專利名稱：重力梯度儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種重力梯度儀，并且尤其是(但不限于)涉及一種 航空用重力梯度儀。本發明可特別地用于測量重力梯度張量的對角分 量和非對角分量。
背景技術：
重力儀在地址勘探中被廣泛地使用，以測量地球重力場的一階導 數。由于將重力場的空間變化與運動交通工具加速度的暫時波動區分 開是比較困難的，因此盡管在發展能夠測量地球重力場的一階導數的 重力儀方面已經存在一些進展，然而通常只對地上固定設備才能夠進 行這些測量并獲得用于有效勘探的足夠精度。
重力梯度儀(與重力儀相區別)被用于測量重力場的二階導數， 并且其使用測量低至標準重力的1012分之一的重力之間的差值所需的 傳感器。
典型地，這種設備用于試圖定位諸如包括鐵礦和含烴地質構造的 礦床之類的沉積物。
由本申請人的公司部分地擁有權利的國際公開WO90/07131披露 了一種重力梯度儀。所述梯度儀包括常平架軸承裝置，所述常平架軸 承裝置包括三個同心環，其中安裝有傳感設備。所述傳感設備通常包 括兩個分別位于屏蔽殼體中的、間隔開的桿，并且每個桿均安裝在板 軸承(web bearing)上。該申請所披露的設備具有較為難解決的問題之 處在于其包括大量部件并且相對較重，這在航空應用方面尤為不利。
發明內容
本發明提供一種重力梯度儀，其用于測量重力梯度張量的分量， 所述重力梯度儀包括
用于安裝杜瓦瓶(Dewar)的外部平臺；
布置在杜瓦瓶中的傳感器，其用于進行用來測量重力梯度張量的
分量的低溫操作；
用于在杜瓦瓶中安裝傳感器的內部安裝架；
第一反饋控制器，用于監視外部平臺的擾動并且產生作用力以抑 制外部平臺的運動從而穩定外部平臺；和
內部反饋控制器，用于監視在穩定外部平臺之后由于外部平臺的 任何運動引起的內部平臺的擾動以抑制內部平臺的運動從而穩定傳感器。
因此，通過第二反饋傳感器，能夠防止未被第一反饋傳感器完全 抑制并穩定的且確實傳遞到內部平臺的外部平臺的任何運動，以穩定 內部平臺并且由此穩定傳感器。
優選地，利用直線和角加速度計感測由于擾動引起的內部平臺的 運動以向控制器提供反饋信號。
優選地，內部安裝架包括用于安裝傳感器以使其相對于三根正交 軸線運動的安裝架并且控制器用于向致動器供給信號以圍繞該三根正 交軸線中的任何一根或者多根移動安裝架從而穩定安裝架并且由此穩 定傳感器。
現將通過實例的方式參考附圖描述本發明的優選實施例，附圖中 圖1為本發明的一個實施例的梯度計的示意圖2為構成優選實施例的梯度儀的安裝架的一部分的第一安裝件 的立體圖；圖3為安裝架的第二安裝件的視圖4為從圖3的安裝件的下側觀察的視圖5為沿圖3線IV-IV截取的剖視圖6為沿圖3線V-V截取的剖視圖7為組裝結構的視圖8為示出了安裝在常平架結構上的傳感器的視圖9為優選實施例的桿的平面圖IO為示出了致動器控制的視圖11為示出了可旋轉支撐系統的操作的方框圖12為優選實施例的梯度儀的視圖13為第二實施例的第一安裝件的視圖14為圖13的安裝架的一部分的視圖，其中示出了第一安裝件 的彎曲板的位置和范圍；
圖15為從下方觀察的圖13的安裝架的視圖16為圖13的安裝架的視圖，其中包括第二實施例的第二安裝
件；
圖17為穿過圖16中示出的組件的剖面圖； 圖18為從圖17中示出的部分的下方觀察的視圖； 圖19為從第二實施例的第二安裝件的下方觀察的視圖； 圖20為從上方觀察的圖19的第二安裝件的視圖； 圖21為第二實施例的第二安裝件的分解視圖； 圖22為根據第二實施例的組裝的安裝架和傳感器的視圖； 圖23為梯度儀的立體圖，其中去除了一些外真空容器； 圖24為根據本發明的又一實施例的用于支撐桿的殼體的平面圖； 圖25為圖24的殼體的一部分的更詳細的視圖； 圖26為在優選實施例中使用的轉換器的視圖； 圖27為與圖25類似的視圖，但其中示出了位于適當位置的圖26 的轉換器；
圖28為圖29和圖30的電路的輔助說明的視圖29為涉及本發明的優選實施例的電路圖，其中特別示出了使用一個傳感器作為角加速度計的情況； 圖30為頻率調整電路；
圖31為根據本發明的一個實施例的穿過致動器的剖面圖； 圖32為圖31的致動器的一部分的視圖33為示出了優選實施例的梯度儀的傳感器的平衡的視圖；以及 圖34為當平衡梯度儀時使用的校準傳感器的電路圖。
具體實施例方式
圖1根據本發明的優選實施例的重力梯度儀的示意圖。
如圖1中所示的梯度儀包括雙壁杜瓦瓶1，其被支撐在外部平臺2 中。外部平臺2能夠相對于三個正交軸線來調節杜瓦瓶以及從而調節 杜瓦瓶的內容物。外部平臺2通常是公知的，并且其由適當的馬達等 進行調節也是公知的。因此，將不提供詳細的說明。
真空容器3設置在杜瓦瓶中，并且杜瓦瓶被供應有諸如液體氦He 之類的液化氣，這樣梯度儀可以在低溫下操作。杜瓦瓶1由端板4閉 合，端板4包括用于連接電導線(未示出)與外部部件(未示出)的 連接器5a。
容器3由端板9閉合，端板9包括用于連接電導線(未示出)與 連接器5a的連接器5b。梯度儀具有主殼體61，其由十二面環62和半 球形圓頂63構成(參見圖12)。內部安裝架5連接至環62。環62承 載支架65，其中饋通凸緣9連結至支架65。在容器3的上方設有頸塞 11，其由將泡沫塑料體llb夾在中間的擋板lla形成。擋板lla被支撐 在中空棒93上，中空棒93延伸至容器3并且還用于對容器3抽真空。
參考圖2，梯度儀的可旋轉的安裝架5 (圖7)的第一安裝件10 示出為包括基底12和直立周壁14。周壁14具有多個切除部16。基底 12支撐集線器18。圖3和圖4示出了第二安裝件20，其包括周壁22和頂壁24。周 壁22具有用于將安裝件連結至殼體61的四個凸耳13。頂壁24和周壁 22限定開口 28。周壁22具有第一部件25、第二部件26和第三部件 27。第二安裝件20為集成整體式結構，并且第一部件25通過在除了 形成彎曲板處之外的位置形成經過周壁的環形割線19而形成，如將在 下文中所描述的。第三部件27通過在除了形成彎曲板處之外的位置形 成經過周壁22的第二環形割線29而形成，這也將在下文中進行描述。 通過將集線器18定位在開口 28中并使凸耳13穿過相應的切除部16 而使第二安裝件20安裝在第一安裝件IO上，如圖7中所示。
第一安裝件10結合至第二安裝件20。第一彎曲板31形成在第一 安裝件10中，這樣安裝件10的主安裝部分可以圍繞板31相對于安裝 件10的次安裝部樞轉。這些將參考圖13至圖21中示出的第二實施例 進行更詳細地描述。
凸耳13將安裝架5連接在容器3中，而容器3位于杜瓦瓶1中， 以低溫操作梯度儀。
而杜瓦瓶安裝在第一外部平臺中，以引起對梯度儀的圍繞三個正 交x、 y、 z軸線的旋轉控制。安裝架5安裝傳感器40 (其將在下文中 更詳細的描述并且其優選為質量四極距形式)，以實現相對于x、 y和 z軸線的更精細的旋轉調節，從而在進行測量的過程中使梯度儀穩定， 在梯度儀為機載時尤為如此。
第一彎曲板31允許第一安裝件10圍繞圖7中示出的z軸線相對 于第二安裝件20運動。
圖5和圖6分別為沿線IV和V(它們依次為沿圖3中示出的割線 19和29)截取的視圖。周壁22可以由諸如線切割器之類的任何適當的切割設備進行切割。圖5示出了利用割線27形成的底表面19a，如 從圖3和圖5中表現出的，割線27具有兩個倒置的v形峰34，峰34 的頂點未被切割，從而形成第二彎曲板33，其將第一部件25結合至第 二部件26。因此，第二部件26能夠圍繞圖7中的x軸線相對于第一部 件25樞轉地旋轉。第二割線29在圖6中示出，并且再次地可以看到 通過割線29形成的底表面29a。再次地，第二割線29形成兩個v形峰 35并且峰35的頂點未被切割，從而形成第三彎曲板37，其將第二部 件26結合至第三部件27。因此，第三部件27能夠圍繞圖7中的y軸 線樞轉地旋轉。
圖8示出了安裝在安裝架上的傳感器40。傳感器40為由第一質量 塊和第二質量塊形成的正交四極響應器一OQR傳感器，第一質量塊和 第二質量塊的形式為第一桿41和第二桿42(在圖8中未示出)，其中 第二桿42與第一桿41正交并且具有與第一桿相同的形狀。
桿41形成在第一殼體45中，并且桿42形成在第二殼體47中。 桿41和殼體45的關系與桿42和殼體47的關系類似，其區別僅在于 一個桿相對于另一個桿旋轉90° ，這樣所述桿彼此正交。因此，僅僅 描述殼體45。
殼體45具有端壁51和周邊側壁52a。端壁51通過螺釘等(未示 出)連接至第一安裝件10的壁14的輪緣75 (圖2和圖7)。桿41通 過在壁51中的割線57而形成，其中將桿41結合至壁51的第四彎曲 板59處未受到切割。在圖9中的桿41的俯視圖中放大地示出了彎曲 板。因此，桿41能夠響應重力場的變化，相對于殼體45樞轉。桿42 以與上述相同的方式進行安裝，并且還可以響應重力場的變化圍繞第 五彎曲板59相對于其殼體47樞轉。殼體47連接至第一安裝件10的 基底12 (圖2)。
桿41和殼體45與彎曲板59 —起為集成整體式結構。設置變換器71 (在圖2至圖6中未示出)用于測量桿的移動并且
產生指示移動量的輸出信號以及由此產生指示通過桿感測的重力場中 差值的測量的輸出信號。
圖10為示出了通過圍繞三個正交軸線(x、 y、 z)旋轉安裝架5 而使得梯度儀穩定的致動器控制的示意性方框圖。可以為計算機、微 處理器等的控制器50輸出信號至致動器52、 53、 54和55。致動器52 可以圍繞x軸線旋轉安裝架5，致動器54可以圍繞y軸線旋轉安裝架 5，并且致動器54可以圍繞z軸線旋轉安裝架5。然而，在優選的實施 例中，四個致動器52、 53、 54和55中的兩個致動器被用于圍繞各軸 線旋轉安裝架，這樣圍繞各軸線的旋轉由通過兩個致動器提供的兩個 線性運動的結合而引起。通過各致動器提供的線性運動將參考圖31和 圖32進行描述。安裝架5的位置被監控，這樣可以向控制器50提供 適當的反饋并向致動器提供適當的控制信號以轉動支架10，這是在空 中運動過程中(在航空器內或者在航空器的后部拖拽)穩定支架所需 要的。
優選的實施例還包括角加速度計，其形狀與桿41和桿42類似， 但是區別在于角加速度計的形狀可以為零值四極矩進行調節。線加速 度計是簡單的擺動裝置，其具有用作彎曲鉸鏈的單個微樞軸。
圖11為用在優選實施例中的反饋控制的視圖。
圖12為待安裝在杜瓦瓶1中以進行低溫操作的梯度儀的剖視圖， 而杜瓦瓶1被安裝在外部平臺中。盡管圖2至圖8示出了頂部和底部 具有桿41和桿42的梯度儀，然而設備實際上向其一側旋轉(90° )， 這樣桿41和桿42最終如圖12中所示。
圖12示出了安裝架5，其設置在殼體61中并且由環62和透明半球形圓頂63形成。環62具有連接器69，所述連接器69用于將設置在 殼體61中的轉換器71 (參見圖8)和SQuID (超導量子干涉設備)電 子器件的內部線路連接至連接器5b (圖1)。
轉換器71測量桿41和桿42的位移角，并且控制電路(未示出) 被構造為測量它們之間的差值。
可以基于來自加速度計和溫度傳感器的數字信號而數字化地執行 誤差修正。
轉換器71為SQuID基轉換器，并且誤差修正可以通過SQuID基 轉換器的大動態范圍和線性得以實現。
圖13至圖21示出了第二實施例，其中類似的部分表示與上述類 似的部件。
在本實施例中，第一安裝件IO具有有效地形成用于容納凸耳(未 示出)的槽口 (slot)的切除部80，所述凸耳在切除部80中連接至安 裝件IO，并且也連接至第二安裝件20，如圖19至圖21所示。在本實 施例中，凸耳為分離部件，與從第二安裝件20 (其形成第二彎曲板33 和第三彎曲板37)中切割出相比，這樣的凸耳可以被制造得更小且更 易于制造。
在圖13中，割線87用于限定集線器18的部分18a。割線87在 88處隨后沿徑向向內延伸，并且隨后包圍中間部分18c，如由割線101 所示。割線101隨后沿切割線18d和18e進入中間部分18c，以限定中 芯18f。中芯18f通過作為切割線18e和18d之間的未被切割的部分的 彎曲板31連接至中間部分18c。由此，部分10a形成安裝架10的主安 裝部分，除了部分18a通過彎曲板31與部分10a結合之處外，主安裝 部分與安裝架IO的次安裝部分10a分離。部分18a有效地形成允許部分18a相對于部分10a沿z方向圍繞彎曲板31旋轉的軸線。
如圖14中所示，切割線88從圖14中示出的上端至下端向外傾斜， 并且中芯18c以相應的形狀向外傾斜，如圖17最佳所示。
如從圖13至圖18所顯示的，第一安裝件IO為八角形而非圓形， 與前面的實施例相同。
圖19至圖21示出了第二安裝件20。圖16示出了安裝在第一安裝 件10中的第二安裝件20。如圖19和圖20最佳所示，第二安裝件20 具有與切除部80對齊以容納凸耳(未示出)的切除部120。凸耳能夠 通過穿過凸耳并進入螺栓孔121中的螺栓而螺栓連接至第二安裝件20。 在安裝件20固定至第一安裝件10之前，凸耳(未示出)即安裝至安 裝件20。
在圖19和圖20的實施例中，峰34和倒置峰35被扁平化，而不 是如前面實施例中的V形。
在本實施例中，頂壁24設有中心孔137和兩個附連孔138a。三個 較小的孔139a設置為如果需要拆卸，則便于將殼體45推離部分18a。 當第二安裝件20位于第一安裝件IO中時，中間部分18c的上部突出穿 過孔137，如圖16最佳所示。這樣，安裝件20能夠通過穿過孔138并 接合入部分18a中的孔139b (參見圖13)的緊固件連接至安裝件10。
由此，當第一殼體45及其關聯桿41被連接至殼體10的輪緣75 并且第二殼體47連接至基底12時，殼體45和47及其關聯桿41和42 由此能夠圍繞由彎曲板31、彎曲板33和彎曲板37限定的三個正交軸 線移動。
如圖21最佳所示，其中圖21為構成第二安裝件20的三個部件25、26和27的分解圖，通過孔137、孔138和孔139形成的開口延伸穿過 安裝件20。應當理解，在圖21中示出的安裝件20具有整體式結構， 并且僅通過分解視圖示出，以清晰地示出彎曲板33和35的位置。顯 然，圖21中示出的彎曲板33與部件26結合，并且圖21中示出的彎 曲板35與部件27結合。孔137、 138和139限定一通道，當第二安裝 件20位于第一安裝件10中時，第一安裝件10的軸線或第一部分18a 可以延伸穿過該通道。
由此，當第二安裝件20固定至部分18a時，第二安裝件20能夠 圍繞由彎曲板31限定的z軸線與第一安裝件10的第一部分10a—起樞 轉，同時由部分18a形成的第二部分保持固定。如上所述，通過第二安 裝件20圍繞彎曲板33和35的樞轉運動可以獲得圍繞x軸線和y軸線 的運動。
圖22示出了固定至殼體45和47的線性和角加速度計90。
重力梯度在具有任何質量分布的剛性體上施加扭矩(假定其具有 非零值四極矩)。對在x-y平面中和圍繞z軸線樞轉的平面物體而言， 四極為沿x和y方向的慣性矩之間的差值。由此，正方形或圓形具有 零值四極矩，同時長方形具有非零值的四極矩。
所產生的扭矩為構成由梯度儀測量的信號。
存在也能夠產生扭矩和由此成為誤差源的兩個動態干擾。
首先是線性加速度。
如果質心并非恰好位于轉動中心，即桿是失衡的，則產生轉矩。 桿41和42盡可能地平衡(利用平頭螺絲來調節質心的位置)，然而 這并非是足夠的，因此存在殘余誤差。這種誤差可以通過測量線性加速度并且利用此來數字化地除去信號的錯誤部分而進行修正。 其次是角運動。
在角運動上存在兩個方面，每一方面均產生不同的誤差。 第一方面為角加速度。
角加速度通過其慣性矩(即使四極矩為零)在質量分布上產生扭 矩。這是巨大的誤差，并且采用兩種優選技術來與此抵消。
首先是使用內旋轉穩定性。這在圖IO的方框圖中進行了描繪。在
此，Ho(s)表示圍繞安裝件5樞轉的傳感器組件(根據圖9)。模塊A(s) 表示致動器，其提供了反饋扭矩，以通過抵消所施加的干擾來實現平 穩。T(s)表示測量所施加的干擾的效果的傳感器(或轉換器)。這是角 加速度計。在旋轉控制中利用角加速度計是不經常的，通常使用陀螺 儀和/或高阻尼傾斜儀，但是為了實現我們的目的，由于誤差與角加速 度干擾成比例，因此角加速度計是更優的。
其次是使用共模抑制CMRR，為此需要使用兩個正交桿。對這兩 個桿而言，由角加速度產生的誤差扭矩處于相同的方向，而由重力梯 度產生的信號扭矩位于相反的方向。
而且，通過測量兩個桿之間的偏差，感測梯度但不感測角加速度。
為此，提供兩個分離的角加速度計90 (在圖22中標示為90'，以 易于識別)。我們這里具有來自所述對OQR桿41和42的兩個獨立的 輸出信號。給出了梯度信號的第一信號與偏差成比例，并且與角加速 度成比例且被提供給傳感器以用于z軸線旋轉控制的第二信號與偏差 之和成比例。x軸線和y軸線要求分離的角加速度計。由于兩個桿的樞轉軸線并
非完全平行，因此要求圍繞這些軸線的旋轉穩定性，以及要求抵消由 角度干擾產生的第二形式的誤差，這將在下文中討論。
第二方面為角速度。
角速度產生離心力，所述離心力也為誤差源。通過致動器提供的 內旋轉穩定性降低了角運動，這樣誤差低于l厄缶。
圖23示出了主體61和連接器69，其中去除了半球形圓頂。
圖24為根據本發明的又一實施例的殼體45的平面圖。如從圖24 中清楚看到的，殼體45為圓形而不是如圖8的實施例示出的八角形的。
殼體45以與通過位于桿41的質心的彎曲板59描述的方式相同的 方式支撐桿41。桿41為人(V)字形，盡管人字形與前述實施例的形 狀略微不同，且具有與彎曲板59相對的更為圓滑的邊緣41e，并且槽 形壁部41f、 41g和41h毗鄰彎曲板59。桿41的端部具有螺紋孔300， 所述螺紋孔300容納可以為諸如平頭螺釘之類的插塞形式的螺紋構件 301。在殼體45的周壁52a中，孔300與孔302對準。孔302能夠通過 螺絲起子或其它工具接近插塞301,這樣插塞301能夠被旋鈕入或旋鈕 出孔300，以調節插塞301在孔中的位置，進而平衡質量體41，從而 使得重心位于彎曲板59。
如圖24中所示，孔300與圖24中的水平方向和垂直方向成45° 角。由此，在圖24中示出的兩個孔302彼此相對成直角。
圖24還示出了用于容納轉換器71的開口 305，所述轉換器71用 于監測桿41的運動并產生傳送至SQUID設備的信號。典型地，轉換器為線圈形式，并且當桿41由于桿端部之間的重力差而略微移動時， 電容發生變化，其改變線圈中的電流，從而提供指示桿41的移動的信 號。
圖25為圖24的殼體一部分的更詳細的視圖，其中示出了開口 305。 如從圖25中可看出的，開口 305具有形成凹槽402的肩部401。彈簧 403毗鄰表面406設置。
圖26示出了轉換器71。轉換器71由為基本方形的、具有圓形凸 臺的玻璃陶瓷板410形成。線圈408圍繞凸臺407纏繞，并且可以由 樹脂等保持在適當的位置。線圈408可以為多層線圈或者為單層線圈。
圖27示出了板410在開口 305中的位置，其中板位于凹槽402中， 并且通過彈簧403偏壓向肩部401，以將板410保持在適當的位置，并 且線圈408毗鄰桿41的邊面41a。
因此，線圈408和桿41形成lc電路，這樣當桿41移動時，經過 線圈408的電流變化。
如從圖24中顯而易見的，四個轉換器71設置為毗鄰桿41的端部。 其它殼體47也具有毗鄰桿42設置的四個轉換器。由此，在梯度儀中 設有八個轉換器71。
圖28為桿41和42的圖表，其中示出了處于其使用構造中的桿41 和42。位于開口 305中的轉換器通過附圖標記71a至71e示出，以與 圖29和圖30的電路圖等同。
參考圖29和圖30，與桿41相關的轉換器71a和71b以及與桿42 相關的轉換器71g和71e被用于提供重力梯度測量。輸入端子361向圖29中示出的超導電路提供輸入電流。設置有可 以為電阻362形式的制熱開關，其用于初始設定電路中的超導電流。 制熱開關362初始開啟非常短的時間，以加熱電路中的設置有電阻362 的這些部分，從而防止電路的這些部分形成超導。隨后，可以將電流 施加在超導電路上，并且當由電阻362形成的制熱開關被關閉時，電 路的相關部分再次變成超導，這樣，電流可以流通穿過經歷由桿41和 42的運動(其是在重力梯度和角加速度的影響下產生的)導致的任何 變化的電路，如將在下文中所描述的。
轉換器71a、 71b、 71g和71e并聯至電路線365和電路線366，該 電路線365和電路線366連接至SQUID 367。
因此，當桿41和42圍繞其相應的彎曲板旋轉時，例如，桿41和 42分別更加靠近轉換器71a從而進一步遠離轉換器71b，和更加靠近轉 換器71h從而進一步遠離轉換器71g。從而改變了流過轉換器的電流， 并且這些電流被有效地除去，以提供用于提供重力梯度測量的信號。
如圖31中所示，轉換器71c和71d形成分離的電路，并且用于桿 41和轉換器71a和71b的頻率調節。類似地，轉換器71e和71f用于 桿42和轉換器71g和71h的頻率調節。由于桿應當是相同的以阻止角 加速度，因此桿的頻率調節是非常重要的。因此頻率調節電路能夠使 得桿進行電調節以匹配諧振頻率并且獲得模抑制，這樣，各桿以相同 的方式運作。
轉換器71a、 71b、 71g和71h也用于形成用于測量安裝架5的角 運動的角加速度計，這樣可以提供反饋信號來補償所述角移動。
為此，電線366連接至變壓器370。在梯度被測量的情況下，來自 轉換器71a、 71b、 71g和71h的信號的極性反轉，這樣電線371和372 上的轉換器370的輸出是對信號的添加而不是刪減，這樣信號的添加給出了桿的角運動的測量。輸出371和372連接至用于提供角加速度
的測量的SQUID設備375，所述角加速度的測量可以被用在圖10的電 路中，以提供穩定安裝架5的補償信號。
因此，根據本發明的優選實施例，角加速度計90'提供例如圍繞x 軸線和y軸線的角加速度的測量，并且角加速度計通過桿41和桿42 形成，并且轉換器71a、 71b、 71g和71h提供例如圍繞z軸線的角加速 度計的測量。
圖31和圖32示出了致動器，該致動器用于接收控制信號以響應 安裝架5的角運動調節安裝架。
圖31和圖32中示出的致動器通過附圖標記52、 53、 54和55示 意性地在圖10中示出。所有的致動器均為相同的，并且圖31和圖32 將參考圍繞圖10中示出的x軸線進行調節的致動器52進行描述。
在圖31中示出的致動器52具有中空圓盤殼體310，其具有用于將 圓盤殼體310連接至安裝架5的安裝托架311。從而中空圓盤殼體310 限定內部腔室312，在內部腔室312中設有圓盤313形式的線圈支撐板。 圓盤313具有寬集線器部314和兩個環形表面315和316，其上有線圈 的繞組Wl和W2圍繞集線器314纏繞。
圓盤313的外周也設有徑向孔徑319和與孔徑319相通的孔320。 孔321設置在集線器314處且與孔徑319相通，并且延伸至位于管狀 物330中的中空棒328。棒330固定至圓盤313并且還支撐固定至主體 61 (在圖31中未示出)的支撐框架340。管狀物330連接至圓盤殼體 310，以使圓盤殼體310相對于圓盤313、棒328和框架340運動。
設置在表面315上的繞組Wl具有導線331，其穿過孔320并且隨 后穿過孔徑319至孔321，且進而穿過管狀物328至右側，如圖31中所示。來自繞組Wl另一端的導線332穿過孔321和中空棒328，并且 也達到右側，這樣電流可以通過導線331和332被供應至繞組Wl。
設置在表面316上的第二繞組W2具有導線333，其穿過徑向孔 334和圓盤313中的孔徑345，并且隨后穿過孔337至管狀物328，并 且到達圖31中的左側。繞組W2的另一端具有導線338，該導線338 穿過孔337進入管狀物328并到達圖31中的左側。由此，電流可以經 由導線333和338流通穿過繞組W2。
當繞組Wl和W2被通電或穿過繞組的電流變化時，圓盤殼體310 相對于圓盤313和框架340運動，并且由于圓盤殼體310通過托架311 連接至安裝架5，因此在致動器52中，安裝架5被調節。圓盤殼體310 的運動為沿管狀物330和棒328的軸線方向的基本縱向運動(即線性 運動)。為了利于這種運動，在棒330的端部和框架340之間，以及 在圓盤313附近設有間隙。托架311相對于彎曲板(例如彎曲板37) 偏移，這樣，殼體310的運動向安裝架5的第一部件25施加轉矩，以 使部件25圍繞彎曲板37旋轉。
在本發明的優選實施例中，設置四個致動器以提供圍繞各軸線和 彎曲板的實際調節，并且致動器響應自角加速度計接收的信號進行綜 合地操作，以保持梯度儀使用時安裝架5的穩定。
為了梯度儀的低溫操作，前述的安裝架5、殼體45和47、桿41 和42、中空圓盤殼體310、線圈、和電導線均由諸如鈮之類的超導材 料制成。
在本發明的梯度儀并非低溫操作的實施例中，所述部件可以由諸 如鋁之類的其它材料制成。
角加速度計90'具有零值四極矩，這意味著質心與彎曲板一致，并且從而角加速度計90'對重力梯度和離心力均不靈敏。也可以設置線性
加速度計90"(圖22)。線性加速度計9(T'并不施加有源補償(主動 補償)，而是可以施加對最終測量的梯度數據的修正。由此，涉及線 性加速度的數據能夠被記錄并且可以用在隨后的處理中。
桿41和42中的一個或兩個也可以用作角加速度計，以提供安裝 架5的角運動的測量，這樣能夠產生適當的反饋信號，以通過前述的 致動器的控制對所述運動進行補償。
在優選的實施例中，四個角加速度計被設置為其中兩個角加速度 計由桿41和42形成。使用四個彼此相對以45。角設置的加速度計能 夠在任何時刻通過由兩個或更多的致動器提供的扭矩圍繞x軸線、y軸 線和z軸線進行調節。
圓盤310防止來自繞組Wl和W2的磁通從致動器泄漏，并且由 于導線331、 332、 333和338通過細長的管狀物330而離開致動器， 因此磁通穿出致動器的能力基本上被預防。
因此，不會通過致動器產生可能不利地影響設備操作的寄生 (spurious)磁場，從而不會影響設備的敏感性或操作。
管狀物330優選地具有至少10: l的長度直徑比。
圓盤板316優選地由陶瓷玻璃形成，并且中空圓盤殼體310由兩 個部件310a和310b形成。部件310b形成使圓盤313定位在腔室312 中的關閉面板，從而圓盤殼體310通過將板310b設置在適當的位置而 被關閉。
通過參考圖33和圖34，將描述實現桿41和42平衡的方式。設置 通過電容器400和401形成的一對位移傳感器，以實現兩個主要目的1. 為了測量各桿41 (和42)的殘余線性加速度敏感性，以在低 溫操作之前使桿利用參考圖24描述的平頭螺釘301而機械平衡；以及
2. 為了測量各桿41和42的感應線性加速度敏感性。
在其相應的殼體中的桿41和42在夾具(未示出)中旋轉36(T 。
這樣提供了為2gE的加速度范圍，所述范圍典型地比低溫下常規施加的
加速度大100倍。對電容器400和401典型的要求是能夠在1至20分 鐘的周期上檢測0.1 nm。由于桿41的旋轉將引起一個電容器400增大 而另一個電容器401減小相同的量(如圖33中所示)，而熱膨脹將引 起電容器400和401的輸出均增加，因此對各桿均要求有一對電容器 400和401，以提供對傳感器漂移的一些識別。盡管電容器不適用于低 溫的情況，但還是使用了電容器400和401，從而需要它們的部件是非 磁性的，以使得不會干擾梯度儀的操作，尤其是不會干擾其附近的超 導電路。
圖33示出了當桿41樞轉時，應用于電容器400的間隙減小，而 電容器401的間隙增大。
電容器400和401由桿41的表面41a (和另一桿42上相應表面) 和與表面41a隔開的第二板405形成。相應電容器400和401的板之間 的間隙必須典型地被分解(resolve)為約1 ppm。
圖34示出了應用于電容器400的校驗電路。用于另一電容器401 的電路是相同的。
電容器400形成具有感應器410的高Q值諧振電路。感應器410 和電容器400與電容器411和412并聯設置，并且通過電容器413連 接至放大器414。放大器414的輸出被提供至頻率計數器415并通過電 線416反饋至電容器412和411之間。從而電容器400確定放大器414 的操作頻率，可以以高精度讀出該操作頻率。如果桿41失衡，頻率計數器45將易于由于桿的失衡而漂移。這 可以通過將平頭螺釘301移入和移出如前所述的質量體直到獲得平衡
而調節。隨后，放大器414可以與頻率計數器415分離，這樣梯度儀 可以設置在杜瓦瓶1中，并且在圖34中示出的電路的其它部分位于適 當的位置。
由于在本發明的精神和范圍內的修改易于由本領域的技術人員實 現，因此應當理解本發明不限于上述通過實例方式描述的特定實施例。
在隨后的權利要求書以及前述的本發明的說明中，除非文本中利 用明確的語言或必要的暗示要求了另外的情況，否則措辭"包括"或 其各種變型(諸如"包含"或"含有")用于開放的含義，即指出在 本發明的各種實施例中存在所述特征，但不排除其它特征的存在或添 加。
權利要求
1.一種重力梯度儀，用于測量重力梯度張量的分量，所述重力梯度儀包括用于安裝杜瓦瓶的外部平臺；傳感器，其布置在用于低溫操作的所述杜瓦瓶中，從而測量重力梯度張量的分量；用于在所述杜瓦瓶中安裝所述傳感器的內部安裝架；第一反饋控制器，其用于監測所述外部平臺的擾動并產生力，以抵消所述外部平臺的運動從而穩定所述外部平臺；和內部反饋控制器，其用于監測在穩定所述外部平臺之后由于所述外部平臺的任何運動引起的所述內部平臺的擾動，以抵消所述內部平臺的運動并穩定所述傳感器。
2. 根據權利要求l所述的重力梯度儀，其中利用線性加速度計和 角加速度計感測由擾動引起的所述內部平臺的運動，以向所述控制器 提供反饋信號。
3. 根據權利要求l所述的重力梯度儀，其中所述內部安裝架包括 用于安裝所述傳感器以使其相對于三根正交軸線運動的安裝架，并且 所述控制器用于向致動器供給信號，以圍繞所述三根正交軸線中的任 何一根或者多根移動所述安裝架，從而穩定所述安裝架并由此穩定所 述傳感器。
全文摘要
在此公開了一種重力梯度儀，其具有桿(41和42)形式的傳感器，所述桿被支撐在具有第一安裝件(10)和第二安裝件(20)的安裝架(5)上。第一彎曲板(33)圍繞第一軸線樞轉地連結第一安裝件和第二安裝件。第二安裝件具有第一部件(25)、第二部件(26)和第三部件(27)。部件(25和26)通過第二彎曲板(37)連接，且部件(26和27)通過第三彎曲板(35)連接。桿(41和42)被設置在殼體(45和47)中，并且分別與殼體(45和47)一起形成整體式結構。殼體(45和47)連接至第二安裝件(20)的相對兩側。桿(41和42)通過彎曲板(59)與它們各自的殼體連接。
文檔編號G01V7/16GK101322048SQ200680045115
公開日2008年12月10日 申請日期2006年8月31日 優先權日2005年10月6日
發明者法蘭克·喬基姆·范肯, 約翰·溫特費拉德 申請人:技術資源有限公司