A10型绝对重力仪的原理研究及精度分析.docx

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A10型绝对重力仪的原理研究及精度分析

分类号密级

UDC编号10486

武汉大学

工程硕士专业学位论文

A10型绝对重力仪的原理研究

及精度分析

研究生姓名康胜军

学号2012212143093

指导教师姓名、职称罗佳副教授

企业导师姓名、职称肖学年高级工程师

工程领域名称测绘工程

研究方向绝对重力测量

二〇一三年十一月

TheoryResearchandAccuracyAnalysisforA10AbsoluteGravityMeter

By

KangShengjun

SupervisedByAdjunctProfessorLuoJia

SupervisedBySeniorEngineerXiaoXuenian

SchoolofGeodesyandGeomatics,WuhanUniversity

Wuhan430079,P.R.China

November,2013

郑重声明

本人的学位论文是在导师的指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权的行为，否则本人愿意承担由此而产生的法律责任和法律后果，特此郑重声明。

学位论文作者（签名）：

年月日

摘要

绝对重力测量对地球重力场的相关应用和研究有着十分重要的意义。

随着其应用领域的不断扩展，关于该项技术的研究、分析也必将深化。

对于绝对重力测量仪器的原理研究及精度分析就是其中重要的分支。

论文简单回顾了绝对重力仪发展的历史，对国内绝对重力测量和仪器现状进行了描述。

以A10型绝对重力仪为例，总结了自由落体式绝对重力仪的原理、组成结构、数据处理方法，并从理论上分析了其与FG5型绝对重力仪的差别。

通过多次比对试验，重点比对、分析了A10型与FG5型绝对重力仪在测量精度上的差别。

论文结论对于A10型绝对重力仪的应用推广有着积极的意义。

关键词：

A10型绝对重力仪、绝对重力测量、精度。

Abstract

AbsolutegravitymeasurementshasaveryimportantsignificancefortheEarth'sgravityfieldrelatedapplicationsandresearch.Withthecontinuousexpansionofitsapplications,theresearchandanalysisinthistechnologywillbecomemoreandmoreimportant.oneimportantbranchisthetheoryresearchandaccuracyanalysisforabsolutegravitymeter.

Thispaperbrieflyreviewedthehistoryofthedevelopmentofabsolutegravitymeter,describestheactualityofdomesticabsolutegravitymeasurementandmeters.IncaseA10absolutegravitymeter,summarizedtheprinciplesoffreefallabsolutegravitymeter,composition,methodofdataprocessingandanalyzedthedifferencesintheorywhittheFG5absolutegravitymeter.Afterrepeatedcomparisontest,focusingoncomparingandanalyzingthedifferencesofmeasurementaccuracybetweenA10withFG5absolutegravitymeter.ConclusionofthispaperhasapositivemeaningforA10absolutegravitymeterapplicationandpromotion.

KeywordsA10absolutegravitymeterabsolutegravitymeasurementaccuracy

1绪论

1.1重力测量概述

万有引力：

质量与质量之间的一种相互吸引力，简称为引力，即

（1.1）

（1.1）式中：

G为引力常数，为,、为两个物体的质量，为两个物体间的距离。

离心力：

地球上的质点随着地球的旋转都会受到离心力的作用，离心力为惯性力，非物质力，其方向垂直于自转轴向外，并且随该点到自转轴距离的增大而增大，其大小为：

（1.2）

（1.2）式中：

R为地球半径，为质点的纬度，为地球自转的角速度。

赤道上的离心力最大，而两极的离心力为零。

离心力和引力相比是很小的，即使在赤道上，离心力也只是引力的1/300[1]。

重力的定义：

宇宙间全部物质对任一质点所产生的引力和该点相对于地球的瞬时角速度及瞬时地极的离心力之合力。

从重力的定义而言，重力是一个空间和时间的函数,它的大小等于物体自由落体加速度的大小，单位是：

距离/时间平方。

标称的重力值大约为9.8×。

重力单位也常用Gal，称为“伽”，以纪念意大利科学家伽利略（GalileoGalilei）。

由于Gal单位太大，一般用不到，通常利用的有mGal（毫伽）、µGal（微伽）。

其换算关系为：

现在一般的报告或文献中多用国际标准单位、、,因此本文均采用国际标准单位。

重力测量两个最主要的测量方式分别是绝对重力测量和相对重力测量：

绝对重力测量是用绝对重力仪直接测定地面上某点的绝对重力值，地球表面上的绝对重力值约在978000～983000×（根据现有资料，最小值是珠峰地区的，最大值是南极长城站的）范围内；相对重力测量是用相对重力仪测定地面上两点之间的重力差值，地球表面上的最大重力差约为5000×。

这两种测量方式相辅相成，绝对重力测量是相对重力测量的基准，相对重力测量是绝对重力测量的有效补充。

绝对重力测量精度高，直接获得点位重力值，但受绝对重力仪工作条件限制，多数点位难以直接实施测量。

相对重力测量精度相对较低，但仪器轻便，工作条件宽松，是大范围实施重力测量的主要方式。

除此，还有一种固定台站式的重力测量方式，观测重力随时间的变化，主要用于研究地球固体潮的变化。

重力测量，尤其是绝对重力测量一直是测绘、地球物理领域一个关键技术、是研究和确定地球重力场信息的重要工具，其在国家重力基准的建设与维护、大地水准面的精确测定、地震监测、资源勘探、国防建设等方面发挥着重要的作用。

1.2绝对重力仪发展的历史

绝对重力仪的发展经历了一个较长的历史时期。

从十六世纪末世界上进行第一次绝对重力测定至今，曾经出现过多种不同类型的绝对重力测量装置或绝对重力仪，但其基本原理仍然只有振摆和自由落体两种。

因此在叙述A10型绝对重力仪原理之前，首先概述绝对重力仪发展的历史阶段。

绝对重力仪的发展基本经历了三个历史阶段[2]。

1）振摆阶段（十八世纪至十九世纪）。

这一阶段重力测量仪器主要以摆仪为主。

这种方法是建立在荷兰物理学家惠更斯（Ch.Huygens）的数学摆周期公式的基础上，即摆动周期与摆长和重力加速度之间的比例关系。

但是这种摆仪受到制作工艺的极大限制，测量精度较低。

即使在当今的制造工艺水平下，制造一个测量精度达到1×的摆仪也是相对不容易的。

当摆动周期为1s时，周期的观测误差不得超过3.5×；当改化摆长为1m时，摆长的量测误差不得超过1mm。

若按现在绝对重力测量精度的要求1×，振摆周期和摆长的测定精度将提高千倍，更何况单摆实际上是不能精确制作的，摆长是从摆动支点到摆重心的距离，重心是看不见的，因此这一方法几乎无实用性。

。

2）扭秤阶段（二十世纪上半叶）。

扭称是英国物理学家卡文迪许（H.Cavendish）发明的，其利用的是多次放大及等效的原理。

这一阶段是高精度绝对重力测量的开始，其主要贡献在于对高精度绝对重力仪的设计奠定了思想基础。

3）自由落体绝对重力仪阶段（二十世纪下半叶）。

由于激光的发明及高精密测时技术的发展，激光干涉绝对重力仪得到了快速的发展。

应用自由下落法来测定重力加速度是激光干涉绝对重力仪的主要方法。

激光干涉绝对重力仪商品化最成功的是美国Micro-gLaCoste公司研制的FG5型和A10型绝对重力仪[3]。

FG5型绝对重力仪是一台集光、机、电、计算机、真空技术于一体的高、精、尖智能设备。

测量精度可达2×。

A10型绝对重力仪器是一种便携式的绝对重力仪，具有高精度、高重复性、便于操作的优点，可用直流电源工作，适用于野外流动重力测量。

测量精度可达10×。

该公司还研制了一种FG5-L型绝对重力仪，其是标准FG5型绝对重力仪的简化版本。

仪器测量精度可达10×。

该类型绝对重力仪体积小、高速数据采集、使用方便、便携性好和价格较低。

为了保证可升级性，其多数部件都与标准的FG5型绝对重力仪兼容。

实际上FG5-L型绝对重力仪是A10型绝对重力仪思想上的前身。

随着A10型绝对重力仪的研制成功，FG5-L型绝对重力仪已基本处于停滞生产状态。

目前，Micro-gLaCoste公司已对FG5型绝对重力仪进行了升级，推出了FG5-X型绝对重力仪。

FG5-X型绝对重力仪重新设计了落体舱内的质量块和驱动系统，使得在落体舱尺寸不变的情况下，可落体距离增加65%，可测量时间增加30%，同时使用透明材料制作落体舱，使得落体舱内问题的诊断更直观、更准确。

同时新设计了电子控制部分的系统接口模块，使得电子控制部分更小，更轻，更强的抗干扰能力。

该类型仪器测量精度可达2×。

综上，从摆仪到FG5型绝对重力仪，绝对重力仪的测量精确度提高了数个量级（图1.1[2]）。

图1.1绝对重力仪测量精确度的发展变化

目前绝对重力仪研制的最新方向是原子干涉绝对重力仪，其基本原理是：

把“冷却”的原子抛向重力的反方向后，使其仅在重力作用下下落形成原子干涉，测量原子干涉后的量子态布局，从而实现绝对重力测量。

根据美国斯坦佛大学朱棣文教授的实验结果，可以测得重力的精度达到0.01×。

尽管目前该类型仪器还只处于实验阶段，但从原理而言其是高精度绝对重力仪发展的方向之一[4、5、6、7]。

1.3国内绝对重力测量的现状

国内绝对重力仪的研究起步较晚，主要有中国计量科学研究院自1965年开始研制的NIM型绝对重力仪[8]。

该仪器采用了“自由下落多位置符合测量法”，这种方法已被国际同行公认为目前世界上三种不同的技术方案之一。

NIM-1型仪器曾为我国“57重力系统网”改值提供了科学数据。

但NIM-1型仪器存在一些明显的不足，仪器测量的不确定度较大（约为100×），同时该仪器是固定式仪器，不能移动。

因此，二十世纪九十年代研制了NIM-2型仪器，该仪器在精度上比NIM-1有了质的飞跃，测量不确定度约为4×，较之前提高了整整两个数量级！

二十一世纪，中国计量科学研究院开始了车载GA-1小型可移动绝对重力仪的研制。

该仪器采用对称自由运动法（上抛法），仪器主要部件包括真空系统、干涉系统、时间系统、数据采集和控制系统等。

时间标准拟采用10MHZ的铷频标，测距标准采用稳频的氦氖激光，测量精度优于1×，并显示出向“微伽级”发展的良好前景[9]。

中国科学院测量与地球物理研究所（武汉）的张为民也于2009年开始了小型快速绝对