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绝对重力仪研制
发布时间:2017-09-06发布人:浏览人数:

绝对重力仪研制

一、 成果概况

高精度绝对重力仪是一种大型高端的地球重力场观测仪器,可广泛应用于环境与灾害监测、国家基础测绘、国防保障等众多领域。

目前我国国民经济与社会建设各个领域所需的绝对重力观测仪器完全依赖进口,最终用户和技术输出受到外国政府的严格控制。由于产品垄断和技术壁垒,导致进口绝对重力仪不但价格昂贵,且多年来价格不断上涨。同时,因进口仪器可靠性不高,在使用中故障较多,维修升级周期长,费用高,与国产装备兼容性差,在航空航天和国防等敏感领域的需求受到严格限制,严重影响国内重力观测任务的顺利进行。这一状况极不利于我国相关领域的应用与发展,及自主创新能力的提高。因此该项目的立项对于打破国外技术封锁和产品垄断、填补国内空白、满足市场需求有着重要意义。

由中国地震局组织,武汉地震科学仪器研究院牵头,以中国地震局地震研究所为第一技术支撑单位,联合中国地震局地球物理研究所等五家国内重力学科重点科研单位,申报2012年度国家重大科学仪器设备开发专项“高精度绝对重力仪研制及产业化示范”,并获得批准,这是中国地震局系统内首次获得此类项目。

经过项目参与单位的共同努力,克服了落体姿态调整、自由下落轨迹控制、高真空度获得、激光干涉光学设计和调试、两级弹性悬挂隔震系统研制等技术难题,研制出高精度绝对重力样机。样机已在实验室和野外台站环境进行观测试验,测量不确定度约5uGal,达到了项目指标要求。

二、 主要创新点

1.采用超声波直线电机作为落体驱动机构

超声波电机利用压电材料的逆压电效应,将电能转换为弹性体的超声振动,并将摩擦传动转换成运动体的回转或直线运动。与传统电机相比,超声波电机具有结构简单、小型轻量、响应速度快,噪声低、低速大转矩、控制特点好、定位精度高、断电自锁、运动准确等优点,最显著的差别是无磁且不受磁场的影响,此外还具有耐低温、适应真空等特点,特别适合落体舱内无磁、真空的要求。

超声波直线电机的应用,使落体驱动系统结构非常简单,一方面取消了传动机构,消除了传动机构运转可能带来的震动;另一方面使磁流体真空传动无用武之地,不仅减少了真空舱的泄露量,降低了离子泵的消耗,而且也消除了磁流体本身对落体的磁性干扰。

2.实现两级弹性悬挂隔震系统

隔震系统是采用电子反馈伺服技术的弹性系统将双参考棱镜悬挂起来,大大抑制地面微震动对参考棱镜的影响,使绝对重力观测误差小于微伽量级。

当地面震动通过外壳引起弹簧支架的位置发生移动时,而双参考棱镜由于惯性,与弹簧支架之间的距离暂时产生变化,电容测微仪检测到该变化,经放大形成误差信号,通过电子反馈伺服系统控制电磁驱动器动作,对位置变化进行补偿,以保持棱镜位置不变,大大抑制了地面震动的影响。

由于采用了电子反馈伺服技术,可根据仪器应用状况,对弹性悬挂的周期和阻尼可以进行调整,以取得更好的隔震效果。

三、 应用效益及前景

国内目前尚没有绝对重力仪产品,所需仪器全部依靠进口,单台价格高达600万元。经过对十多个领域的调查分析,未来10年各领域的需求约100台,如本项目的产业化目标得到实现,将具备年产8~10台的高精度绝对重力仪批量生产能力,基本满足国内市场需求,预期总产值超亿元。