本文關(guān)鍵詞： 重力梯度儀 水平扭秤 靜電懸浮　出處：《清華大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：重力梯度測(cè)量在大地測(cè)量、地質(zhì)勘探、輔助導(dǎo)航等諸多領(lǐng)域都有著極其重要的應(yīng)用。為了研究高精度的重力梯度測(cè)量技術(shù),設(shè)計(jì)了一種基于靜電懸浮的扭秤式重力梯度儀方案,利用靜電懸浮克服扭秤的重力,實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)軸沿水平方向的水平扭秤,可以檢測(cè)重力垂直梯度Гzz產(chǎn)生的作用力矩。改變扭秤的方位,通過(guò)多個(gè)力矩平衡方程的解算,可以測(cè)量出包括重力垂直梯度Гzz在內(nèi)的全部梯度張量。完成了靜電懸浮相關(guān)的電路設(shè)計(jì),包括差動(dòng)電容檢測(cè)電路和高壓放大電路。差動(dòng)電容檢測(cè)電路的靈敏度為324.6 mV/pF,分辨率為0.47 fF,-3dB帶寬約為26.8kHz,針對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的電極結(jié)構(gòu),其相應(yīng)的位移檢測(cè)分辨率為1.6 nm。高壓放大電路的輸出范圍為0~850V,直流放大倍數(shù)約為100倍,交流輸出的峰峰值為30V時(shí),電路的失真頻率為1.9 kHz,帶寬滿足實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的需求。為了研究水平扭秤的基本特性,搭建了基于平板電極靜電懸浮的水平扭秤系統(tǒng)。通過(guò)調(diào)節(jié)8個(gè)支承電極的調(diào)控電壓,在z、x?、y?等三個(gè)自由度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)扭秤的靜電反饋控制,其懸浮質(zhì)量可以達(dá)到10 g。在零位附近,系統(tǒng)在三個(gè)自由度上的運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)解耦,單個(gè)自由度的閉環(huán)頻率特性近似為二階系統(tǒng)。測(cè)試了水平扭秤閉環(huán)力矩檢測(cè)的靈敏度,力矩檢測(cè)靈敏度約為1.30×105 V/Nm。分析了平板電極結(jié)構(gòu)中,扭秤閉環(huán)力矩檢測(cè)的制約因素,并對(duì)水平扭秤的懸浮支承和扭轉(zhuǎn)檢測(cè)之間的耦合問(wèn)題進(jìn)行了討論。為了克服水平扭秤中懸浮支承與扭轉(zhuǎn)檢測(cè)之間的耦合問(wèn)題,提出了基于圓筒電極的懸浮控制方案,并對(duì)基于圓筒電極靜電懸浮的扭秤式重力梯度儀進(jìn)行了具體的設(shè)計(jì)。分析了圓筒電極的電容分布與靜電力受力情況,建立了圓筒電極的靜電懸浮控制模型。系統(tǒng)的重力梯度分辨率取決于扭轉(zhuǎn)電極的力矩檢測(cè)靈敏度。利用豎直扭秤對(duì)高靈敏度的閉環(huán)力矩檢測(cè)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,其靈敏度可以達(dá)到6.97×109 V/Nm。在該靈敏度條件下,當(dāng)檢測(cè)信號(hào)的分辨率為0.1 mV時(shí),相應(yīng)的重力梯度分辨率可達(dá)1.9 E,有望實(shí)現(xiàn)高精度的重力梯度測(cè)量。
[Abstract]:Gravity gradient surveying is very important in many fields such as geodesy, geological exploration, auxiliary navigation and so on. A kind of gravity gradiometer based on electrostatic suspension is designed in this paper. Using electrostatic suspension to overcome the gravity of torsion scale, the horizontal torsion scale along the horizontal direction of torsion axis is realized. The torque produced by vertical gravity gradient can be detected, and the direction of torsion balance can be changed, and the solution of multiple moment balance equations can be obtained. All gradient Zhang Liang including gravity vertical gradient can be measured. The circuit design related to electrostatic levitation has been completed. The sensitivity of the differential capacitance detection circuit is 324.6 MV / PF and the resolution is 0.47fF. The bandwidth of -3dB is about 26.8kHz. For the electrode structure of the experimental system, the corresponding displacement detection resolution is 1.6 nm. The output range of the high-voltage amplifier circuit is 0 ~ 850V. When the DC magnification is about 100 times and the peak value of AC output is 30V, the distortion frequency of the circuit is 1.9 kHz, and the bandwidth meets the requirements of the experimental system. A horizontal torsion scale system based on electrostatic suspension of flat electrode is built. ,y? The electrostatic feedback control of the torsion scale is realized on three degrees of freedom, and the suspension mass can reach 10 g. In the vicinity of zero position, the motion of the system on the three degrees of freedom can be decoupled. The closed-loop frequency characteristic of a single degree of freedom is approximately a second-order system, and the sensitivity of the closed-loop torque detection of the horizontal torsion scale is tested. The sensitivity of torque detection is about 1.30 脳 105V / Nm. The restrictive factors of torsion scale closed-loop torque detection in plate electrode structure are analyzed. In order to overcome the coupling problem between suspension support and torsion detection in horizontal torsion scale, the coupling problem between suspension support and torsion detection is discussed. The suspension control scheme based on cylinder electrode is put forward, and the torsion scale gravity gradiometer based on electrostatic suspension of cylinder electrode is designed in detail. The capacitance distribution and static electric force of cylinder electrode are analyzed. The electrostatic suspension control model of cylinder electrode is established. The gravity gradient resolution of the system depends on the torque detection sensitivity of the torsion electrode. The high sensitivity closed-loop torque detection is verified by using vertical torsion scale. The sensitivity can reach 6.97 脳 109V / Nm. Under this condition, when the resolution of the detection signal is 0.1 MV, the corresponding gravity gradient resolution can reach 1.9 E. It is expected that high precision gravity gradient measurement will be realized.
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O314

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 舒晴;周堅(jiān)鑫;尹航;;航空重力梯度儀研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J];物探與化探;2007年06期

2 李海兵;蔡體菁;;環(huán)境物體對(duì)全張量重力梯度儀的影響[J];傳感器與微系統(tǒng);2010年04期

3 邊少鋒;紀(jì)兵;;重力梯度儀的發(fā)展及其應(yīng)用[J];地球物理學(xué)進(jìn)展;2006年02期

4 彭益武;;二維簧片重力梯度儀檢測(cè)方法探討[J];廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào);2009年05期

5 劉鳳鳴;趙琳;王建敏;;基于加速度計(jì)重力梯度儀分析與設(shè)計(jì)[J];地球物理學(xué)進(jìn)展;2009年06期

6 紀(jì)兵;劉敏;呂良;邊少鋒;;重力梯度儀在水下安全航行中的應(yīng)用[J];海洋測(cè)繪;2010年04期

7 吳瓊;滕云田;張兵;張濤;;世界重力梯度儀的研究現(xiàn)狀[J];物探與化探;2013年05期

8 彭益武;趙立珍;屈少波;周澤兵;;二維簧片重力梯度儀的研制[J];物探與化探;2006年05期

9 金際航;邊少鋒;李勝全;王耿峰;張博;;重力梯度儀輔助慣導(dǎo)導(dǎo)航的誤差分析[J];海洋測(cè)繪;2010年05期

10 吳瓊;滕云田;郭有光;;激光干涉重力梯度儀設(shè)計(jì)方案[J];物探與化探;2011年02期

相關(guān)會(huì)議論文 前1條

1 蔡體菁;周百令;;重力梯度儀的現(xiàn)狀和前景[A];面向21世紀(jì)的科技進(jìn)步與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展（下冊(cè)）[C];1999年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前1條

1 張巍巍;小型重力梯度儀設(shè)計(jì)方案出爐[N];科技日?qǐng)?bào);2009年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 李剛;基于靜電懸浮的扭秤式重力梯度儀關(guān)鍵技術(shù)研究[D];清華大學(xué);2016年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前7條

1 李大偉;用于原子重力梯度儀的小型拉曼激光系統(tǒng)的研制[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院(武漢物理與數(shù)學(xué)研究所);2015年

2 方暉;超導(dǎo)重力儀器機(jī)械設(shè)計(jì)與相關(guān)性能測(cè)試[D];華中科技大學(xué);2014年

3 胡遠(yuǎn)旺;超導(dǎo)重力梯度儀檢驗(yàn)質(zhì)量精密電解匹配[D];華中科技大學(xué);2015年

4 彭益武;基于電容傳感的扭矩型簧片重力梯度儀的實(shí)驗(yàn)研究[D];華中科技大學(xué);2006年

5 趙立珍;基于扭矩測(cè)量的簧片重力梯度儀的分析和設(shè)計(jì)[D];華中科技大學(xué);2006年

6 紀(jì)兵;衛(wèi)星重力梯度測(cè)量相關(guān)技術(shù)研究[D];中國(guó)人民解放軍信息工程大學(xué);2005年

7 羅嗣成;旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)重力梯度儀[D];華中科技大學(xué);2007年

，

本文編號(hào)：1488200