0 引言

地面高精度數(shù)字重力儀（下文簡稱數(shù)字重力儀） 是能夠測量重力加速度值億分之一的高靈敏度儀 器，通過對實測重力數(shù)據(jù)進(jìn)行反演可獲得地下密度 結(jié)構(gòu)．因此高精度重力測量對于地質(zhì)構(gòu)造研究和礦 產(chǎn)勘 探 等 領(lǐng) 域 十 分 重 要 （Ｆｒｉｆｉｔａｅｔａｌ．，２０１６； Ｃｈａｋｒａｖａｒｔｈｉｅｔａｌ．，２０１７；Ｐａｎｅｔａｌ．，２０１７）．重力傳 感器是數(shù)字重力儀最重要的核心部件，根據(jù)重力傳 感器的制作材料又分為金屬彈簧重力傳感器和石英 彈簧重力傳感器．目前國內(nèi)外比較典型的金屬彈簧 數(shù)字重力儀有 德 國 生 產(chǎn) 的 ＧＳ重力 儀 和 美 國 Ｌ＆Ｒ 公司生產(chǎn)的 ＬＣＲ型重力儀．石英彈簧重力儀有加拿 大Ｓｃｉｎｔｒｅｘ公司生產(chǎn)的 ＣＧ 系列重力儀和我國現(xiàn)北 京奧地探測儀器有限公司（原北京地質(zhì)儀器廠）生產(chǎn) 的ＺＳＭ 系列重力儀．其中德國 ＧＳ重力儀是我國２０ 世紀(jì)７０年代和８０年代初引進(jìn)的，主要用于固定臺 站進(jìn)行重力 固 體 潮 監(jiān) 測，其技術(shù)狀態(tài)相對落后，９０ 年代國內(nèi)用戶圍繞電子電路部分、恒溫系統(tǒng)部分、計 算機(jī)控制部分對其進(jìn)行了升級改造，實現(xiàn)了數(shù)字化、 自動 化、網(wǎng) 絡(luò) 化 的 功 能（白 亞 平，１９８７；鄧濤 和 羅 星 輝，１９９３；張勤 耕 等，１９９９；蔚曉 利 等，２０００；李家 明 等，２００８；楊又陵等，２００９）．美國 Ｌ＆Ｒ 公司 的 ＬＣＲ 重力儀主要用于地面移動測量，由于其特制的合金 材料，重力讀數(shù)漂移小，溫度影響小，在國內(nèi)具備一定的用戶，后來 ＺＬＳ公司 基 于 ＬＣＲ 重力儀技術(shù)研究了最新一 代 的 貝 爾 雷 斯（Ｂｕｒｒｉｓ）重力儀。

１ 高精度恒溫測溫系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

考慮到數(shù)字重力儀在野外工作的便攜式、體積 小、功耗低及復(fù)雜環(huán)境溫度下適用性等特點，高精度 恒溫系統(tǒng)采用被動散熱的方式，即恒溫系統(tǒng)內(nèi)部的 恒溫溫度高于規(guī)定的最高工作環(huán)境溫度（４５ ℃），于是恒溫系統(tǒng)會不斷但以盡可能低的散熱率向外發(fā)散 熱量，當(dāng)熱量散發(fā)到足以導(dǎo)致內(nèi)部溫度低于恒溫溫度 時，則開始用加熱器給系統(tǒng)加熱升溫，這樣散熱量與 加熱量最終保持平衡狀態(tài)，以實現(xiàn)溫度的精確控制．聚碳酸酯發(fā)泡材料是保溫材料，其發(fā)泡率直接 影響保 溫 效 果，經(jīng) 試 驗，本 文 選 用 了４０ｋｇ·ｍ－３的 材料．在２５ ℃環(huán)境溫度下，上述熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計使得 高精度恒溫 系 統(tǒng) 的 功 耗 只 有４．８ Ｗ，滿足 了 數(shù) 字 重 力儀電池續(xù)航能力的要求．為了保障 數(shù) 字 重 力 儀 適 應(yīng) －２０～＋４５ ℃的環(huán) 境溫度，內(nèi)層的溫度控制值為６０ ℃，外層的溫度控 制值為５８℃．恒溫系統(tǒng)電路由四路獨立的閉環(huán)反饋 控制電路組成，外層恒溫通過３套控制系統(tǒng)，抵御外 部環(huán)境溫度的波動與沖擊，使溫度波動約幾十毫度 量級．內(nèi)層恒溫通過１路電路控制進(jìn)一步減小外層 恒溫環(huán)境的溫度變化，精確地使內(nèi)層恒溫溫度變化 降至毫度量級，穩(wěn)定地保障石英彈性系統(tǒng)工作在恒 溫環(huán)境中．真空室內(nèi)石英彈性系統(tǒng)附近殘余的溫度 變化由高精度測溫系統(tǒng)采集并通過測定的溫度系 數(shù)，由計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行重力讀數(shù)的溫度補(bǔ)償．

２ 試驗結(jié)果與分析

試驗方法：將安裝了本高精度恒溫測溫系統(tǒng)的數(shù)字重力儀，常溫條件下持續(xù)通電，在實驗室靜置３ 天，導(dǎo)出測得的溫度記錄數(shù)據(jù)并作成圖６的曲線，縱 坐標(biāo)為溫度讀數(shù)（單位 ｍ℃），可以看出３天的恒溫 溫度波動范圍只有約７０μ℃，測溫最小分辨率更是 達(dá)到１０μ℃．由 于 數(shù) 字 重 力 儀 的 重 力 傳 感 器 是 由 人 工 在 約 １４００℃高溫條件下手工制作的，有一定的工藝差異 性，其核心部分石英彈性系統(tǒng)由于溫度變化導(dǎo)致的 重力讀數(shù)變化并不是固定的理論值０．１２ｍＧａｌ／ｍ℃， 即石英彈性系統(tǒng)溫度系數(shù)存在一定的差異，為了精 確地進(jìn)行溫度補(bǔ)償，保障儀器的總體指標(biāo)要求，同時 也為了滿足批量生產(chǎn)的工藝要求，需要設(shè)計一種石 英彈性系統(tǒng)溫度系數(shù)的標(biāo)定方法，為此，在內(nèi)層控溫 橋路的上橋臂并聯(lián)電阻并且用開關(guān)控制，構(gòu)成一個 恒溫點微調(diào)裝置，使恒溫系統(tǒng)產(chǎn)生一個固定的溫差， 儀器記錄下重力讀數(shù) ΔＧ 和儀器內(nèi)部溫度 ΔＴ 的變 化，計算二者的比值即可得到石英彈性系統(tǒng)溫度系數(shù)，將安裝了本高精度恒溫測溫系統(tǒng)的數(shù)字重力儀 持續(xù)通電并分別放置在高、低溫試驗箱（上海一恒提供）內(nèi)做高低溫 試驗，然后導(dǎo)出記錄數(shù)據(jù)并作曲線。

３ 結(jié)論

為解決環(huán)境溫度變化引起重力值漂移遠(yuǎn)大于重 力儀精度這一技術(shù)難題．本文研究設(shè)計了高精度恒 溫測溫系統(tǒng)．測試結(jié)果表明：測溫最小分辨率達(dá)到了 １０μ℃，靜態(tài)常溫時，溫度變化約為７０μ℃；在外界 溫度差６５ ℃的條件下，溫度變化小于１ｍ℃；通過 改變恒溫點可以實現(xiàn)石英彈性系統(tǒng)溫度系數(shù)的測 定．說明本高精度恒溫測溫系統(tǒng)完全滿足數(shù)字重力 儀對溫 度 補(bǔ) 償 系 統(tǒng) 的 要 求，可 以 保 障 數(shù) 字 重 力 儀２０μＧａｌ的高精度測量需求．目前仍存在一些問題需 要進(jìn)一步研究，比如通過石英彈性系統(tǒng)溫度系數(shù)測 定曲線中的上升沿和下降沿可以看出，如果溫度發(fā) 生突變，可能存在溫度補(bǔ)償不徹底的現(xiàn)象，因此在實 際測量中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)儀器界面溫度變化過快時，應(yīng)穩(wěn)定 一段時間后再進(jìn)行讀數(shù)．此外，高低溫試驗中存在約 １ｍ℃的溫度 變 化，通過重力讀數(shù)溫度補(bǔ)償雖然可 以抵消其影響，但仍需進(jìn)一步研究減小溫度變化的 方法以便從根本上減小其對重力讀數(shù)的影響．