一种重力传感器及电子重力仪的制作方法

本发明涉及智能测控装置技术领域，具体涉及一种重力传感器及电子重力仪。

背景技术：

重力仪是地球物理勘查和地球重力场信息观测的基本手段。在油气田与煤田等能源的勘查、金属与非金属矿产资源的勘查、地质灾害观测、以及地球重力场的测量、固体潮观测、地壳形变观测、地震预报观测等领域均有广泛的用途；在国防建设方面，重力场信息也是一项极其重要的基础资料。从有关资料了解，目前国外重力测量装备主要是用于矿藏勘探、火山勘察、地震预报及区域重力研究

通过国内外几种相对重力仪分析，从性能上大致可分为两大类，第一类是手动测量机械式重力仪，属于第一代产品。第二类重力仪为电子重力仪。第一代设备与新一代先进的电子重力仪相比已经落后，存在较多不足之处：一是精度低；二是手动测量模式，速度慢、计算复杂；三是温度对设备影响较大。电子重力仪有效解决了机械式重力仪重力传感器无法输出数字重力信号、无法形成电信号反馈等问题，也一定程度上解决了温度、气压、安置状态等方面对于检测精度的影响，例如专利号201610305130.5公开的高精度电子重力仪，采用数据转换与采集系统可以高灵敏度、高分辨率地测出微小重力变化，能够实现高速(60个数/秒)全自动(自动采集、自动补偿、自动储存)的数据采集和处理，检测精度达到10-30微伽。

电子重力仪的核心部件是重力传感器，目前的重力传感器虽然在使用便携性和检测精度方面已经取得了一定的进步，但仍然存在可改进的空间，例如牢固性和稳定性、结构复杂性、测量精度等。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种结构简化、牢固度增强、稳定性增强的重力传感器，尤其适用于电子重力仪。

本发明的另一目的是提供一种包括该重力传感器的电子重力仪。

以下详述本发明的技术方案：

本发明提供的重力传感器，包括底框，摆框、扭丝、连接杆、弹簧、上定极板、下定极板、极板支架、动极板、限位块、限位器和限位器支架；底框，摆框、扭丝、连接杆、弹簧、上定极板、下定极板、极板支架、动极板和限位器支架采用石英材料制作；其中，

所述底框与摆框连接，摆框上部连接扭丝，扭丝通过连接杆连接动极板，动极板连接限位块，限位块在限位器调节范围内移动，限位器通过限位器支架与底框连接；

上定极板和下定极板平行设置并分别通过极板支架与底框连接，动极板位于上定极板和下定极板两平面之间形成的限位空间内；

弹簧一端连接动极板，另一端连接底框；

所述扭丝、连接杆、上定极板、下定极板和动极板表面均有导电膜。

该重力传感器，上定极板、下定极板和动极板组成一套差动电容，通过导电膜传递电信号，实现三个电容器极板构成差动电容式的电容测微器。仅使用一根弹簧，通过与动极板连接，利用弹簧弹性特性使动极板达到平衡，简化了结构。扭丝将动极板与摆框连接，当动极板上下移动时，扭丝随即产生扭转，在整个系统中起到旋转轴的作用。动极板通过限位块在限位器调节范围内移动，增强了传感器牢固度和稳定性。

可选或优选的，上述重力传感器中，所述石英材料的杂质含量低于2ppm。这种高纯度的石英材料突出的优越性是非常低的热导率，极好的抗热振性，很高的变形温度和软化温度，很低的热传导能力，很低的介电损失和从紫外线到红外线的极宽的光谱范围内的光学透过能力。采用这种材料制作重力传感器，提高了传感器部件的稳定性。

可选或优选的，上述重力传感器中，石英材料制作的各部件均通过氢氧焰进行焊接组装。氢氧焰的组装安装工艺更适合杂质含量低于2ppm的石英材料，能够提高其灵敏度和稳定性。

可选或优选的，上述重力传感器中，所述扭丝的横截面直径为30-70μm。较细的扭丝旋转性能更好，动极板细微的位移变化即产生旋转，灵敏度更高，能更进一步提高传感器的整体测量精度。

本发明提供的电子重力仪，其包括以上任一所述的重力传感器，其中，重力传感器的上定极板、下定极板和动极板通过导通电缆实现信号反馈与信号控制。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的重力传感器采用石英材料制作，通过弹簧与其他部件组成的石英框架连接构成用于重力信号采集的石英弹性系统，通过导电膜实现电信号导通，进行信号反馈和信号控制，解决了传统机械式重力仪重力传感器无法输出数字重力信号的问题以及无法形成电信号反馈问题，测量精度高，更加适用于电子重力仪。

整个重力传感器仅设置一个弹簧，简化了传感器的结构。

限位器、限位块、上定极板和下定极板以及扭丝等结构配合形成独特的限位形式，增强了重力传感器的牢固度与稳定性。

附图说明

图1为一种实施例的重力传感器立体结构示意图；

图2为图1的侧视图；

图3为图1的俯视图；

图4为重力传感器信号检测原理图；

图5为重力传感器电容位移传感系统原理图。

图中：

1、底框2、摆框3、扭丝

4、弹簧5、上定极板6、下定极板

7、动极板8、极板支架9、限位器支架

10、限位器11、限位块12、连接杆。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细解释和说明，以使本领域技术人员更好地理解本发明并予以实施。

请参见图1-3，为一种实施例的重力传感器，包括底框，摆框、扭丝、连接杆、弹簧、上定极板、下定极板、极板支架、动极板、限位块、限位器和限位器支架。其中底框，摆框、扭丝、连接杆、弹簧、上定极板、下定极板、极板支架、动极板和限位器支架采用石英材料制作。限位器为金属材料，限位块为合金材料。

所述底框与摆框连接，摆框上部连接扭丝，扭丝通过连接杆连接动极板，动极板连接限位块，限位块在限位器调节范围内移动，限位器通过限位器支架与底框连接；上定极板和下定极板平行设置并分别通过极板支架与底框连接，动极板位于上定极板和下定极板两平面之间形成的限位空间内；弹簧一端连接动极板，另一端连接底框。扭丝、连接杆、上定极板、下定极板和动极板表面均有导电膜。动极板上下移动时，一端通过连接杆牵动扭丝做微小旋转形变，另一端牵动限位块在限位器内发生移动。弹簧的弹力以及扭丝的形变力共同使动极板回复到原始状态。

以上各部件均通过氢氧焰进行焊接组装，其中一种示例性的组装过程如下：

1、将制作好的底框与摆框经过专用工装连接，再将一对扭丝使用专用工具与摆框连接。

2、将定极板支架与框架烧接，根据设计要求利用专用工装将下定极板、上定极板与定极板支架烧接安装。

3、将限位块与动极板烧接后整体安装到两个定极板之间，同时与扭丝连接。

4、安装弹簧并调节到平衡位置。

5、使用专用工装将限位器安装到设计位置，并调节好限位器限位间隙。

6、利用导通电缆将定极板、动极板电信号导出实现信号反馈与信号控制。

以上组装过程中用到的专用工装、专用工具对上述传感器结构和性能并不产生影响，只是为了组装更方便。

重力传感器工作原理：

重力传感器是电子重力仪(或称数字重力仪)的核心部件，它通过作用在重荷(动极板)上的重力、石英弹簧的弹力、反馈静电力间的平衡原理，实现地面重力变化(重力差)的精确测定。

重力传感器的核心部件是一根石英弹簧和一个容量仅为pf级的差动式电容位移传感器(主要包括动极板、上定极板和下定极板)组成，其信号检测原理如图4所示。

在本系统里，事实上是将此差动式电容位移传感器当作一个“零点”指示器，当电容位移传感器的动极板因重力值的变化而偏离初始位置时，电路就会输出相应的电压值，该电压信号再反馈到电容位移传感器将动极板拉(推)回到原始位置(零点)，而反馈电压值与重力变化成正比，计算机系统记录下反馈电压值再乘以定标系数即可得出重力值。

差动式电容位移传感器的杂散电容对灵敏度的影响也很大，在工艺上有很高的要求，优选通过氢氧焰进行焊接组装。为提高灵敏度，优选杂质含量低于2ppm的石英材料制作整个重力传感器的各部件。这种纯度的石英材料可直接购买市售(例如德国劳氏公司)产品。

根据计算，当重荷在1g的重力作用下拉长20mm时，当重力仪的分辨率达到1微伽时，电容位移传感器的位移分辨率应该是：

20÷980×10⁶≈2×10^-8mm/微伽＝0.02nm(纳米)/微伽

达到1微伽的分辨率，电容位移传感器的位移分辨率为0.02nm。

这里采用的差动式电容位移传感器常用于微小位移的测量，传感系统原理如图5所示。

电容端的输出电压为：

这里是激励电压，δd是位移量，d0是极板距离。

经放大检波后在送到计算机电路。

上述重力传感器应用到电子重力仪时，电子重力仪主要由重力传感器、真空仓、整机减震系统、恒温测量装置、倾斜测量及自校准等子系统组成。其中重力传感器的的上定极板、下定极板和动极板通过导通电缆实现信号反馈与信号控制。

下表1为采用上述电子重力仪进行试验的测量数据：

表1

测量数据显示，设置有本发明重力传感器的电子重力仪，测量中误差8微伽，在10微伽以下范围内，达到了高精度的要求。

本文中应用了具体个例对发明构思进行了详细阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离该发明构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。