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1、,为了发现由地下地质构造或矿体引起的微小重力变化，高灵敏度的重力仪是必不可少的测旦工具。重力勘探数据采集:野外测量仪器及系统重力野外测量方法技术野外测量资料整理(重力异常计算,密度数据测量与分析),第二章 重力勘探仪器与测量技术,重力测量仪器 1.绝对重力测量仪2.相对重力测量仪二.重力测量方法重力测量的地质任务2.重力测量的技术设计,第二章 重力勘探仪器与测量技术,重力野外测量简介,第二章 重力勘探仪器与测量技术,重力测量的原理,为了发现由地下地质构造或矿体引起的微小重力变化，高灵敏度的重力仪是必不可少的测量工具。,第二章 重力勘探仪器与测量技术,重力测量的原理,任何与重力有关的物理现象都可
2、以用来测量重力.自由落体摆的摆动弹簧在重荷作用下的伸长物体在有阻尼液体或气体中运动液体的毛管上升,第二章 重力勘探仪器与测量技术,重力测量的动力法和静力法：动力法:观测某种与重力现象有关的运动来测量重力.如自由落体法、振摆法.静力法:利用测定某种与重力有关的重力平衡现象来测量重力.常用于重力的相对测量.一般,静力测量法测量重荷在重力作用下产生的线位移或角位移.,第二章 重力勘探仪器与测量技术,重力测量的原理,一切与重力有关的物理现象都可以用其相应的原理来测量重力其一：自由落体,第二讲 重力勘探仪器与测量技术,重力测量的原理,一切与重力有关的物理现象都可以用其相应的原理来测量重力其二：弹簧重物平
3、衡系统 mass-spring system,第二讲 重力勘探仪器与测量技术,重力测量的原理,一切与重力有关的物理现象都可以用其相应的原理来测量重力其三：摆的摆动 oscillation of a pendulum,第二讲 重力勘探仪器与测量技术,重力测量仪器 1.绝对重力测量仪1)自由下落法绝对重力仪,第二讲 重力勘探仪器与测量技术,重力测量仪器 1.绝对重力测量仪1)自由下落法绝对重力仪,2)上抛法绝对重力仪,一、重力测量仪器 1.绝对重力测量仪,我国是当今少数几个能进行绝对重力测量的国家之一.国家计量科学院从1964年开始研制下落式绝对重力仪,1979年制成准确度为1g.u.的固定式仪器
4、.1980年制成NIM-I型可移式仪器,准确度为0.2g.u.1985年制成NIM-型,NIM-型可移式仪器,准确度为0.14g.u.目前世界上最先进的可移式仪器为法国和意大利的产品,均采用上抛法,准确度为0.05g.u.,1.绝对重力测量仪,超导重力仪 超导导电性现象：是指在温度接近于绝对零度（-273oC）时，某些金属的电阻急剧减小而趋于零。在超导电性的导体中，只要所承载的电流不超过某个临界值，导体电阻将趋于零而在其中无电能损耗，即电能不会转化为其他形式的能量。而且，这样的导体将具有完全的抗磁性。,1.绝对重力测量仪,超导重力仪即利用某些金属（如铌、铝、铅等）的超导性质，以及在超导体表面形
5、成超导屏蔽电流而产生排斥外磁场的磁矩而设计的。目前广泛用于固定台站的重力固体潮的观测，用于监测长周期的固体波、非潮汐变化的极移、构造运动过程中的重力效应和液核动力效应等。我国只有中国科学院大地测量与地球物理研究所引进了一台Wuwar-T004型超导重力仪，在动力大地测量观测站进行固体潮监测已有数十年之久。,1.绝对重力测量仪,超导重力仪的结构如图2-18所示，由四个在绝对零度附近的铌丝绕成的超导载流线圈1，对称地安置在真空罐2外侧。当有外部电流激励时，形成稳定的永久磁场。3是空心超导体小球。由于它的抗磁性，在永久磁场中，小球受的重力与磁场的反作用力形成平衡，使小球悬浮在空中。随重力的变化，小球
6、也随之上下移动，据此来测定重力的变化。,1.绝对重力测量仪,小球的位移用电容传感器检测，该检测系统是由在超导球的周围装置的六块电容极板（图2-18中的4）与小球组成。上下两块与小球组成电容器C1；四周四块与小球组成电容器C2。小球的垂直位移产生的信号由此经锁相放大器放大输出；同时，该信号又可以反馈到上下电容器极板而产生反馈静电力，以使小球及时回复到零点位置。所以，可以由量测这一反馈电压来测量重力的变化。,1.绝对重力测量仪,超导重力仪1超导载流线圈2-真空管3-空心超导体小球4-六快电容极板,构成平衡电桥,1.绝对重力测量仪,2.相对重力测量仪,相对重力测量利用一种力来平衡重力，然后进行用适当
7、的方法来测量平衡力的变化，以确定重力的变化。实际应用中有：气压重力仪、弹簧重力仪等。这些重力仪又称为静力重力仪。静力重力仪又分为两类：直线型和助动型。基本原理：Hookes Law组成:重荷和弹簧组成灵敏系统,1)工作原理,直线型重力仪：平衡物体的变化量大致和重力变化成正比。如：气压或弹簧。特点是：构造简单，但灵敏度低，需要用高倍的量测系统测量微小的变化量。助动型重力仪：利用弹簧的特殊安置方法，使灵敏系统处于不稳定状态，从而提高它对重力的灵敏度。所以，无需用高倍的量测系统。但这种系统受倾斜和温度影响大，需用特殊的读数方法和温度补偿方法避免其缺点。现代的重力仪大多为助动式的。,2.相对重力测量仪
8、1)工作原理,2.相对重力测量仪1)工作原理,2)重力仪构造上的要求重力平衡系统(灵敏系统)-用于感受重力的变化;测读系统-用于观测平衡体的移动;对弹簧称式重力仪的分析:全值重力场下(=107g.u.)弹簧伸长10cm一个半径为50m,中心埋深100m,剩余密度0.5g/cm3的球体在中心上方的最大重力异常2g.u.,该异常引起的弹簧长度变化2*10-6mm.可见重力仪要灵敏地感受这一微小变化,并测出这一变化需要在仪器结构上进行精心的设计.,因此,对仪器构造上的要求:有较高的灵敏度以感受重力的微小的变化;测读系统有足够放大能力,以分辨平衡体微小变化;有较大的动态范围,能测量较大的重力变化;读数
9、与重力变化之间的换算方法简单;,2.相对重力测量仪,2.相对重力测量仪1)工作原理一个有恒定质量的物体在重力场中的重量随重力g的变化而变化,若用另外一种力或力矩来平衡这种重力或重力矩的变化,则通过对该物体平衡状态的观测,就可能测量出重力的变化或两点间的重力差.用于相对重力测量的仪器就是根据物体的平衡状态的观测来测量重力的变化.按物体受力产生位移的方式不同,重力仪可分为平移式和旋转式两大类.日常生活中使用的弹簧称原理上与平移式重力仪相同.,2)平衡系统的性能下图以旋转式重力仪为例,介绍灵敏系统的性能1带重荷m的摆杆,3-枝杆,2-主弹簧在平衡体静止时的平衡方程:,2.相对重力测量仪,增大分子值;
10、减小分母值,2.相对重力测量仪,增大分子即增大重荷m及平衡体质量中心到转轴o的距离L,结果是增大仪器的重量和体积,也使干扰因素影响加大,一般不采用.减小分母即减小平衡系统的稳定性,但又要使其处于稳定的状态,即使分母趋于零,而不等于零,则其灵敏度可达到任意需要的程度.为实现这一要求,可采用加助动装置的办法,倾斜观测法,适当布置主弹簧的办法.,2.相对重力测量仪,3)测读系统的性能与零点读数法 测读系统包括放大部分和测微部分放大部分:光学放大,光电放大或电容放大等装置;测微部分:测微读数器或自动记录系统;现代重力测量仪都采用补偿法进行观测/读数,即采用零点读数法.第一步,选择某一平衡位置作为测量重
11、力变化的起始位置;第二,重力变化后,通过放大装置观测零点位置的偏离情况;第三,用另外的力补偿重力的变化使平衡体回到零位置,通过测微器上的读数记录重力变化;,2.相对重力测量仪,2.相对重力测量仪,3)测读系统的性能与零点读数法,灵敏系统中平衡体在重力变化时所产生的位移仅作为重力变化的信息，并不直接测定位移的大小，而是用另外的力去补偿重力的变化，把平衡体再调到某一固定位置(零点位置)，然后再通过读数装置读出重力的变化。,读数装置的工作原理,电容放大读数装置A为平衡体的负荷,A1,A2为两块金属板,构成两个平行板电容器C1,C2.Z1和Z2为两个电阻,Vi为输入频率稳定的电信号,V0为输出信号.A
12、为A1,A2的正中时电桥平衡,V0=0由于重力变化,A不处A1,A2正中时,电桥不平衡,V00,V0,2.相对重力测量仪,3)测读系统的性能与零点读数法,4)重力仪精度的影响因素温度影响:温度使仪器各部件热胀冷缩,各着力点之间的相对位置发生变化.弹簧的弹力系数和空气的密度也是温度的函数.以石英弹簧为例:弹性系数为12010-6,温度变化1度,相当于重力变化1200g.u.(全重力值107)消除温度影响:选用受温度影响小的材料;附加温度自动补偿装置;采用电热恒温辅助装置使仪器温度基本不变;,2.相对重力测量仪,气压影响:气压变化使空气密度变化,改变平衡系统所受的浮力,在仪器腔内形成额外的气流.消
13、除方法:将弹性系统放在真空内;在与平衡方向的反方向上加一个等体积矩的气压补偿装置;电磁力的影响摆杆在摆动时,与残存的空气摩擦产生静电,静电荷不断积累使仪器读数发生变化.消除方法:在平衡体附近加适量放射性物质,使空气游离而将电荷放电;将弹性系统消磁,并用磁屏蔽;,2.相对重力测量仪,安置状态不一致的影响:重力仪在各测点的安置不可能完全一致,因而,摆杆与重力的交角会变化,从而,测量的重力中包含交角变化的影响.消除方法:使平衡体的质心与摆杆水平转轴所构成的平面为水平时平衡体的位置作为重力的零点位置;零点漂移的影响:弹性重力仪的弹性元件,在重力等的长期作用下,会产生蠕变和弹性疲劳等现象,使弹簧随时间产
14、生微笑永久形变,因此,会产生不可克服的零点漂移.消除方法:进行零点校正;,2.相对重力测量仪,6)重力仪分类按构造分:平移式和旋转式;按材料及工作原理上分:石英弹簧,金属,振弦,超导重力仪按应用领域:地面,海洋,航空及井中重力仪;,3.常用的重力测量仪,1)地面重力测量仪(1)石英弹簧重力仪以国产ZSM-V型仪器为例介绍仪器性能指标:仪器结构包括:弹性系统,光学系统,测量系统,弹性系统,3.常用的重力测量仪器,仪器结构,3.常用的重力测量仪器,仪器结构,3.常用的重力测量仪器,读数装置,3.常用的重力测量仪器,仪器的平衡方程:,3.常用的重力测量仪器,仪器的平衡方程:,3.常用的重力测量仪器,
15、1)地面重力测量仪(2)金属弹簧目前应用较多的金属弹簧重力仪有美国的LaCoste-Romberg公司的L-R重力仪和德国的GS型重力仪.LaCoste-Romberg的L-R重力仪该仪器是当今世界公认性能最好的,精度最高的仪器.分为D型(勘探型)和G型(大地型)两种.D型(勘探型):精度高;G型(大地型):测程范围大.仪器的技术指标仪器结构和工作原理,3.常用的重力测量仪器,美国Lacoste-Romberg重力仪结构,弹性系统构成:重块,称臂,零长弹簧,消震弹簧上下摆杆,连杆测微螺旋;,3.常用的重力测量仪器,3.常用的重力测量仪器,仪器结构和工作原理,3.常用的重力测量仪器,b)德国德G
16、S型重力仪仪器结构(前西德ASKANIA仪器厂生产),3.常用的重力测量仪器,弹性系统:1气压补偿装置;2水平悬挂的螺旋状弹簧;3-在2腔内反绕的一组弹簧;起温度自动补偿作用.4-为支架.5-阻尼盒.6-摆杆,7-重荷.8-有小球的空隙,9-测程弹簧.10-测微弹簧.,3.常用的重力测量仪器,GS-11型仪器结构和工作原理,3.常用的重力测量仪器,2)海洋航空和井中重力仪概述运动中测量重力的特殊问题航速变化,波浪及气流起伏和机器振动等造成的水平和垂直加速度的影响.在水平和垂直加速度的周期相等而相位不同时出现的交叉-耦合效应.因载体做相对于地球的运动,使作用在重力仪上的离心力变化,而改变了重力的
17、大小,这种影响称为厄-缶效应.,消除上述影响采取的措施将重力仪安置在装有陀螺的稳定平台或常平架上;在仪器内部采用专门的装置,限制摆杆在垂直方向运动;采用强阻尼以减小垂直加速度的影响;针对船只和飞机的航速不同,采取相应的读数方法;因入相应的校正,如布朗校正,交叉-耦合校正,和厄缶校正;,3.常用的重力测量仪器,b)海洋重力测量仪LCR船载重力仪GSS-20型海洋重力仪GSS-30型海洋重力仪弦线海洋重力仪CHZ海洋重力仪,3.常用的重力测量仪器,弦线海洋重力仪-绝对重力测量的仪器,是专门为海洋重力测量设计的仪器,弦线海洋重力仪,Carson Services航空重力仪LaCoste-Romberg航空重力仪HeliGrav(加拿大Scintrex公司),c)航空重力测量仪,20实际60年代中期,经美,苏,英等国十余年的研制,制成了第一台能在井孔中精确可靠测量重力的井中重力测量仪.当时有两种型号:ESSO型振弦井中重力仪;L,d)井中重力测量仪,欢迎提出问题！,
