[發(fā)明專利]一種超導重力梯度儀及其靈敏度的提高方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201911284211.1
• 申請日: 2019-12-13
• 公開（公告）號: CN111007573B
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉向東;劉習凱;馬東;王璐璐
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01V7/00
• 分類號: G01V7/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智

本發(fā)明公開一種超導重力梯度儀及其靈敏度提高方法，包括：成對的超導檢驗質(zhì)量、成對的負剛度超導線圈、成對的正剛度超導線圈以及將成對檢驗質(zhì)量耦合成兩自由度超導磁力彈簧振子的超導電路。其要點是引入負剛度超導線圈，并使用超導線將負剛度超導線圈串聯(lián)成超導回路，降低兩自由度超導磁力彈簧振子的差模剛度，增大共模剛度與差模剛度的比值。使用本發(fā)明方法構(gòu)建超導重力梯度儀的磁力彈簧振子，特別是構(gòu)建檢驗質(zhì)量全磁懸浮的垂向?qū)欠至砍瑢е亓μ荻葍x時，能顯著提高梯度測量的靈敏度；增大共模抑制比，抑制安裝平臺運動加速度對梯度測量的干擾。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及重力測量技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種超導重力梯度儀及其靈敏度的提高方法。

背景技術(shù)

超導重力梯度儀是利用超導電性構(gòu)建的時變重力梯度測量儀器，工作在4.2K液氦溫度，具有儀器固有噪聲低、分辨率高、格值穩(wěn)定等優(yōu)點。以礦產(chǎn)資源勘查為應用目標的航空超導重力梯度儀，具有突破常溫重力梯度測量儀器的分辨率極限的潛力，可望成為深部資源勘查的重要工具。

一種典型的超導重力梯度儀構(gòu)建方法是利用超導體載流線圈與超導檢驗質(zhì)量之間的磁相互作用，使用超導電路將成對的分開放置的超導檢驗質(zhì)量耦合成一個兩自由度的磁力彈簧振子，振子運動可分解為共模與差模兩種自然模態(tài)，通過測量振子的差模位移，給出重力梯度隨時間的變化量。

對于構(gòu)建梯度儀的耦合磁力彈簧振子，希望其差模剛度小，共模剛度大。重力梯度是以差分重力加速度的形式被測量，小的差模剛度意味著從重力梯度到差分位移的傳遞函數(shù)大，有利于提高儀器的靈敏度與分辨率。在運動平臺上，平臺的運動加速度以共模加速度的形式被儀器感知，是需要通過差分扣除的，大的共模剛度意味著對平臺運動不敏感，有利于提高儀器的共模抑制比，弱化儀器安裝平臺振動對梯度測量的干擾。

在超導重力梯度儀中，有多種因素限制了共模差模剛度比值的提高。例如，在測量重力梯度的垂向?qū)欠至康臋z驗質(zhì)量全磁懸浮超導重力梯度儀中，超導線圈與檢驗質(zhì)量之間的磁斥力需要足夠大，能夠抵消檢驗質(zhì)量所受的重力，從而懸浮檢驗質(zhì)量。受這一因素的限制，現(xiàn)有技術(shù)中的差模固有頻率一般大于10Hz，共模剛度與差模剛度比值也較小。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有超導重力梯度儀的共模差模剛度比值提高受限制，不利于提高重力梯度儀的靈敏度和分辨率的技術(shù)問題。

為實現(xiàn)上述目的，第一方面，本發(fā)明提供一種超導重力梯度儀，包括：兩組超導磁力彈簧振子和超導電路；

每組超導磁力彈簧振子包括：密繞盤型超導線圈、檢驗質(zhì)量、螺線管超導線圈以及線圈骨架；檢驗質(zhì)量為下方開口的半封閉超導筒體；所述線圈骨架位于檢驗質(zhì)量的下方；所述單層密繞盤型超導線圈繞制在線圈骨架的頂部，螺線管超導線圈繞制在線圈骨架的底部；單層密繞盤型超導線圈和螺線管超導線圈與檢驗質(zhì)量之間的磁斥力平衡檢驗質(zhì)量的重力，將檢驗質(zhì)量進行磁懸??；所述磁斥力是檢驗質(zhì)量位移的函數(shù)，檢驗質(zhì)量所受磁力和重力的合力具有恢復力的性質(zhì)，構(gòu)成超導磁力彈簧振子；

所述單層密繞盤型超導線圈施加于檢驗質(zhì)量的垂向磁斥力隨檢驗質(zhì)量偏離平衡位置的位移成比例變化，變化量方向與位移方向相反，為超導磁力彈簧振子貢獻正的剛度；螺線管超導線圈磁力線的一部分處于檢驗質(zhì)量的封閉空間內(nèi)呈壓縮狀態(tài)，另一部分處于檢驗質(zhì)量的封閉空間外呈擴展狀態(tài)，螺線管超導線圈施加于檢驗質(zhì)量的垂向磁斥力隨檢驗質(zhì)量偏離平衡位置的位移成比例變化，變化量方向與位移方向相同，為超導磁力彈簧振子貢獻負的剛度；所述超導磁力彈簧振子的剛度通過單層密繞盤型超導線圈的電流值和螺線管超導線圈的電流值調(diào)節(jié)；

所述超導電路通過超導線將兩組超導磁力彈簧振子的密繞盤型超導線圈和螺線管超導線圈連接構(gòu)成超導回路，以將兩組超導磁力彈簧振子耦合成兩自由度的彈簧振子，構(gòu)成超導重力梯度儀；所述超導重力梯度儀的共模剛度與差模剛度的比值相比不包括螺線管超導線圈的超導重力梯度儀的共模剛度與差模剛度的比值高。