一恒对高精度恒温测温系统设计与测试研究

0 引言

地面高精度数字重力仪（下文简称数字重力仪） 是能够测量重力加速度值亿分之一的高灵敏度仪 器，通过对实测重力数据进行反演可获得地下密度 结构．因此高精度重力测量对于地质构造研究和矿 产勘 探 等 领 域 十 分 重 要 （Ｆｒｉｆｉｔａｅｔａｌ．，２０１６； Ｃｈａｋｒａｖａｒｔｈｉｅｔａｌ．，２０１７；Ｐａｎｅｔａｌ．，２０１７）．重力传 感器是数字重力仪最重要的核心部件，根据重力传 感器的制作材料又分为金属弹簧重力传感器和石英 弹簧重力传感器．目前国内外比较典型的金属弹簧 数字重力仪有 德 国 生 产 的 ＧＳ重力 仪 和 美 国 Ｌ＆Ｒ 公司生产的 ＬＣＲ型重力仪．石英弹簧重力仪有加拿 大Ｓｃｉｎｔｒｅｘ公司生产的 ＣＧ 系列重力仪和我国现北 京奥地探测仪器有限公司（原北京地质仪器厂）生产 的ＺＳＭ 系列重力仪．其中德国 ＧＳ重力仪是我国２０ 世纪７０年代和８０年代初引进的，主要用于固定台 站进行重力 固 体 潮 监 测，其技术状态相对落后，９０ 年代国内用户围绕电子电路部分、恒温系统部分、计 算机控制部分对其进行了升级改造，实现了数字化、 自动 化、网 络 化 的 功 能（白 亚 平，１９８７；邓涛 和 罗 星 辉，１９９３；张勤 耕 等，１９９９；蔚晓 利 等，２０００；李家 明 等，２００８；杨又陵等，２００９）．美国 Ｌ＆Ｒ 公司 的 ＬＣＲ 重力仪主要用于地面移动测量，由于其特制的合金 材料，重力读数漂移小，温度影响小，在国内具备一定的用户，后来 ＺＬＳ公司 基 于 ＬＣＲ 重力仪技术研究了最新一 代 的 贝 尔 雷 斯（Ｂｕｒｒｉｓ）重力仪。

１ 高精度恒温测温系统的设计与实现

考虑到数字重力仪在野外工作的便携式、体积 小、功耗低及复杂环境温度下适用性等特点，高精度 恒温系统采用被动散热的方式，即恒温系统内部的 恒温温度高于规定的最高工作环境温度（４５ ℃），于是恒温系统会不断但以尽可能低的散热率向外发散 热量，当热量散发到足以导致内部温度低于恒温温度 时，则开始用加热器给系统加热升温，这样散热量与 加热量最终保持平衡状态，以实现温度的精确控制．聚碳酸酯发泡材料是保温材料，其发泡率直接 影响保 温 效 果，经 试 验，本 文 选 用 了４０ｋｇ·ｍ－３的 材料．在２５ ℃环境温度下，上述热结构的设计使得 高精度恒温 系 统 的 功 耗 只 有４．８ Ｗ，满足 了 数 字 重 力仪电池续航能力的要求．为了保障 数 字 重 力 仪 适 应 －２０～＋４５ ℃的环 境温度，内层的温度控制值为６０ ℃，外层的温度控 制值为５８℃．恒温系统电路由四路独立的闭环反馈 控制电路组成，外层恒温通过３套控制系统，抵御外 部环境温度的波动与冲击，使温度波动约几十毫度 量级．内层恒温通过１路电路控制进一步减小外层 恒温环境的温度变化，精确地使内层恒温温度变化 降至毫度量级，稳定地保障石英弹性系统工作在恒 温环境中．真空室内石英弹性系统附近残余的温度 变化由高精度测温系统采集并通过测定的温度系 数，由计算机系统进行重力读数的温度补偿．

２ 试验结果与分析

试验方法：将安装了本高精度恒温测温系统的数字重力仪，常温条件下持续通电，在实验室静置３ 天，导出测得的温度记录数据并作成图６的曲线，纵 坐标为温度读数（单位 ｍ℃），可以看出３天的恒温 温度波动范围只有约７０μ℃，测温最小分辨率更是 达到１０μ℃．由 于 数 字 重 力 仪 的 重 力 传 感 器 是 由 人 工 在 约 １４００℃高温条件下手工制作的，有一定的工艺差异 性，其核心部分石英弹性系统由于温度变化导致的 重力读数变化并不是固定的理论值０．１２ｍＧａｌ／ｍ℃， 即石英弹性系统温度系数存在一定的差异，为了精 确地进行温度补偿，保障仪器的总体指标要求，同时 也为了满足批量生产的工艺要求，需要设计一种石 英弹性系统温度系数的标定方法，为此，在内层控温 桥路的上桥臂并联电阻并且用开关控制，构成一个 恒温点微调装置，使恒温系统产生一个固定的温差， 仪器记录下重力读数 ΔＧ 和仪器内部温度 ΔＴ 的变 化，计算二者的比值即可得到石英弹性系统温度系数，将安装了本高精度恒温测温系统的数字重力仪 持续通电并分别放置在高、低温试验箱（上海一恒提供）内做高低温 试验，然后导出记录数据并作曲线。

３ 结论

为解决环境温度变化引起重力值漂移远大于重 力仪精度这一技术难题．本文研究设计了高精度恒 温测温系统．测试结果表明：测温最小分辨率达到了 １０μ℃，静态常温时，温度变化约为７０μ℃；在外界 温度差６５ ℃的条件下，温度变化小于１ｍ℃；通过 改变恒温点可以实现石英弹性系统温度系数的测 定．说明本高精度恒温测温系统完全满足数字重力 仪对温 度 补 偿 系 统 的 要 求，可 以 保 障 数 字 重 力 仪２０μＧａｌ的高精度测量需求．目前仍存在一些问题需 要进一步研究，比如通过石英弹性系统温度系数测 定曲线中的上升沿和下降沿可以看出，如果温度发 生突变，可能存在温度补偿不彻底的现象，因此在实 际测量中，当发现仪器界面温度变化过快时，应稳定 一段时间后再进行读数．此外，高低温试验中存在约 １ｍ℃的温度 变 化，通过重力读数温度补偿虽然可 以抵消其影响，但仍需进一步研究减小温度变化的 方法以便从根本上减小其对重力读数的影响．