金属弹簧与石英弹簧重力仪仪器性能实验对比探讨

金属弹簧与石英弹簧重力仪仪器性能实验对比探讨

殷久洋 ,王东

陕西地矿第二综合物探大队有限公司，陕西 西安 710016

摘要：重力测量随着科技的进步，被广泛运用在测量、地球物理、能源勘查等领域，也是地震研究、考古等重要方法之一。重力仪分为绝对重力仪与相对重力仪。现阶段，重力勘探行业使用较为广泛的相对重力仪有两种：一种为石英弹簧重力仪，一种为金属弹簧重力仪。本次实验在相同实验环境下对两种不同性质的相对重力仪进行一系列生产前试验对比，从而了解其存在的性能差异，并做出总结。

关键字：石英弹簧重力仪；金属弹簧重力仪；绝对重力仪；性能对比

重力物探仪器是一种，在重力物探中测量重力加速度或重力加速度随地点的不同而产生的变化,并且精确测量地球上每个位置的重力加速度精密设备，由于地壳构成成分不同（岩石层的分布，油气田，地下水等等），导致每个地点的重力加速度会有一定的差异，通过重力仪器测定分析每个差异能够有效地推断出该地区的地下构造，进而为我们的地质填图、矿藏勘探、区域重力研究,城市建设等方面提供可靠地数据支持。

1重力仪的种类

重力物探仪器种类繁多，从测量技术上主要分为两类：1绝对重力仪、相对重力仪,第一种仪器测定一点的绝对重力值，第二种仪器测定两点的重力差值。

1.1绝对重力仪

绝对重力仪是国际上研制，广泛使用在地震、油气勘查多领域。绝对重力仪是测量重力加速度值的测量设备.测量相对不确定度可达到2×10(-9)，绝对重力仪每分钟测量相对不确定度能达到3×10(-9)，48小时内测量的相对不确定度可达到1×10(-10)。应用物体在真空状态下自由下落原理，绝对重力仪是国际上研究，制造的一种集光电、计算器、真空技术于一体化的精密设备，目前只有美国等为数不多的国家能制造。我国也对相关设备也有研究(由中科院测地所牵头中国多所高等级院校参与研发)。虽有差距但不断努力改进，以做到高精仪器，知识产权自主化。

照片1劳雷公司A10绝对重力仪 自主研发的NIM---III绝对重力仪

1.2相对重力仪

相对重力仪是使用技术方法，测量每个地点重力变化的差值来测定该点重力值的重力设备。现阶段主要采用的零长弹簧原理，测量弹簧在不同重力作用下伸长量的变化来测定重力变化。当作用在负荷上的重力g变化了Δg时,弹簧的伸长量L随之变化ΔL,负荷也位移ΔL。依据弹簧弹力和负荷重量的静力平衡方程可推算出重力加速度g。

照片2  LCR---G型重力仪     GT—2A航空重力仪

针对物探地面重力方法的应用，现广泛使用的两种不同材料的相对重力仪(Burris金属弹簧  CG-5石英弹簧)进行常规技术比对。另外我国部分地质仪器厂虽然能生产相对重力仪但精度较低逐渐被淘汰，近年来我国也在自主研发高精度相对重力设备,(由中国测绘局牵头中国某测绘大队为主多家测绘单位共同参与研究已初具模型)以代替国外产品,做到高精仪器国产化，知识产权自主化。

照片3  贝尔雷斯 金属弹簧重力仪     CG-5 石英弹簧重力仪

1.3弹性材料与工作原理对比

金属弹簧重力仪：弹性系统由金属材料制成的重力设备。

其工作原理:平衡方式，平衡体的偏转轴使用得是一条很细的金属弹簧，因而暂不考虑扭力矩。当重力产生变化时，测量系统由测微螺丝带动主弹簧的上端点，使平衡体处于零点位置。

石英弹簧重力仪：弹性系统由熔融后的石英制成的重力设备.

其工作原理:当重力发生变化引起摆杆偏离水平位置时，指示丝随之偏转，调节测量弹簧的长度，温度补偿杆绕测量扭丝作微小偏转，使其改变主弹簧的弹力矩，让摆杆又回到零点位置。

2两种仪器简介

2.1Burris金属零长重力弹簧

Burris金属弹簧采用了数字技术的最新发展，仪器具有最先进数字性能，准确、精确、耐用和快速读数的重力仪。

通过UltraGravTMControl 电子装置自动操控贝尔雷斯（Burris）重力仪可以达到微伽级精度。

采用的金属零长弹簧具有特别低的弹性滞后及零点漂移.每月小于0.3mGal。用测微螺丝确定格值，能够达到0.03mGal的标准。

所有的传感器，电子平衡系统和精密的电子电路都被放在不受外界环境温度影响的恒温炉系统里，这种高效的绝热材料被用来更进一步的减弱温度效应，使得贝尔雷斯重力仪可以在－15℃～＋50℃范围下工作。

2.2CG-5石英零长重力弹簧

CG-5重力仪的重力传感器、控制板以及电池都集成,输入的地理位置以及时区资料，对各个读数进行自动计算，并进行实时潮汐修正。

图1  弹簧读数状态

熔融石英系统具有内在的强度和良好的弹性,石英弹性系统、装在两极恒温的恒温器中，正常仪器的恒温操作范围为-40～+45℃。灵敏系统封在一个双层真空容器中，隔离了大气压力变化的影响。对于石英弹簧系统其长期漂移是极其稳定的，再加上软件的实时改正，可以将长期零位漂移降低到0.2mGal/天以下。以上两种仪器均做消磁处理，均不受磁场影响。

3性能试验对比

现阶段重力勘探使用较广泛的重力仪就是这两种重力仪。为了验证两种重力仪的性能差异，依据现行重力勘探规范，对两种重力仪进行性能比较。

2020年7月度使用贝尔雷斯型金属弹簧重力仪两台,CG-5型石英弹簧重力仪两台共计四台重力仪在同时段，同地方，固定技术人员，外部环境，温度相对干扰较小场所（某单位仪器地下实验某室，及国家某裕口重力标定场）所进行的静态，动态及一致性实验，对采集的数据，精度进行计算，性能分析进行比对。

4试验方式

4.1静态试验

为了解仪器的静态零点漂移是否呈线性变化（在静止状态下零点位移大小和线性程度）。

静态试验地点及方式：某单位仪器地下实验室，静态试验时间均大于24小时，仪器设置为自动读数模式，读数时间间隔为5分钟。

曲线绘制：将数据传输到计算机，经理论固体潮改正后，计算出观测重力值，以时间为横坐标、重力值（以起始时刻重力值为相对零点）为纵坐标，绘制每台重力仪的静态观测曲线，并用线性回归计算出日平均零点位移率。

表1  重力仪静态试验观测误差统计表

4.2动态试验

为了解仪器动态混合零点漂移的速率，动态观测下达到的可能精度，最佳工作时间范围和确定最大零点漂移时间间隔。

动态试验地点及方式：在西安市进行两点动态试验。两点间观测时间间隔为20分钟，两点间重力差平均值为3.9×10-5m/s2，试验时间12小时。以时间为横轴，以重力值（以起始时刻重力值为相对零点）为纵轴，绘制出了每台重力仪的动态观测曲线。

表2  重力仪动态试验观测误差统计表

图2  重力仪静态试验曲线     重力仪动态试验曲线

（依次为：B103-75C8B、B103-5BD07、CG-5-40678、CG-5-40780）

4.3一致性试验

是为了当工区在有两台重力仪以上同时，确保所有仪器在同一点位所测数据得均方误差在规范要求内，从而保证数据的可靠性。

一致性试验地点及方式，国家某裕口重力标定场进行，采取往返15个往返已知测点。每点观测值经理论固体潮及混合零点位移改正之后，求取各台重力仪在该点与起始点的重力段差值。以点号为横坐标，以单台仪器该点位上的重力段差与所有仪器重力段差的平均值之差为纵坐标，绘制一致性试验曲线图。

图3  贝尔雷斯 金属弹簧重力仪一致性试验曲线图

图4  CG-5 石英弹簧重力仪一致性试验曲线图

表3  重力仪一致性试验观测误差统计表

5试验结论

经以上三种常规试验结果，初步评定得到结论两种类型仪器均符合野外物探工作要求。初步分析表明：两种不同材质的仪器观测数据显示自身误差，相互间误差，点值平均精度性能均可靠，结果表明：Burris金属弹簧、CG-5石英弹簧型两种仪器的静态，动态以及一致性观测精度都小于30×10-8m/s2(毫伽)，而且静态，动态试验仪器零点漂移很小均成线性，两种类型重力仪一致性观测精度高。金属弹簧重力仪较石英弹簧重力仪有更高的自身精度，两种重力仪均可满足野外项目施工。

参考资料

[1]《DZ-T0082-2006区域重力调查规范》.

[2]《区域重力调查野外工作细则》.中国地质调查局，2014.

作者简介：殷久洋，男（1978.02-）汉族，陕西省西安市人，大专，物探技师，主要从事地球物理与重力勘探工作。