第三章第二節(jié)重力測量儀器

1、第二節(jié) 重力測量儀器一、重力測量儀器概述1.重力測量儀器的類別 地球表面上任何一點的重力值都可以用重力儀實際測量出來。如果測定出來的是該測點的重力絕對數(shù)值，則稱其為絕對重力測量；如果測定出來的是該點與另一點間的重力差值，則稱為相對重力測量。在建立高級別的基準觀測站或進行地震監(jiān)測等工作時多采用絕對重力測量。在找礦勘探和地質(zhì)研究工作以及建筑工程項目中多采用相對重力測量。 在重力測量中，按測定重力的方法不同可分為動力法和靜力法。 動力法通過觀測物體在重力作用下的運動狀態(tài)(路程和時間)來測定重力值。例如利用物體的自由下落或上拋運動，或利用擺的自由擺動。這些方法通常用來測定絕對重力值。按動力法原理設計的

2、測定絕對重力值的儀器稱為絕對重力儀。 靜力法通過觀測物體在重力作用下靜力平衡位置的變化來測定兩點間的重力差值。例如觀測負荷彈簧的伸長量(線位移系統(tǒng))或擺桿的偏移角度(角位移系統(tǒng))。按靜力法原理設計的儀器只能測定兩點間的重力差值，故稱為相對重力儀。 按進行重力測量的環(huán)境和空間不同，重力測量一起還可以分為地面、海洋、航空及井孔重力儀。 2.重力測量儀器的相關指標 重力勘探要求能測量出重力場的微弱變化，即要求能可靠地測量出(110)g.u.甚至更小的重力變化，該值約占地球平均重力值的11千萬11百萬，因此要求重力儀具有高靈敏度、高精度、輕便化、數(shù)字化和自動化等性能。 (1)重力儀的靈敏度 靈敏度是指

3、儀器能夠感覺出的場強度的最小變化。 顯示靈敏度(亦稱讀數(shù)分辨率)，指的是在讀數(shù)裝置上估計出的最小可辨讀數(shù)。對無數(shù)字顯示的儀器，如ZSM型石英彈簧重力儀為0.1格；對數(shù)字顯示的儀器來說，即最末一位數(shù)字代表的場值，如CG-3型石英彈簧重力儀為0.01g.u.。 靈敏度與顯示靈敏度是兩個不同不同的概念。一般情況下，儀器的顯示靈敏度包括有一定的隨機誤差，而靈敏度是某種儀器對一定強度的重力場感知的標定量。 (2)重力儀的精度 精度是反映測量結(jié)果與真實值接近程度的量，它與誤差大小相對應，誤差大、精度低，誤差小、精度高。通常，誤差又可分為系統(tǒng)誤差、偶然誤差和過失誤差。 通常情況下，精度可分為： 準確度：描述

4、系統(tǒng)誤差影響程度的量。 精密度：描述偶然誤差影響程度的量。 精確度：描述系統(tǒng)誤差和偶然誤差綜合影響程度的量。 在重力勘探中，往往不區(qū)分精密度與準確度在含義上的差別，而籠統(tǒng)地稱為精度,但在必要時應加以區(qū)分。 應注意的是，不應將儀器的靈敏度與精度混淆。如果一臺儀器的精度很高，則它的靈敏度自然很高，而一臺儀器的靈敏度很高，它的精度不一定很高。 二、絕對重力測量儀器 絕對重力測量的方法、手段很多，凡是與重力有關的一切物理現(xiàn)象都可以用來測量重力，如擺、自由落體、斜面法等等。 不論用什么原理測定重力，有兩個基本量必須要精確地測出來，一個是長度，一個是時間，這兩個量的測量精度決定了重力的測量精度。現(xiàn)代的絕對

5、重力測量的精度在0.10.2g.u.的量級。目前美國、日本、法國、意大利、俄羅斯和我國都已制成了可移動的絕對重力儀。這對研究重力場隨時間的變化是極有利的。 三、地面相對重力儀 相對重力測量一般用相對重力儀進行。目前應用較普遍的重力儀多利用一種力來平衡重力，然后再用適當?shù)姆椒▉頊y量平衡力的變化以確定重力變化。它們的構(gòu)造原理基本上是相同的。如氣壓重力儀用氣壓變化平衡重力變化；彈簧重力儀則用彈簧的彈力來平衡重力。它們大都是質(zhì)盤旋轉(zhuǎn)型，均是利用彈力矩平衡重力矩原理來測量重力變化。這些儀器統(tǒng)稱靜力重力儀。靜力重力儀又分為兩大類型：直線型和助動型。 直線型重力儀：平衡物體的變化量大致和重力變化成正比。如上

6、述的氣體或彈簧。其特點是結(jié)構(gòu)簡單，但靈敏度低，需要高倍的量測系統(tǒng)測量其微小變化。這種重力儀有哈爾克(H.Haalck )氣壓重力儀，哈特萊(K.Hartley)重力儀等。 助動型重力儀：這種類型的重力儀利用彈簧的特殊安置方法，使靈敏度系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，從而提高了它對于重力變化的靈敏度。它的優(yōu)點是靈敏度系統(tǒng)本身就預先將靈敏度提高了幾百乃至幾千倍，所以不必采用高倍的量測系統(tǒng)，但這種儀器受傾斜和溫度的影響很大，必須采用特殊的讀數(shù)方法和溫度補償方法來避免其缺點。 在地面重力測量中主要使用依據(jù)靜力法設計制造的彈簧重力儀，它們中的多數(shù)為角位移系統(tǒng)。下面重點介紹兩種地面彈簧重力儀。1.ZSM-V型石英彈簧

7、重力儀 （1）簡介 ZSMV型重力儀為我國北京地質(zhì)儀器廠所生產(chǎn)，其外貌呈圓柱形，外直徑為14cm、高40cm，儀器凈重4.5kg。觀測精度約為g.u.，讀數(shù)能力為0.1格，直接測量范圍約為1400g.u.，測程范圍50000 g.u.。接近國外同類儀器水平。 （2）結(jié)構(gòu) 儀器由彈性系統(tǒng)、光學指示系統(tǒng)、測讀系統(tǒng)、保溫隔熱系統(tǒng)等組成。彈性系統(tǒng) 位于主體結(jié)構(gòu)的底部。主要部件中，除了溫度補償絲和負荷為金屬外，其它均由石英制成。主要部件由一個矩形石英框架支撐著，用一個支桿固定在密封器頂蓋上。彈性系統(tǒng)的位移方式屬角位移。 ZSM-V型重力儀彈性系統(tǒng)1負荷；2擺桿；3擺扭絲；4主彈簧；5測讀裝置溫度補償框扭

8、絲；6讀數(shù)彈簧；7讀數(shù)彈簧連桿；8溫度補償框扭絲，9讀數(shù)框架扭絲；10測程調(diào)節(jié)彈簧；11指示絲ZSM-V型重力儀光學測讀裝置示意圖光學系統(tǒng) 它是一個長焦距顯微鏡，由目鏡座1、目鏡筒2、刻度片3、物鏡4、全反射鏡5、物鏡6、指示絲7、聚光鏡8、燈泡9等組成。 在視域中的刻度片上可見到的“亮線”就是平衡體端的指示絲在顯微鏡下的像，通過對亮線的觀察就知道平衡體偏轉(zhuǎn)的情況，當重力增大時，平衡體向下偏轉(zhuǎn)一個角度，我們就可以從視域中看到亮線向右邊產(chǎn)生一個位移，反之，當重力減小時，亮線將向左邊移動。 刻度片中間的長線叫“零線”用來指示零點位置用，重力儀采用零點讀數(shù)法，所以每次觀測時，必須使亮線與零線重合。

9、測量系統(tǒng) 它由測讀裝置、測程調(diào)節(jié)裝置及縱、橫水準器等組成。測微螺絲1通過連桿2與儀器板面上的讀數(shù)器3相連，轉(zhuǎn)動測微器旋鈕可以帶動測微螺絲旋轉(zhuǎn)，測微螺絲的底部壓一鋼球4，其下面為導向裝置5，該裝置下面又連著讀數(shù)彈簧6，隨著測微螺絲的旋轉(zhuǎn)，讓導向裝置可以帶動讀數(shù)彈簧伸縮，借以改變靈敏系統(tǒng)中的彈力矩，把石英擺到水平零點的位置，此時讀數(shù)器上顯示的數(shù)字即為儀器讀數(shù)。 ZSM-V型重力儀讀數(shù)裝置圖 保溫系統(tǒng)及其他 該儀器無電熱恒溫器，為了減小外界溫度變化的影響，其內(nèi)裝有保溫瓶，并在保溫瓶與儀器外殼之間充填了隔熱材料。彈性系統(tǒng)容器與上部也間隔有隔熱材料，以防止外界溫度劇烈變化對從儀器內(nèi)部的影響。 儀器外殼側(cè)

10、面裝有把手和電池箱，底部有三個水平調(diào)節(jié)螺旋。儀器附件包括底盤、內(nèi)、外防震筒（減震箱）、工具箱。底盤的表面是凹面，借引可粗略擺平儀器。內(nèi)防震筒是人工背運時使用，外防震筒是當儀器長途搬運或汽車運輸時，作套放內(nèi)防震筒之用。 為保證儀器安放正確，儀器中間（或頂部）都裝有兩個互相垂直的水準器，其中之一與石英擺平行，稱為縱水泡；另一個與擺扭絲軸平行，稱為橫水泡。 整個儀器主體置于保溫瓶內(nèi)，最外面是金屬殼，這種儀器體積小，運輸方便，但比較嬌貴，不宜強烈振蕩，傾斜角度不宜大于45,精度相對較低。（3）檢查及操作ZSM-V型石英彈簧重力儀使用前主要應對儀器的靈敏度進行調(diào)試。首先應檢查儀器的光線靈敏度。光線靈敏度

11、是指亮線從零刻度線位移到+1或-1刻度線時儀器讀數(shù)之差。一般ZSM-V型石英彈簧重力儀的讀數(shù)差在1620格為宜，小于此數(shù)稱靈敏度過高，這時儀器很難穩(wěn)定，讀數(shù)困難：大于此數(shù)稱靈敏度過低，儀器靈敏系統(tǒng)遲鈍，不能反映微小重力變化，從而影響測量精度。 操作步驟1）將儀器的底盤放平、擺穩(wěn)。2）小必地將儀器從減震箱中取出（注意防止與減震箱碰撞），輕輕地放在底盤上，并利用底盤凹面粗略調(diào)平，注意勿使儀器太靠底盤邊緣，以致使重心不穩(wěn)摔倒儀器。3）用右手扶住儀器，用左手提起照明電源開關。4）旋轉(zhuǎn)水平調(diào)節(jié)螺絲，先調(diào)橫水準器氣泡居中，后調(diào)縱水準器，水平調(diào)好后，在整個操作過程中，切勿按壓儀器面板。 5）觀察目鏡筒內(nèi)亮線

12、（即指示絲）的位置，當亮線在刻度片零線左側(cè)時，應順時針方向旋轉(zhuǎn)計數(shù)器旋鈕；反之，當亮線在右側(cè)時，則逆時針方向旋轉(zhuǎn)計數(shù)器。為了避免齒輪和螺距間隙對讀數(shù)的影響，每次讀數(shù)時，總是保持同一旋轉(zhuǎn)方向使亮線與零線重合。習慣上總是順時針方向旋轉(zhuǎn)讀數(shù)時要多轉(zhuǎn)過一些，再使亮線由左移至零線位置。二者重合后，記下此時計數(shù)器上的讀數(shù)（讀到五位有效數(shù)字）。 6）將計數(shù)器逆時針方向旋轉(zhuǎn)半周，使亮線偏離零線。重復步驟5。7）重復步驟6，直到三次連續(xù)讀數(shù)間的最大差值在允許范圍內(nèi)為止（一般為0.20.3格）8）檢查縱、橫水準器，如氣泡偏離居中位置不超過允許值（如1/2刻度），則按下照明開關，并記下此時的時間（精確到分）。9）最

13、后，將儀器輕輕提起，小心地放回減震箱中，以便轉(zhuǎn)移到下一測點進行觀測。 重力儀性能的測試1）重力儀零點漂移測試 一臺性能穩(wěn)定的重力儀要求是零點漂移很小并有一定規(guī)律。這種規(guī)律可以通過靜態(tài)觀測和動態(tài)觀測結(jié)果了解。 由于儀器內(nèi)部的靈敏系統(tǒng)是由彈簧制成的，長時間的工作難免出現(xiàn)彈性疲勞，所以重力儀觀測結(jié)果往往隨時間延續(xù)有變化，這種變化我們稱之為零點漂移（零點掉格）。 2）重力儀突然掉格 當彈性系統(tǒng)受到外力產(chǎn)生突然震動，讀數(shù)值會有很大變化，稱突然掉格。在工作中這種讀數(shù)突變是絕對不允許的，突然掉格以后的數(shù)值是不能用來計算重力異常的。因此工作期間儀器要輕拿輕放，避免強烈震動，儀器傾斜度要小于45，尤其是儀器放置

14、于底盤上時，不能互相碰撞。另外儀器在運輸過程中要注意平穩(wěn)、防震、防潮、防曬。重力儀器突然掉格，不僅影響測量工作，而且掉格恢復很慢，以常突然掉格，儀器性能損壞很大。3）儀器“粘擺” 在工作中有時會發(fā)現(xiàn)亮線停留在刻度片某一側(cè)不動，這時即使旋轉(zhuǎn)計數(shù)也不能使亮線移動，這種現(xiàn)象稱之為“粘擺”。粘擺原因主要是儀器靈敏系統(tǒng)的空間真空度降低了，空氣中的水汽使擺桿前的指示絲粘附在限制器上。若情況不太嚴重時，可用手指輕輕彈擊儀器面板即可消除粘擺現(xiàn)象。4）檢查燈泡及電池，以順利完成任務。上述內(nèi)容雖是施工前的準備工作，但很重要。 2. CG-3型全自動高精度重力儀 CG-3高精度重力儀是加拿大先達利公司1988年開始

15、生產(chǎn)的新型全自動重力儀（AUTOGRAVCG-3），它采用了微處理器控制的自動讀數(shù)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該儀器機械設計簡單，操作方便。精度可達0.1 g.u.，測程范圍70000 g.u.，它以處理機為基礎，用于詳查大比例尺勘查或大地測量。 其主要特點是自動化程度高，僅按一個鍵就可在一分鐘內(nèi)獲得精確讀數(shù)，在固定場前，把重力儀置于循環(huán)方式還可以獲得一系列重力測量讀數(shù)，而每個讀數(shù)都是連續(xù)幾秒鐘采樣的平均值，它以毫伽為單位顯示在液晶顯示器上，并且數(shù)據(jù)可以儲存，也可以送入打印機，記錄儀或微機中。 本儀器有較好的穩(wěn)定性，儀器可在-40至45環(huán)境下工作，其心臟也由石英制的，所以讀數(shù)不受磁場變化的影響。但儀器體積

16、稍大，較笨重，不利于攜帶。 （1）儀器的結(jié)構(gòu) 儀器采用模塊結(jié)構(gòu)。機箱里裝有防震系統(tǒng)。有三腳架和電池（通常使用蓄電池 ），氣溫25時可連續(xù)工作12h，在顯示器上可監(jiān)視電池電壓。當電池電壓低到10.5伏時儀器會自動蜂鳴報警。儀器（即使在存放其間）必須一直用內(nèi)部電池12伏或電池充電器加電。如果儀器突然掉電，出現(xiàn)以下幾種現(xiàn)象：掉電幾分鐘后，時鐘設置被清除。恒溫器丟失電源，儀器開始變冷。掉電的后果取決于儀器停電時間的長短。 控制箱包括一組成14鍵雙功能鍵盤，32字符夜晶顯示器，微處理機和半導體存儲器?？刂葡淇梢蕴幚韥碜蕴筋^的信號，并對之可進行各種改正，且把數(shù)據(jù)按一定格式存儲起來以便回放。另外還完成對儀器

17、的控制功能。備有快速的菜單式軟件用以操作。（附有操作系統(tǒng)菜單） 鍵盤：1、可隨意選擇菜單。2、可設置系統(tǒng)參數(shù)。3、獲得讀數(shù)。4、記錄數(shù)據(jù)。5、調(diào)出存儲數(shù)據(jù)。6、輸出數(shù)據(jù)。 每一鍵有兩種功能，其取決于操作方式。兩種工作方式為：操作方式按每個鍵上行標明的是功能。輸入方式按每個鍵下行標明的是功能。 On/off -開/關Record -把觀測值記入存儲器。Method -顯示儀器現(xiàn)在方法/狀態(tài)。Data -屏幕上顯示正用于觀測或調(diào)整完的測量參數(shù)。Memory -調(diào)出并滾動顯示存儲器中的數(shù)據(jù)。Line - 表明目前線號或需要從存儲器中調(diào)出的線號，目前線號顯示在上行而調(diào)出的線號在下行。它能使你改變目前的

18、線號。 - 滾動顯示所選數(shù)據(jù)、功能表、或選擇的菜單。顯示點、線號時，進行下一個點、線號的顯示。Aux - 輔助方式按此鍵可從下級菜單回到上一級菜單（主菜單）。Info -顯示剩余存儲器空間、電池電壓、時間和日期、網(wǎng)號以及其它輔助信息。Station -顯示現(xiàn)行點號或從存儲器調(diào)出觀測值點號，目前點號顯示在上行，調(diào)出的點號在下行。Change-使你能選擇輸入方式，以便可用每鍵下行功能修改參數(shù)。Start/Stop -啟動或停止測量，開始或中斷向通訊口或記錄設備輸出數(shù)據(jù)，刷新并測試存儲器，啟動編輯狀態(tài)。Clear -清除目前數(shù)字。0-9 -輸入數(shù)字。 -輸入小數(shù)點。NE+/-SW -點線號的東、西、南、北方向或+/-。Enter -能接收屏幕上所選菜單，也向存儲器輸入數(shù)據(jù)。 （2）操作步驟1）放置三腳架，并將儀器放在三腳架上。2）按一下啟動鍵，進入調(diào)節(jié)方式。3）調(diào)節(jié)腳螺絲將儀器調(diào)平。4）再按一下啟動鍵，這時候儀器將暫停兩秒鐘（此間要排除人為的干擾）然后開始