关于重力仪介绍

[拼音]：zhongliyi

[外文]：gravimeter

测定重力加速度的仪器。重力仪有绝对重力仪和相对重力仪两类。前一类用来测定一点的绝对重力值，后一类用来测定两点的重力差。重力仪广泛应用于地球重力场的测量，固体潮观测，地壳形变观测，以及重力勘探等项工作中。

绝对重力仪

工作原理有两种：

（1）自由下落原理

设一物体在真空中自由下落，运动过程中时间和行程的关系如图1所示。落体的重心在 t1、t2和t3时刻所在的空间位置分别为x1、x2和x3。若以 T2=t3-t1和T1=t2-t1表示两个时间间隔，以S2=x3-x1和S1=x2-x1表示相应的两段在垂线方向上的距离，则可用下列公式求得绝对重力值：

距离S2和S1可用稳定的激光波长测定，时间间隔T2和T2用高精度的频标信号测定。测量中还必须对各种影响测量精度的干扰因素进行计算和检测，然后对它们进行改正，才能获得最后测量结果。

（2）对称自由运动原理

设一物体在真空中被垂直上抛，到达顶点D后，沿上升轨道垂直下落，运动过程中的时间和高度关系如图2所示。H1和H2分别为两个在垂线方向上的预定位置。物体的重心在上升阶段通过这两个位置的时刻分别为t1和t2，在下落阶段通过H2和H1两位置的时刻分别为t3和t4。若以 T2=t4-t1，T1=t3-t2表示两个时间间隔，以H0代表空间两位置之间的距离，则可用下列公式求得绝对重力值：

距离和时间间隔的测定方法类似于自由下落原理的测量方法。

20世纪 60年代，美国的法勒 (J.Faller)和哈蒙德(J. Hammond)首先直接应用激光干涉仪器测量绝对重力值。随后日本、意大利、苏联、法国等国家先后研制成功这类激光绝对重力仪。中国于1980年按自由下落原理也试制成功激光绝对重力仪，其测量精度在±16微伽左右。

相对重力仪

可分为静重力仪(又称稳定型重力仪)和助动型重力仪（又称不稳定型重力仪）。

工作原理类似于一个机械d簧秤(图3)。当作用在重锤上的重力g变化Δg时，d簧的长度随之变化Δl，这时重锤也位移Δl的距离。在两个测点上重力的作用下，垂锤的静力平衡方程分别为：

mg=klm(g+Δg)=K(l+Δl)，

式中m为重锤质量，k为d簧的d性系数，由此即得：

由此可见，只要已知，并测出重锤位移Δl，则可求得两点的重力差Δg。C称为重力仪格值，它可以通过实验方法或在已知重力差的两点上作对比观测来确定。

通常静重力仪的d性系统是用一根两端固定的水平金属扭转d簧，在其中部焊接一根金属摆杆，摆杆末端的重锤上悬挂一根测量d簧。当作用在重锤上的重力发生变化时，可以伸缩测量d簧，使摆杆保持原来的静平衡位置。这样通过测量d簧的伸缩量来测定重力的变化。静重力仪的特点是重力变化同d簧的伸缩量成线性关系。

单位重力引起d簧的伸缩量或摆杆倾角变化量称为重力仪的灵敏度。显然，要提高重力的测量精度，必须提高重力仪的灵敏度。助动型重力仪即是按此要求设计的。

原理如图4所示。作用在摆杆上的力矩除重力矩和d性力矩外，还增加一个装在支点上方的质块m作用的力矩，当摆杆方向倾斜时，质块m对支点的力矩增大，促使摆杆下倾更多，从而提高了重力仪的灵敏度。但这时摆杆的平衡状态是非稳定的。中国制造的助动型重力仪曾用于珠穆朗玛峰地区的重力测量（图5）。其d性系统的结构在于多了一个石英d簧（又称为助动d簧）。起着图4中质块 m的作用。这种重力仪所反映的重力变化同测量d簧的伸缩量不成线性关系。

由于相对重力仪中的d簧存在d性疲劳现象，因而重力仪会产生零点漂移，即在重力不变的情况下，重力仪的读数随时间而变化。零点漂移严重影响重力仪的测量精度，而且通常只能在观测值中加以改正，不能完全消除。

为了克服相对重力仪的零点漂移，60年代末，美国试制成功超导重力仪。超导重力仪根据超导现象制成，是在低温情况下用超导铌丝绕成两组线圈，分别安装在超导球周围和下方，超导球是用铝制成的空心小球，外表涂铅。线圈接通电流后，立即切断电源，线圈之间形成一个永久磁场。超导球由于抗磁性而悬浮在磁场中。当悬浮力同作用在小球上的重力平衡时，超导球静止在一个位置上。在这种情况下，超导线圈的磁场相当于一根机械d簧，超导小球相当于重锤。当重力发生变化时，超导球也随之上下移动，且呈线性关系。超导球位移量可采用电容传感器检测，进而求出重力变化。由于超导电流的固有稳定性，致使超导重力仪的零点漂移极其微小，但是，这种仪器现在只能用于固定台站的观测。

参考文章

• 重力仪Gravimeter地球科学