(jì)的 配置進(jìn)行重力數(shù)據(jù)的直接測(cè)量，以不同的方式對(duì)兩個(gè)微波共振器10和20 的工作頻率f進(jìn)行比較。這種比重計(jì)允許以10厄缶(10_8s-2)的分辨力來(lái)
測(cè)量重力加速度向量的垂直方向的重力梯度。以直接方式讀取兩個(gè)共振 器10和20的工作頻率之間的差，利用相位檢測(cè)干涉電路對(duì)兩個(gè)共振器 的工作頻率進(jìn)行比較。
圖7中示出了該干涉電路的實(shí)施例，具體來(lái)說(shuō)，該干涉電路是指根 據(jù)本發(fā)明的重力梯度計(jì)，其中，用環(huán)路振蕩器70來(lái)獲得要發(fā)送的微波信號(hào)，該環(huán)路振蕩器70包括比重計(jì)的共振器10，作為參考腔。以通過(guò)兩個(gè) 腔10和20進(jìn)行反射的方式進(jìn)行該輻射。具體來(lái)說(shuō)，局部振蕩器LO的輻 射被均勻地分配給循環(huán)器75進(jìn)行的兩條傳輸線路，該循環(huán)器75分別用 天線12和72來(lái)激勵(lì)這兩個(gè)共振器10和20。每個(gè)共振器10和20所反射 的波的相位偏移都與LO的頻率跟該共振器的共振頻率之間的去諧 (detuning)成比例。以相反的相位對(duì)反射信號(hào)進(jìn)行組合，由此消除了 LO 的公共模式噪聲，并且用混合器76來(lái)揭示。
這種布置確保了公共模式下有效地清除外部噪聲，還包括轉(zhuǎn)換的運(yùn) 動(dòng)學(xué)噪聲，盡可能進(jìn)行平衡，確保同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)共振器10、 20的機(jī)電性 質(zhì)和特征的校正。主共振器10包括兩個(gè)天線， 一個(gè)具有電耦合12， 一個(gè) 具有磁耦合ll,而第二共振器20需要單個(gè)耦合天線72。
通過(guò)圖7的干涉電路對(duì)兩個(gè)共振器之間的頻率失配進(jìn)行測(cè)量，來(lái)揭 示值g的差。用低噪聲高增益的環(huán)路振蕩器75來(lái)獲得微波信號(hào)，該環(huán)路 振蕩器75包括作為參考腔的比重計(jì)的其中一個(gè)共振器、相位偏移器77、 78以及微波放大器79。
將微波輻射發(fā)送到干涉計(jì)的兩個(gè)分支81和82，其中，該干涉計(jì)通 過(guò)循環(huán)器12和72耦合到用于反射的兩個(gè)腔10和20。兩個(gè)腔10和20所 反射的功率通過(guò)其中一個(gè)分支(81或82)的180。偏移來(lái)進(jìn)行重組，從而 當(dāng)該電路完美平衡時(shí)，在輸出80處信號(hào)為零。針對(duì)環(huán)路振蕩器70，通過(guò) 相位解調(diào)來(lái)觀測(cè)該信號(hào)，環(huán)路振蕩器70用雙平衡混合器(DBM) 76對(duì) 整個(gè)電路進(jìn)行饋送。DBM76的輸出與兩個(gè)腔73和74之間的頻率差以及 加速度差成比例。
實(shí)施例
下面給出縮放根據(jù)本發(fā)明的重力梯度計(jì)的一實(shí)施例。該實(shí)施例涉及 具有兩個(gè)微波共振器WGM的梯度計(jì)，每個(gè)微波共振器均由基本相同的 兩個(gè)剛玉盤(pán)(見(jiàn)圖4)形成，盤(pán)直徑為42毫米，高度為5毫米，sx=9.750 而sz=11.350，關(guān)注的帶內(nèi)的兩個(gè)共振器的各種共振良性因子均為約 10-12 GHz， 二者的傳送系數(shù)值dPdz都是確定的。鑒于所獲得的結(jié)果已 經(jīng)被選擇，表示更高的因子Qx(df/dz)， S卩，約300000兆赫/毫米的方式
13TMn丄Q+d具有良性因子Q-58000并且df/dz-5兆赫/毫米，兩盤(pán)之間的間 隙約為100微米。
為了達(dá)到測(cè)量10厄缶所需的靈敏度，必須測(cè)量極小的位移(約為 10—13米)，其中，關(guān)于裝置的噪聲的許多因素和溫度效應(yīng)應(yīng)該作為整體來(lái) 確定，即，扭擺+微波共振器。有利地設(shè)置多個(gè)吸收壁，必須選擇它們的 位置，從而將共振器與外部環(huán)境分開(kāi)，不會(huì)擾亂太多關(guān)注的回音廊。
鑒于以?xún)?yōu)于lppm/K的精確度精確地確定了導(dǎo)致腔的共振頻率變化 的參數(shù)值，因此，能夠以適合于將溫度僅對(duì)加速度計(jì)的影響降至與精確 需求相符的層次的方式，在溫度上補(bǔ)償共振器或加速度計(jì)。為此，應(yīng)該 考慮由剛玉的介電常數(shù)與溫度的相關(guān)性導(dǎo)致的溫度對(duì)共振的影響。實(shí)際 上，通過(guò)升高溫度，增大了s且頻率降低量取決于折射指數(shù)的逆，即s—1/2。
溫度對(duì)共振的影響還可能由增大剛玉盤(pán)的體積造成，這會(huì)造成共振 頻率的降低。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)于整體影響，測(cè)量結(jié)果為約63.2ppm/kdvin。
上面對(duì)于特定實(shí)施方式的描述將根據(jù)概念觀點(diǎn)而完整地揭示本發(fā) 明，從而，其他技術(shù)人員通過(guò)應(yīng)用目前的知識(shí)，將能夠修改和/或改變?cè)?實(shí)施方式的各種應(yīng)用，而無(wú)需進(jìn)行進(jìn)一步的研究，并且不會(huì)偏離本發(fā)明， 因此，應(yīng)該理解，這些改變和修改將被認(rèn)為是特定實(shí)施方式的等同實(shí)施 方式。因此，實(shí)現(xiàn)本文所描述的不同功能的方法和材料可以具有不同的 特征，而不會(huì)偏離本發(fā)明的范圍。應(yīng)該理解，本文所采用的表述或術(shù)語(yǔ) 用于描述而非限制的目的。
權(quán)利要求
1.一種用于進(jìn)行地球物理勘測(cè)的微比重計(jì)測(cè)量的裝置，其特征在于，該裝置包括基架；與所述基架成一體的第一塊；第二塊，其被設(shè)置在與所述第一塊距離最短處，并且相對(duì)于所述第一塊垂直對(duì)齊，從而所述第一塊和所述第二塊形成了電磁輻射的共振器；用于懸掛所述第二塊的單元，所述用于懸掛的單元連接到所述基架并且彈性地保持所述第二塊，以提供穩(wěn)定的彈性模數(shù)；用于向所述共振器施加電磁信號(hào)的單元；用于響應(yīng)于所述電磁信號(hào)來(lái)測(cè)量所述共振器的共振頻率的單元；用于使所述共振頻率的變化與所述兩個(gè)塊之間的距離變化產(chǎn)生關(guān)聯(lián)的單元；以及用于使所述距離的變化與本地重力加速度產(chǎn)生關(guān)聯(lián)的單元。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述第二塊在所述第一塊上方。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，按照權(quán)利要求1或2中所定義地來(lái)提供第一共振器和第二共振器，它們耦合并安裝在相互結(jié)合在一起的兩個(gè)單獨(dú)的基架上，以在垂直方向上執(zhí)行差分重力加速度梯度測(cè)量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中，所述共振器被包含在其中創(chuàng)建了真空環(huán)境的封閉盒中。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中，所述電磁共振器的共振頻率在微波范圍內(nèi)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，用于測(cè)量?jī)蓚€(gè)共振器的共振頻率之間的差的單元包括相位檢測(cè)干涉電路。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，用于生成微波信號(hào)的單元包括環(huán)路振蕩器，所述環(huán)路振蕩器特別地將所述比重計(jì)的一個(gè)或更多個(gè)共振器，或者外部共振器，用作參考腔。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其中，所述塊由以預(yù)定距離設(shè)置的剛玉盤(pán)組成，特別地，所述距離在50微米到500微米之間。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中，所述剛玉盤(pán)適合于形成以所謂的"回音廊"方式進(jìn)行共振的共振器。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述用于懸掛所述第二塊的單元包括扭擺，特別地，所述扭擺是從切割的硅薄板，特別是硅單晶薄板開(kāi)始獲得的，所述薄板具有兩個(gè)相對(duì)的C形切口，以分離開(kāi)固定部分和移動(dòng)部分，所述固定部分和所述移動(dòng)部分通過(guò)所述第二懸掛塊和所述移動(dòng)部分的扭轉(zhuǎn)所驅(qū)策的兩個(gè)連接部分而彼此結(jié)合。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述用于懸掛的單元包括薄板，該薄板是從以下組中選出的梁僅固定到一端而形成懸臂的梁；或固定到兩端的梁，在這兩種情況下，所述薄板都具有由所述兩個(gè)塊之間的所述距離構(gòu)成的彎曲偏斜。
12. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中，在差分測(cè)量的情況下，所述兩個(gè)共振器被設(shè)置成，使得最重的塊懸掛在所述薄板上，并且能夠提供相同的彈性反應(yīng)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中，通過(guò)用于抑制的單元使所述兩個(gè)薄板對(duì)重力加速度具有相同的靈敏度，所述用于抑制的單元抑制每個(gè)薄板的可能振動(dòng)，而不減小機(jī)械良度系數(shù)且不增加熱噪聲，特別地，所述用于抑制的單元包括電繞線，其與所述基架一體化，并且適于創(chuàng)建相對(duì)于所述第一塊垂直對(duì)齊的磁場(chǎng)，所述第一塊面對(duì)所述第二塊；永磁體，其連接到每個(gè)所述共振器的所述薄板。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，可以用導(dǎo)數(shù)電路來(lái)確定所述移動(dòng)速度，所述導(dǎo)數(shù)電路揭示了單個(gè)共振器所反映的波相對(duì)于參考信號(hào)的相位。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中，應(yīng)用被提供了用于平衡所述薄板的機(jī)械振動(dòng)頻率的配重，該配重作用于所述薄板的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
16. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中，所述薄板或每個(gè)薄板具有其上安裝了金屬層的部分，所述金屬層面對(duì)相對(duì)于所述基架固定的至少一個(gè)電極，在所述金屬層與所述至少一個(gè)電極之間，發(fā)送了電磁場(chǎng)來(lái)削弱系統(tǒng)的有效彈性模數(shù)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中，提供了用于調(diào)整所述盤(pán)之間的未激勵(lì)距離的單元，所述單元包括其上安裝了所述第一塊的壓電器件。
18. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中，提供了用于阻止的單元，用于在未測(cè)量所述傳感器時(shí)或者在操作期間發(fā)生震動(dòng)的情況下，阻止所述薄板的移動(dòng)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其中，所述用于阻止的單元包括用于驅(qū)動(dòng)磁體的單元，該單元用于驅(qū)動(dòng)位于所述兩對(duì)盤(pán)的所述薄板上的磁體，所述盤(pán)具有被激勵(lì)而偏離工作位置大于數(shù)微米的第二線圈，從而提供了高回復(fù)力。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的裝置，其中，所述用于驅(qū)動(dòng)磁體的單元包括針對(duì)每個(gè)所述第一塊的抑制電路，所述抑制電路包括適于提供所述鎖定系統(tǒng)的參考的激光傳感器，當(dāng)超過(guò)閾值水平時(shí)，所述鎖定系統(tǒng)開(kāi)始工作。
全文摘要
一種用于測(cè)量地面上的重力加速度的裝置和方法，所述裝置包括基架(31)；共振器(10)，其具有一體化到所述基架(31)的第一剛玉盤(pán)(2)；第二剛玉盤(pán)(1)，其被設(shè)置在與所述第一塊(2)距離最短處，并且相對(duì)于所述第一塊(2)垂直對(duì)齊，從而所述第一盤(pán)和所述第二盤(pán)(1和2)形成電磁信號(hào)的共振器(10)；懸臂(41)，其連接到所述基架(31)并且彈性保持所述第二盤(pán)(1)；磁探針(11)用于向根據(jù)兩個(gè)盤(pán)(1和2)之間存在的平面來(lái)布置的共振器(10)施加電磁信號(hào)；線性電探針(12)，其布置在所述固定盤(pán)(2)下方，相對(duì)于其側(cè)邊垂直對(duì)齊，用于響應(yīng)于所述電磁信號(hào)來(lái)測(cè)量所述共振器的工作頻率；用于使所述共振頻率的變化與所述盤(pán)(1和2)之間的距離變化產(chǎn)生關(guān)聯(lián)的單元；以及用于使這種距離的變化與本地重力加速度產(chǎn)生關(guān)聯(lián)的單元。
文檔編號(hào)G01V7/00GK101663598SQ200880010763
公開(kāi)日2010年3月3日 申請(qǐng)日期2008年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月29日
發(fā)明者亞歷山德羅·貝爾托里尼, 安德里亞·德米凱萊, 尼科洛·貝韋里尼, 弗朗西斯科·曼高, 弗朗西斯科·菲代卡羅 申請(qǐng)人:艾尼股份公司