第三章第二节重力测量仪器

1、第二节 重力测量仪器一、重力测量仪器概述1.重力测量仪器的类别 地球表面上任何一点的重力值都可以用重力仪实际测量出来。如果测定出来的是该测点的重力绝对数值，则称其为绝对重力测量；如果测定出来的是该点与另一点间的重力差值，则称为相对重力测量。在建立高级别的基准观测站或进行地震监测等工作时多采用绝对重力测量。在找矿勘探和地质研究工作以及建筑工程项目中多采用相对重力测量。 在重力测量中，按测定重力的方法不同可分为动力法和静力法。 动力法通过观测物体在重力作用下的运动状态(路程和时间)来测定重力值。例如利用物体的自由下落或上抛运动，或利用摆的自由摆动。这些方法通常用来测定绝对重力值。按动力法原理设计的

2、测定绝对重力值的仪器称为绝对重力仪。 静力法通过观测物体在重力作用下静力平衡位置的变化来测定两点间的重力差值。例如观测负荷弹簧的伸长量(线位移系统)或摆杆的偏移角度(角位移系统)。按静力法原理设计的仪器只能测定两点间的重力差值，故称为相对重力仪。 按进行重力测量的环境和空间不同，重力测量一起还可以分为地面、海洋、航空及井孔重力仪。 2.重力测量仪器的相关指标 重力勘探要求能测量出重力场的微弱变化，即要求能可靠地测量出(110)g.u.甚至更小的重力变化，该值约占地球平均重力值的11千万11百万，因此要求重力仪具有高灵敏度、高精度、轻便化、数字化和自动化等性能。 (1)重力仪的灵敏度 灵敏度是指

3、仪器能够感觉出的场强度的最小变化。 显示灵敏度(亦称读数分辨率)，指的是在读数装置上估计出的最小可辨读数。对无数字显示的仪器，如ZSM型石英弹簧重力仪为0.1格；对数字显示的仪器来说，即最末一位数字代表的场值，如CG-3型石英弹簧重力仪为0.01g.u.。 灵敏度与显示灵敏度是两个不同不同的概念。一般情况下，仪器的显示灵敏度包括有一定的随机误差，而灵敏度是某种仪器对一定强度的重力场感知的标定量。 (2)重力仪的精度 精度是反映测量结果与真实值接近程度的量，它与误差大小相对应，误差大、精度低，误差小、精度高。通常，误差又可分为系统误差、偶然误差和过失误差。 通常情况下，精度可分为： 准确度：描述

4、系统误差影响程度的量。 精密度：描述偶然误差影响程度的量。 精确度：描述系统误差和偶然误差综合影响程度的量。 在重力勘探中，往往不区分精密度与准确度在含义上的差别，而笼统地称为精度,但在必要时应加以区分。 应注意的是，不应将仪器的灵敏度与精度混淆。如果一台仪器的精度很高，则它的灵敏度自然很高，而一台仪器的灵敏度很高，它的精度不一定很高。 二、绝对重力测量仪器 绝对重力测量的方法、手段很多，凡是与重力有关的一切物理现象都可以用来测量重力，如摆、自由落体、斜面法等等。 不论用什么原理测定重力，有两个基本量必须要精确地测出来，一个是长度，一个是时间，这两个量的测量精度决定了重力的测量精度。现代的绝对

5、重力测量的精度在0.10.2g.u.的量级。目前美国、日本、法国、意大利、俄罗斯和我国都已制成了可移动的绝对重力仪。这对研究重力场随时间的变化是极有利的。 三、地面相对重力仪 相对重力测量一般用相对重力仪进行。目前应用较普遍的重力仪多利用一种力来平衡重力，然后再用适当的方法来测量平衡力的变化以确定重力变化。它们的构造原理基本上是相同的。如气压重力仪用气压变化平衡重力变化；弹簧重力仪则用弹簧的弹力来平衡重力。它们大都是质盘旋转型，均是利用弹力矩平衡重力矩原理来测量重力变化。这些仪器统称静力重力仪。静力重力仪又分为两大类型：直线型和助动型。 直线型重力仪：平衡物体的变化量大致和重力变化成正比。如上

6、述的气体或弹簧。其特点是结构简单，但灵敏度低，需要高倍的量测系统测量其微小变化。这种重力仪有哈尔克(H.Haalck )气压重力仪，哈特莱(K.Hartley)重力仪等。 助动型重力仪：这种类型的重力仪利用弹簧的特殊安置方法，使灵敏度系统处于不稳定状态，从而提高了它对于重力变化的灵敏度。它的优点是灵敏度系统本身就预先将灵敏度提高了几百乃至几千倍，所以不必采用高倍的量测系统，但这种仪器受倾斜和温度的影响很大，必须采用特殊的读数方法和温度补偿方法来避免其缺点。 在地面重力测量中主要使用依据静力法设计制造的弹簧重力仪，它们中的多数为角位移系统。下面重点介绍两种地面弹簧重力仪。1.ZSM-V型石英弹簧

7、重力仪 （1）简介 ZSMV型重力仪为我国北京地质仪器厂所生产，其外貌呈圆柱形，外直径为14cm、高40cm，仪器净重4.5kg。观测精度约为g.u.，读数能力为0.1格，直接测量范围约为1400g.u.，测程范围50000 g.u.。接近国外同类仪器水平。 （2）结构 仪器由弹性系统、光学指示系统、测读系统、保温隔热系统等组成。弹性系统 位于主体结构的底部。主要部件中，除了温度补偿丝和负荷为金属外，其它均由石英制成。主要部件由一个矩形石英框架支撑着，用一个支杆固定在密封器顶盖上。弹性系统的位移方式属角位移。 ZSM-V型重力仪弹性系统1负荷；2摆杆；3摆扭丝；4主弹簧；5测读装置温度补偿框扭

8、丝；6读数弹簧；7读数弹簧连杆；8温度补偿框扭丝，9读数框架扭丝；10测程调节弹簧；11指示丝ZSM-V型重力仪光学测读装置示意图光学系统 它是一个长焦距显微镜，由目镜座1、目镜筒2、刻度片3、物镜4、全反射镜5、物镜6、指示丝7、聚光镜8、灯泡9等组成。 在视域中的刻度片上可见到的“亮线”就是平衡体端的指示丝在显微镜下的像，通过对亮线的观察就知道平衡体偏转的情况，当重力增大时，平衡体向下偏转一个角度，我们就可以从视域中看到亮线向右边产生一个位移，反之，当重力减小时，亮线将向左边移动。 刻度片中间的长线叫“零线”用来指示零点位置用，重力仪采用零点读数法，所以每次观测时，必须使亮线与零线重合。

9、测量系统 它由测读装置、测程调节装置及纵、横水准器等组成。测微螺丝1通过连杆2与仪器板面上的读数器3相连，转动测微器旋钮可以带动测微螺丝旋转，测微螺丝的底部压一钢球4，其下面为导向装置5，该装置下面又连着读数弹簧6，随着测微螺丝的旋转，让导向装置可以带动读数弹簧伸缩，借以改变灵敏系统中的弹力矩，把石英摆到水平零点的位置，此时读数器上显示的数字即为仪器读数。 ZSM-V型重力仪读数装置图 保温系统及其他 该仪器无电热恒温器，为了减小外界温度变化的影响，其内装有保温瓶，并在保温瓶与仪器外壳之间充填了隔热材料。弹性系统容器与上部也间隔有隔热材料，以防止外界温度剧烈变化对从仪器内部的影响。 仪器外壳侧

10、面装有把手和电池箱，底部有三个水平调节螺旋。仪器附件包括底盘、内、外防震筒（减震箱）、工具箱。底盘的表面是凹面，借引可粗略摆平仪器。内防震筒是人工背运时使用，外防震筒是当仪器长途搬运或汽车运输时，作套放内防震筒之用。 为保证仪器安放正确，仪器中间（或顶部）都装有两个互相垂直的水准器，其中之一与石英摆平行，称为纵水泡；另一个与摆扭丝轴平行，称为横水泡。 整个仪器主体置于保温瓶内，最外面是金属壳，这种仪器体积小，运输方便，但比较娇贵，不宜强烈振荡，倾斜角度不宜大于45,精度相对较低。（3）检查及操作ZSM-V型石英弹簧重力仪使用前主要应对仪器的灵敏度进行调试。首先应检查仪器的光线灵敏度。光线灵敏度

11、是指亮线从零刻度线位移到+1或-1刻度线时仪器读数之差。一般ZSM-V型石英弹簧重力仪的读数差在1620格为宜，小于此数称灵敏度过高，这时仪器很难稳定，读数困难：大于此数称灵敏度过低，仪器灵敏系统迟钝，不能反映微小重力变化，从而影响测量精度。 操作步骤1）将仪器的底盘放平、摆稳。2）小必地将仪器从减震箱中取出（注意防止与减震箱碰撞），轻轻地放在底盘上，并利用底盘凹面粗略调平，注意勿使仪器太靠底盘边缘，以致使重心不稳摔倒仪器。3）用右手扶住仪器，用左手提起照明电源开关。4）旋转水平调节螺丝，先调横水准器气泡居中，后调纵水准器，水平调好后，在整个操作过程中，切勿按压仪器面板。 5）观察目镜筒内亮线

12、（即指示丝）的位置，当亮线在刻度片零线左侧时，应顺时针方向旋转计数器旋钮；反之，当亮线在右侧时，则逆时针方向旋转计数器。为了避免齿轮和螺距间隙对读数的影响，每次读数时，总是保持同一旋转方向使亮线与零线重合。习惯上总是顺时针方向旋转读数时要多转过一些，再使亮线由左移至零线位置。二者重合后，记下此时计数器上的读数（读到五位有效数字）。 6）将计数器逆时针方向旋转半周，使亮线偏离零线。重复步骤5。7）重复步骤6，直到三次连续读数间的最大差值在允许范围内为止（一般为0.20.3格）8）检查纵、横水准器，如气泡偏离居中位置不超过允许值（如1/2刻度），则按下照明开关，并记下此时的时间（精确到分）。9）最

13、后，将仪器轻轻提起，小心地放回减震箱中，以便转移到下一测点进行观测。 重力仪性能的测试1）重力仪零点漂移测试 一台性能稳定的重力仪要求是零点漂移很小并有一定规律。这种规律可以通过静态观测和动态观测结果了解。 由于仪器内部的灵敏系统是由弹簧制成的，长时间的工作难免出现弹性疲劳，所以重力仪观测结果往往随时间延续有变化，这种变化我们称之为零点漂移（零点掉格）。 2）重力仪突然掉格 当弹性系统受到外力产生突然震动，读数值会有很大变化，称突然掉格。在工作中这种读数突变是绝对不允许的，突然掉格以后的数值是不能用来计算重力异常的。因此工作期间仪器要轻拿轻放，避免强烈震动，仪器倾斜度要小于45，尤其是仪器放置

14、于底盘上时，不能互相碰撞。另外仪器在运输过程中要注意平稳、防震、防潮、防晒。重力仪器突然掉格，不仅影响测量工作，而且掉格恢复很慢，以常突然掉格，仪器性能损坏很大。3）仪器“粘摆” 在工作中有时会发现亮线停留在刻度片某一侧不动，这时即使旋转计数也不能使亮线移动，这种现象称之为“粘摆”。粘摆原因主要是仪器灵敏系统的空间真空度降低了，空气中的水汽使摆杆前的指示丝粘附在限制器上。若情况不太严重时，可用手指轻轻弹击仪器面板即可消除粘摆现象。4）检查灯泡及电池，以顺利完成任务。上述内容虽是施工前的准备工作，但很重要。 2. CG-3型全自动高精度重力仪 CG-3高精度重力仪是加拿大先达利公司1988年开始

15、生产的新型全自动重力仪（AUTOGRAVCG-3），它采用了微处理器控制的自动读数与数据采集系统，该仪器机械设计简单，操作方便。精度可达0.1 g.u.，测程范围70000 g.u.，它以处理机为基础，用于详查大比例尺勘查或大地测量。 其主要特点是自动化程度高，仅按一个键就可在一分钟内获得精确读数，在固定场前，把重力仪置于循环方式还可以获得一系列重力测量读数，而每个读数都是连续几秒钟采样的平均值，它以毫伽为单位显示在液晶显示器上，并且数据可以储存，也可以送入打印机，记录仪或微机中。 本仪器有较好的稳定性，仪器可在-40至45环境下工作，其心脏也由石英制的，所以读数不受磁场变化的影响。但仪器体积

16、稍大，较笨重，不利于携带。 （1）仪器的结构 仪器采用模块结构。机箱里装有防震系统。有三脚架和电池（通常使用蓄电池 ），气温25时可连续工作12h，在显示器上可监视电池电压。当电池电压低到10.5伏时仪器会自动蜂鸣报警。仪器（即使在存放其间）必须一直用内部电池12伏或电池充电器加电。如果仪器突然掉电，出现以下几种现象：掉电几分钟后，时钟设置被清除。恒温器丢失电源，仪器开始变冷。掉电的后果取决于仪器停电时间的长短。 控制箱包括一组成14键双功能键盘，32字符夜晶显示器，微处理机和半导体存储器。控制箱可以处理来自探头的信号，并对之可进行各种改正，且把数据按一定格式存储起来以便回放。另外还完成对仪器

17、的控制功能。备有快速的菜单式软件用以操作。（附有操作系统菜单） 键盘：1、可随意选择菜单。2、可设置系统参数。3、获得读数。4、记录数据。5、调出存储数据。6、输出数据。 每一键有两种功能，其取决于操作方式。两种工作方式为：操作方式按每个键上行标明的是功能。输入方式按每个键下行标明的是功能。 On/off -开/关Record -把观测值记入存储器。Method -显示仪器现在方法/状态。Data -屏幕上显示正用于观测或调整完的测量参数。Memory -调出并滚动显示存储器中的数据。Line - 表明目前线号或需要从存储器中调出的线号，目前线号显示在上行而调出的线号在下行。它能使你改变目前的

18、线号。 - 滚动显示所选数据、功能表、或选择的菜单。显示点、线号时，进行下一个点、线号的显示。Aux - 辅助方式按此键可从下级菜单回到上一级菜单（主菜单）。Info -显示剩余存储器空间、电池电压、时间和日期、网号以及其它辅助信息。Station -显示现行点号或从存储器调出观测值点号，目前点号显示在上行，调出的点号在下行。Change-使你能选择输入方式，以便可用每键下行功能修改参数。Start/Stop -启动或停止测量，开始或中断向通讯口或记录设备输出数据，刷新并测试存储器，启动编辑状态。Clear -清除目前数字。0-9 -输入数字。 -输入小数点。NE+/-SW -点线号的东、西、南、北方向或+/-。Enter -能接收屏幕上所选菜单，也向存储器输入数据。 （2）操作步骤1）放置三脚架，并将仪器放在三脚架上。2）按一下启动键，进入调节方式。3）调节脚螺丝将仪器调平。4）再按一下启动键，这时候仪器将暂停两秒钟（此间要排除人为的干扰）然后开始