第三章 第二節(jié) 重力測(cè)量儀器

1、第二節(jié) 重力測(cè)量儀器一、重力測(cè)量儀器概述1.重力測(cè)量儀器的類別 地球表面上任何一點(diǎn)的重力值都可以用重力儀實(shí)際測(cè)量出來。如果測(cè)定出來的是該測(cè)點(diǎn)的重力絕對(duì)數(shù)值，則稱其為絕對(duì)重力測(cè)量；如果測(cè)定出來的是該點(diǎn)與另一點(diǎn)間的重力差值，則稱為相對(duì)重力測(cè)量。在建立高級(jí)別的基準(zhǔn)觀測(cè)站或進(jìn)行地震監(jiān)測(cè)等工作時(shí)多采用絕對(duì)重力測(cè)量。在找礦勘探和地質(zhì)研究工作以及建筑工程項(xiàng)目中多采用相對(duì)重力測(cè)量。 在重力測(cè)量中，按測(cè)定重力的方法不同可分為動(dòng)力法和靜力法。 動(dòng)力法通過觀測(cè)物體在重力作用下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(路程和時(shí)間)來測(cè)定重力值。例如利用物體的自由下落或上拋運(yùn)動(dòng)，或利用擺的自由擺動(dòng)。這些方法通常用來測(cè)定絕對(duì)重力值。按動(dòng)力法原理設(shè)計(jì)的

2、測(cè)定絕對(duì)重力值的儀器稱為絕對(duì)重力儀。 靜力法通過觀測(cè)物體在重力作用下靜力平衡位置的變化來測(cè)定兩點(diǎn)間的重力差值。例如觀測(cè)負(fù)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(shè)計(jì)的儀器只能測(cè)定兩點(diǎn)間的重力差值，故稱為相對(duì)重力儀。 按進(jìn)行重力測(cè)量的環(huán)境和空間不同，重力測(cè)量一起還可以分為地面、海洋、航空及井孔重力儀。 2.重力測(cè)量儀器的相關(guān)指標(biāo) 重力勘探要求能測(cè)量出重力場的微弱變化，即要求能可靠地測(cè)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(dòng)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(qiáng)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(jì)出的最小可辨讀數(shù)。對(duì)無數(shù)字顯示的儀器，如ZSM型石英彈簧重力儀為0.1格；對(duì)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(gè)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(jī)誤差，而靈敏度是某種儀器對(duì)一定強(qiáng)度的重力場感知的標(biāo)定量。 (2)重力儀的精度 精度是反映測(cè)量結(jié)果與真實(shí)值接近程度的量，它與誤差大小相對(duì)應(yīng)，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(zhǔn)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(zhǔn)確度在含義上的差別，而籠統(tǒng)地稱為精度,但在必要時(shí)應(yīng)加以區(qū)分。 應(yīng)注意的是，不應(yīng)將儀器的靈敏度與精度混淆。如果一臺(tái)儀器的精度很高，則它的靈敏度自然很高，而一臺(tái)儀器的靈敏度很高，它的精度不一定很高。 二、絕對(duì)重力測(cè)量儀器 絕對(duì)重力測(cè)量的方法、手段很多，凡是與重力有關(guān)的一切物理現(xiàn)象都可以用來測(cè)量重力，如擺、自由落體、斜面法等等。 不論用什么原理測(cè)定重力，有兩個(gè)基本量必須要精確地測(cè)出來，一個(gè)是長度，一個(gè)是時(shí)間，這兩個(gè)量的測(cè)量精度決定了重力的測(cè)量精度?，F(xiàn)代的絕對(duì)

5、重力測(cè)量的精度在0.10.2g.u.的量級(jí)。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(dòng)的絕對(duì)重力儀。這對(duì)研究重力場隨時(shí)間的變化是極有利的。 三、地面相對(duì)重力儀 相對(duì)重力測(cè)量一般用相對(duì)重力儀進(jìn)行。目前應(yīng)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(dāng)?shù)姆椒▉頊y(cè)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(cè)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(dòng)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，但靈敏度低，需要高倍的量測(cè)系統(tǒng)測(cè)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(dòng)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(duì)于重力變化的靈敏度。它的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度系統(tǒng)本身就預(yù)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(cè)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(bǔ)償方法來避免其缺點(diǎn)。 在地面重力測(cè)量中主要使用依據(jù)靜力法設(shè)計(jì)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(diǎn)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(cè)精度約為g.u.，讀數(shù)能力為0.1格，直接測(cè)量范圍約為1400g.u.，測(cè)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(xué)指示系統(tǒng)、測(cè)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(bǔ)償絲和負(fù)荷為金屬外，其它均由石英制成。主要部件由一個(gè)矩形石英框架支撐著，用一個(gè)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(fù)荷；2擺桿；3擺扭絲；4主彈簧；5測(cè)讀裝置溫度補(bǔ)償框扭

8、絲；6讀數(shù)彈簧；7讀數(shù)彈簧連桿；8溫度補(bǔ)償框扭絲，9讀數(shù)框架扭絲；10測(cè)程調(diào)節(jié)彈簧；11指示絲ZSM-V型重力儀光學(xué)測(cè)讀裝置示意圖光學(xué)系統(tǒng) 它是一個(gè)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(duì)亮線的觀察就知道平衡體偏轉(zhuǎn)的情況，當(dāng)重力增大時(shí)，平衡體向下偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，我們就可以從視域中看到亮線向右邊產(chǎn)生一個(gè)位移，反之，當(dāng)重力減小時(shí)，亮線將向左邊移動(dòng)。 刻度片中間的長線叫“零線”用來指示零點(diǎn)位置用，重力儀采用零點(diǎn)讀數(shù)法，所以每次觀測(cè)時(shí)，必須使亮線與零線重合。

9、測(cè)量系統(tǒng) 它由測(cè)讀裝置、測(cè)程調(diào)節(jié)裝置及縱、橫水準(zhǔn)器等組成。測(cè)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(dòng)測(cè)微器旋鈕可以帶動(dòng)測(cè)微螺絲旋轉(zhuǎn)，測(cè)微螺絲的底部壓一鋼球4，其下面為導(dǎo)向裝置5，該裝置下面又連著讀數(shù)彈簧6，隨著測(cè)微螺絲的旋轉(zhuǎn)，讓導(dǎo)向裝置可以帶動(dòng)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(diǎn)的位置，此時(shí)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(duì)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(gè)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(yùn)時(shí)使用，外防震筒是當(dāng)儀器長途搬運(yùn)或汽車運(yùn)輸時(shí)，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(gè)互相垂直的水準(zhǔn)器，其中之一與石英擺平行，稱為縱水泡；另一個(gè)與擺扭絲軸平行，稱為橫水泡。 整個(gè)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(yùn)輸方便，但比較嬌貴，不宜強(qiáng)烈振蕩，傾斜角度不宜大于45,精度相對(duì)較低。（3）檢查及操作ZSM-V型石英彈簧重力儀使用前主要應(yīng)對(duì)儀器的靈敏度進(jìn)行調(diào)試。首先應(yīng)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(shí)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(shí)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(cè)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(guān)。4）旋轉(zhuǎn)水平調(diào)節(jié)螺絲，先調(diào)橫水準(zhǔn)器氣泡居中，后調(diào)縱水準(zhǔn)器，水平調(diào)好后，在整個(gè)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(dāng)亮線在刻度片零線左側(cè)時(shí)，應(yīng)順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器旋鈕；反之，當(dāng)亮線在右側(cè)時(shí)，則逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器。為了避免齒輪和螺距間隙對(duì)讀數(shù)的影響，每次讀數(shù)時(shí)，總是保持同一旋轉(zhuǎn)方向使亮線與零線重合。習(xí)慣上總是順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)讀數(shù)時(shí)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(shí)計(jì)數(shù)器上的讀數(shù)（讀到五位有效數(shù)字）。 6）將計(jì)數(shù)器逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)半周，使亮線偏離零線。重復(fù)步驟5。7）重復(fù)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(zhǔn)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(guān)，并記下此時(shí)的時(shí)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(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)。 重力儀性能的測(cè)試1）重力儀零點(diǎn)漂移測(cè)試 一臺(tái)性能穩(wěn)定的重力儀要求是零點(diǎn)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(cè)和動(dòng)態(tài)觀測(cè)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(shí)間的工作難免出現(xiàn)彈性疲勞，所以重力儀觀測(cè)結(jié)果往往隨時(shí)間延續(xù)有變化，這種變化我們稱之為零點(diǎn)漂移（零點(diǎn)掉格）。 2）重力儀突然掉格 當(dāng)彈性系統(tǒng)受到外力產(chǎn)生突然震動(dòng)，讀數(shù)值會(huì)有很大變化，稱突然掉格。在工作中這種讀數(shù)突變是絕對(duì)不允許的，突然掉格以后的數(shù)值是不能用來計(jì)算重力異常的。因此工作期間儀器要輕拿輕放，避免強(qiáng)烈震動(dòng)，儀器傾斜度要小于45，尤其是儀器放置

14、于底盤上時(shí)，不能互相碰撞。另外儀器在運(yùn)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(cè)量工作，而且掉格恢復(fù)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(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)亮線停留在刻度片某一側(cè)不動(dòng)，這時(shí)即使旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)也不能使亮線移動(dòng)，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(yán)重時(shí)，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(wù)。上述內(nèi)容雖是施工前的準(zhǔn)備工作，但很重要。 2. CG-3型全自動(dòng)高精度重力儀 CG-3高精度重力儀是加拿大先達(dá)利公司1988年開始

15、生產(chǎn)的新型全自動(dòng)重力儀（AUTOGRAVCG-3），它采用了微處理器控制的自動(dòng)讀數(shù)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該儀器機(jī)械設(shè)計(jì)簡單，操作方便。精度可達(dá)0.1 g.u.，測(cè)程范圍70000 g.u.，它以處理機(jī)為基礎(chǔ)，用于詳查大比例尺勘查或大地測(cè)量。 其主要特點(diǎn)是自動(dòng)化程度高，僅按一個(gè)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(cè)量讀數(shù)，而每個(gè)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(chǔ)存，也可以送入打印機(jī)，記錄儀或微機(jī)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(jī)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(shí)可連續(xù)工作12h，在顯示器上可監(jiān)視電池電壓。當(dāng)電池電壓低到10.5伏時(shí)儀器會(huì)自動(dòng)蜂鳴報(bào)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(shí)鐘設(shè)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(shí)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(jī)和半導(dǎo)體存儲(chǔ)器?？刂葡淇梢蕴幚韥碜蕴筋^的信號(hào)，并對(duì)之可進(jìn)行各種改正，且把數(shù)據(jù)按一定格式存儲(chǔ)起來以便回放。另外還完成對(duì)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(shè)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(chǔ)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(gè)鍵上行標(biāo)明的是功能。輸入方式按每個(gè)鍵下行標(biāo)明的是功能。 On/off -開/關(guān)Record -把觀測(cè)值記入存儲(chǔ)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(cè)或調(diào)整完的測(cè)量參數(shù)。Memory -調(diào)出并滾動(dòng)顯示存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)。Line - 表明目前線號(hào)或需要從存儲(chǔ)器中調(diào)出的線號(hào)，目前線號(hào)顯示在上行而調(diào)出的線號(hào)在下行。它能使你改變目前的

18、線號(hào)。 - 滾動(dòng)顯示所選數(shù)據(jù)、功能表、或選擇的菜單。顯示點(diǎn)、線號(hào)時(shí)，進(jìn)行下一個(gè)點(diǎn)、線號(hào)的顯示。Aux - 輔助方式按此鍵可從下級(jí)菜單回到上一級(jí)菜單（主菜單）。Info -顯示剩余存儲(chǔ)器空間、電池電壓、時(shí)間和日期、網(wǎng)號(hào)以及其它輔助信息。Station -顯示現(xiàn)行點(diǎn)號(hào)或從存儲(chǔ)器調(diào)出觀測(cè)值點(diǎn)號(hào)，目前點(diǎn)號(hào)顯示在上行，調(diào)出的點(diǎn)號(hào)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(dòng)或停止測(cè)量，開始或中斷向通訊口或記錄設(shè)備輸出數(shù)據(jù)，刷新并測(cè)試存儲(chǔ)器，啟動(dòng)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(diǎn)。NE+/-SW -點(diǎn)線號(hào)的東、西、南、北方向或+/-。Enter -能接收屏幕上所選菜單，也向存儲(chǔ)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(dòng)鍵，進(jìn)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(dòng)鍵，這時(shí)候儀器將暫停兩秒鐘（此間要排除人為的干擾）然后開始