重力梯度儀:儀器介紹,發展歷史,基於扭矩,基於差分,旋轉加速度,基於MEMS,靜電

重力梯度儀（gravity gradiometer）是測定重力場垂直梯度的儀器。重力梯度儀多用於航空和飛行器上。航空梯度儀由兩個加速度計組成。由於兩個加速度計受相同的飛行器加速度作用。

地球表面上正常重力垂直梯度隨緯度和高度的變化而有微小變化，另外地形的起伏也會引起梯度發生很大的變化，使梯度測量複雜化。

基本介紹

中文名：重力梯度儀
外文名：gravity gradiometer
學科：地理、物理
實質：測定重力場垂直梯度的儀器
套用：航空和飛行器上

儀器介紹,發展歷史,基於扭矩,基於差分,旋轉加速度,基於MEMS,靜電懸浮,

儀器介紹

重力梯度測量是一個困難而費時的測量任務，但是高精度重力梯度測量數據對於高精度慣性制導、地球科學、空間科學和地質科學都有著重要的意義，同時重力梯度測量已經被認為是一種資源探測的有效手段之一，是對基礎地質調查、基礎地質研究，油氣礦藏等資源勘查等領域具有重要的套用價值，航空和衛星重力梯度測量對山區、無人區和沿海大陸架部分的基礎數據獲取更具重要意義。從1971年美國空軍首次提出精度為1 E的移動級重力梯度儀到現在，重力梯度儀雖然得到了世界科學家的重視，並取得了迅速的發展，但是很多還處於實驗室階段。目前唯一商用的重力梯度儀是由美國貝爾實驗室研製的旋轉加速度計重力梯度儀。

從20世紀70年代至今，世界上出現的重力梯度儀的設計原理有差分加速度計法和基於扭矩的測量模式。其中基於扭矩的測量模式由於其體積和穩定性的問題，進步緩慢。基於差分加速度計的重力梯度儀由於其自身的高穩定性和高精度，得到了迅速的發展和套用。隨著雷射技術和原子干涉技術的發展，雷射干涉絕對重力梯度儀和原子干涉絕對重力梯度儀得到了進一步的發展。另外，超導重力梯度儀也是具有發展前景的一類重要的重力梯度儀。為了減小測量誤差，很多學者還針對航空重力梯度測量慣性穩定平台和加速度計的動態調整方法也開展了大量的研究工作。

發展歷史

重力梯度儀的研製可追溯到Eötvös(匈牙利人，1848～ 1919)的工作，他根據Cavendish(1731～1810)和其他早期的研究成果，於1880年建立了一台扭秤重力梯度儀，並用於地球表面擾動位二次導數部分分量的測量工作，重力梯度的單位就是採用這位先驅者的名字。從20世紀60年代開始，宇宙飛行的需要給重力梯度儀帶來了新的動力，提出了新的梯度測量原理並研製了相應的重力梯度感測器。1971年美國空軍提出要製造精度為1E(

)的重力梯度儀，20世紀70年代中期，美國Hughes、Draper實驗室和Bell Aerospace Textron的專家們分別研製出3種不同類型的精度為1E的重力梯度儀實驗室樣機:旋轉重力梯度儀、液浮重力梯度儀和旋轉加速度計重力梯度儀。80年代初Maryland大學研製出了精度為0.01 E的單軸超導重力梯度儀實驗室樣機。與此同時，許多研究機構，如美國Bendix field Engineering、史丹福大學、史密森天體物理學天文台(SAO)、Speer Defence Sys-tem、義大利Piano Spazionale Nazionale(PSN)和英國斯特拉思克萊德大學，都在研究超導重力梯度儀；80年代後期，俄羅斯專家研製出了精度為0.1E的旋轉加速度計重力梯度儀實驗室樣機；80年代末，法國Office National d'tudes et de ReeherehesAerospatiales(ONERA)研製出精度為0.01 E的ESA重力梯度儀。到2002年的時候，Maryland已經研製出單軸超導重力梯度儀實驗室樣機並進行了試驗，其精度提高到了

E/ Hz，而全張量超導重力梯度儀在室溫的條件下也已經達到了達到

的靈敏度。

基於扭矩

19世紀90年代初，匈牙利地球物理學家Eotvos利用扭稱測量水平向的重力梯度，開創了重力梯度測量的先河，同時也開始了基於扭矩的重力梯度儀研究。後經德國W． Schweydar對Eotvos的扭稱進行改進，使得梯度測量取得了迅速發展，重力梯度儀成為當時油氣普查的唯一有效工具。

扭稱測量的方式是利用一根懸絲懸掛一根橫桿，在橫桿的兩端各掛一個質量為m的檢驗質量，這樣便構成一個扭稱。扭稱對水平扭轉方向靈敏度很高，可以測量水平向的重力梯度。但是這種結構測量時間長，穩定性差，測量受到地形起伏的影響嚴重，不適合於野外觀測使用。

基於差分

旋轉加速度

由於重力梯度測量的重要性，美國海軍和空軍從20世紀70年代開始，投入幾億美元進行重力梯度儀的研製。1975 ～ 1990年間美國Bell Aerospace公司( 現併入Lockheed Martin公司) 研製了旋轉加速度計重力梯度儀GGI(gravity gradient instrument) ，裝在潛艇中用作導航，後來裝在船上普查油氣。澳大利亞BHP Billiton公司引進這種技術，並做了細緻踏實的工作，研製成功FALCON航空重力儀，於1999年正式投入使用。這類重力梯度儀的基本機構如圖 1所示。最近由於引入了對關鍵信號的數位化操作，使得整套設備在尺寸和重量方面大大減輕，而在噪聲抑制和穩定性方面有了顯著提高，使其更適合與航空測量。

1988年Bell Geospace獲得軍方的全張量重力梯度測量(FTG) 技術，2002年FTG改裝後形成Air-FTGTM進行航空重力梯度測量。FTG是將三套GGI安裝在由陀螺儀穩定的平台上，可以測量全部五個獨立的重力梯度張量元素，稱為全張量重力梯度儀。三個GGI的軸線相互垂直，每條軸線與鉛垂線以同樣的角度相交，從上往下看，三條軸線的投影相隔120°( 圖 2)。

基於MEMS

基於MEMS的重力梯度儀採用的原理與GGI相似，也是採用基於差分加速度計的測量模式。不過這種重力梯度儀用一個單獨的晶片構成，在這個晶片上集成了兩個加速度計，每個加速度計有兩個梳狀電容結構。由於加速度計是基於MEMS集成在一個單獨的晶片上，因此與傳統的加速度計相比具有更小的質量和體積。它的測量原理是利用長彈簧和小的附加質量，使得它可以實現較低水平的布朗噪聲。放置在梳狀驅動機構中的電容極板作為輸出裝置，其綜合靈敏度為

。這種重力梯度儀以微小的體積和重量( 小於1 kg) ，或許會成為未來衛星重力梯度測量儀器的一個發展方向。其基本結構如圖 3所示。

靜電懸浮

靜電懸浮加速度計重力梯度儀就是將基於靜電懸浮原理製成的加速度計放置在不同的矢量方向，通過差分原理測量該矢量方向上重力梯度張量。由於靜電懸浮加速度計利用靜電力平衡檢驗質量受到的重力作用，將檢驗質量懸浮在超高真空腔內，其質心和行心的穩定性非常高，採用差分電容方式輸出敏感質量的位移，最終獲得極高的測量精度。由於其工作時承受的加速度較小，故其量程很小，但是更適合與太空微重力環境的梯度測量，因此，國際上與航空重力及重力梯度測量的實驗室對這種高精度靜電懸浮式重力梯度儀進行了深入的研究。美國的MACEK和MESA加速度計系統、歐空局 (ESA) 的ASTRE加速度系統、法國ONERA研製的STAR加速度系統以及GRADIO加速度系統等是國際上的成功研製實例。這些加速度計在研究大氣阻力、太空太陽輻射壓力、地球漫反射、電子推進器推理測量、高空地球重力場精密測量、空間重力梯度測量等軍用和民用領域發揮了重要的作用。

圖 4是靜電懸浮加速度計的示意。由於懸浮體(rotor) 的位置信息是懸浮控制系統的閉環反饋信號，因此，對懸浮體沿三個正交軸的位置信息必須精確檢測。圖中利用差分電容法對此進行檢測：

①懸浮體可檢測的位移變化頻率為0 ～ 20 k Hz；

②最小可檢測位移變化為0． 01 μF，對應電容的變化為ΔCmin= 20 pF；最大可檢測位移變化為± 2 μF，對應電容的變化為ΔCmax= 20 pF。

重力梯度儀