第三章 第二节 重力测量仪器汇总
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在重力测量中，按测定重力的方法不同可分 为动力法和静力法。 动力法通过观测物体在重力作用下的运动状 态(路程和时间)来测定重力值。例如利用物体的 自由下落或上抛运动，或利用摆的自由摆动。这 些方法通常用来测定绝对重力值。按动力法原理 设计的测定绝对重力值的仪器称为绝对重力仪。
静力法通过观测物体在重力作用下静力平衡 位置的变化来测定两点间的重力差值。例如观测 负荷弹簧的伸长量(线位移系统)或摆杆的偏移角 度(角位移系统)。按静力法原理设计的仪器只能 测定两点间的重力差值，故称为相对重力仪。 按进行重力测量的环境和空间不同，重力测 量一起还可以分为地面、海洋、航空及井孔重力 仪。
2.重力测量仪器的相关指标 重力勘探要求能测量出重力场的微弱变化， 即要求能可靠地测量出(1～10)g.u.甚至更小的重 力变化，该值约占地球平均重力值的1／1千万～ 1／1百万，因此要求重力仪具有高灵敏度、高精 度、轻便化、数字化和自动化等性能。 (1)重力仪的灵敏度 灵敏度是指仪器能够感觉出的场强度的最小 变化。 显示灵敏度(亦称读数分辨率)，指的是在读 数装置上估计出的最小可辨读数。对无数字显示 的仪器，如ZSM型石英弹簧重力仪为0.1格；对数 字显示的仪器来说，即最末一位数字代表的场值， 如CG-3型石英弹簧重力仪为0.01g.u.。
第二节 重力测量仪器
一、重力测量仪器概述
1.重力测量仪器的类别 地球表面上任何一点的重力值都可以用重力 仪实际测量出来。如果测定出来的是该测点的重 力绝对数值，则称其为绝对重力测量；如果测定 出来的是该点与另一点间的重力差值，则称为相 对重力测量。在建立高级别的基准观测站或进行 地震监测等工作时多采用绝对重力测量。在找矿 勘探和地质研究工作以及建筑工程项目中多采用 相对重力测量。
（2）结构 仪器由弹性系统、光学指示系统、测读系统、 保温隔热系统等组成。 ①弹性系统 位于主体结构的底部。主要部件中， 除了温度补偿丝和负荷为金属外，其它均由石英 制成。主要部件由一个矩形石英框架支撑着，用 一个支杆固定在密封器顶盖上。弹性系统的位移 方式属角位移。
ZSM-V型重力仪弹性系统 1－负荷；2－摆杆；3－摆扭丝；4－主弹簧；5－测读装置温 度补偿框扭丝；6－读数弹簧；7－读数弹簧连杆；8－温度补 偿框扭丝，9读数框架扭丝；10－测程调节弹簧；11－指示丝
直线型重力仪：平衡物体的变化量大致和重 力变化成正比。如上述的气体或弹簧。其特点是 结构简单，但灵敏度低，需要高倍的量测系统测 量其微小变化。这种重力仪有哈尔克(H.Haalck ) 气压重力仪，哈特莱(K.Hartley)重力仪等。 助动型重力仪：这种类型的重力仪利用弹簧 的特殊安置方法，使灵敏度系统处于不稳定状态， 从而提高了它对于重力变化的灵敏度。它的优点 是灵敏度系统本身就预先将灵敏度提高了几百乃 至几千倍，所以不必采用高倍的量测系统，但这 种仪器受倾斜和温度的影响很大，必须采用特殊 的读数方法和温度补偿方法来避免其缺点。
二、绝对重力测量仪器
绝对重力测量的方法、手段很多，凡是与重 力有关的一切物理现象都可以用来测量重力，如 摆、自由落体、斜面法等等。 不论用什么原理测定重力，有两个基本量必 须要精确地测出来，一个是长度，一个是时间， 这两个量的测量精度决定了重力的测量精度。现 代的绝对重力测量的精度在0.1～0.2g.u.的量级。 目前美国、日本、法国、意大利、俄罗斯和我国 都已制成了可移动的绝对重力仪。这对研究重力 场随时间的变化是极有利的。
在地面重力测量中主要使用依据静力法设计 制造的弹簧重力仪，它们中的多数为角位移系统。 下面重点介绍两种地面弹簧重力仪。 1.ZSM-V型石英弹簧重力仪 （1）简介 ZSM－V型重力仪为我国北京地质仪器厂所 生产，其外貌呈圆柱形，外直径为14cm、高 40cm，仪器净重4.5kg。观测精度约为g.u.，读数 能力为0.1格，直接测量范围约为1400g.u.，测程 范围50000 g.u.。接近国外同类仪器水平。
灵敏度与显示灵敏度是两个不同的概念。一 般情况下，仪器的显示灵敏度包括有一定的随机 误差，而灵敏度是某种仪器对一定强度的重力场 感知的标定量。 (2)重力仪的精度 精度是反映测量结果与真实值接近程度的量， 它与误差大小相对应，误差大、精度低，误差小、 精度高。通常，误差又可分为系统误差、偶然误 差和过失误差。
通常情况下，精度可分为： 准确度：描述系统误差影响程度的量。 精密度：描述偶然误差影响程度的量。 精确度：描述系统误差和偶然误差综合影响 程度的量。 在重力勘探中，往往不区分精密度与准确度 在含义上的差别，而笼统地称为精度,但在必要时 应加以区分。 应注意的是，不应将仪器的灵敏度与精度混 淆。如果一台仪器的精度很高，则它的灵敏度自 然很高，而一台仪器的灵敏度很高，它的精度不 一定很高。
ZSM-V型重力仪光学测读装置示意图
②光学系统 它是一个长焦距显微镜，由目镜座1、 目镜筒2、刻度片3、物镜4、全反射镜5、物镜6、 指示丝7、聚光镜8、灯泡9等组成。 在视域中的刻度片上可见到的“亮线”就是 平衡体端的指示丝在显微镜下的像，通过对亮线 的观察就知道平衡体偏转的情况，当重力增大时， 平衡体向下偏转一个角度，我们就可以从视域中 看到亮线向右边产生一个位移，反之，当重力减 小时，亮线将向左边移动。 刻度片中间的长线叫“零线”用来指示零点 位置用，重力仪采用零点读数法，所以每次观测 时，必须使亮线与零线重合。
三、地面相对重力仪
相对重力测量一般用相对重力仪进行。目前 应用较普遍的重力仪多利用一种力来平衡重力， 然后再用适当的方法来测量平衡力的变化以确定 重力变化。它们的构造原理基本上是相同的。如 气压重力仪用气压变化平衡重力变化；弹簧重力 仪则用弹簧的弹力来平衡重力。它们大都是质盘 旋转型，均是利用弹力矩平衡重力矩原理来测量 重力变化。这些仪器统称静力重力仪。静力重力 仪又分为两大类型：直线型和助动型。
在重力测量中，按测定重力的方法不同可分 为动力法和静力法。 动力法通过观测物体在重力作用下的运动状 态(路程和时间)来测定重力值。例如利用物体的 自由下落或上抛运动，或利用摆的自由摆动。这 些方法通常用来测定绝对重力值。按动力法原理 设计的测定绝对重力值的仪器称为绝对重力仪。
静力法通过观测物体在重力作用下静力平衡 位置的变化来测定两点间的重力差值。例如观测 负荷弹簧的伸长量(线位移系统)或摆杆的偏移角 度(角位移系统)。按静力法原理设计的仪器只能 测定两点间的重力差值，故称为相对重力仪。 按进行重力测量的环境和空间不同，重力测 量一起还可以分为地面、海洋、航空及井孔重力 仪。
2.重力测量仪器的相关指标 重力勘探要求能测量出重力场的微弱变化， 即要求能可靠地测量出(1～10)g.u.甚至更小的重 力变化，该值约占地球平均重力值的1／1千万～ 1／1百万，因此要求重力仪具有高灵敏度、高精 度、轻便化、数字化和自动化等性能。 (1)重力仪的灵敏度 灵敏度是指仪器能够感觉出的场强度的最小 变化。 显示灵敏度(亦称读数分辨率)，指的是在读 数装置上估计出的最小可辨读数。对无数字显示 的仪器，如ZSM型石英弹簧重力仪为0.1格；对数 字显示的仪器来说，即最末一位数字代表的场值， 如CG-3型石英弹簧重力仪为0.01g.u.。
第二节 重力测量仪器
一、重力测量仪器概述
1.重力测量仪器的类别 地球表面上任何一点的重力值都可以用重力 仪实际测量出来。如果测定出来的是该测点的重 力绝对数值，则称其为绝对重力测量；如果测定 出来的是该点与另一点间的重力差值，则称为相 对重力测量。在建立高级别的基准观测站或进行 地震监测等工作时多采用绝对重力测量。在找矿 勘探和地质研究工作以及建筑工程项目中多采用 相对重力测量。
（2）结构 仪器由弹性系统、光学指示系统、测读系统、 保温隔热系统等组成。 ①弹性系统 位于主体结构的底部。主要部件中， 除了温度补偿丝和负荷为金属外，其它均由石英 制成。主要部件由一个矩形石英框架支撑着，用 一个支杆固定在密封器顶盖上。弹性系统的位移 方式属角位移。
ZSM-V型重力仪弹性系统 1－负荷；2－摆杆；3－摆扭丝；4－主弹簧；5－测读装置温 度补偿框扭丝；6－读数弹簧；7－读数弹簧连杆；8－温度补 偿框扭丝，9读数框架扭丝；10－测程调节弹簧；11－指示丝
直线型重力仪：平衡物体的变化量大致和重 力变化成正比。如上述的气体或弹簧。其特点是 结构简单，但灵敏度低，需要高倍的量测系统测 量其微小变化。这种重力仪有哈尔克(H.Haalck ) 气压重力仪，哈特莱(K.Hartley)重力仪等。 助动型重力仪：这种类型的重力仪利用弹簧 的特殊安置方法，使灵敏度系统处于不稳定状态， 从而提高了它对于重力变化的灵敏度。它的优点 是灵敏度系统本身就预先将灵敏度提高了几百乃 至几千倍，所以不必采用高倍的量测系统，但这 种仪器受倾斜和温度的影响很大，必须采用特殊 的读数方法和温度补偿方法来避免其缺点。
二、绝对重力测量仪器
绝对重力测量的方法、手段很多，凡是与重 力有关的一切物理现象都可以用来测量重力，如 摆、自由落体、斜面法等等。 不论用什么原理测定重力，有两个基本量必 须要精确地测出来，一个是长度，一个是时间， 这两个量的测量精度决定了重力的测量精度。现 代的绝对重力测量的精度在0.1～0.2g.u.的量级。 目前美国、日本、法国、意大利、俄罗斯和我国 都已制成了可移动的绝对重力仪。这对研究重力 场随时间的变化是极有利的。
在地面重力测量中主要使用依据静力法设计 制造的弹簧重力仪，它们中的多数为角位移系统。 下面重点介绍两种地面弹簧重力仪。 1.ZSM-V型石英弹簧重力仪 （1）简介 ZSM－V型重力仪为我国北京地质仪器厂所 生产，其外貌呈圆柱形，外直径为14cm、高 40cm，仪器净重4.5kg。观测精度约为g.u.，读数 能力为0.1格，直接测量范围约为1400g.u.，测程 范围50000 g.u.。接近国外同类仪器水平。
灵敏度与显示灵敏度是两个不同的概念。一 般情况下，仪器的显示灵敏度包括有一定的随机 误差，而灵敏度是某种仪器对一定强度的重力场 感知的标定量。 (2)重力仪的精度 精度是反映测量结果与真实值接近程度的量， 它与误差大小相对应，误差大、精度低，误差小、 精度高。通常，误差又可分为系统误差、偶然误 差和过失误差。
通常情况下，精度可分为： 准确度：描述系统误差影响程度的量。 精密度：描述偶然误差影响程度的量。 精确度：描述系统误差和偶然误差综合影响 程度的量。 在重力勘探中，往往不区分精密度与准确度 在含义上的差别，而笼统地称为精度,但在必要时 应加以区分。 应注意的是，不应将仪器的灵敏度与精度混 淆。如果一台仪器的精度很高，则它的灵敏度自 然很高，而一台仪器的灵敏度很高，它的精度不 一定很高。
ZSM-V型重力仪光学测读装置示意图
②光学系统 它是一个长焦距显微镜，由目镜座1、 目镜筒2、刻度片3、物镜4、全反射镜5、物镜6、 指示丝7、聚光镜8、灯泡9等组成。 在视域中的刻度片上可见到的“亮线”就是 平衡体端的指示丝在显微镜下的像，通过对亮线 的观察就知道平衡体偏转的情况，当重力增大时， 平衡体向下偏转一个角度，我们就可以从视域中 看到亮线向右边产生一个位移，反之，当重力减 小时，亮线将向左边移动。 刻度片中间的长线叫“零线”用来指示零点 位置用，重力仪采用零点读数法，所以每次观测 时，必须使亮线与零线重合。
三、地面相对重力仪
相对重力测量一般用相对重力仪进行。目前 应用较普遍的重力仪多利用一种力来平衡重力， 然后再用适当的方法来测量平衡力的变化以确定 重力变化。它们的构造原理基本上是相同的。如 气压重力仪用气压变化平衡重力变化；弹簧重力 仪则用弹簧的弹力来平衡重力。它们大都是质盘 旋转型，均是利用弹力矩平衡重力矩原理来测量 重力变化。这些仪器统称静力重力仪。静力重力 仪又分为两大类型：直线型和助动型。