Question

CG-5型高精度石英弹簧重力仪的基本原理与操作

Answer 1

(一)CG-5型高精度石英弹簧重力仪简介

CG-5AutoGrav型重力仪是加拿大Scintrex公司生产的最新型工业重力仪。该公司1988年开始生产的新型全自动CG-3型重力仪，CG-5型是继CG-3AutoGrav之后发展起来的最新升级换代产品，也是目前世界上最先进的地面重力仪。可应用于矿藏勘探、地质填图、火山勘察、油气勘探、土木工程勘察、区域重力研究等领域。

它具备CG-3型的全部功能，继承了微处理器控制的自动读数与数据采集系统，自动倾斜监控装置能够进行自动倾斜补偿。该仪器还具有十分坚固的传感器、噪音大幅降低、标准的10g.u.分辨率、计数的重复性也非常好、10s为间隔的连续计数其误差保证在0.05g.u.内、启动时仪器可自检和自动校准、在线地形校正;信息和菜单都清楚的显示在大型1/4VGA图形显示器上，27键字符键盘，使得操作更加方便;灵活的数据格式，USB及RS-232快速传输数据;配有小巧高效的6Ah10.78V袖珍锂电池，使之成为最轻便的自动重力梯度仪;该仪器机械设计简单，配有普通型和加长型三脚架，以适应不同野外工作环境的需要，仪器外形呈方形，其外貌如图4-3-7所示。

图4-3-7 CG-5型全自动高精度石英弹簧重力仪外貌图

仪器的主要性能指标如下:

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(二)CG-5型高精度石英弹簧重力仪的结构和工作原理

1.仪器的结构特点

CG-5重力仪的重力传感器、控制板以及电池都集成在一个轻型的防潮箱内。没有电缆、不用记录簿，是一套真正易用的一体化完全便携式重力仪。它能根据操作者输入的地理位置以及时区资料，对各个读数进行自动计算，并进行实时潮汐修正。信息以及菜单都清楚地显示在大型1/4VGA320×240液晶图形显示器上，也可以将模拟数据输出在记录纸上，或通过RS-232C及USB接口可将数字化数据传输到PC机。基于Windows的数据传输及系统更新软件SCTUTIL随机提供，允许以Scintrex、Text、CG-3或xyz任一种格式进行数字化，还可进行系统更新。使用27字符键的微型键盘操作十分方便。

熔融石英系统具有内在的强度和良好的弹性，以及重荷附近的限制活动范围的装置，所以仪器无须夹固装置。电子电路的反馈电压能够覆盖80000g.u.的量程而不用重置测程。又由于采用了低噪的电子电路和高精度的自动校准的模数转换器，仪器分辨率达0.01g.u.。CG-5型重力仪采用了内置的倾斜传感器，不断更新倾斜信息，从而能自动补偿因重力传感器的倾斜而引起的测量误差。自动倾斜补偿范围±200rad·s。并在±200rad·s的范围内自动进行倾斜误差的实时改正。智能信号处理能自动去除由于局部受到冲击和振动所引起的测量误差。同时石英对磁场变化不敏感，使得仪器的磁场影响系数通常小于1.5g.u./Gauss。

为了防止外界温度的影响，石英弹性系统、模数转换器以及对温度敏感的电子元件和倾斜探头都装在一个高稳定度、两极恒温的恒温器中，外部温度的变化可以降低到10^-5。而残留的温度影响则利用传感器，在软件中改正。正常仪器的恒温操作范围为-40～+45℃。整个灵敏系统封在一个双层真空容器中，隔离了大气压力变化的影响。对于石英弹簧系统其长期漂移是极其稳定的，再加上软件的实时改正，可以将长期零位漂移降低到0.2g.u./d以下。

仪器采用模块结构。机箱里装有防震系统。仪器(即使在存放期间)必须一直用内部电池或电池充电器加电。如果仪器突然掉电，出现以下几种现象:掉电几分钟后，时钟设置被清除。恒温器丢失电源，仪器开始变冷。掉电的后果取决于仪器停电时间的长短:

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如果掉电48h，则存储器中重力初始常数将丢失，需重新初始化。

充电器有两种功能:①通过交流插座为重力仪供电;②为内部蓄电池充电。

三脚架:其上有三个脚螺丝，一个水泡，用于调节仪器水平。

CG-5还可以通过RS-232连接标准调制解调器或者RF调制解调，用PC机对CG-5进行远程控制操作。探头及其附件经改装可成为适合海底测量要求或航空机载测量要求的SeaGrav海洋重力仪或HeliGrav航空重力仪。

在寒冷地区可使用外接12V直流电源供电。在地表条件复杂的地区还配有加长脚架。Scintrex可以提供数据处理、解释及成像软件包。

2.仪器的工作原理

CG-5型重力仪的灵敏元件是由熔融石英弹簧组成，加在重荷上的重力，由弹簧重力和附加在重荷上的较小的静电恢复力所平衡。当重力发生变化时，重荷的位置发生改变。而这种变化，为电容位移传感器所感受。自动反馈电路将一直流电压加到电容器的极板上，于是在重荷上产生一静电力，此静电力将重荷推至(零位)初始位置。这个电压被转换成数字信号再送到数据采集系统处理、显示和存储，如图4-3-8所示。

图4-3-8 CG-5型全自动高精度石英弹簧重力仪工作原理图

(三)CG-5型石英弹簧重力仪的初始化菜单

仪器的面板(图4-3-9)有下列主要功能键:

开/关键;

键为纯数字键，其他数字键有第二功能键;

键为设置键(主菜单);

键为调数据键;

键为显示器相关调节键(显示器加热、亮度、对比度用F2，F4完成);

键为信息键(电池量信息);

键为辅助功能键;

键为退出键;

键为帮助键;

在编辑状态下测量和清除功能键;

回车和进入键;

进入菜单后的功能键;

每一键的功能，取决于操作方式，可按提示操作。

图4-3-9 CG-5型全自动高精度石英弹簧重力仪面板

开机后即进入仪器的主菜单界面，它包括七个选项: Ⅰ. 测量参数设定 ( Survey) ;Ⅱ. 重力仪参数设定 ( Autograv) ; Ⅲ. 选项 ( Options) ; Ⅳ. 时间设定 ( Clock) ; Ⅴ. 下传数据参数设置 ( Dump) ; Ⅵ. 存储器 ( Memory) ; Ⅶ. 服务 ( Service) 。下面分别叙述。

1. 测量参数设定 ( Survey)

( 1) 测量标识符 ( Survey ID) ;

( 2) 甲方名称 ( Customer) ;

( 3) 操作员 ( Operator) ;

( 4) 精度 ( Longitude) ;

( 5) 纬度 ( Latitude) ;

( 6) 方位角 ( Azimuth) ;

( 7) 海拔 ( Elevation) ;

( 8) 垂直投影坐标带 ( 50) ( UTM ZONE) ;

( 9) 格林尼治时差 ( -8) ( GMT diff) 。

要实现对某一项编辑，将光标移到选项后按 F3( FUNCT/EDIT) ，就可以添加要编辑的内容。

2. 重力仪参数设定 ( Autograv)

( 1) 校正和滤波 ( Corrections and filters)

它包括六个选项: ①潮汐改正 ( Tide Correction) ; ②连续倾斜校正 ( Continue TiltCorrection) ; ③自动剔除 ( Auto Rejection Filter) ; ④地形改正 ( Terrain Correction) ; ⑤地震滤波 ( Seismic Filter) ; ⑥数据保存 ( Save Raw Data) 。

对某一项进行编辑按 F3，用上下键将光标移到要编辑的选项上，用左右健就可以实现编辑了。再按 F1 进入仪器参数设定。

( 2) 仪器自身参数 ( Instrument Parameters)

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注意: 参数不能随便输入，详见各仪器的格值表。需定期检查及调节的参数包括: 掉格常数、零点偏移率、倾斜灵敏度、校准常数。对某一项进行编辑用上下键将光标移到要编辑的选项上，输入数字。按 Enter 完成。

3. 选项 ( options)

( 1) 读数时间在 1 ～256 之间;

( 2) 循环时间可设置到 99999s。应比读数时间长 10s 以上;

( 3) 循环次数 0 ～99999 ( 基站模式为 99999) ;

( 4) 开始延迟 0 ～99;

( 5) 线距;

( 6) 点距;

( 7) 点号自动增加;

( 8) 比例尺;

( 9) 测量显示模式 ( 数字化和图形化) ;

( 10) 液晶显示器加热;

( 11) 环境温度记录。

CG - 5 可以自定义读数和循环。单个读数选择恰当的读数时间，循环次数设为 0。在同一点上有两种模式可进行重复读数:

自动重复模式: 循环次数可以设为 1 ～99998 之间的任意一个数。

基站模式: 循环次数可以设为 99999。

对某一项进行编辑用上下键将光标移到要编辑的选项上，输入数字。按 Enter 完成。

4. 时间设定 ( Clock)

数据文件的生成包含了时间和日期这两项重要的内容，设定方法也是进入菜单后按F3，将光标移至要编辑的项，用数字键完成设定。

5. 下传数据参数设置 ( Dump)

它包含五项。其中，波特率可选 600、1200、2400、4800、9800、19200、38400、57600 八个值中的任意一个。其他四项不允许改变。

6. 存储器 ( Memory)

仪器自带了一个 4M 的内存 ( 可扩展至 12M) 存储器可用空间用百分数来表示。清内存时不会将初始化设置消掉。按 F1 会出现提示组合按键 F1 - F3 - F2 - F4 开始清内存，按 F5 可退回选择菜单。

7. 服务 ( Service)

( 1) 服务与支持 ( Service and support) ;

( 2) 软件升级 ( Software upgrade) ;

( 3) 是否进行 X，Y 轴倾斜灵敏度，X，Y 轴的零点偏移率，掉格校正;

( 4) 出厂测试 ( Enable factory tests) 。

服务项是为了调节参数时使用，并需定期检查。

( 四) CG -5 型石英弹簧重力仪的野外实际操作步骤

在野外工作中上述初始化菜单中除测量参数设定 ( Survey) 选项需要每天设置外，其余各项可根据需要选择改变。通常野外工作实际操作步骤如下:

( 1) 将三脚架放到测点上大致放平、摆稳踩实，并将仪器平稳地放在三脚架上;

( 2) 按 键打开电源，按 然后调节脚螺丝将仪器调平，使屏幕出现笑脸，并且 X 和 Y 的数值在 ±10 之内;

( 3) 按 键开始读数，等仪器自动读完数，按 键仪器将自动对这段时间内的读数进行内部校正给出该点的场值;

( 4) 按 存储数据 ( 如认为数据不合格可按 不存，并重新测量) ;

( 5) 按 关机，转到下一测点;

( 6) 收工回驻地后进行数据回放。将数据传输至计算机，并清空内存。

( 五) CG -5 型石英弹簧重力仪测量中应注意的事项

( 1) 到新的工区进行测量之前，先检查仪器初始化值是否需要修改;

( 2) 测量过程中，避免人为干扰;

( 3) 仪器虽然可以自动记录，为了保险起见，必须手工记录测量数据;

( 4) 测量完毕应及时关闭仪器;

( 5) 防震、平置仪器、不能倒置和倾斜，存放于干燥的地方;

( 6) 仪器不用时确保用外接电源加电保持仪器内部工作稳定。