致动器和重力梯度仪的制作方法

专利名称：致动器和重力梯度仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种致动器和重力梯度仪，并且尤其是(但不限于) 涉及一种航空用重力梯度仪。本发明可特别地用于测量重力梯度张量 的对角分量和非对角分量。
背景技术：
重力仪在地址勘探中被广泛地使用，以测量地球重力场的一阶导 数。由于将重力场的空间变化与运动体加速度的暂时波动区分开是比 较困难的，因此尽管在发展能够测量地球重力场的一阶导数的重力仪 方面已经存在一些进展，然而通常只对地上固定设备才能够进行这些 测量并获得用于有效勘探的足够的精度。
重力梯度仪(与重力仪相区别)被用于测量重力场的二阶导数， 并且其使用测量降低至标准重力的1012分之一的重力之间的差值所需 的传感器。
典型地这种设备用于试图定位诸如包括铁矿和含烃地质构造的矿 床之类的沉积物。
由本申请人的公司部分地拥有权利的国际公开WO90/07131披露 了一种重力梯度仪。所述梯度仪包括常平架轴承装置，所述常平架轴 承装置包括三个同心环，在常平架轴承装置中安装有传感设备。所述 传感设备通常包括两个分别位于屏蔽壳体中的、间隔开的杆，并且每 个杆均安装在板轴承(web bearing)上。该申请所披露的设备具有较为 难解决的问题之处在于其包括大量部件并且相对较重，这在航空应用 方面尤为不利。上述类型的重力梯度仪在低温环境中操作并且利用超导电路和材 料。为了确保超导电路正确运行，有必要确保寄生磁通量不会在超导 电路中引起将导致错误测量的电流。

发明内容
本发明提供一种重力梯度仪，其用于测量重力梯度张量的分量， 所述重力梯度仪包括
用于测量重力梯度张量的分量的传感器；
用于支撑传感器的安装架，该安装架提供围绕三根正交轴线的运
动；
多个致动器，用于在使用重力梯度仪期间围绕三根轴线移动安装 架以稳定安装架的定向；
每一个致动器均包括用于联接到安装架和重力梯度仪的固定部分 中的一个的第一壳体部分；
用于连接到安装架和固定部分中的另一个的可移动构件；
至少一个线圈；
反应构件，其由壳体部分和可移动构件中的一个所携带，从而当 线圈接收到信号时，反应构件相对于线圈移动，进而相对于壳体部分 移动可移动构件，并且因此相对于固定部分移动安装架；并且
其中致动器具有细长通道，用于将磁通量从致动器的泄漏最小化。
优选地，设置直线和角加速度计以用于探测由于角加速度引起的 传感器的运动，从而产生用于抵消由那些加速而引起的误差的信号。
优选地，致动器抵消由传感器的角度扰动引起的误差。
优选地，致动器减小角运动以进一步减小由于离心力或者角加速 度引起的误差。本发明的这个方面提供一种致动器，用于产生力以相对于另一个 构件而调节一个构件的位置，该致动器包括
用于联接到所述一个构件和另一个构件中的一个的第一部分； 用于连接到所述一个构件和另一个构件中的另一个的可移动构
件；
至少一个线圈，其由所述第一部分和可移动构件中的一个所携带， 从而当线圈接收到信号时，可移动构件相对于第一部分移动，进而相 对于第二部件移动第一部件；并且
其中致动器具有细长通道，用于将磁通量从致动器的泄漏最小化。
因此，根据本发明的这个方面，致动器可与一种器械一起使用， 在该器械中需要考虑磁通污染以将可能不利地影响器械操作的寄生磁 场最小化。
优选地，可移动构件具有通道。
优选地，通道具有管道的形式。
优选地，管道的长度与最大宽度之比为大约10: 1。 优选地，管道具有基本圆形的截面。
优选地，第一部分具有位于通道中的杆，以容纳用于向线圈供电 从而启动线圈的引线。
优选地，线圈是扁平线圈。
优选地，可移动部分是支撑管道的中空圆盘壳体。
优选地，第一部分是位于中空圆盘壳体中的圆盘板，圆盘板支撑管道中的杆，线圈位于圆盘板上，杆被连接到一个部件，并且圆盘壳 体被连接到另一个部件。


现将通过实例的方式参考附图描述本发明的优选实施例，附图中 图1为本发明的一个实施例的梯度计的示意图2为构成优选实施例的梯度仪的安装架的一部分的第一安装件 的立体图3为安装架的第二安装件的视图； 图4为从图3的安装件的下侧观察的视图； 图5为沿图3线IV-IV剖开的剖视图； 图6为沿图3的线V-V剖开的剖视图； 图7为组装结构的视图8为示出了安装在常平架结构上的传感器的视图9为优选实施例的杆的平面图IO为示出了致动器控制的视图11为示出了可旋转支撑系统的操作的方框图12为优选实施例的梯度仪的视图13为第二实施例的第一安装件的视图14为图13的安装架的一部分的视图，其中示出了第一安装件 的弯曲板的位置和范围；
图15为从下方观察的图13的安装架的视图16为图13的安装架的视图，其中包括第二实施例的第二安装
件；
图17为穿过图16中示出的组件的剖面图18为从图17中示出的部分的下方观察的视图19为从第二实施例的第二安装件的下方观察的视图20为从上方观察的图19的第二安装件的视图21为第二实施例的第二安装件的分解视图22为根据第二实施例的组装的安装架和传感器的视图；图23为梯度仪的立体图，其中去除了一些外真空容器； 图24为根据本发明的又一实施例的用于支撑杆的壳体的平面图； 图25为图24的壳体的一部分的更详细的视图； 图26为在优选实施例中使用的转换器的视图； 图27为与图25类似的视图，但其中示出了位于适当位置的图26 的转换器；
图28为图29和图30的电路的辅助说明的视图； 图29为涉及本发明的优选实施例的电路图，其中特别示出了使用 一个传感器作为角加速度计的情况； 图30为频率调整电路；
图31为根据本发明的一个实施例的穿过致动器的剖面图； 图32为图31的致动器的一部分的视图33为示出了优选实施例的梯度仪的传感器的平衡的视图；以及 图34为当平衡梯度仪时使用的校准传感器的电路图。
具体实施例方式
图1根据本发明的优选实施例的重力梯度仪的示意图。
如图1中所示的梯度仪包括双壁杜瓦瓶1，其被支撑在外部平台2 中。外部平台2能够相对于三个正交轴线调节杜瓦瓶以及从而调节杜 瓦瓶的内容物。外部平台2通常是公知的，并且其由适当的马达等进 行调节也是公知的。因此，将不提供详细的说明。
真空容器3设置在杜瓦瓶中，并且杜瓦瓶供应有诸如流体氦He 之类的液化气，这样梯度仪可以在低温下操作。杜瓦瓶1由端板4闭 合，端板4包括用于连接电导线(未示出)与外部部件(未示出)的 连接器5a。
容器3由端板9闭合，端板9包括用于连接电导线(未示出)与 连接器5a的连接器5b。梯度仪具有主壳体61，其形成在十二面环62和半球形圆顶63之间(参见图12)。内部安装架5连接至环62。环 62承载支架65，其中馈通凸缘9连结至支架65。在容器3的上方设有 颈塞11，其由将泡沫塑料体lib夹在中间的挡板lla形成。挡板lla 被支撑在中空棒93上，中空棒93延伸至容器3并且还用于对容器3 抽真空。
参考图2，梯度仪的可旋转的安装架5 (图7)的第一安装件10 示出为包括基底12和直立周壁14。周壁14具有多个切除部16。基底 12支撑集线器18。
图3和图4示出了第二安装件20，其包括周壁22和顶壁24。周 壁22具有用于将安装件连结至壳体61的四个凸耳13。顶壁24和周壁 22限定开口 28。周壁22具有第一部件25、第二部件26和第三部件 27。第二安装件20为集成整体式结构，并且第一部件25通过在除了 形成弯曲板处之外的位置形成经过周壁的环形割线19而形成，这将在 下文中进行描述。第三部件27通过在除了形成弯曲板处之外的位置形 成经过周壁22的第二环形割线29而形成，这也将在下文中进行描述。 通过将集线器18定位在开口 28中，并且使凸耳13穿过相应地切除部 16而使第二安装件20安装在第一安装件10上，如图7中所示。
第一安装件10结合至第二安装件20。第一弯曲板31形成在第一 安装件10中，这样安装件10的主安装部分可以围绕板31相对于安装 件10的次安装部枢转。这些将参考图13至图21中示出的第二实施例 进行更详细地描述。
凸耳13将安装架5连接在容器3中，而容器3位于杜瓦瓶1中， 以低温操作梯度仪。
而杜瓦瓶安装在第一外部平台中，以引起对梯度仪的围绕三个正 交x、 y、 z轴线的旋转控制。安装架5安装传感器40 (其将在下文中更详细的描述并且其优选为质量四极距形式)，以对围绕x、 y和z轴 线的旋转进行更精细地旋转调节，从而在测量过程中使梯度仪稳定， 在梯度仪机载时尤为如此。
第一弯曲板31允许第一安装件10围绕图7中示出的z轴线相对 于第二安装件20运动。
图5和图6分别为沿线IV和V(它们依次为沿图3中示出的割线 19和29)剖开的视图。周壁22可以由诸如线切割器之类的任何适当 的切割设备进行切割。图5示出了由割线27形成的底表面19a，如从 图3和图5中表现出的，割线27具有两个倒置的v形峰34，峰34的 顶点未被切割，从而形成第二弯曲板33，其将第一部件25结合至第二 部件26。因此，第二部件26能够围绕图7中的x轴线相对于第一部件 25枢转地旋转。第二割线29在图6中示出，并且再次地可以看到通过 割线29形成的底表面29a。再次地，第二割线29形成两个v形峰35 并且峰35的顶点未被切割，从而形成第三弯曲板37，其将第二部件 26结合至第三部件27。因此，第三部件27能够围绕图7中的y轴线 枢转地旋转。
图8示出了安装在安装架上的传感器40。传感器40为由第一质量 块和第二质量块形成的正交四极响应器一OQR传感器，第一质量块和 第二质量块的形式为第一杆41和第二杆42 (在图8中未示出)，其中 第二杆42与第一杆41正交并且具有与第一杆相同的形状。
杆41形成在第一壳体45中，并且杆42形成在第二壳体47中。 杆41和壳体45的关系与杆42和壳体47的关系类似，其区别仅在于 一个杆相对于另一个杆旋转90° ，这样所述杆彼此正交。因此，仅仅 描述壳体45。
壳体45具有端壁51和周边侧壁52a。端壁51通过螺钉等(未示出)连接至第一安装件IO的壁14的轮缘75 (图2和图7)。杆41通 过在壁51中的割线57而形成，其中将杆41结合至壁51的第四弯曲 板59处未受到切割。在图9中的杆41的俯视图中放大地示出了弯曲 板。因此，杆41能够响应重力场的变化，相对于壳体45枢转。杆42 以与上述相同的方式进行安装，并且还可以响应重力场的变化围绕第 五弯曲板59相对于其壳体47枢转。壳体47连接至第一安装件10的 基底12 (图2)。
杆41和壳体45与弯曲板59 —起为集成整体式结构。
设置变换器71 (在图2至图6中未示出)用于测量杆的移动，并 且用于产生指示移动量的输出信号以及由此产生指示通过杆感测的重 力场中差值的测量的输出信号。
图10为示出了通过围绕三个正交轴线(x、 y、 z)旋转安装架5 而使得梯度仪稳定的致动器控制的示意性方框图。可以为计算机、微 处理器等的控制器50输出信号至致动器52、 53、 54和55。致动器52 可以围绕x轴线旋转安装架5，致动器54可以围绕y轴线旋转安装架 5，并且致动器54可以围绕z轴线旋转安装架5。然而，在优选的实施 例中，四个致动器52、 53、 54和55中的两个致动器被用于围绕各轴 线旋转安装架，这样围绕各轴线的旋转由通过两个致动器提供的两个 线性运动的结合而引起。通过各致动器提供的线性运动将参考图31和 图32进行描述。安装架5的位置被监测，这样可以向控制器50提供 适当的反馈并且向致动器提供适当的控制信号以旋转支架10，这是在 空中运动的过程中(在航空器内或者在航空器的后部拖拽)稳定支架 所需要的。
优选的实施例还包括角加速度计，其形状与杆41和杆42类似， 但是区别在于角加速度计的形状可以针对零值四极矩进行调节。线加 速度计是简单的摆动装置，其中单个微枢转用作弯曲铰链。图11为用在优选实施例中的反馈控制的视图。
图12为待安装在杜瓦瓶1中以进行低温操作的梯度仪的剖开的视 图，而杜瓦瓶1被安装在外部平台中。尽管图2至图8示出了顶部和
底部具有杆41和杆42的梯度仪，然而设备实际上向其一侧旋转(90 ° )，这样杆41和杆42最终如图12中所示。
图12示出了安装架5，其设置在壳体61中并且通过环62和透明 半球形圆顶63形成。环62具有连接器69，所述连接器69用于将设置 在壳体61中的转换器71 (参见图8)和SQuID (超导量子干涉设备) 电子技术的内部线路连接至连接器5b (图1)。
转换器71测量杆41和杆42的位移角，并且控制电路(未示出) 被构造为测量它们之间的差值。
可以基于来自加速度计和温度传感器的数字信号数字化地执行误 差修正。
转换器71为SQuID基转换器，并且误差修正可以通过SQuID基 转换器的大动态范围和线性得以实现。
图13至图21示出了第二实施例，其中类似的部分表示与上述类 似的部件。
在本实施例中，第一安装件IO具有有效地形成用于容纳凸耳(未 示出)的槽口 (slot)的切除部80，所述凸耳在切除部80中连接至安 装件IO，并且也连接至第二安装件20，如图19至图21所示。在本实 施例中，凸耳为分离部件，与从第二安装件20 (其形成第二弯曲板33 和第三弯曲板37)中切割出相比，这样凸耳可以被制造得更小和更易于制造。
在图13中，割线87用于限定集线器18的部分18a。割线87在 88处随后沿径向向内延伸，并且随后包围中间部分18c，如通过割线 101所示。割线101随后沿切割线18d和18e进入中间部分18c，以限 定中芯18f。中芯18f通过作为切割线18e和18d之间的未被切割的部 分的弯曲板31连接至中间部分18c。由此，部分10a形成安装架10的 主安装部分，除了部分18a通过弯曲板31与部分10a结合之外，安装 架的主安装部分与安装架IO的次安装部分10a分离。部分18a有效地 形成允许部分18a相对于部分10a沿z方向围绕弯曲板31旋转的轴线。
如图14中所示，切割线88从图14中示出的上端至下端向外倾斜， 并且中芯18c以相应的形状向外倾斜，如图17最佳所示。
如从图13至图18所显示的，第一安装件10为八角形而非圆形， 与前面实施例相同。
图19至图21示出了第二安装件20。图16示出了安装在第一安装 件10中的第二安装件20。如图19和图20最佳所示，第二安装件20 具有与切除部80对齐以容纳凸耳(未示出)的切除部120。凸耳能够 通过穿过凸耳并进入螺栓孔121中的螺栓而螺栓连接至第二安装件20。 在安装件20固定至第一安装件10之前，凸耳(未示出)即安装至安 装件20。
在图19和图20的实施例中，峰34和倒置峰35被扁平化，而不 是如前面实施例中的V形。
在本实施例中，顶壁24设有中心孔137和两个附连孔138a。三个 较小的孔139a设置为如果需要拆卸，则便于将壳体45推离部分18a。 当第二安装件20位于第一安装件10中时，中间部分18c的上部突出穿过孔137，如图16最佳所示。这样，安装件20能够通过穿过孔138并 接合在部分18a中的孔139b(参见图13)中的紧固件连接至安装件10。
由此，当第一壳体45及其关联杆41被连接至壳体10的轮缘75 且第二壳体47连接至基底12时，壳体45和47及其关联杆41和42 由此能够围绕由弯曲板31、弯曲板33和弯曲板37限定的三个正交轴 线而移动。
如图21最佳所示，其中图21为构成第二安装件20的三个部件25、 26和27的分解图，通过孔137、孔138和孔139形成的开口延伸穿过 安装件20。应当理解，在图21中示出的安装件20具有整体式结构， 并且仅通过分解视图示出，以清晰地示出弯曲板33和35的位置。显 然，图21中示出的弯曲板33与部件26结合，并且图21中示出的弯 曲板35与部件27结合。孔137、 138和139限定一通道，当第二安装 件20位于第一安装件10中时，第一安装件10的轴线或第一部分18a 可以延伸穿过该通道。
由此，当第二安装件20固定至部分18a时，第二安装件20能够 围绕由弯曲板31限定的z轴线与第一安装件10的第一部分10a—起枢 转，同时由部分18a形成的第二部分保持固定。如上所述，通过第二安 装件20围绕弯曲板33和35的枢转运动可以获得围绕x轴线和y轴线 的运动。
图22示出了固定至壳体45和47的线性和角加速度计90。
重力梯度在具有任何质量分布的刚性体上施加扭矩(假定其具有 非零值四极矩)。对在x-y平面中和围绕z轴线枢转的平面物体而言， 四极为沿x和y方向的惯性矩之间的差值。由此，正方形或圆形具有 零值四极矩，同时长方形具有非零值的四极矩。所产生的扭矩为构成由梯度仪测量的信号。
存在也能够产生扭矩和由此成为误差源的两个动态干扰。
首先是线性加速度。
如果质心并非恰好位于转动中心，即杆是失衡的，则产生转矩。 杆41和42尽可能地平衡(利用平头螺丝来调节质心的位置)，然而 这并非是足够的，因此存在残余误差。这种误差可以通过测量线性加 速度并且利用此来数字化地除去信号的错误部分而进行修正。
其次是角运动。
在角运动上存在两个方面，每一方面均产生不同的误差。 第一方面为角加速度。
角加速度通过其惯性矩(即使四极矩为零)在质量分布上产生扭 矩。这是巨大的误差，并且采用两种优先选用的技术来与此抵消。
首先是使用内旋转稳定性。这在图io的方框图中进行了描绘。在 此，Ho(s)表示围绕安装件5枢转的传感器组件(根据图9)。模块A(s)
表示致动器，其提供了反馈扭矩，以通过抵消所施加的干扰来实现平
稳。T(s)表示测量所施加的干扰的效果的传感器(或转换器)。这是角 加速度计。在旋转控制中利用角加速度计是不常见的，通常使用陀螺 仪和/或高阻尼倾斜仪，但是为了实现我们的目的，由于误差与角加速 度干扰成比例，因此角加速度计是更优的。
其次是使用共模抑制CMRR，为此需要使用两个正交杆。对这两 个杆而言，由角加速度产生的误差扭矩为沿相同的方向，而由重力梯度产生的信号扭矩位于相反的方向。
而且，通过测量两个杆之间的偏差，感测梯度但不感测角加速度。
为此，提供两个分离的角加速度计90 (在图22中标示为90'，以 易于识别)。我们这里具有来自所述对OQR杆41和42的两个独立的 输出信号。给出了梯度信号的第一信号与偏差成比例，并且与角加速 度成比例且提供给用于z轴线旋转控制的传感器的第二信号与偏差之 和成比例。
x轴线和y轴线要求分离的角加速度计。由于两个杆的枢转轴线并 非完全平行，因此要求围绕这些轴线的旋转稳定性，以及要求抵消由 角度干扰产生的第二形式的误差，这将在下文中讨论。
第二方面为角速度。
角速度产生离心力，所述离心力也为误差源。通过致动器提供的 内旋转稳定性降低了角运动，这样误差低于l厄缶。
图23示出了主体61和连接器69，其中去除了半球形圆顶。
图24为根据本发明的又一实施例的壳体45的平面图。如从图24 中显示出的，壳体45为圆形而不是如图8的实施例示出的八角形的。
壳体45以与通过位于杆41的质心的弯曲板59描述的方式相同的 方式支撑杆41。杆41为人字形(chevron)，尽管人字形与前述实施 例的形状略微不同，且具有与弯曲板59相对的更为圆滑的边缘41e以 及毗邻弯曲板59的槽形壁部41f、 41g和41h。杆41的端部具有螺纹 孔300，所述螺纹孔300容纳可以为诸如平头螺钉之类的插塞形式的螺 纹构件301。在壳体45的周壁52a中，孔300与孔302对准。孔302能够通过螺丝起子或其它工具接近插塞301，这样插塞301能够被旋钮
入或旋钮出孔300，以调节插塞301在孔中的位置，进而平衡质量体 41，从而使得重心位于弯曲板59。
如图24中所示，孔300与图24中的水平方向和垂直方向成45° 角。由此，在图24中示出的两个孔302彼此相对成直角。
图24还示出了用于容纳转换器71的开口 305，所述转换器71用 于监测杆41的运动并产生传送至SQUID设备的信号。典型地，转换 器为线圈的形式，并且当杆41由于杆端部之间的重力差而略微移动时， 电容发生变化，其改变线圈中的电流，从而提供指示杆41的移动的信
号
图25为图24的壳体一部分的更详细的视图，其中示出了开口 305。 如从图25中可看出的，开口 305具有形成凹槽402的肩部401。弹簧 403毗邻表面406设置。
图26示出了转换器71。转换器71通过为基本方形的、具有圆形 凸台407的玻璃陶瓷板410形成。线圈408围绕凸台407缠绕，并且 可以通过树脂等保持在适当的位置。线圈408可以为多层线圈或者为 单层线圈。
图27示出了板410在开口 305中的位置，其中板位于凹槽402中， 并且通过弹簧403偏压向肩部401，以将板410保持在适当的位置，并 且线圈408毗邻杆41的边面41a。
因此，线圈408和杆41形成lc电路，这样当杆41移动时，经过 线圈408的电流变化。
如从图24中显示出的，四个转换器71设置为毗邻杆41的端部。其它壳体47也具有毗邻杆42设置的四个转换器。由此，在梯度仪中
设有八个转换器71。
图28为杆41和42的图表，示出了处于其使用构造中的杆41和 42。位于开口 305中的转换器通过附图标记71a至71e示出，以与图 29和图30的电路图等同。
参考图29和图30，与杆41相关的转换器71a和71b和与杆42 相关的转换器71g和71e被用于提供重力梯度测量。
输入端子361向图29中示出的超导电路提供输入电流。设置可以 为电阻362的形式的制热开关，其用于初始设定电路中的超导电流。 制热开关362初始开启非常短的时间周期，以加热电路中设置有电阻 362的这些部分，从而防止电路的这些部分形成超导。随后，可以将电 流施加在超导电路上，并且当由电阻362形成的制热开关被关闭时， 电路的相关部分再次变成超导，这样，电流可以流通穿过经历由杆41 和42的运动(其是在重力梯度和角加速度的影响下产生的)导致的任 何变化的电路，如将在下文中所描述的。
转换器71a、 71b、 71g和71e并联至电路线365和电路线366，其 中该电路线365和电路线366连接至SQUID367。
因此，当杆41和42围绕其相应的弯曲板旋转时，例如，杆41和 42分别更加靠近转换器71a从而进一步远离转换器71b，同时更加靠近 转换器71h从而进一步远离转换器71g。从而改变了流过转换器的电流， 并且这些电流被有效地除去，以提供用于提供重力梯度测量的信号。
如图31中所示，转换器71c和71d形成分离的电路，并且用于杆 41和转换器71a和71b的频率调节。类似地，转换器71e和71f用于 杆42和转换器71g和71h的频率调节。由于杆应当是相同的以阻止角加速度，因此杆的频率调节是非常重要的。因此频率调节电路能够使 得杆进行电调节以匹配谐振频率并且获得模抑制，这样，各杆以相同 的方式运作。
转换器71a、 71b、 71g和71h也用于形成用于测量安装架5的角 运动的角加速度计，这样可以提供反馈信号来补偿所述角运动。
为此，电线366连接至变压器370。在梯度被测量的情况下，来自 转换器71a、 71b、 71g和71h的信号的极性反转，这样电线371和372 上的转换器370的输出是对信号的添加而不是删减，这样，信号的添 加给出了杆的角运动的测量。输出371和372连接至应用于提供角加 速度的测量的SQUID设备375，所述角加速度的测量可以被用在图10 的电路中，以提供稳定安装架5的补偿信号。
因此，根据本发明的优选实施例，角加速度计90'提供例如围绕x 轴线和y轴线的角加速度的测量，并且角加速度计通过杆41和杆42 形成，并且转换器71a、 71b、 71g和71h提供例如围绕z轴线的角加速 度计的测量。
图31和图32示出了用于接收控制信号的致动器，以响应安装架5 的角运动调节安装架。
图31和图32中示出的致动器通过附图标记52、 53、 54和55示 意性地在图10中示出。所有的致动器均为相同的，并且图31和图32 将参考围绕在图10中示出的x轴线进行调节的致动器52进行描述。
在图31中示出的致动器52具有中空圆盘壳体310，其具有用于将 圆盘壳体310连接至安装架5的安装托架311。从而中空圆盘壳体310 限定内部腔室312，在内部腔室312中设有圆盘313形式的线圈支撑板。 圆盘313具有宽集线器部314和两个环形表面315和316，其上，线圈的绕组Wl和W2围绕集线器314缠绕。
圆盘313的外周也设有径向孔径319和与孔径319相通的孔320。 孔321设置在集线器314处并与孔径319相通，并且延伸至位于管状 物330中的中空棒328。棒330固定至圆盘313并且还支撑固定至主体 61 (在图31中未示出)的框架340。管状物330连接至圆盘壳体310， 以使圆盘壳体310相对于圆盘313、棒328和框架340运动。
设置在表面315上的绕组Wl具有导线331，其穿过孔320并且随 后穿过孔径319至孔321，且进而穿过管状物328至右侧，如图31中 所示。来自绕组W1的另一端的导线332穿过孔321和中空棒328，并 且也达到右侧，这样电流可以通过导线331和332被供应至绕组Wl。
设置在表面316上的第二绕组W2具有导线333，其穿过径向孔 334和圆盘313中的孔径345，并且随后穿过孔337至管状物328，并 且到达图31中的左侧。绕组W2的另一端具有导线338，该导线338 穿过孔337进入管状物328并到达图31中的左侧。由此，电流可以通 过导线333和338流通穿过绕组W2。
当绕组Wl和W2被通电或穿过绕组的电流变化时，圆盘壳体310 相对于圆盘313和框架340运动，并且由于圆盘壳体310通过托架311 连接至安装架5，因此在致动器52中，安装架5被调节。圆盘壳体310 的运动为沿管状物330和棒328的轴线方向基本纵向运动(即线性运 动)。为了利于这种运动，在棒330的端部和框架340之间，以及在 圆盘313附近设有间隙。托架331相对于弯曲板(例如弯曲板37)偏 移，这样，壳体310的运动向安装架5的第一部件25施加转矩，以使 部件25围绕弯曲板37旋转。
在本发明的优选实施例中，设置四个致动器以提供围绕各种轴线 和弯曲板的实际调节，并且致动器响应自角加速度计接收的信号进行综合操作，以保持梯度仪使用时安装架5稳定。
为了梯度仪的低温操作，前述的安装架5、壳体45和47、杆41 和42、中空圆盘壳体310、线圈、和电导线均由诸如铌之类的超导材 料制成。
在本发明的梯度仪并非低温操作的实施例中，所述部件可以由诸 如铝之类的其它材料制成。
角加速度计90'具有零值四极矩，这意味着质心与弯曲板一致，从 而角加速度计90'对重力梯度和离心力均不敏感。也可以设置线性加速 度计90"(图22)。线性加速度计9(T'并不施加有源补偿，而是可以 施加对最终测量的梯度数据的修正。由此，涉及线性加速度的数据能 够被记录并且可以用在随后的处理中。
杆41和42中的一个或两个也可以用作角加速度计，以提供安装 架5的角运动的测量，这样能够产生适当的反馈信号，以通过前述的 致动器的控制对所述运动进行补偿。
在优选的实施例中，四个角加速度计被设置成其中两个角加速度 计由杆41和42形成。使用四个彼此相对以45。角设置的加速度计能 够在任何时刻通过由两个或更多的致动器提供的扭矩而围绕x轴线、y 轴线和z轴线进行调节。
圆盘310防止来自绕组Wl和W2的磁通从致动器泄漏，并且由 于导线331、 332、 333和338通过细长的管状物330而离开致动器， 因此磁通穿出致动器的能力基本上被预防。
因此，不会通过致动器产生可能不利地影响设备操作的寄生 (spurious)磁场，从而不会影响设备的敏感性或操作。管状物330优选地具有至少10: l的长度直径比。
圆盘板316优选地由陶瓷玻璃形成，并且中空圆盘壳体310由两 个部件310a和310b形成。部件310b形成使圆盘313定位在腔室312 中的关闭面板，从而圆盘壳体310通过将板310b设置在适当的位置而 被关闭。
通过参考图33和图34，将描述实现杆41和42的平衡的方式。设 置通过电容器400和401形成的一对位移传感器，以实现两个主要目
的
1. 为了测量各杆41 (和42)的残余线性加速度敏感性，以在低 温操作之前，使杆利用参考图24描述的平头螺钉301而机械平衡；以 及
2. 为了测量各杆41和42的感应线性加速度敏感性。
在其相应的壳体中的杆41和42在夹具(未示出)中旋转36(T 。 这提供了为2gE的加速度范围，所述范围典型地比低温下常规施加的加 速度大100倍。对电容器400和401典型的要求是能够在1至20分钟 的周期上检测0.1 nm。由于杆41的旋转将引起一个电容器400增大而 另一个电容器401减小相同的量(如图33中所示)，而热膨胀将引起 电容器400和401的输出均增加，因此对各杆均要求有一对电容器400 和401，以提供对传感器漂移的一些识别。尽管电容器不适用于低温的 情况，但仍然使用了电容器400和401，从而它们的部件需要是非磁性 的，以使得不会干扰梯度仪的操作，并且尤其是不会干扰其附近的超 导电路。
图33示出了当杆41枢转时，应用于电容器400的间隙减小，并 且电容器401的间隙增大。电容器400和401通过杆41的表面41a(和另一杆42上相应表面) 和与表面41a间隔开的第二板405形成。相应电容器400和401的板之 间的间隙必须典型地被分解为约1 ppm。
图34示出了应用于电容器400的校验电路。用于另一电容器401 的电路是相同的。
电容器400形成具有感应器410的高Q值谐振电路。感应器410 和电容器400与电容器411和412并联设置，并且通过电容器413连 接至放大器414。放大器414的输出被提供至频率计数器415并通过电 线416反馈至电容器412和411之间。从而电容器400确定放大器414 的操作频率，其可以高精度被读出。
如果杆41失衡，频率计数器45将易于由于杆的失衡而漂移。这 可以通过将平头螺钉301移入和移出如前所述的质量体直到获得平衡 而调节。随后，放大器414与频率计数器415分离，这样，梯度仪可 以设置在杜瓦瓶l中，并且在图34中示出的电路的其它部分位于适当 的位置。
由于在本发明的精神和范围内的修改易于由本领域的技术人员实 现，因此应当理解本发明不限于上述通过实例方式描述的特定实施例。
在随后的权利要求书中以及前述的本发明的说明中，除非文本中 利用明确的语言或必要的暗示要求了另外的情况，否则措辞"包括" 或其各种变型(诸如"包含"或"含有")用于开放的含义，即之处 在本发明的各种实施例中存在所述特征，而不是排除其它特征的存在 或添加。
权利要求
1.一种重力梯度仪，其用于测量重力梯度张量的分量，所述重力梯度仪包括用于测量重力梯度张量的分量的传感器；用于支撑所述传感器的安装架，所述安装架用于提供围绕三根正交轴线的运动；多个致动器，用于在使用所述重力梯度仪期间围绕所述三根轴线移动所述安装架，以稳定所述安装架的定向；每一个致动器均包括用于联接到所述安装架和所述重力梯度仪的固定部分中的一个的第一壳体部分；用于连接到所述安装架和所述固定部分中的另一个的可移动构件；至少一个线圈；反应构件，所述反应构件由所述壳体部分和所述可移动构件中的一个携带，从而当所述线圈接收到信号时，所述反应构件相对于所述线圈移动，进而相对于所述壳体部分移动所述可移动构件，并且因此相对于所述固定部分移动所述安装架；并且其中所述致动器具有细长通道，用于将磁通量从所述致动器的泄漏最小化。
2. 根据权利要求l所述的重力梯度仪，其中，设置线性加速度计 和角加速度计以用于探测由于角加速度引起的所述传感器的运动，从 而产生用于抵消由那些加速度所引起的误差的信号。
3. 根据权利要求l所述的重力梯度仪，其中，所述致动器抵消由 所述传感器的角度扰动引起的误差。
4. 根据权利要求l所述的重力梯度仪，其中所述致动器减小角运 动，以进一步减小由于离心力或角加速度引起的误差。
5. —种致动器，用于产生力以相对于另一个部件调节一个部件的 位置，所述致动器包括用于联接到所述一个部件和另一个部件中的一个的第一部分； 用于连接到所述一个部件和另一个部件中的另一个的可移动构件；至少一个线圈，其由所述第一部分和所述可移动构件中的一个所 携带，从而当所述线圈接收到信号时，所述可移动构件相对于所述第 一部分移动，进而相对于所述第二部件移动所述第一部件；并且其中所述致动器具有细长通道，用于将磁通量从所述致动器的泄 漏最小化。
6. 根据权利要求5所述的致动器，其中所述可移动构件具有通道。
7. 根据权利要求5所述的致动器，其中所述通道具有管道的形式。
8. 根据权利要求7所述的致动器，其中所述管道的长度与最大宽 度之比为大约10: 1。
9. 根据权利要求7所述的致动器，其中所述管道具有基本圆形的 截面。
10. 根据权利要求5所述的致动器，其中所述第一部分具有位于 所述通道中的杆，以容纳用于向所述线圈供电从而启动所述线圈的引 线。
11. 根据权利要求5所述的致动器，其中所述线圈是扁平线圈。
12. 根据权利要求7所述的致动器，其中所述可移动部分是支撑 所述管道的中空圆盘壳体。
13.根据权利要求12所述的致动器，其中所述第一部分是位于所 述中空圆盘壳体中的圆盘板，所述圆盘板支撑所述管道中的所述杆， 所述线圈位于所述圆盘板上，所述杆被连接到所述一个部件，并且所 述圆盘壳体被连接到所述另一个部件。
全文摘要
在此公开了一种重力梯度仪，其具有杆(41和42)形式的传感器，所述杆被支撑在具有第一安装件(10)和第二安装件(20)的安装架(5)上。第一弯曲板(33)围绕第一轴线枢转地连结第一安装件和第二安装件。第二安装件具有第一部件(25)、第二部件(26)和第三部件(27)。部件(25和26)通过第二弯曲板(37)连接，且部件(26和27)通过第三弯曲板(35)连接。杆(41和42)被设置在壳体(45和47)中，并且分别与壳体(45和47)一起形成整体式结构。壳体(45和47)连接至第二安装件(20)的相对两侧。杆(41和42)通过弯曲板(59)与它们各自的壳体连接。
文档编号G01V7/16GK101322046SQ200680044956
公开日2008年12月10日 申请日期2006年8月31日 优先权日2005年10月6日
发明者法兰克·乔基姆·范肯, 约翰·温特费拉德 申请人:技术资源有限公司