文|凹脸的外星人
编辑|凹脸的外星人
前言精密重力测量技术是一项在多个领域发挥重要作用的技术，这项技术在地球科学、资源勘探和惯性导航等领域具有广泛应用。
通过该技术的发展和应用，我们能够更好地了解地球和行星，寻找天然矿产资源，并提高惯性导航的精度和可靠性。
20世纪80年代初Maryland大学研制出了高精度的单轴超导重力梯度仪实验室样机，与此同时，许多国外研究机构都在积极的研究超导重力梯度仪。
Maryland大学研制的三轴超导重力梯度仪的原理样机照片(三轴超导重力梯度仪是由六个超导加速度计组成)。
每个超导检验质量的质量约1.07kg,两连线上的加速度计的检测质量的间距为20cm。检验质量、线圈、屏蔽层均采用超导材料铌(Nb)。
仪器处在4.2K的低温环境中，梯度仪在0.1Hz频带以上分辨率达到了3.6×10°E/Hz，在1Hz带宽内的分辨率达到了0.02E/Hz。
现在许多国内外的研究机构正大力开展超导重力梯度仪的理论及应用研究的工作，并取得了相当的研究及应用成果：
英国ARKeX公司研制的超导重力梯度仪：公司的目标是研制出一台用于资源勘探的超导勘探重力梯度仪EGG(ExplorationGravityGradiometer)。
EGG设计的结构可安放用来测量全部的梯度张量分量的六个超导加速度计模块，但该公司研制的第一台EGG实际上只装配了两个加速度计模块，只是测量垂向的Tn分量。
澳大利亚西澳大学(UWA)研制的超导重力梯度仪：澳大利亚西澳大学研制的超导重力梯度仪是为了满足资源勘探的需求设计的。
该重力梯度仪主要采用低温和超导等先进技术，其工作环境主要是在轻型飞机上(用于距离地面低于100m飞行测量),它只是适用于低空范围的勘探。
关于超导重力梯度仪器的研究，国内相关的理论和实验研究基本还都处在空白阶段。
根据调研，国外的一些研究机构设计的梯度仪的使用环境与本课题所研制的存在差异，我们就必须结合自身需求来设计仪器的机械结构。
在探头部分的机械结构设计加工出来后，要使其工作还缺少仪器中的一个重要部件——曲面线圈，所以我们必须研究曲面线圈的制作方法。
最后，在仪器(机械部分、电路部分、杜瓦平台等)制作出来后就要设计一套标定装置对其进行标定以确定其传递函数及分辨率。
超导加速度计及单轴超导重力梯度仪测量原理重力位：地球表面静止物体所受的作用力是万有引力和地球自转向心力的合力。
重力加速度：g称为重力矢量，它是作用在单位质量上的合力(引力和向心力之和)。矢量的模|g狭义的称为单位质量的重力，它的物理量是重力加速度。
重力加速度绝对单位(CGS制)为伽(Gal),1Gal=1cm/s²。
重力梯度：由于重力梯度张量是对称张量，因而有T,=T,T=T,F=T。
并且由无源空间(p=0)的泊松方程可知：△T=Tx+T+T₂=2o²。
然而，在惯性参考系中重力梯度的对角线张量之和为零，即：△T=T+T,+T₂=0。
因此，重力梯度全部张量的9个分量中由于存在上述之间的关系实际上只有5个需要测量独立分量(2个对角的轴向分量以及3个非对角的交叉分量)就可以得出全部得张量分量。
所以在重力梯度的测量研究中，我们只需测量这五个独立的重力梯度值就可以得到全张量重力梯度值129,31,321。
所示为差分式重力梯度仪的测量模型，它由两个同轴且垂向安装在平台上的加速度计A、A₂组成。
两个加速度计的敏感轴方向ni、n₂也均沿垂直方向(z轴方向)并且两加速度计中检验质量的质心相距d(称为基线长度)。
每个加速度计的测量值为检验质量所在位置处的重力加速度与平台加速度的和沿敏感轴方向的分量。
由于平台运动加速度对两个加速度计的影响是相同的，因此加速度计测量值的差值即为两个检验质量质心所在处的重力加速度的垂向差值。
此差值再除以基线长度即得到重力梯度张量中Tn分量。
超导重力仪器的机械结构设计根据单轴超导重力梯度仪的工作原理，并参考Arkex微重力环境下三轴超导重力梯度仪结构,给出单轴超导重力梯度仪的初始机械设计。
这种结构由三部分组成：上部探头、基座(灰色部分)以及下部探头。
而上部、下部的探头都由两部分组成：探头上盖(黄色部分)、探头底座(绿色部分);图中的蓝色及红色部分为安装螺钉。
由于超导重力梯度仪是由两个加速度计组合而成，所以我们先设计单个的加速度计。
单个加速度计从功能上可分为探头部分与屏蔽盒部分；从结构上可分为外部结构和内部结构。
其中外部结构为上盖、底座、屏蔽盒上板、屏蔽盒底座、屏蔽盒底板及接线板组成；内部结构由检验质量、上部内环线圈骨架、下部内环线圈骨架、外环线圈骨架、上部水平线圈骨架、下部水平线圈骨架以及内铌环、外铌环组成。
材料上除线圈骨架均由macor加工而成，其他的零件均采用超导材料——铌，选择macor作为线圈的支撑骨架不仅是由于macor是绝缘材料(使线圈与铌隔绝)。
而且macor的热胀系数与铌相近(从293K到4K:macor的收缩率为0.19%,铌的收缩率为0.143%),不会在低温下由于材料热胀系数差异过大而引起线圈骨架从铌环上脱落或产生较大的内应力。
由于初始的机械结构设计存在加工工艺复杂、加工难度大且整个仪器还需再设计一个用于对超导回路线圈引线进行屏蔽的屏蔽盒，所以我们就重新设计了探头的结构。
我们主要做了以下两个重要的改进：
①保证两个同轴的探头中检验质量的同轴度较好。
这样就对探头中圆锥形结构的加工精度(尺寸精度、圆柱度及同轴度)及加工工艺(加工工序的安排、刀具的选择、切削速度的选择以及切削冷却液的选择)要求很高；
②修改探头上盖及底座的连接位置。
这样可以减小连接螺纹孔的长度(加工时孔的精度是最难做的)进而减小装置的安装误差。
探头的上盖与底座部分的加工都是先进行加工，然后对初加工好的零件进行退火处理来释放零件内部的自然应力及加工带来的应力，最后对零件进行精加工。
由于铌的加工性能较差(主要表现在切削加工时，工件容易与刀具粘结而且加工的碎屑易粘结在刀具上不易排出造成加工表面的二次损伤),所以探头部分以及检验质量的加工是十分关键的。
这就对加工工序的安排、刀具的选择、切削速度的选择以及切削冷却液的选择都有较高的要求。
屏蔽盒使用的是与探头上盖、底座及检验质量相同的材料——铌，这主要是由于铌在4.2K时会转变为超导态进而可以隔绝外磁场的干扰。
屏蔽盒上板的孔分别是加速度计中线圈引线走线孔、与加速度计连接的安装固定孔、SQUID安装孔、与屏蔽筒连接的螺钉孔。
引线的连接板由铌板及环氧树脂板组成，环氧树脂板垫在铌板的下方并通过三颗钛合金螺钉一起与屏蔽盒固定。
引线连接板主要作用是将探头中的所有探测线圈(共20个线圈)的引线进行组合匹配。
曲面线圈的压制与性能测试超导重力梯度仪中有多组柱面线圈，其作用是探测非敏感自由度上检验质量相对安装平台的位移，并以此改变相应线圈的电流，从而对检验质量的姿态进行反馈控制，降低平台运动对梯度测量的不利影响。
超导加速度计的探头中用于探测和调节的线圈不仅有平面线圈，还有粘贴在圆柱壁上的曲面线圈。
在整个传感单元中，一共有4个平面线圈和16个曲面线圈(8组匹配线圈),而梯度仪中的线圈是这个数量的两倍。
其中的平面线圈的作用是将检验质量悬浮起米，并探测检验质量在敏感轴方向上的位移进而得到敏感轴方向的加速度。
陶瓷骨架壁面上的曲面线圈的作用是通过输出磁场与检验质量相互作用产生的作用力来调节检验质量的敏感轴取向，即是控制检验质量其余的两个平动自由度及两个转动自由度，从而将其控制在其平衡位置。
这也是重力梯度仪中对两个检验质量的同轴度要求——两个检验质量的敏感轴需在同一轴线上，同时避免检验质量与其他元件接触。
目前，这16个曲面线圈均由平面线圈压制而成。
对于安装在陶瓷骨架内部的线圈，必须保证平面线圈压制并粘贴到陶瓷骨架上具有良好的同轴性。在下部弧形固定基座的尺寸(半径r₁)需小于骨架的内半径R₁,并且r与R₁的理想关系为R₁-ri=d(d为线圈厚度约200μm)。
同理，对于中安装在陶瓷骨架外部线圈，下部固定基座的半径需等于陶瓷骨架的内半径，并且陶瓷骨架的外半径R₂与上部压块的内半径r₂的关系需满足：r₂-R₂=d。
超导加速度计标定装置的设计及性能测试
根据实验室安装杜瓦的地基坑洞的尺寸及结构并结合考虑选取的标定装置的参数，设计了标定装置。
整个装置的支撑均由一个大的支撑框架来保证装置的稳定。
机构中带动两个铅柱(实际质量共为314kg)作回转运动的动力由一个变频调速电机带动的一个齿轮组提供(大齿轮齿数为198,小齿轮的齿数为25,齿数比约为1:8)。
这样设计的好处在于通过一对齿轮可以按照一定比率降低标定质量转速的同时提高机构的输出力矩，从而在满足我们要求的情况下可以选取较小功率(体积也较小)的电机。
隔振地基的作用主要是消除地面振动(自然的振动以及周围环境引起的振动)对杜瓦平台的影响，进而避免振动对装在杜瓦内部的重力加速度计或重力梯度仪的测量结果的不良影响。
标定装置支撑框架采用的材料是120号槽钢，使用这个材料的好处是它的称重较好而且由于是国家标准型材所以不需进行外形加工，这样可以减少整个装置的加工时间。
由于标定装置的工作不能对杜瓦平台的振动有任何影响，所以在结构设计上需要将装置搭载到隔振地基以外的地面上。
结语通过调研，了解了超导加速度计及超导重力梯度仪的测量原理，在此基础上完成了以下工作：
设计了超导加速度计及单轴差分式超导重力梯度仪的机械结构，针对后期线圈陶瓷骨架的安装以及探头安装时出现的问题，在初始设计的结构上进行了二次设计。
研究了将平面线圈压制成曲面线圈的方法及操作流程，测量了线圈粘接后线圈与陶瓷骨架之间胶水的厚度。
粘贴的线圈在多次低温实验中都没有出现问题，验证了这种线圈压制方案是可行的。
根据重力梯度的计算方法，使用Matlab软件计算两种标定质量形状下标定信号的峰值，以及相同形状下不同设计变量对信号峰值的影响，根据选取的设计参数设计了整个标定装置的结构，并且完成安装调试。
标定装置可以提供周期性变化的2ng加速度信号和200E的重力梯度信号。
最后，使用微振仪在标定装置在开启及未开启两种状态下，测试了杜瓦安装平台振动的噪声并对两组噪声谱进行了对比分析，得出的结论是标定装置开启对杜瓦平台的振动噪声没有影响。
