[科普中国]-重力仪

简介

重力仪是测量重力加速度的仪器，一般分为绝对重力仪和相对重力仪。前者用于绝对重力测量，直接测量重力加速度值，后者测量重力加速度的相对值(重力异常)，主要用于重力勘探。重力仪通常指相对重力仪。其基本原理是弹性体在重力作用下发生形变，弹性体的弹性力与重力平衡时，弹性体处于某一平衡位置。当重力变化时弹性体的平衡位置则改变，观测两次平衡位置的改变量，即可测定两点的重力差。目前广泛使用金属弹簧重力仪和石英弹簧重力仪1。

基本原理根据测量的物理量的不同， 重力测量分为动力法和静力法两大类， 动力法观测的是物体的运动状态 （时间与路径），用以测定重力的全值， 即绝对重力值 （早期的摆仪也可用于相对测量） ；静力法则是观测物体在重力作用下静力平衡位置的变化。 以测量两点间的重力差， 称相对重力测定， 重力仪是一种精密、 贵重的仪器。

绝对重力仪绝对重力仪是一台由光学系统、机械系统、真空系统、电子测量与控制系统及计算机构成的高精度自动化测量设备。测量结果的不确定度可达3×10m/s。适用于在全球范围建立重力基准点，测定该点的绝对重力值。为全球的大地测量和地球物理应用提供基本物理参数。

发展历史从16世纪末世界上第一次进行绝对重力测定至今，随着科学技术的进步，重力测量的方法和仪器有了很大的发展，但其基本原理仍然是振摆和自由落体两种，而现代绝对重力仪均采用第二种原理。绝大多数仪器都是用一个由立体直角棱镜构成的落体，在高真空室内自由下落。以高稳定的碘饱和吸收激光为光源，用光干涉的方法测量落体下落距离。同时用精确度优于的原子频标为时基测量落体的下落时间。计算机将同时采集到的干涉条纹数及时标脉冲数进行处理，获得单次下落的测量结果。在计算机的控制下，每小时可自动进行上百次到上千次测量，经数据处理后，获得被测点的绝对重力值。

中国计量科学研究院，自1965年开始并于1975年完成中国固定式绝对重力仪研制。仪器采用了独特的符合法技术方案，已被国际同行公认为目前世界上3种不同的技术方案之一。利用此仪器建立了北京计1号绝对重力点，并在中国人民解放军总参谋部测绘局协助下，与1957年建立的我国波茨坦重力系统网的北京西郊机场基本重力点进行了联测，确定我国的57重力网的系统误差，为57重力网改值提供了科学数据。中国计量科学研究院研制的NIM1型及NIM2型可移式绝对重力仪于1980年、1985年、1989年前后三次参加了在法国巴黎国际计量局举行的国际绝对重力仪比对，比对结果均达到国际先进水平，被纳入国际重力原点的平差数据中，为建立国际重力原点做出贡献。此外，在国内完成了大面积的绝对重力观测，建立了一条哈尔滨—北京—昆明的重力长基线及北京东灵山重力短基线，为我国的相对重力仪的校准及其数据的统一提供了基础。1987年NIM2型可移式绝对重力仪在哈尔滨观测时首次发现 “国家85重力网”的一些控制点上存在不能忽视的偏差，这个发现被1987年后来华测量的外国绝对重力仪所证实。NIM1型可移式绝对重力仪和NIM2型高精度小型可移式绝对重力仪二项成果于1985年及1990年分别获得国家科技进步三等奖和国家科技进步二等奖。于1995年和1996年，NIM2型高精度可移式绝对重力仪分别为马来西亚、新加坡、文莱、韩国共建立了10个绝对重力基点。

原理绝对重力测量的简单原理是利用自由落体的运动规律， 在固定或移动点上测量时有单程下落和上抛下落两种行程， 自由落体为一光学棱镜， 利用稳定的氦氨激光束的波长作为迈克尔逊 （michelson ）干涉仪的光学尺， 直接测量空间距离：时间标准是采用高稳定的石英振荡器与天文台原子频率指标对比。 观测时，仍然还有许多干扰因素影响重力值的精度测定， 如大地脉动、 真空度、 落体下落偏摆等等，因此必须加以分析、控制和校正。

相对重力仪相对重力仪，简称重力仪，用于重力勘探工作中的重力仪， 都是相对重力测量仪器， 即只能测出某两点之间的重力差， 由于重力差比重力全值小几个数量级以上， 因而要使用测量值达±（1~0.0n）g.u.精度，其相对精度就比绝对重力仪小得多了，这样使仪器轻便，小型化就较为实现， 但即便如此，为能正确反映重力极微小的变化， 在仪器设计、材料选取、各种干扰的消除等方面仍非易事。

发展历史我国首次使用重力仪是30年代由顾功叙从美国带回的一台Worden重力仪。50年代以来，从国外陆续引进了一些低精度石英重力仪开展重力勘探工作。

第二个五年计划前后，石油部西安仪器厂开始试制金属弹簧重力仪和石英弹簧重力仪。1959年，北京地质学院地球物理探矿系成立高精度重力仪研制小组，进行重力仪原理和结构的研究和试验。地质部北京地质仪器厂也同期成立试制小组，开展石英弹簧重力仪的研制，从1967年投产ZS-67型重力仪起，历经20年的研究、攻关，陆续生产了ZSM-3型、ZSM-4型和ZSM-5型等系列产品，至80年代末共生产石英弹簧重力仪达1000台。仪器性能达到同类型重力仪的国际先进水平。

鉴于重力场强度变化值很小，一般仅10量级，为使重力仪的分辨率优于10-8，除完成仪器原理和结构设计外，还需要解决精密机械加工、抗干扰及稳定性等工艺范畴的问题：

①超高精度测微螺丝付和导向装置的设计和加工，其精度要求优于±1μm。北京地质仪厂送检的重力测微螺丝付经中国计量科学院检测，精度优于±1μm。

②外界温度变化是重力读数的最大干扰因素。对于石英弹簧重力仪来说，温度变化1℃，影响读数竟达到精度要求的1190倍。经拓宽温度全补偿范围，提高温度补偿的重复性和稳定性后，仪器温度系数大大减小，从而仅采用性能良好的保温瓶隔热，就能基本上消除外界温度对重力仪读数的影响。

③为保证重力仪格值稳定，不受温度变化的影响，需要采用恒温措施，在温度补偿的基础上研制节能型分段式直接恒温系统，开发生产了ZSM-5型重力仪。重力仪分段式直接恒温系统在节能和恒温效果方面达到国际领先水平，并获国家实用新型发明专利。

④仪器稳定性研究完成了零点漂移及其突变因素的分析和改进措施、重力仪状态变化对仪器读数的影响等研究，大大提高了重力仪的稳定性。

另外，还研制了水下重力仪和珠峰型大测程重力仪，以满足不同的需要。

原理相对重力仪的基本原理是弹性体在重力作用下发生形变，弹性体的弹性力与重力平衡时，弹性体处于某一平衡位置。当重力变化时弹性体的平衡位置则改变，观测两次平衡位置的改变量，即可测定两点的重力差。目前广泛使用金属弹簧重力仪和石英弹簧重力仪。

一个恒定的质量 m 在重力场内的重量随 g 的变化而变化，如果用另一种力（弹力， 电磁力等） 来平衡这中重量或重力矩的变化， 则通过对物体平衡状态的观测，就有可能测量出两点间的重力差值， 按物体受重力变化而产生位移方式的不同，重力仪可分为平移（或线位移）式或旋转（或角位移）式两大类。日常生活中使用的弹簧称从原理上说就是一种平移式重力仪2。