绝对重力仪研制中几种干扰因素的实验研究
横摇与纵摇对SⅡ型海洋重力仪的干扰分析
大垂直陀螺仪轴与稳定平台的相对倾斜角 ，然后将
信息传输给分别安装在稳定平 台常平架 的纵摇轴 和 横摇轴 上的伺服马达 ，使之能 自动跟踪垂直陀螺仪
的 姿态 。
从实 际应用上讲 ，具有两组速率陀螺仪的稳定
平台最为合理 ， 由下述部分构成 ： 其 （） １ 两组速率陀螺仪 ；
（） ２ 两组水平加速度计 ； （） ３ 两组力矩马达 ；
测量船 的横摇与纵摇对 观测结果的影 响，是海洋重 见船上不同位置加速度 的差异 ，造成这种差异 的原 力测量的主要误差源 。 在实施海洋重力测量外业时 ， 因， 是船重心附近受横摇与纵摇影响小 ， 而在船头部
测 量船 的横摇与纵摇产生 的扰动加速度和需要测量 分则影响大。 的重力加速度混杂在一起 ，给海洋重力测量带来很 表 １ ２万 ｔ 级船只不同部位测得 的加速 大的困难 ， 并产生很大的观测误差。本文主要就是分 位 置 水平加速度（８ 周期（ 垂直加 速（ 周 期 ＧＤ ８ 】 Ｇ 析测量船 的横摇 与纵摇对海洋重力测量 的影 响 ， 并 在重心附近的船舱 ０５ ． ２ ０ １ ４
根据分析结果设计 陀螺平 台， 进而减弱误差影响 ， 提
高海洋重力测量的精度。
在船 头部分的船舱
一
７ Ｏ —１ ２ 一２ ｏFra bibliotek５８
５— ７
般安装重力仪的测量船排水量 为数千 吨 ， 航 行时船体产生的水平加速度和垂直加速度 比上表 的
数值要 大得多 ，在平静海况下横摇与纵摇作用在重 心仪上的垂直附加加速度也要达 １ ～ ０Ｇ ｌ在恶劣 ０ ２ ａ ； 这种垂直附加加速度可高达数百伽。当海况 对于重力测量 ， 不论是何种类型的重力仪 ， 要准 海况下 ， 垂直附加加速度过大时 ， 就无法进行海洋 确地测 出重力加速度 的值 ，都必须保持仪器垂直于 特别恶劣 ， 要消除横摇与纵摇对 ｓ 型海洋重力仪的 Ⅱ 地 球 表 面 。在 陆 地重 力 测 量 中 ， 种 垂直 状 态 ， 通 重力测量。 这 是
绝对重力仪误差分析及重力仪在引力速度研究中的应用的开题报告
绝对重力仪误差分析及重力仪在引力速度研究中的应用的开题报告题目：绝对重力仪误差分析及重力仪在引力速度研究中的应用一、研究背景重力是人类认知自然界的基本力量之一，而重力的引力速度是研究重力的一个重要参数。
绝对重力仪作为一种高精度重力测量仪器，能够直接测量地球重力场中的绝对重力，具有很高的测量精度和稳定性。
因此，绝对重力仪在引力速度研究中具有重要的应用价值。
二、研究目的本研究旨在对绝对重力仪误差进行分析，探讨其在引力速度研究中的应用，并提出优化措施，以提高测量精度和准确性。
三、研究内容及方法1. 绝对重力仪误差分析（1）测量误差分析：对重力仪的观测误差进行统计分析，分析误差来源及其影响因素。
（2）系统误差分析：分析重力仪的系统误差来源及其产生机理，对其进行修正。
2. 引力速度研究中的应用（1）测量原理探究：对引力速度的测量原理进行研究，探究绝对重力仪在引力速度测量中的应用。
（2）实验设计及数据处理：设计引力速度测量实验，采集数据并进行处理，评估测量精度和准确性。
四、研究意义及预期结果该研究将对绝对重力仪的误差进行全面分析和探讨其在引力速度研究中的应用。
通过优化措施，能够提高测量精度和准确性，进一步推动引力速度测量技术的发展，并为重力研究提供重要参考数据。
预期结果包括：（1）分析绝对重力仪的误差来源及其影响因素。
（2）发现并修正系统误差，提高测量精度和准确性。
（3）能够成功进行引力速度实验，并得出精确的测量结果。
五、研究进度安排第一年：1-6月：文献调研及绝对重力仪误差分析。
7-12月：分析系统误差及探讨优化措施。
第二年：1-6月：探究引力速度测量原理及另一种校准优化策略设计。
7-12月：进行引力速度实验，并评估测量精度和准确性。
第三年：1-6月：开展引力速度实验数据处理，撰写文章。
7-12月：完成论文修改、提交及答辩。
六、参考文献1. Chen, Q., Yang, L., Tang, J., & Liu, L. (2016). Improvement of absolute gravity measurement precision by vertical gradient calculation: site selection and comparison. Journal of Geodesy, 90(8), 705-717.2. Zebker, H. A., & Goldstein, R. M. (2017). Topography and physics of the Moon. In The lunar surface layer (pp. 399-432). Academic Press.3. Li, Y., Li, C., Li, C., Li, Y., Zhang, S., Li, X., & Meng, X. (2019). Calibration and test results of the Shanghai Institute of Measurementand Testing Technology absolute gravimeter. Earth, Planets and Space, 71(1), 1-9.。
绝对重力仪研制中一种新的自由落体轨迹重建算法
第３４卷 第４期地 震 学 报Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．４ ２０１２年７月 （５４９－－５５６）ＡＣＴＡ ＳＥＩＳＭＯＬＯＧＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡＪｕｌ．，２０１２ 吴琼，滕云田，黄大伦，龙剑锋．２０１２．绝对重力仪研制中一种新的自由落体轨迹重建算法．地震学报，３４（４）：５４９－－５５６．Ｗｕ Ｑｉｏｎｇ，Ｔｅｎｇ Ｙｕｎｔｉａｎ，Ｈｕａｎｇ Ｄａｌｕｎ，Ｌｏｎｇ Ｊｉａｎｆｅｎｇ．２０１２．Ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｒｅｂｕｉｌｄｉｎｇ ｔｈｅ ｔｒａｃｅ ｏｆｆｒｅｅ－ｆａｌｌ ｂｏｄｙ ｉｎ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｇｒａｖｉｍｅｔｅｒ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ａｃｔａ Ｓｅｉｓｍｏｌｏｇｉｃａ Ｓｉｎｉｃａ，３４（４）：５４９－－５５６．绝对重力仪研制中一种新的自由落体轨迹重建算法＊吴 琼１）， 滕云田１） 黄大伦２） 龙剑锋１）１）中国北京１０００８１中国地震局地球物理研究所２）中国北京１０００１３中国计量科学研究院 摘要 真空系统中落体做自由下落运动的轨迹重建算法，是进行拟合求解绝对重力测量结果的关键步骤之一．在自主研制小型高精度激光干涉绝对重力仪的过程中，基于目前高速发展的数字测量技术，提出一种自由落体轨迹重建的算法．其基本原理是：首先通过高速采样，得到落体自由下落过程中产生的一系列数字化的激光干涉信号；其次通过数字处理算法提取干涉信号每次过零前后采样点的时间坐标；然后按照相同的下落高度均分这些过零点，得到落体运动轨迹上的“时间－位移”坐标，从而重建落体轨迹．模拟实验表明，该算法时间平均误差在±０．０１ｎｓ范围以内，由此引入的计算测量重力加速度平均误差为５．２×１０－１２ ｍ／ｓ２，一次完整测量循环的时间为１５ｓ，计算时间为２．５ｓ．该结果保证了高精度绝对重力仪研制中对测量速度和计算精度的要求．关键词 绝对重力仪 自由落体 过零点计算 轨迹重建ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－３７８２．２０１２．０４．０１１ 中图分类号：Ｐ３１５．６１ 文献标志码：ＡＡ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｒｅｂｕｉｌｄｉｎｇ ｔｈｅ ｔｒａｃｅ ｏｆ ｆｒｅｅ－ｆａｌｌｂｏｄｙ ｉｎ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｇｒａｖｉｍｅｔｅｒ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＷｕ Ｑｉｏｎｇ１）， Ｔｅｎｇ Ｙｕｎｔｉａｎ１） Ｈｕａｎｇ Ｄａｌｕｎ２） Ｌｏｎｇ Ｊｉａｎｆｅｎｇ１）１）Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎａ Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８１，Ｃｈｉｎａ２）Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００１３，ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｂｕｉｌｄｉｎｇ ｔｈｅ ｔｒａｃｅ ｏｆ ａ ｆｒｅｅ－ｆａｌｌ ｂｏｄｙ ｉｎ ｔｈｅ ｖａｃｕｕｍ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｋｅｙｓｔｅｐｓ ｉｎ ｆｉｎｄｉｎｇ ｇｒａｖｉｔａｔｉｏｎａｌ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅｄ ｆｒｉｎｇｅ ｓｉｇｎａｌｓ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｒｅｂｕｉｌｄｉｎｇ ｔｈｅ ｔｒａｃｅ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｓｍａｌｌ Ｌａｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ａｂｓｏｌｕｔｅ Ｇｒａｖｉｍｅｔｅｒ．Ｔｈｅ ｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｒｅ：①Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｉｎｔｓ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｚｅｒｏ－ｃｒｏｓｓ－ｉｎｇ ｏｆ ａ ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ ｓａｍｐｌｅｄ ｆｒｉｎｇｅ ｓｉｇｎａｌ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ａ ｆｒｅｅｌｙ ｆａｌｌｉｎｇｂｏｄｙ，ａｎｄ ｇｅｔｔｉｎｇ ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ ｏｆ ｚｅｒｏ－ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｐｏｉｎｔｓ；②Ｄｉｖｉｄｉｎｇｔｈｅｓｅ ｔｉｍｅ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ ｔｏ ｇｅｔ ｔｈｅ Ｔｉｍｅ－Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｂｏｄｙ＊基金项目 中国地震局地球物理研究所基本科研业务费（ＤＱＪＢ０１Ａ０２）资助．收稿日期 ２０１１－０６－２３收到初稿，２０１２－０１－０４决定采用修改稿． 通讯作者 ｅ－ｍａｉｌ：ｗｕｑｉｏｎｇ＿ｃｅａ＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｍｔｒａｃｅ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｉｎｔｅｒｖａｌ．Ｉｎ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｗｅ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｉｔｎｅｅｄｓ ２．５ｓｔｏ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｏｎｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｔｉｍｉｎｇ ａｃｃｕｒａｃｙ ｉｓ±０．０１ｎｓ，ｔｈｅ ｉｎｄｕｃｅｄ ｅｒｒｏｒ ｉｓ ５．２×１０－１２ ｍ／ｓ２，ａｎｄ ｏｎｅ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｍｅａｓｕｒｅ－ｍｅｎｔ ｔｉｍｅ ｉｓ １５ｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓａｔｉｓｆｙ ｔｈｅ ｄｅｍａｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｐｅｅｄ ａｎｄｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｉｎ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｌａｓｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ａｂｓｏｌｕｔｅｇｒａｖｉｍｅｔｅｒ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｂｓｏｌｕｔｅ ｇｒａｖｉｍｅｔｅｒ；ｆｒｅｅ－ｆａｌｌ ｂｏｄｙ；ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｚｅｒｏ－ｃｒｏｓｓｉｎｇ；ｔｒａｃｅ ｒｅｂｕｉｌｄｉｎｇ引言绝对重力仪是一种高精度的重力加速度绝对值（１０－８ ｍ／ｓ２）测量设备，广泛应用于地震监测（刘栋勋，刘文泰，１９８４；游泽霖，徐菊生，１９８４；Ｓｉｍｏｎ ｅｔ ａｌ，２００１），地热资源探测（Ｓｕｇｉｈａｒａ，２００３），海平面测量（Ｖｉｌｉｂｉｃ，１９９７），相对重力仪的标定（Ｈｉｎｄｅｒｅｒ ｅｔ ａｌ，１９９１），资源探测（张善法等，２００９），以及潜艇的导航和导弹制导系统（程力等，２００７；郭有光等，２００３）等领域．一般绝对重力仪按照落体的运动方式可以分为上抛法和下落法（Ｓａ－ｋｕｍａ，１９８４；Ｒｏｔｈｌｅｉｔｎｅｒ ｅｔ ａｌ，２００９），ｇ值的确定是通过追踪计算位于真空室内做自由下落（或上抛）运动的落体（或抛体）的运动轨迹得到的．算法的主要过程是首先获得落体相对于参考点位置（参考棱镜）信息的干涉带信息，然后提取干涉带上包含的落体运动的信息，通过最小二乘拟合获得仪器归算点处的重力加速度值（Ｄｕｒａｎｄｏ ｅｔ ａｌ，２００２）．这个过程中落体运动信息的提取精度是保证结果精度的前提．２００９年第８次国际绝对重力仪比对大会上，基于原子干涉的绝对重力仪第一次出现（ｄｅ Ａｎｇｅｌｉｓ ｅｔ ａｌ，２００９）．这种仪器是通过磁光阱冷却原子云团，从而提取原子团自由下落时感受的重力场信息．这种测量方式从原理上与激光干涉法测量的精度处于同一量级．激光干涉绝对重力仪中，对干涉带的处理可以分为硬件和软件两类．美国的ＪＩＬＡ－ｇ以及ＦＧ５系列重力仪均是基于硬件的过零触发法提取干涉带的过零点信息（Ｚｕｍｂｅｒｇｅ ｅｔａｌ，１９８２；Ｖａｎ Ｃａｍｐ ｅｔ ａｌ，２００３）．其主要过程是通过过零检测器检测干涉带的过零点，然后将干涉带过零时产生的每Ｎ个脉冲信号生成１个脉冲，送入与外部铷原子钟同步的时间间隔分析仪中，从而测量每Ｎ个干涉带所经历的时间间隔．这种方法主要是通过硬件的方式提取落体运动轨迹上的时间－位移对，然后利用最小二乘原理拟合落体运动轨迹，计算重力加速度．随着现代数字技术的高速发展，干涉带的数字化处理与基于硬件的过零触发处理电路相比，有着硬件系统和处理算法简单、误差小、模块化的优势．意大利学者Ｄ’Ａｇｏｓｔｉｎｏ等提出了一种数字化干涉带处理算法局部拟合算法（Ｄ’Ａｇｏｓｔｉｎｏ ｅｔ ａｌ，２００５，２００８），通过数字处理算法提取干涉带上落体感受到的重力作用信息．Ｂｉｃｈ等（２００７）对该算法的测量误差进行了详细分析．该算法首先通过高速数字化仪对干涉带信号进行采集，然后写出一个带有重力加速度变量的函数方程，通过总体最小二乘算法，与干涉带信号直接拟合求解ｇ值．为了减小误差，将干涉信号分成若干段，每段内利用函数方程拟合干涉波形，直接求解ｇ值．由于每段包含了很短的采样时间，故可以认为每段内干涉信号的频率恒定，这样的近似的确可以减小调频带来的误差．但实际落体下落过程中，干涉带的频率随下落距离０５５ 地 震 学 报 ３４卷的加大而加快，局部拟合算法基于段内干涉带波形频率固定的假设和对整个下落距离干涉带拟合，无疑会增加算法的误差和计算时间．本文首先描述了笔者所在的研究团队设计绝对重力仪的数据采集系统，然后介绍了该系统提出的一种全新的落体轨迹重建算法．该算法利用数字处理算法，提取数字化的干涉带过零点信息，重建落体运动轨迹．通过模拟实验，得到了这种算法的计算精度和所需时间．结果表明，这种算法在保证精度的前提下提高了运算速度，实现了对落体轨迹精确重建．最后给出了实验样机在２０１１年５月２１日—６月２日的实验结果．１算法原理在地球重力场作用下，真空系统中落体做自由下落运动时，反应落体位置信息的干涉光束被光电接收器接收．光电接收器输出电信号被高速数字化仪接收，转变成数字信号后保存在数字化仪的内存中．数字化仪的时间基准用外部铷原子钟锁定，如图１所示．本系统采用的光源为基于非饱和蒸汽压的碘稳定６３３ｎｍ Ｈｅ－Ｎｅ激光系统，工作时锁定在Ｉ２分子饱和吸收谱线的ｆ峰（钱进等，２００８），频率日长期稳定性优于５×１０－１１；光电接收器频带为４ｋＨｚ—８０ＭＨｚ；铷原子钟频率重现性小于５×１０－１１，稳定度小于１×１０－１１／ｓ；高速数字化仪采样频率为６２．５ＭＨｚ，时间基准通过锁相环由外部铷原子钟提供，板载内存１２８Ｍ，字长８位．图１ 算法中的功能模块连接示意图Ｆｉｇ．１ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ 落体相对于参考棱镜位置信息的干涉带波形可以认为是调频的正弦波，其瞬时频率随着落体下落的速度的增加而不断增加，下落的位移与干涉带波形瞬时频率的关系可以表示为ｆ＝１Ｔ＝２ ２ｇ槡ｓλ（１）式中，λ为激光波长，本研究中的激光波长取６３３ｎｍ；ｆ为干涉带波形的瞬时频率；Ｔ为瞬时周期；ｓ为落体自由下落的位移；ｇ为重力加速度（１ｇ＝９．８ｍ／ｓ２）．由此可以计算出，当计算的落体下落距离为１—１８ｃｍ时，干涉带的频率范围为１．４—５．９ＭＨｚ．为了从得到的数字干涉带波形中重建落体的下落轨迹，需要计算落体在某个时刻的下落距离．由于落体每下落半个激光波长，就会产生一条完整的干涉带波形，同时数字化仪的时间基准来自于外部的铷原子钟，因此可以通过计算一个完整的正弦波上的采样１５５ ４期 吴 琼等：绝对重力仪研制中一种新的自由落体轨迹重建算法点来得到落体运动轨迹上的时间－位移坐标，进而重建落体的下落轨迹．因为干涉带波形是一种调频的正弦波形，同时又混入了各种背景噪声，为了保证计算的精确度，可以通过计算信号斜率最大的过零点位置来重建落体的下落轨迹．在计算中，我们将落体的整个下落过程分成Ｌ段，每段中包含Ｎ个过零点，即每段对应落体下落的距离为Ｓ＝Ｎ－１２·λ２（２）式中，Ｓ为每段对应落体自由下落的距离；Ｎ＝４００，为每段中包含的干涉带过零点次数；λ＝６３３ｎｍ，为激光波长．由此可以计算出每段落体自由下落的位移约为０．０６ｍｍ．由于每段内部我们仅需要统计干涉带波形的过零点次数，所以不需要对每个过零点都精确计算其过零点时刻．因此，我们仅对每段的第一个过零点进行精确计算，具体计算过程如下：１）首先设定一个噪声上限阈值Ｔ，将绝对值大于Ｔ的采样点组成一个新的时间序列Ｘｎｅｗ，计算Ｘｎｅｗ的过零点次数，然后提取每次过零点的前一个和后一个幅值大于Ｔ坐标，组成两个新的时间序列Ｘｉｎｄ１和Ｘｉｎｄ２．图２分别给出了过零点前（圆圈）和过零点后（星号）得到的Ｘｉｎｄ１和Ｘｉｎｄ２．Ｘｉｎｄ１的长度就是总过零点的个数．图２ 过零点算法结果（过零点前用圆圈表示，过零点后用星号表示）Ｆｉｇ．２ Ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｔｈｅ ｚｅｒｏ－ｃｒｏｓｓｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｃｉｒｃｌｅｓ ｓｔａｎｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｏｉｎｔｓ ｂｅｆｏｒｅｚｅｒｏ－ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｐｏｉｎｔｓ，ａｎｄ ｓｔａｒｓ ｄｅｎｏｔｅ ｔｈｅ ｐｏｉｎｔｓ ａｆｔｅｒ ｚｅｒｏ－ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｐｏｉｎｔｓ ２）设定总段数Ｌ和每段内过零点的个数Ｎ，由此确定每段落体的位移为Ｓ＝（Ｎ－１）／２×（λ／２），总位移为ｓ＝Ｓ×Ｌ；３）利用Ｘｉｎｄ１和Ｘｉｎｄ２计算每段第一个过零点的准确时刻．设干涉带的采样率为ｆｓ，对于第ｉ段第一个过零点，该时刻的准确计算可以分为以下３种情况：ａ 如果Ｘｉｎｄ２（ｉ）与Ｘｉｎｄ１（ｉ）之间无采样点，则该时刻为ｔｉ＝Ｘｉｎｄ１（ｉ）＋Ｘｉｎｄ２（ｉ）－Ｘｉｎｄ１（ｉ）２·１ｆ（）ｓ（３）２５５ 地 震 学 报 ３４卷 ｂ 如果Ｘｉｎｄ２（ｉ）与Ｘｉｎｄ１（ｉ）之间仅有一个采样点，在原始时间序列中的下标为ｋ，则该时刻为ｔｉ＝ｋｆｓ（４） ｃ 如果Ｘｉｎｄ２（ｉ）与Ｘｉｎｄ１（ｉ）之间多于一个采样点，则对Ｘｉｎｄ２（ｉ）与Ｘｉｎｄ１（ｉ）之间的所有点进行置零，在Ｘｉｎｄ２（ｉ）与Ｘｉｎｄ１（ｉ）之间进行线性插值，设得到的插值曲线上最接近零的点下标为ｋ，则该时刻为ｔｉ＝Ｘｉｎｄ１（ｉ）＋ｋｆｓ（５）２ 模拟计算轨迹重建算法的精度为了得到本文第一部分中描述的算法精度和效率，首先在双核、４ＧＢ ＲＡＭ的硬件环境测试．本算法采样、计算总时间不超过１５ｓ，纯计算时间不超过２．５ｓ，如果考虑系统稳定性要求而等待的时间，４０ｓ内可以完成一次测量，每小时可以进行约９０次测量．然后利用第一部分的计算过程１），通过不同频率的正弦波来模拟落体在不同下落位置时产生的干涉带信号，计算本算法在各个频点处的误差．具体过程为：首先将铷原子钟输出的１０ＭＨｚ标准正弦波送入频率综合器，然后利用频率综合器输出不同频率的正弦波信号，通过集成有本算法的数字采集与处理系统分析计算这些正弦波信号，从而估计算法精度．这里用于实验的频率综合器的输出正弦波的时间误差与外部铷原子钟的时间不确定性一致．采集Ｌ段这样的正弦波，每段内有Ｎ个过零点，即（Ｎ－１）／２个完整的正弦波．设送入数字化仪的正弦波脉冲频率为ｆ，采样频率为ｆｓ，则每段正弦波对应的标准时间可以表示为ｔｒｅｆ＝Ｎ－１２·１ｆ（６） 通过第一部分的算法，可以计算每段正弦波起始点到终止点之间的采样点个数为ｎ，则这段波形对应的时间可以表示为ｔｃｏｎ＝ｎｆｓ（７） 则算法的时间误差可以表示为Δｔ＝ｔｃｏｎ－ｔｒｅｆ（８） 由此引入的绝对重力加速度值的计算误差可以表示为Δｇ＝－４ｓｔ３Δｔ＝－２ｇｇ２槡ｓΔｔ（９） 正弦波输入数字化仪后，采集１ ０００段，每段４００个过零点，由式（８）计算得到１ ０００段累积时间误差、最大时间误差、最小时间误差和平均时间误差．图３显示了落体从２ｃｍ即干涉带瞬时频率为１．９８ＭＨｚ开始，下落至１８ｃｍ的过程中不同频率点处算法的累积，最大和最小时间误差，以及由此引入的测量误差．３５５ ４期 吴 琼等：绝对重力仪研制中一种新的自由落体轨迹重建算法图３ 算法时间误差（ａ）以及由此引入的测量误差（ｂ）估计Ｆｉｇ．３ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｔｉｍｅ（ａ）ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ（ｂ）ｅｒｒｏｒｓ 通过利用式（１）和式（９）对算法时间误差的估计发现，落体下落的高度在２ｃｍ之前，算法误差较大；当落体下落的高度超过２ｃｍ后，算法的累积时间误差稳定在±２０ｎｓ之间；而当落体下落高度大于６ｃｍ时，累积时间误差稳定在±１０ｎｓ之间．由于实际干涉带波形的频率随着下落高度的增加而增加，在相同的时间段内，低频段的过零点个数要远远小于高频段，因此其过零点计算误差对计算结果影响远小于高频段．因此在计算该算法在落体整个下落过程中误差的综合时，可以根据频率设计一个加权系数，即ｗｉ＝ｆｉ∑ｎｉ＝１ｆｉ（１０）式中，ｆｉ是某个高度对应的干涉带信号瞬时频率，ｗｉ为该频率对应的权系数．表１给出了落体在１—１８ｃｍ段、２—１８ｃｍ段和６—１８ｃｍ段内算法对应的综合时间误差和由此引入的综合测量误差．表１ 算法综合误差Ｔａｂｌｅ １ Ｔｏｔａｌ ｅｒｒｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ落体运动距离／ｃｍ时间误差累积／ｎｓ平均／ｎｓ最大／ｎｓ最小／ｎｓ测量误差／１０－８ ｍ·ｓ－２累积平均最小最大１—１８－０．６２０－６．１４×１０－４０．２５７－０．４４１ ２５．３ ２．５２×１０－２－４．２３ １１．５２—１８－０．０３３９－２．８１×１０－５ ０．２６２－０．２６４ ５．７２×１０－１ ５．２１×１０－４－３．９７ ４．０３６—１８－０．０２５６－３．８３×１０－６ ０．３２３－０．３２９ ３．４６７×１０－１ ３．４５３×１０－８－４．１６ ４．２０ 从表１的实验结果可以看出，在平均误差方面，算法的综合误差随着落体下落距离的增加呈现明显的减小趋势，但是均非常接近与零．而算法在累积、最大和最小综合误差方面，从２—１８ｃｍ和６—１８ｃｍ两个下落段的计算结果中看，没有明显的改善．这从一个方面证明了，在干涉带频率比较低时，虽然算法误差较大，但是由于过零点个数不多，算法的误差没有给结果带来明显的计算误差．因此，可以利用该算法从落体下落２ｃｍ时开始取数计算，尽量增加有效的数据量，提高测量结果的可靠性．４５５ 地 震 学 报 ３４卷３ 实验观测结果与结论２０１１年５—６月，笔者所属研究小组使用基于本文介绍的轨迹重建算法的实验样机在北京国家地球观象台进行了试验观测．为研究落体次数对观测精度的影响，在该台的国家重力基准点（编号Ｈ０３，基岩点）分别进行了３２０次下落和１６０次下落的两次观测．同时作为抗干扰观测试验，在该台的普通办公室设置重力点（编号Ｈ０９，地板点）也进行了一次３２０次下落的测量．Ｈ０３测点参考值采用ＦＧ５／２３２在２００９年和２０１０年的观测结果的平均值，Ｈ０９测点的参考值采用两套高精度相对重力仪（联测精度１０×１０－８ ｍ／ｓ２）与Ｈ０３测点联测得到．Ｈ０９和Ｈ０３两点的参考重力值均根据梯度测量结果归算到实验样机０．６ｍ的有效高度．表２给出了这２个测点的３次测量结果与各测点的参考值之间的偏差与测量精度．表２ ２０１１年５月实验样机测量结果Ｔａｂｌｅ ２ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｏｆ Ｍａｙ ２０１１日期测点测量系统偏差／１０－８ ｍ·ｓ－２精度／１０－８ ｍ·ｓ－２有效测量次数５月２１日Ｈ０９－６４ ７．６ ３２０６月１日Ｈ０３－８７ ８．３ ３２０６月２日Ｈ０９－６３ ９．１ １６０ 结果表明，基于本文算法的实验样机精度在１６０次测量时即优于１０×１０－８ ｍ／ｓ２，系统偏差约７１×１０－８ ｍ／ｓ２，Ｈ０９测点两次测量系统偏差固定．这一结果为下一步进行系统差的确认和研发更高精度的绝对重力仪提供了技术保障．本文基于自主研制的数字化绝对重力仪的数字化干涉带信号，提出了一种全新的数字处理算法，它不同于目前国际上流行的基于硬件的过零点触发法和基于数字化干涉带局部拟合算法．本文算法主要针对数字化的干涉带信号，利用分段和对每段第一个过零点精确时刻的求取，提取落体下落过程中的时间位移坐标．然后通过最小二乘拟合求解重力加速度．可以说是基于硬件的过零触发法的软件替代．该设备和算法简单，误差小，采集可以实现模块化，利于系统误差的理论计算和固定，便于具有自主知识产权仪器的批量商业化生产．参 考 文 献程力，张雅杰，蔡体菁．２００７．重力辅助导航匹配区域选择准则［Ｊ］．中国惯性技术学报，１５（５）：５５９－－５６３．郭有光，钟斌，边少峰．２００３．地球重力场确定与重力场匹配导航［Ｊ］．海洋测绘，２３（５）：６１－－６４．刘栋勋，刘文泰．１９８４．重力预报地震动态［Ｊ］．四川地震，（１）：２７－－３１．钱进，刘忠有，张小平，石春英，刘秀英，王悍平，蔡山，谭慧萍．２００８．一种新型的碘稳定６３３ｎｍ Ｈｅ－Ｎｅ激光系统［Ｊ］．计量学报，２９（１）：１０－－１３．游泽霖，徐菊生．１９８４．精密绝对重力测量在地震研究中的应用［Ｊ］．地壳形变与地震，４（４）：４１０－－４１４．张善法，孟令顺，杜晓娟，张凤旭，马国庆．２００９．高精度重力测量在金矿采空区探测中的应用研究［Ｊ］．地球物理学进展，２４（２）：５９０－－５９５．Ｂｉｃｈ Ｗ，Ｄ’Ａｇｏｓｔｉｎｏ Ｇ，Ｇｅｒｍａｋ Ａ，Ｐｅｎｎｅｃｃｈｉ Ｆ．２００７．Ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｉｎ ａ ｎｏｎ－ｌｉｎｅａｒ ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ ａ ｂａｌｌｉｓｔｉｃ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｇｒａｖｉｍｅｔｅｒ（ＩＭＧＣ－０２）［Ｃ］∥Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｉｎＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，２００７ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ：３０－－３４．５５５ ４期 吴 琼等：绝对重力仪研制中一种新的自由落体轨迹重建算法Ｄ’Ａｇｏｓｔｉｎｏ Ｇ，Ｇｅｒｍａｋ Ａ，Ｄｅｓｏｇｕｓ Ｓ，Ｏｒｉｇｌｉａ Ｃ，Ｂａｒｂａｔｏ Ｇ．２００５．Ａ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｅｓｔｉｍａｔｅ ｔｈｅ ｔｉｍｅ－ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｏｆ ａ ｆｒｅｅ－ｆａｌｌｉｎｇ ｔｅｓｔ－ｍａｓｓ ｉｎ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｇｒａｖｉｍｅｔｒｙ［Ｊ］．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ，４２（４）：２３３－－２３８．Ｄ’Ａｇｏｓｔｉｎｏ Ｇ，Ｄｅｓｏｇｕｓ Ｓ，Ｇｅｒｍａｋ Ａ，Ｏｒｉｇｌｉａ Ｃ，Ｑｕａｇｌｉｏｔｔｉ Ｄ，Ｂｅｒｒｉｎｏ Ｇ，Ｃｏｒｒａｄｏ Ｇ，ｄ’Ｅｒｒｉｃｏ Ｖ Ｒｉｃｃｉａｒｄｉ Ｇ．２００８．Ｔｈｅ ｎｅｗ ＩＭＧＣ－０２ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｂｌｅ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｇｒａｖｉｍｅｔｅｒ：Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄｖｏｌｃａｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．Ａｎｎａｌｓ ｏｆ Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ，５１（１）：３９－－４９．ｄｅ Ａｎｇｅｌｉｓ Ｍ，Ｂｅｒｔｏｌｄｉ Ａ，Ｃａｃｃｉａｐｕｏｔｉ Ｌ，Ｇｉｏｒｇｉｎｉ Ａ，Ｌａｍｐｏｒｅｓｉ Ｇ，Ｐｒｅｖｅｄｅｌｌｉ Ｍ，Ｓａｃｃｏｒｏｔｔｉ Ｇ，Ｔｉｎｏ Ｇ Ｍ．２００９．Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｇｒａｖｉｍｅｔｒｙ ｗｉｔｈ ａｔｏｍｉｃ ｓｅｎｓｏｒｓ［Ｊ］．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０（２）：１－－１６．Ｄｕｒａｎｄｏ Ｇ，Ｄｅｓｏｇｕｓ Ｓ，Ｍａｚｚｏｌｅｎｉ Ｆ．２００２．Ａｃｃｕｒａｃｙ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａ ｆｒｅｅ－ｆａｌｌ ｇｒａｖｉｍｅｔｅｒ ｄａｔａ［Ｃ］∥ＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＤｉｇｅｓｔ ２００２／Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ．Ｏｔｔａｗａ，Ｏｎｔａｒｉｏ，Ｃａｎａｄａ：８６－－８７．Ｈｉｎｄｅｒｅｒ Ｊ，Ｆｌｏｒｓｃｈ Ｎ，Ｍａｋｉｎｅｎ Ｊ，Ｌｅｇｒｏｓ Ｈ，Ｆａｌｌｅｒ Ｊ Ｅ．１９９１．Ｏｎ ｔｈｅ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｇｒａｖｉｍｅｔｅｒ ｕｓｉｎｇａｂｓｏｌｕｔｅ ｇｒａｖｉｔｙ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ［Ｊ］．Ｇｅｏｐｈｙｓ Ｊ Ｉｎｔ，１０６（２）：４９１－－４９７．Ｒｏｔｈｌｅｉｔｎｅｒ Ｃｈ，Ｓｖｉｔｌｏｖ Ｓ，Ｍｅｒｉｍｅｃｈｅ Ｈ，Ｈｕ Ｈ，Ｗａｎｇ Ｌ Ｊ．２００９．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｎｅｗ ｆｒｅｅ－ｆａｌｌ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｇｒａｖｉｍｅｔｅｒｓ［Ｊ］．Ｍｅｔｒｏｌｏｇｉａ，４６（３）：２８３－－２９７．Ｓａｋｕｍａ Ａ．１９８４．Ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｇｒａｖｉｔａｔｉｏｎａｌ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ［Ｇ］∥Ｔａｙｌｏｒ Ｂ Ｎ，Ｐｈｉｌｌｉｐｓ ＷＤ ｅｄｓ．Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ＣｏｎｓｔａｎｔｓⅡ．Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ，Ｄ Ｃ：Ｕ Ｓ Ｇｏｖｅｒｎｍｅｎｔ Ｐｒｉｎｔｉｎｇ Ｏｆｆｉｃｅ：３９７－－４０４．Ｓｉｍｏｎ Ｄ Ｐ，Ｗｉｌｌｉａｍｓ，Ｔ Ｆ．Ｇｒａｈａｍ Ｊｅｆｆｒｉｅｓ Ｂ．２００１．Ａｂｓｏｌｕｔｅ ｇｒａｖｉｔｙ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ａｔ ＵＫ ｔｉｄｅ ｇａｕｇｅｓ［Ｊ］．ＧｅｏｐｈｙｓＲｅｓ Ｌｅｔｔ，２８（１２）：２３１７－－２３２０．Ｓｕｇｉｈａｒａ Ｍ．２００３．Ｇｅｏｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ａｎ ＦＧ５ａｂｓｏｌｕｔｅ ｇｒａｖｉｍｅｔｅｒ［Ｃ］∥Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，Ｔｗｅｎｔｙ－ＥｉｇｈｔｈＷｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｇｅｏｔｈｅｒｍａｌ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｔａｎｆｏｒｄ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ．Ｖｉｌｉｂｉｃ Ｉ．１９９７．Ｇｌｏｂａｌ ｓｅａ ｌｅｖｅｌ ｒｉｓｅ？Ｎｅｗ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｓｅａ ｌｅｖｅｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｇｅｏｆｉｚｉｋａ，１４：１１９－－１３１．Ｖａｎ Ｃａｍｐ Ｍ，Ｃａｍｅｌｂｅｅｃｋ Ｔ，Ｒｉｃｈａｒｄ Ｐ．２００３．Ｔｈｅ ＦＧ５ａｂｓｏｌｕｔｅ ｇｒａｖｉｍｅｔｅｒ：Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ［Ｊ］．ＰｈｙｓｉｃａｌｉａＭａｇａｚｉｎｅ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｂｅｌｇｉａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ，２５（３）：１６１－－１７４．Ｚｕｍｂｅｒｇｅ Ｍ Ａ，Ｒｉｎｋｅｒ Ｒ Ｌ，Ｆａｌｌｅｒ Ｊ Ｅ．１９８２．Ａ ｐｏｒｔａｂｌｅ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅａｒｔｈ’ｓ ｇｒａｖｉｔｙ［Ｊ］．Ｍｅｔｒｏｌｏｇｉａ，１８（３）：１４５－－１５２．６５５ 地 震 学 报 ３４卷作者简介邸海滨 西弗吉尼亚大学地球物理专业在读博士研究生．２０１１年中国地震局地球物理研究所固体地球物理学专业毕业，获理学硕士学位．现主要研究方向为三维地震资料解释．丘 磊 国家海洋局第二海洋研究所助理研究员．２０１１年浙江大学地质资源与地质工程专业（应用地球物理方向）毕业，获工学博士学位．曾从事地震波正反演技术及近地表地球物理勘探．现主要研究方向为海洋地球物理勘探．薛 丁 内蒙古自治区地震局高级工程师．１９８８年成都地质学院应用地球物理系地壳深部探测专业毕业，获工学学士学位．２００２年获北京大学理学硕士学位．曾从事地壳速度结构反演、浅层地震勘探、地震活动性图像等研究．现主要从事地震预测方法、地震活动性、地震构造等研究．梅秀苹 甘肃省地震局高级工程师．２００３年中国地震局兰州地震研究所固体地球物理学专业毕业，获硕士学位．主要从事地震活动性和地震应力触发方面的研究．中国地震学会会员．仲 秋 中国科学院研究生院地球科学学院博士研究生．２００９年中国地质大学地球物理学专业毕业，获学士学位．现从事地震学，地震活动性和地震触发机制等方面的研究．中国地震学会学生会员，美国地球物理学会（ＡＧＵ）学生会员．吴 清 中国地震局地球物理研究所在读博士研究生．２００８年武汉大学测绘学院地球物理专业毕业，获理学学士学位；２００８年至今在中国地震局地球物理研究所硕博连读．现主要研究方向为工程地震学．吴 琼 中国地震局地球物理研究所助理研究员．２０１１年中国地震局地球物理研究所毕业，获博士学位．主要从事高精度绝对重力仪和激光干涉重力梯度仪研究．中国地球物理学会会员． 注：郝平、韩立波、张凌空、徐伟进、李裕澈、孙晓丹的简介分别见本刊：Ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．６；Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．６；Ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．３；Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．２；Ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．４；Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．５．。
巨磁阻效应及其应用实验报告
巨磁阻效应及其应用实验报告篇一：巨磁阻效应实验报告数据数据处理实验一线圈电流由零开始变化测得输出电压V和磁场B的关系如下图示由上图可以看出2mT以下部分传感器的输出电压和磁场变化情况接近线性变化，其灵敏度K= 相关系数为由RB/R0=/ 计算出不同磁感应强度下的RB/R0值，绘制RB/R0-B关系图如下可以看出RB/R0的值随磁场B增大而逐渐减小，在2mT以后趋于饱和，RB/R0的饱和值约为。
则该传感器的电阻相对变化率/R0的最大值约为=-=-10% 实验二测量时，巨磁阻传感器工作电压V+为,线圈电流为。
利用实验所得数据作V输出—COSθ关系图如下示：从图中可以看出在COSθ=附近有一个瑕点外，具有较良好的线性关系V=θ，相关系数为，即传感器的输出电压与传感器敏感轴—磁场间夹角θ成余弦关系。
问题思考1.如何避免地磁场影响，并解释原因。
本次实验中亥姆霍兹线圈产生磁场来验证材料在有无磁场的情况下电阻的变化，必然会受到地磁场的影响，故我们在实验过程中每次旋转角度后，应重新调零，减小每次旋转角度地磁场对实验误差的积累。
篇二：巨磁电阻效应及其应用研究性实验报告北京航空航天大学基础物理实验巨磁电阻效应及其应用研究性实验报告摘要本报告研究了巨磁电阻效应及其应用。
报告详细的阐述了该实验的实验背景、实验原理、实验仪器及实验内容。
数据处理部分，报告将原始数据绘制成表格，并将用Matlab绘制成图像，能够较清晰的表示出物理量之间的关系。
另外，本报告对巨磁电阻的应用进行了大量的探究，列举了一些巨磁电阻于当今时代的应用，阐述了巨磁电阻的应用前景。
关键字巨磁电阻、传感器、磁感应强度、电压、电流目录摘要................................................................. . (1)关键字................................................................. (1)一、实验背景................................................................. (5)二、实验原理................................................................. (5)三、实验仪器................................................................. (7)1、实验仪主机................................................................. .. (7)2、基本特性组件模块................................................................. .. (8)3、电流测量组件................................................................. . (9)4、角位移测量组件................................................................. (9)5、磁读写组件................................................................. .. (9)四、实验内容................................................................. (10)1、GMR模拟传感器的磁电转换特性测量 (10)2、GMR磁阻特性测量............................................................... .. (11)3、GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量 (12)4、用GMR模拟传感器测量电流............................................................135、GMR梯度传感器的特性及应用 (14)6、磁记录与读出................................................................. .. (15)五、数据处理................................................................. . (15)1、GMR模拟传感器的磁电转换特性测量 (15)2、GMR磁阻特性测 (17)3、GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量 (18)4、用GMR模拟传感器测量电流............................................................195、GMR梯度传感器的特性及应用 (20)6、磁记录与读出................................................................. .. (21)六、实验思考................................................................. . (22)1、推导公式????????=????????????????? ................. . (22)2、实验感想................................................................. . (23)七、GMR传感器在有关领域的应用231、基于GMR传感器阵列的生物检测 (23)2、将GMR用于导航及高速公路的车辆监控系统 (24)3、GMR磁敏传感器在磁性介质的探测和磁性油墨鉴伪点钞机中的应用............................................................. .................................................................25八、实验总结................................................................. . (25)图 1 多层膜GMR结构图............................................................... . (6)图 2 某种GMR材料的磁阻特性............................................................... . (6)图 3 自旋阀SV-GMR结构图............................................................... (7)图4巨磁阻实验仪操作面板................................................................. .. (8)图 5 基本特性组件................................................................. .. (8)图 6 电流测量组件................................................................. .. (9)图7 角位移测量组件................................................................. . (9)图8 磁读写组件................................................................. (9)图9 GMR模拟传感器结构图............................................................... .. (10)图10 GMR模拟传感器的磁电转换特性........................................................10图11模拟传感器磁电转换特性实验原理图...................................................11图12磁阻特性测量原理图................................................................. .. (11)图13 GMR开关传感器............................................................... (12)图14 GMR开关传感器磁电转换特性............................................................12图15模拟传感器测量电流实验原理图...........................................................13图16 GMR梯度传感器结构图............................................................... (14)图17 用GMR梯度传感器检测齿轮位移......................................................14图18 磁电转换特性曲线................................................................. .. (16)图19 磁阻特性曲线................................................................. . (18)图20 GMR开关传感器磁电转换特性曲线....................................................19图21 输出电压与待测电流的关系曲线..........................................................20图22 用GMR梯度传感器检测齿轮位移的电压和转角关系图..................21图23 电路连接图................................................................. .. (22)图24 直接标记法................................................................. .. (23)图25 两部标记法................................................................. (24)表格 1 电流随磁感应强度变化表................................................................. (15)表格 2 磁阻随磁感应强度变化表................................................................. (17)表格 3 电平随励磁电流变化表................................................................. . (18)表格 4 输出电压随待测电流变化关系表........................................................19表格 5 电压和齿轮转角间的关系................................................................. (21)表格 6 二进制数的写入与读出................................................................. . (22)篇三：巨磁电阻效应及其应用数据处理五、实验数据及处理模拟传感器的磁电转换特性测量实验数据及由公式B = μ0nI算得的（n=24000匝/m）磁感应强度如下表所示：以B为横坐标，输出电压U为纵坐标，作图得：误差分析：（1）在实验操作中，用恒流源调节励磁电流时距离要调到的值总会有部分偏差，其范围在正负以内，反应在图像上就是最低处的输出都在y轴上，实际上应当是分别分布在y轴左右两侧的；（2）用恒流源调节励磁电流时，为保证调到需要调到的励磁电流的精确度，会有很小幅度的回调，可能因磁滞现象造成影响；（3）使用Excel表格处理数据的过程中可能会有精度损失；2. GMR的磁阻特性曲线的测量根据实验数据由公式B = μ0nI算得的磁感应强度，由R=U/I算得的电阻如下表所示：（磁阻两端电压U=4V）作图如下：误差分析：（1）在实验操作中，用恒流源调节励磁电流时距离要调到的值总会有部分偏差，其范围在正负以内，反应在图像上就是最高处的输出都在y 轴上，实际上应当是分别分布在y轴左右两侧的；（2）用恒流源调节励磁电流时，为保证调到需要调到的励磁电流的精确度，会有很小幅度的回调，可能因磁滞现象造成影响；（3）使用Excel表格处理数据的过程中可能会有精度损失；。
探究影响重力大小 的因素的实验报告
物理实验报告
年级：八年级班级：（）第小组姓名日期：4.2
实验名称：探究影响重力大小的因素
实验目的：
1、通过探究，了解物体重力的大小与哪些因素有关
实验器材：
弹簧测力计、橡皮泥、砝码等
实验步骤：
１、将同一块橡皮泥捏成不同的形状，
2、用弹簧测力计分别测出其重力的大小并填入下表：
圆形椭圆形长方形不规则形重力／Ｎ
3、用弹簧测力计测出各个砝码重力的大小。
４、将各个砝码的质量和所测得的对应的重力填入下表：实验序号砝码质量／kg 砝码重力/N 重力与质量的比/N.kg 1
2
3
实验结论：物体所受的重力大小与物体的形状，与物体的质量；物体所受的重力与其质量成。
重力仪
t3 , h3
绝对重力仪的测量原理
• 原理：自由落体定律
• 对称自由运动法（上抛法）
TOP
根据能量守恒定律可得：
1 1 mv12 mv2 2 mgH 2 2
t2 v2 H t1 v1
t3 v3
在上抛和下落的过程中，物体对称处速度相等：
• 三、重力仪的平衡方程 • 四、影响因素及消除
平衡方程
• 平衡方程：平衡体（摆杆和重物m）在重力矩和弹力矩的作用下载某 一处达到平衡的方程。
M0 M g ( g, a) M (a M g ( g , a)dg M g ( g , a)da M (a)da 0 g a a
重力仪器基本原理和测量方法
2011.11
主要内容
• 一、重力仪分类
• 1.绝对重力仪 • 2.相对重力仪
• 二、重力仪基本原理
• 1.测量原理 • 2.测读机构 • 3.读数方法
• 三、重力仪的平衡方程 • 四、影响因素及消除
一、重力仪（Gravimeter）
• 重力仪：测定重力加速度的仪器。 • 测量的物理量不同分为：
• 石英材料的弹性系统能避免磁场影响——绝缘体，表面 往往有静电荷——静电力，会影响观测。 消除方法： 1.表面涂很薄的金属层——导电。 2.将弹性系统浸在导电液体内。 3.内部放入少许反射性物质——空气游离导电，消除静电 荷。
• • • •
仪器倾斜的影响
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• • •
若倾斜角，则弹性系统所受重力有变化，产生误差。
– 绝对重力仪：用来测定一点的绝对重力值 – 相对重力仪：用来测定两点的重力差
• 用途：地球重力场的测量，固体潮观测，地壳形变观测， 以及重力勘探等项工作中。
落体旋转对绝对重力仪位移测量影响研究
Ｌｉ ｕ Ｙａ ｎ ￣ｉ ， ， Ｚｏ ｕ Ｔｏ ｎｇ ， ， Ｇｕ ｏ Ｔａ ｎ ｇ ｙ ｏ ｎ ｇ ＇ ， Ｚｈ ａ ｎ ｇ Ｙｉ ， ， ａ ｎｄ Ｃｈ ｅ ｎ Ｙｕ ｘ ｉ ｕ ， ）
旋转造成 的误差 ， 并对 两种类型 的误差与反射器尺寸 、 落体旋转角速度的关 系进行 了研究 阐述。
关键词 绝对重力仪； 反射器； 落体； 旋转； 误差
中图分 类号 ： Ｔ Ｈ ７ ６ ２
文献标 识码 ： Ａ
ＥＦ Ｆ ＥＣＴ ｏＦ ＤＩ Ｓ ＴＡＮＣＥ ＢＹ ＲｏＴＡＴＩ ｏＮ ｏＦ Ｆ ＡＬＬＩ ＮＧ ｏＢＪ ＥＣＴ
４ ３ ０ ０ ７ １ 、
／ １ ） 中 国地 震 局 地 震 研 究 所 （ 地 震 大 地测 量 重 点 实 验 室 ） ， 武汉
＼ ２ ） 中国地震局地壳应力研究所武汉科技创新基地 ， 武汉
４ ３ ０ ０ ７ １
／
摘 要 研究因落体旋转而造成落体位移测量的两种类型的误差 ： 反射器折射率误差和反射器绕落体质心发生
／ １ ） Ｋ ｅ ｙ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆＥ ａ ｒ ｔ ｈ ｑ ｕ ａ ｋ ｅ Ｇ ｅ ｏ ｄ ｅ ｓ ｙ ， Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｆＳ ｏ ｅ ｉ ｓ ｍ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｃ Ｅ Ａ， Ｗ ｕ ｈ ａ ｎ ４ ３ ０ ０ ７ １ ＼
第３ ３卷 增 刊 （ Ⅱ）
２ ０ １ ３年 １ ０月
大 地 测 量 与 地 球 动 力 学
Ｊ ＯＵＲ ＮＡＬ Ｏ Ｆ ＧＥ Ｏ ＤＥ Ｓ Ｙ ＡＮＤ Ｇ ＥＯＤ ＹＮＡＭＩ Ｃ Ｓ
Ｖｏ １ ． ３ ３ Ｓ ｕ ｐ ｐ ． （Ⅱ ）
了解实验室中重力测量的关键技术与误差处理
了解实验室中重力测量的关键技术与误差处理引言：实验室中的重力测量是科学研究的重要组成部分，其准确性与可靠性对于地质勘探、矿产资源开发和环境保护等领域具有重要意义。
然而，在进行重力测量中存在着各种误差源，因此了解关键的测量技术和误差处理方法对于准确测量重力具有重要意义。
一、重力测量的关键技术1. 重力计的选择重力计是重力测量中的关键仪器，常见的有绝对重力计和相对重力计。
绝对重力计是直接测量重力加速度的较为精确的仪器，如拉曼-格瑞斯重力计和绝对床垫重力计。
而相对重力计则是通过测量两点之间的重力差异来间接推导出重力值，如球法重力计和倾斜摆重力计。
在选择重力计时需根据实际需求和测量要求来决定。
2. 测量环境的控制在进行重力测量时，环境因素会对测量结果产生重要影响。
例如，气压的变化、温度的变化、风的影响等都会导致重力计读数的误差。
因此，在实验室中应尽量控制好测量环境，避免这些因素对测量结果的影响。
3. 数据采集与处理重力测量数据的采集和处理是保证测量结果准确性的关键环节。
通常，重力数据采集是通过采集系统进行，如采集仪器和计算机软件等。
在数据处理过程中，需要对数据进行滤波、平滑和校正等操作，以去除干扰和修正误差。
同时，合理运用数学模型和统计方法，对重力数据进行分析和解释，得出合理的结论。
二、误差处理方法1. 系统误差的控制在重力测量中存在着多种误差源，其中系统误差是重要的一种。
系统误差是指由于仪器的固有特性或测量方法的局限性而引起的误差，如仪器零点漂移、背景场影响等。
为了控制系统误差，首先需要进行仪器校准和仪器常规检查，避免仪器本身存在的误差。
其次，在实验设计和数据采集过程中，应结合实际情况进行采样点的布置和数据处理计算，以减小系统误差的影响。
2. 随机误差的抑制随机误差是重力测量中的一种不可避免的误差，其主要源于测量系统中存在的各种不确定因素，如环境因素、观测人员的技术水平等。
为了减小随机误差的影响，可以通过增加数据采集次数、加强实验操作的规范性和一致性，提高测量的重复性和稳定性。
绝对重力仪工作原理
绝对重力仪工作原理绝对重力仪是一种用于测量地球重力场的仪器。
它的工作原理基于牛顿万有引力定律，即两个物体之间的引力与它们的质量和距离的平方成正比。
绝对重力仪利用一个质量均匀的测量球和一个精密的悬挂系统来测量地球的重力场。
测量球是绝对重力仪的核心部件，它的质量必须非常均匀，以确保测量结果的准确性。
测量球通常由钨合金制成，直径约为10厘米，重约4.5千克。
测量球的表面光滑度非常高，以减小空气阻力对测量的影响。
测量球悬挂在一个精密的悬挂系统中，该系统由一组非常细的金属丝构成。
这些金属丝的直径只有几微米，非常脆弱，需要特殊的技术来制造和悬挂。
悬挂系统必须非常稳定，以确保测量球不会受到外部干扰。
当测量球悬挂在悬挂系统中时，它会受到地球的引力和其他外部干扰的影响。
为了消除这些干扰，绝对重力仪通常会进行多次测量，并对结果进行平均。
此外，绝对重力仪还会进行温度和气压的校准，以确保测量结果的准确性。
绝对重力仪的测量结果通常以重力加速度的形式表示，单位为米每秒平方。
地球表面的重力加速度约为9.8米每秒平方，但在不同的地点和海拔高度，重力加速度可能会有所不同。
通过测量地球的重力场，绝对重力仪可以帮助科学家了解地球内部的结构和物质分布，以及地球的引力场对天体运动的影响。
总之，绝对重力仪是一种非常精密的仪器，它的工作原理基于牛顿万有引力定律，利用一个质量均匀的测量球和一个精密的悬挂系统来测量地球的重力场。
通过测量地球的重力场，绝对重力仪可以帮助科学家了解地球内部的结构和物质分布，以及地球的引力场对天体运动的影响。
绝对重力仪研究的最新进展
绝对重力仪研究的最新进展
刘达伦;吴书清;徐进义;郭有光
【期刊名称】《地球物理学进展》
【年(卷),期】2004(19)4
【摘要】经典绝对重力仪和原子干涉绝对重力仪是目前国际上研制用来直接测量重力加速度值的主要精密计量仪器．经典绝对重力仪测量的相对不确定度可达到2×10(-9)；原子干涉绝对重力仪一分钟测量的相对不确定度可达到3×10(-9)，两天测量的相对不确定度可达到1×10(-10)．本文分别介绍了经典绝对重力仪和原子干涉绝对重力仪的测量原理及方法，重点介绍了国际上新出现的凸轮式绝对重力仪．还简单介绍了中国计量科学研究院在这一方面研究的最新进展．
【总页数】4页(P739-742)
【关键词】绝对重力仪;重力测量;凸轮;原子干涉;不确定度
【作者】刘达伦;吴书清;徐进义;郭有光
【作者单位】中国计量科学研究院
【正文语种】中文
【中图分类】P312
【相关文献】
1.绝对重力仪测量结果的振动划线处理方法初步研究 [J], 龙剑锋;黄大伦;滕云田;吴琼;郭欣
2.自由落体式绝对重力仪测量数据处理方法研究 [J], 罗志才;宛家宽
3.落体旋转对绝对重力仪位移测量影响研究 [J], 刘延飞;邹彤;郭唐永;张亿;陈玉秀
4.绝对重力仪研制中几种干扰因素的实验研究 [J], 黄雯迪;黄涛;高铭泽;郭有光;;;;
5.光学干涉式绝对重力仪参考测试高度研究 [J], 张威;艾云;郭娟
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绝对重力测量的成果分析
总体 组 、奇 数组 、偶数 组结 果精度 关系
２
５
西安
７ ０５ ） １０４
摘要 ：影响 高精度绝对 重力测量的因素很多 ，其 中数 据采样 的多少是 一个直接的 因素 。 理数据采样量 的设 合
置既可 以保证数据精度 ，又可以减少对仪 器的损耗 ，从 而达到科 学地 利用仪 器的 目的。
关键词 ：下落组数 Ｆ ５绝对 重力仪 Ｇ 绝对重 力测量 精度
２ ：
一
（ 一 生 生）
（） １
棱 镜 ，之 后两 束 激 光 因 测试 体 降 落产 生干 涉 ，干 涉
条纹信号被光 电二极管检测 。干涉条纹被同步标定 时 间并 生 成成 对 的时 间和 距离 。图 ｌ下 部分 表 明 了
绝 对 重 力 仪 工 艺技 术 原 理 为 ：测 量 块 下落 １ ２ 条 纹信 号 频率 随测 试 体加 速而 增加 。 ／
１ 引言
个激光波长时，干涉仪产生光学干涉条纹 。这些条
Ｆ ５绝对重力仪是 目前国际上普遍采用 的一种 纹被计数 ，并用原子钟测时，从而得到高精度成对 Ｇ ２ 常用 的 、 比较 成 熟 的绝对 重 力 测 量仪 器 ，无 论 是设 的 时间和 距 离 。通常 采用 多位 置 测量 ，按 照 （ ）式
测 绘 技术装 备
季刊
第 １ Ｏ卷
２０ ０ ８年第 ３期
技术 交流 ２ ７
绝对重 力测 量的成果分析
何 志 堂 ’ 王 斌 马新莹 康 胜军 ’ 唐 志 明 ’
绝对重力仪研制中几种干扰因素的实验研究
１ 一ｍｓ 测 误 差 ； 体 室 真 空 度 维 持 系统 （ ０ 一 － 观 落 离子 泵 ）－ 不 正 常 ， 气 阻 力 也 将 对 重 力 观 测 造 成 ０ １ ４ １ Ｏ ５作 空 ． ～ ． ×１
ａ ｅ ｄｒ ｗｎ ａ ｏｌｏ ｓ Ｉ ｈｅ ｎ ｍ ａ ｔ ｒ ａ ｓｆ ｌｗ ． ｎ ｔ ｏｒ ｌａ ｍｏｓ ｐｈｅ ｅ， ｔ ｅ ｏｂ ｅ ｖｅ ｌ ｓ ａ ｏｕ ０× １ ｍ ｓ ， ｗ ｈ ｃ ｓ ｇｒ ａ ｅ ｈ ｎ ｒ ｈ ｓ ｒ ｄ ｖａｕｅ ｉ ｂ ｔ５０ ０一 一 ｉｈ ｉ ｅ ｔ ｒ ｔ ａ ｔ ｏｒ ｔｃ ｌｖ ｌ ｂｏｕ ０× １ ｍ ｓ ．ａ ｆ ｉ ｈｅ ｌ Ｗ ａ ｕｕ ． ｔ ｂｓ ｒ ａ ｉ ａｌｅ ｒ ｒ ａ ｕｔ２．３× １ 一。ｍ ｓ 。 ｉ ｈｅ ｅ ｉａ ａｕｅ ａ ｔ３ ０ ～ ｎｄ ｉ ｎ ｔ Ｏ ｖ ｃ ｍ ｈｅ ｏ ｅ ｖ ｔｏｎ ｒ ｏ ｂｏ ０ ｓ
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第 ２ ３卷
第 ４期
地
球
物
理
学
进
展
Ｖ ｏｌ２ Ｎｏ． ＿３ ４ Ａｕ ｇ． ２ ８ ００
测量船的摇动对AIRSEA SystemⅡ的干扰分析
测量船的摇动对AIRSEA SystemⅡ的干扰分析于富强【摘要】根据海洋重力测量的实际情况,结合AIRSEA SystemⅡ的结构特点,对仪器在测量中受到测量船摇动的影响进行分析,认为影响仪器观测精度的干扰因素有三类：垂直加速度、横摇与纵摇、交叉耦合效应。
并对这三种干扰因素进行分析,给出了减弱干扰影响的措施,这些措施能使海洋重力测量外业获取更高的观测精度。
%Based on the fact of marine gravimetry,and integrating with the characteristic of the structure of AIRSEA SystemⅡ,the article analyzed the effect on the AIRSEA SystemⅡ by the rock of the survey ship,there're three interfering factors: the upright acceleration,across-rock and vertical-rock,Cross-Coupling effects.Based on the analysis the measure given,which is taked to weaken the effect and improve the measurement accuracy.【期刊名称】《北京测绘》【年(卷),期】2012(000)006【总页数】3页(P11-13)【关键词】AIRSEA;SystemⅡ;垂直加速度;横摇与纵摇;交叉耦合效应【作者】于富强【作者单位】海军蚌埠士官学校,安徽蚌埠233012【正文语种】中文【中图分类】P223.39目前，美国LaCoste＆Romberg公司生产的AIRSEA SystemⅡ已经应用于我国的海洋重力测量，它是AIRSEA SystemⅠ的升级版，未来将取代AIRSEA SystemⅠ更多的应用于海洋重力测量。
A10型绝对重力仪的原理研究及精度分析
分类号密级U D C 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93指导教师、职称罗佳副教授企业导师、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Theory Research and Accuracy Analysis for A10 Absolute Gravity MeterByKang ShengjunSupervised By Adjunct Professor Luo JiaSupervised By Senior Engineer Xiao XuenianSchool of Geodesy and Geomatics, Wuhan UniversityWuhan 430079, P.R.ChinaNovember, 2013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。
AbstractAbsolute gravity measurements has a very important significance for the Earth's gravity field related applications and research. With the continuous expansion of its applications, the research and analysis in this technology will become more and more important. one important branch is the theory research and accuracy analysis for absolute gravity meter.This paper briefly reviewed the history of the development of absolute gravity meter, describes the actuality of domestic absolute gravity measurement and meters. In case A10 absolute gravity meter, summarized the principles of free fall absolute gravity meter, composition, method of data processing and analyzed the differences in theory whit the FG5 absolute gravity meter. After repeated comparison test, focusing on comparing and analyzing the differences of measurement accuracy between A10 with FG5 absolute gravity meter. Conclusion of this paper has a positive meaning for A10 absolute gravity meter application and promotion.Keywords A10 absolute gravity meter absolute gravity measurement accuracy目录摘要 (I)ABSTRACT ................................................................................................ I I 1 绪论. (1)1.1 重力测量概述 (1)1.2 绝对重力仪发展的历史 (2)1.3 国绝对重力测量的现状 (5)1.4 本文研究的背景及意义 (6)2 A10型绝对重力仪的原理 (10)2.1 A10型绝对重力仪的测量原理 (10)2.1.1 自由落体原理概述 (10)2.1.2 A10型绝对重力仪的测量原理 (11)2.2 A10型绝对重力仪的组成结构及功能 (16)2.3 与FG5型绝对重力仪组成结构的差别 (23)2.3.1 FG5型绝对重力仪的组成结构简介 (23)2.3.2 A10与FG5组成结构的差别 (24)3 A10型绝对重力测量的数据处理 (26)3.1 数据采集与准备 (26)3.1.1 信息收集 (26)3.1.2 系统设置 (27)3.1.2 采集的参数 (27)3.2 各项改正 (27)3.2.1 固体潮改正 (27)3.2.2 气压改正 (34)3.2.3 极移改正 (35)3.2.4 重力垂直梯度改正 (35)3.3 计算结果 (35)3.4 与FG5型绝对重力测量数据处理的差别 (37)4 A10型与FG5型绝对重力仪的比对试验 (38)4.1 引言 (38)4.2 比对试验 (38)4.2.1 第一次比对试验 (39)4.2.2 第二次比对试验 (42)4.3 比对结果分析 (46)5 结论与展望 (47)主要参考文献 (49)致 (50)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221r m m G F = （1.1）（1.1）式中：G 为引力常数，为2131110676---⋅⋅⨯s kg m .,1m 、2m 为两个物体的质量，r 为两个物体间的距离。
重力仪原理与结构解析
2.重力勘查的仪器从原理上说，凡是与重力有关的物理现象都可以用于设计制造重力仪器，并用它们来测定出重力全值10－7~10－19量级变化，因此要求重力仪要有高敏度、高精度等良好性能。
2.1重力仪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。
2.1.1绝对重力测量仪器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。
1）自由下落单程观测图2.1表示自由落体在真空中的下落，其质心在时刻t 1、t 2、t 3相对经过的位置分别为h 1、h 2、h 3，时间间隔为T 1、T 2，经过的距离为S 1、S 2 ，则由自由落体运动方程式最后可导出重力值的公式：121122)(2T T T S T S g --=（2.1.1）精确测定S 1、S 2是采用迈克尔逊干涉仪的原理，当物体光心在光线方向上移动半波长（21λ）时 ，干涉条纹就产生一次明暗变化，显示干涉条纹数目直接代表下落距离（2λN S =，N 为半干涉条纹数）。
这些干涉条纹信号由光电倍增管接受，转化成电信号，放大后与来自石英振荡器的标准频率信号同时送入高精度的电子系统，以便计算时间间隔与条纹数目，从而精确到S 1、S 2、T 1、T 2。
2）上抛下落双程观测上抛下落对观测可避免残存空气阻力、时间测定、电磁等影响带来的误差，物体被铅垂上抛后，其质量中心所走的路程先铅垂向上而后下，其时间与距离的关系如图2.2。
重力物理实验改进措施
重力物理实验改进措施引言重力物理实验是研究重力现象的一种方法，通过使用特定的设备和仪器，可以测量和分析物体之间的万有引力相互作用。
然而，在进行重力物理实验时，存在一些实验误差和不确定性。
为了改进重力物理实验的准确度和可重复性，本文将提出一些改进措施。
实验设备改进1. 重力测量仪器改进重力物理实验的关键是测量物体之间的引力的大小。
因此，改进重力测量仪器是提高实验准确度的关键。
现有的重力测量仪器一般使用弹簧测力计或挠曲杆测力计。
这些测力计在测量重力时可能会受到外界干扰，并且其灵敏度有限。
为了改进重力测量仪器，可以引入更先进的测力计，如电磁测力计或激光干涉测力计。
电磁测力计利用电磁感应原理，可以测量重力的作用力并减小外界干扰的影响。
激光干涉测力计则利用激光干涉现象来测量微小的力。
2. 干扰源减少重力物理实验中，外界干扰源会对实验结果产生负面影响。
为了减少干扰源对实验的影响，可以采取以下措施：•将实验设备放置在低干扰环境中，远离电磁场和振动源。
•使用屏蔽器材料来隔离实验设备和外界干扰。
•对实验设备进行地面和机械隔振处理，减小振动干扰。
数据采集与分析改进1. 数据采集频率提高在重力物理实验中，数据采集的频率会影响实验结果的准确度。
如果数据采集的频率过低，可能会忽略一些重要的变化。
为了改进数据采集过程，可以提高数据采集的频率，确保数据的准确和完整。
2. 数据分析方法改进在数据分析过程中，采用合适的算法和模型，能够提高实验结果的准确性。
可以考虑以下改进措施：•使用曲线拟合技术来精确估计实验数据的趋势和规律。
•引入统计学方法，如误差分析和假设检验，来评估实验结果的可信度。
实验环境改进1. 温度和湿度控制温度和湿度的变化可能会对重力物理实验产生影响。
为了减小温度和湿度对实验的影响，可以：•将实验设备放置在恒温恒湿环境中，确保实验过程的稳定性。
•使用温度和湿度传感器监控实验环境，并对环境参数进行及时调整。
2. 真空环境在一些需要消除外界影响的重力物理实验中，可以考虑在实验室中建立真空环境。
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Open Journal of Nature Science 自然科学, 2017, 5(4), 358-364Published Online September 2017 in Hans. /journal/ojnshttps:///10.12677/ojns.2017.54049Experimental Research of SomeInterference Factors in the DevelopmentProcess of Absolute GravimeterWendi Huang*, Tao Huang, Mingze Gao, Youguang GuoBeijing Aodi Detection Instrument Company, LTD, BeijingReceived: Aug. 18th, 2017; accepted: Sep. 1st, 2017; published: Sep. 8th, 2017AbstractThe basic principle of an absolute gravimeter is described in this paper. Moreover, eddy current, vacuum and vibration noise are analyzed in the effect of accuracy and precision. Experiments pro-vide real and effective data for the development of absolute gravimeter.KeywordsAbsolute Gravimeter, Eddy Current, Vacuum, Vibration Noise绝对重力仪研制中几种干扰因素的实验研究黄雯迪*，黄涛，高铭泽，郭有光北京奥地探测仪器有限公司，北京收稿日期：2017年8月18日；录用日期：2017年9月1日；发布日期：2017年9月8日摘要本文简要地介绍了研制中的绝对重力仪的基本原理，并分别从磁场涡流、真空和振动噪声三方面阐述了各个因素对仪器准确度和精度的影响，实验结果真实可靠且具有理论价值。
*通讯作者。
黄雯迪 等关键词绝对重力仪，磁场涡流，真空，振动噪声Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY)./licenses/by/4.0/1. 引言重力场是地球科学研究、资源勘探和导航的重要手段之一，精确的重力加速度值g 对大地测量、地球物理和精密计量都具有十分重要的意义。
因此，从上个世纪六七十年代开始，美国、中国、法国和意大利等国先后开展对绝对重力仪的研究[1] [2] [3] [4] [5]。
目前，国际上主要研制的绝对重力仪可分为两类，一类是激光干涉绝对重力仪，另一类是原子干涉绝对重力仪，这二者均是通过精密测量物质在地球重力场中自由下落运动的轨迹来获取测点的绝对重力加速度值，但主要的不同点在于原子干涉绝对重力仪中做自由下落运动的物质是被激光冷却的原子团，而激光干涉绝对重力仪的落体是光学角锥棱镜[6] [7] [8]。
无论是何种绝对重力仪，都会因其结构复杂、研发成本高和使用不方便，使得形成商业化的难度很大。
所以，直至如今，只有美国的Micro-g 公司旗下的实验室中使用的高精度绝对重力仪FG-5和可移动野外使用的A10被小批量生产，并广泛地应用于世界各国的地球物理研究和重力网的建设中，而这一系列的重力仪也被公认为国际技术最先进、最成熟的产品，所以价格持续走高。
中国地质装备集团下属的北京奥地探测仪器有限公司从上世纪70年代就开始自主研发重力仪，并陆续生产了多款面向地面应用的全自动数字重力仪。
2015年推出了十套ZSM-6重力仪完成了一次性通过军方验收，交付客户使用的任务，实现了重力仪的产业化，扭转了过去20多年来我国重力仪器完全依赖进口的被动局面[9] [10]。
在如此坚实的基础上，奥地公司正致力于研发一套高精度的绝对重力仪，并逐步实现商业化，届时可以打破国外绝对重力仪生产厂家的商业垄断，提高我国绝对重力仪行业的国际地位。
本文将从以下几个方面叙述本公司绝对重力仪的研发进程。
首先是对整套设备的原理做一个简单的介绍；然后，针对不同的干扰因素，详细分析其对系统性能的影响；最后，总结现阶段取得的成果以及待解决的问题，对未来的工作做出规划。
2. 绝对重力仪原理介绍本课题中所研制的重力仪属于激光干涉绝对重力仪，整套系统的主要结构原理示意图如下图1所示，原理样机实物图见文末附图。
各部件的具体参数如下：1) 真空系统：选择容量为25升、重量为7千克、抽速为22升/秒的溅射离子泵来维持系统下落取数过程中真空室的真空度；2) 激光测量系统：整套激光干涉测量系统是在经典的迈克尔逊干涉仪基础上做的改进，激光为热稳频激光器，其频率重现性为3 × 10−8，日长期稳定性为5 × 10−9；3) 时间基准：铷原子钟固定输出频率10 M ，频率重现性为5 × 10−11，漂移 ≤ 1 × 10−12/日； 4) 落体控制机构：采用日本安川交流电机，额定输出功率为100 W ；导轨为直线导轨，通过真空联轴器与电机相连，控制托架向上做匀速运动，向下做加速运动从而实现落体的自由下落；5) 数采系统：利用铷原子钟的10 M 标准频率锁定100 M 的高速数采卡，采集干涉系统输出的光电黄雯迪等Figure 1. Schematic diagram of the main structure of the system图1. 系统主要结构原理示意图信号，通过计算机软件计算出最终的绝对重力加速度值，并在程序中添加了对气压、固体潮、极移等的修正；6) 供电系统：使用电池容量为3000 VA的UPS (不间断电源)为离子泵供电，降低市电骤断对设备工作的影响，保证真空度始终处于较高的水平。
本项目将参考棱镜固定在隔振系统上，从而消除由于地面振动带来的系统误差，具体隔振系统的原理说明将在下一小节中做详细阐述。
3. 几种干扰因素的实验分析作为一种高精度精密仪器，绝对重力仪会受到各种干扰源的影响而产生误差，因此，需要进行大量地修正来提高仪器的可靠性。
这些误差有些来自于仪器或零件的制造与装配，比如：直线导轨自身的形变，角锥棱镜的制造角差，激光器光速的发散性和测量光束的不垂直性等，这类误差大多是通过仪器出厂校准以及在使用过程中结合实际需要进行不断地调整来消除；还有一些误差属于环境误差，比如：温度、固体潮汐、极移和地下水位的变化都或多或少地影响测量结果，这部分误差往往遵循一些具体的公式或线性关系，所以可以添加相应的程序逐个修正。
本文选取了常见的三种干扰，即磁场、空气阻力和振动噪声，利用实验直观地分析了它们对系统准确度和精度的影响，为今后的工作消除了隐患。
3.1. 磁场考虑到落体的金属外壳在下落过程中，会与周围不均匀的磁场相互作用，产生涡流，所以在制作落体时，应选取无磁材料加工落体外壳。
本课题中所采用的落体外壳材料为铝合金，但在定位珠位置(如图2)使用不同的两种材料来制作，从而分析这一微小的差异对结果的影响。
落体1#上的定位珠为钨合金球，落体2#上的定位珠为钛合金球。
用磁力仪检测钨合金球和纯钛球经过磁化处理后所带的磁性大小，可以发现在在强磁作用下，钨球上的剩磁力可达到6 mT，即使隔离放置一段时间后，剩磁依旧大于0.05 mT，而钛合金球在强磁作用下，不会被磁场所影响，则不带有磁性。
保证其他因素相同，通过对1#和2#落体分别进行下落取数实验，最终可以看出，当采用无磁定位珠落体后，测量精度大大改善，所得绝对重力平均值更接近参考值(表1)。
所以，在今后的落体设计中应更加严格地选择材料。
黄雯迪等Figure 2. Structure diagram of fall body图2. 落体结构图Table 1. Observation resulting data of standard experiment with different fall bodies表1. 不同落体时的实验观测结果落体编号真空度(Pa)测量组数(组)单组下落次数(次)平均值与参考值的差值(微伽)测量精度(微伽)1# 1 × 10−440 16 959.4 55.42# 1 × 10−440 16 116 22.53.2. 空气阻力为了保证落体的自由下落，所有的运动结构均安置在真空室中，且在正式试验时，真空室内的真空度需要保持在1 × 10−4 Pa以上，否则真空系统中残余的空气分子会阻碍落体的下落，产生测量误差。
为了证明这一点，则通过控制真空室上离子泵一侧角阀打开的大小，使系统处于不同等级的真空环境，然后分别进行取数操作，得到相应的结果如下表2。
可以清晰地看出，当其他因素保持一致时，仅改变真空度处于不同等级，就会明显看到，随着真空度的逐步提高，系统的测量精度越来越好，与参考值的差值也不断缩小。
所以，真空室内真空度的高低对自由下落法绝对重力观测的影响很大，不可忽略。
3.3. 振动噪声作为一种对实验环境要求极高的精密仪器，绝对重力仪的精度和稳定性与隔振系统的发挥密不可分，而隔振的主要作用是消除仪器周围的振动噪声。
常见的噪声有以下两类，一类是频率在0.5 Hz以上的噪声，其来源主要为建筑、树木的晃动以及人类活动，另一类为频率在0.05~0.5 Hz的噪声，其来源为海浪撞击海岸时在地壳中产生的表面波和体波。
绝对重力仪的隔振技术可分为被动式隔振和主动式隔振，被动式隔振装置的特点是不需要引入外界能源，装置结构简单，易于实现，可靠性强，但其固有频率固定，隔振频带窄；主动式隔振是在传统被动式隔振的基础上引入外界能量，加入由控制器、传感器和执行器构成的控制系统，应用一定的控制策略驱动作用器，从而达到抑制或消除振动的目的。
所以，针对0.5 Hz 以上的噪声，被动隔振就可以发挥作用，而对那些处于0.05~0.5 Hz，甚至是低于0.05 Hz的振动就无能为力了。
为了更好地证明这一说法，本项目分别使用被动式隔振和主动式隔振在不同振动背景下进行下落取数实验，可以对隔振的性能给出一个比较客观的评价，也为后期的改进指明了方向。
3.3.1. 负刚性无源隔振系统首先，介绍一种负刚性无源隔振，它属于被动式隔振，隔振机理与汽车悬架相类似，当车轮在颠簸的道路上迅速地上下移动时，悬架内部的支撑弹簧可以提供一定的质量使得乘客感受不到垂直方向的反弹力。