地球物理观测实验报告重力.docx
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地球物理观测实验报告重力
地球物理观测实验报告
课程名称：
地球物理观测与实验
实验名称：
重力观测实验
姓名：
xx
班级：
xx
完成日期：
20xx年x月xx日
一、实验目的
（1）了解CG-5重力仪的测量原理、结构、主要功能及技术指标。
（2）学习仪器使用方法，包括安置、维护参数设观测和据回放等。
（3）掌握使用24小时静态观测数据，对仪器的基本性能状况进行评价方法。
（4）掌握零位漂移，漂移率，残余观测数据稳定性等基本概念。
（5）掌握观测重力仪基本野外方法，以及相应的数据整理和计算法。
二、实验原理
重力测量所使用的物理原理：
弹簧重力仪：
包括金属弹簧重力仪和石英弹簧重力仪，弹簧重力仪使用了弹簧、弹片、扭丝等机械原件进行重力平衡式相对重力仪设计。
金属弹簧重力仪弹性系统由金属材料制成，石英弹簧重力仪弹性系统由石英材料制成。
振弦重力仪：
该重力仪的原理是以测定磁场中片状金属弦在不同张力（重力）作用下其振动频率的变化，来确定相对重力变化（原理与琴弦在不同张力下振动，发出不同频率的声音相同）。
振弦重力仪主要用于海洋和井中重力测量。
激光绝对重力仪：
根据自由落体定律，在落体自由下落时用激光测距，原子钟计时，完成重力全值测定，目前已达到（2〜5）×10-8𝑚/𝑠2的测量精度。
超导重力仪：
1960年随超导应用技术的出现，使用扼、销、铅等超导材料，应用其在温度接近绝对零度条件下的零电阻效应，制成具有高稳定性的"磁弹資"的弹力与重力进行平衡，用电容位移传感器实现连续自动观测。
原子干涉绝对重力仪：
基于激光冷却、激光囚禁原子和玻色-爱因斯坦凝聚发展起来的原子干涉技术能够研制出高精度的挣原子陀螺仪、冷原子加速度计、冷原子重力仪和冷原子重力梯度仪。
零长弹簧重力仪：
图1中OM形为摆杆,O为摆杆旋转中心和支点,B为摆杆重心,l（OB）为摆杆拆合摆长,AB为零长弹簧,A为仪器弹簧悬挂点。
零长弹簧不同于普通弹簧,制作时把弹簧钢丝绕成拉伸型弹簧后,在没有外力作用下让它收缩着,使成为长度为零的状态。
当外力作用后它具有收缩力,弹簧长度和张力完全成正比,这在基于用摆的位移来测量重力变化的重力仪中,使摆具有线性良好的运动特性是特别重要的。
[1]
三、仪器介绍
CG–5重力仪是加拿大scintrex公司制造的全自动数字式陆地重力仪。
在测量过程中采用微处理器进行读数，进行仪器倾斜、漂移（预校正）、内部温度、固体潮等自动校正，并具备地震滤波、自动舍弃坏数、自动记录、数字输出等功能。
直接测量范围达8000×10−5m/𝑠2，读数分辨率为0.001×10−5m/𝑠2，广泛应用于重力测量各个领域。
CG-5重力仪采用零弹簧助动结构，具有极高的稳定灵敏度（与LCR重力仪相近）。
观测中，静电反馈装置（用于重力补偿）和电容位移传感器（检测摆杆的水平状态）在控制器协调下的联合使用，可实现摆杆在水平零点位置的自动连续读数功能。
其核心部件是石英弹性系统（含电容位移传感器）、静电反馈补偿装置、微处理器、传感器系统（温度和倾斜等），这些部件被密封在1个具有双层恒温的真空仓里，以保障其稳定可靠。
另外，还有LCD显示器、键盘、存储器、数据传输接口（R-232和USB两种）、时钟，及外挂式GPS接收器（用于获取测站位置）。
操作软件具有自动改正、数据处理、自诊断、标定参数更新、数据操作、测站标记等功能。
仪器的主要技术参数见下表。
传感器类型：
无静电熔凝石英
读数分辨率：
1microGal
标准差：
5microGal
测量范围：
8000mGal，不用重置,长期漂移（静态）<0.02mGal/day
自动补偿倾斜范围:
±200″
波动范围:
20g以上的冲击，通常<5microGal
自动修正:
潮汐、仪器倾斜温度噪声
地震尺寸：
30cmX21cmX22cm
重量（含电池）:
8kg
电池容量:
2X6Ah（10.78V）袖珍锂电池功耗25°C时4.5W
工作温度:
-40～+45°C
环境温度修正:
通常0.2microGal/°C
大气压力修正:
通常0.15microGal/kPa
磁场修正:
通常1microGal/Gauss（微伽/高斯）
内存:
闪存技术，数据安全标准：
1MB,可扩展至12MB
时钟:
内置，日、月、年、时、分、秒。
锂电池连续供电
数字化数据输出:
RS-232C及USB接口
1、仪器使用方法和操作内容
（一）准备工作
1.重力仪供电
CG-5重力仪有两种供电方式：
15V外接电源供电或智能电池供电。
外接电源供电步骤：
先把外接电源适配器的输人端与供电网连接（100〜240V交流，47〜63HZ），然后将15V直流输出连接到CG-5重力仪面板背后两针插座。
智能电池供电：
CG-5重力仪使用可充电"智能"锂电池。
电池标称电压ll.lV，标称容量6.6A•h，工作温度范围-20〜60℃。
2个充满电的电池可供CG-5重力仪在外界温度25°C时连续工作超过14h。
电池的容量会随着温度的下降相应地减少，当电池剩余电量低于电池电量的10%时，仪器会以间隔15S的提示音予以提示，此时应及时连接外接电源或更换电池。
若无法更换电池或连接外接电源，则应该取出电池以防止电池电量耗尽，否则当电池电量耗尽，会导致电池标定参数丢失，电池容量大幅减少。
若发生上述情况，可尝试使用GG-5重力仪外接智能充电器（座充）重新标定。
智能电池安装步骤：
①从仪器侧边打开电池仓盖；②连接器接口在电池仓的底部；③插入电池使之与连接器紧密结合；④将电池仓盖重新盖好（若以错误的方式插入电池，则无法盖好电池仓盖）。
CG-5重力仪配有智能电池充电器，以便对电池单独充电，每个电池需要连续充电大约4h充满。
经常采用不取出电池，连接外接电源时自动进行充电方式。
在CG-5重力仪断电超过48h后，重新使用前，仪器需要通电48h以上，其中预热4h仪器才能达到运行温度，加热满48h后仪器基本趋于稳定。
2.冷启动及热启动
冷启动：
仪器出厂后第一次使用时，应该进行冷启动来重新设置仪器。
以后的使用过程中，一般不再进行冷启动。
需要注意的是，数据在冷启动时将丢失，所以进行冷启动前要及时传输测量数据。
CG-5重力仪控制面板共有27个键。
冷启动步骤：
①同时按下【SETUP/4】键和【ON/OFF】键启动仪器，系统将提示"是否恢复为仪器缺省设置";②按【9】键进行冷启动；③或者按【RECALLA/5】键取消冷启动。
热启动：
仪器使用过程中有时会出现死机现象，例如页面无法更新、功能无法实现等，需要进行热启动。
同时按【ON/OFF】键和【F1】键，系统将热启动；按住【SETUP】键，所有数据将被删除。
3.仪器安置
安放三角架：
在测点处一小块平地上，用力按下三角架，使每条腿的钢尖插人地面，方向为"T"字形，这样方便调节底部的螺旋调平仪器。
仪器安置：
将仪器平稳放在三角架上，确保仪器底面的维形凹槽和"V"形凹槽正好与三角架脚螺旋顶部的球形端结合，并能够方便地进行调平操作。
建议在仪器安置时，右手提住重力仪，左手触摸重力仪左前方的维形凹槽，双眼观察仪器前方边缘是否与2个脚螺旋连线平行。
将仪器水平放下，将左前方维形凹槽、右前方"V"形凹槽和操作员一方的平板，基本同时与三角架的3个球形端结合。
此时，先不急于松手，轻轻地左右扭动仪器，有些许错位时仪器会平稳就位，最后完全放稳仪器。
4.重力仪开机
按【ON/OFF】键启动CG-5重力仪的显示器及微处理器。
只要仪器中安装了至少一块电池或连接了外接电源，无论仪器是否开机，其内部的温度控制器及绝大多数电子元器件都始终保持通电状态，不受影响。
如果操作中要用到GPS，则先将GPS接收天线连接到背面COM2接口再开机。
（二）参数设置
CG-5重力仪进行测量前，必须进行各种参数设置。
按【SETUP】键，进入设置界面，包括survey（测量）、Autograv（仪器）、Options（选项）、clock（时钟）、Dump（传输）、Memory（内存）、service（服务）7个选项。
注意，未进行GPS校准时，不会出现图中的卫星状况和坐标提示框。
采集数据前，首先需要连接GPS接收器（新仪器启用或工作区变换后通常需要），目的是获得工作区的经纬度（便于仪器进行固体潮校正）和精确的卫星授时（校准仪器内部时钟）。
然后，必须设置三套初始化参数，包括测量参数、仪器参数、选项参数。
（三）调平与测量
1.测站点线号输入
开机后，或设置好参数后按【MEASURE/CLR】键，会进入STATIONDESIGNATION界面。
在此界面中，可输人station（测站）、Line（测线）以及Elevation（高程）信息。
其中，若在options设置时，Autostationinc.测站编号自动增加功能选择YES，则使用时，1个测量循环完成后，测站编号自动增加，不需手动进行更改。
2.调平
按【F5/LEVEL】键进入仪器调平，可以按照屏幕顶部图标F、L、R指示的方向，旋转三角架的脚螺旋进行仪器调平。
水平状态由十字丝和屏幕底部的弧秒数字显示。
连续旋转脚螺旋直到交叉点进入中心小圆的内部（士10''），屏幕出现笑脸图标即可。
一般先调平Y轴（垂直十字丝），再调节X轴。
至此，仪器做好采集数据的准备，按【F据的准备，按【F5（READGRAV）】键开始测量。
3.数据采集
在OPTION选项界面中选择了Numeric（数字）测量模式、精确调平了仪器以及在STATIONDESIGNATION界面下确定了测站及测线信息后，会进入数字显示界面。
其中，4016.555mGal为未经过任何改正的当前重力值，表格中的-1、-2、-3、-4、-5为前几组采样经改正后的重力测量结果及时间信息。
图下方给出时间、环境温度、当前误差/标准差（Err/SD）、TiltX（X向倾角）和TiltY（Y向倾角）、Temperature（温度补偿信息）、采样进度及电源状况。
当测量结果达到要求后（一般按取得连续3个经过校正的读数，且最大值和最小值之差小于5×10−8𝑚/𝑠2进行控制），按【F5（FinalData）】键结束测量。
这时，显示图3-10菜单;其中，current栏为当前数据（指正在采集的尚未达到设定采集时间的数据），包含了经过滤波和应用了所有改正后的当前重力值、时间和测站信息。
通过方向键（上、下），可以在preceding栏查看最近的100个数据。
按【RECORD】保存当前数据，同时返回到STATIONDESIGNATION界面以便进行下一次测量；按【CANCEL】放弃当前数据（通常选择放弃），系统将不存储该数据，直接返回观测设置界面（STATIONDESIGNATION界面）。
2、使用中必须注意的问题
1.仪器参数需要进行定期检查和调整，有利于取得最佳的测量结果。
2.重力仪（尤其是石英弹資重力仪）必须轻拿轻放，不得磕碰、较大角度
倾斜等。
测量运输途中尽量保持仪器直立，能减少弹性后效作用。
3.观测时先平稳放置三脚架，仪器安置时避免滑落、震动，包括脚架松动。
4.观测数据以3个连续结果的最大互差小于5×10−8𝑚/𝑠2为合格标准。
仪器虽有自动记录功能，为防止数据丢失，建议同时手工记录点号、重力值及时间测量参数设置完成后，不需要进行频繁改动。
四、实验内容
1.实验数据
（1）第一小组的数据
从G1开始，按照G1–G2–G1–G2-G4–G2-G4的观测顺序进行循环观测，记录每个点不同时间的相对重力值（mGal）
点位
相对重力值（mGal）
时间
G1
5323.823
16：
24
G2
5323.606
16：
41
G1
5323.899
16:
：
52
G2
5323.608
17：
06
G4
5323.601
17：
22
G2
5323.554
17：
30
G4
5323.598
17：
37
图1重力数据图
（2）第二小组的数据
从G4开始，按照G4–G5–G4–G5–G1–G5–G1的观测顺序进行循环观测，记录每个点不同时间的相对重力值（mGal）
点位
相对重力值（mGal）
时间
G4
4823.697
16：
27
G5
4823.982
16：
38
G4
4823.699
16:
：
46
G5
4823.942
17：
02
G1
4823.943
17：
15
G5
4823.946
17：
25
G1
4823.943
17：
38
图2重力数据图
2．计算过程
（1）第一小组的数据计算
根据公式计算1、2号点之间的重力差，其他点号依此类推
计算得
（2）第二小组的数据计算
方法同第一小组数据计算，
（3）误差分析
闭合差：
零点漂移分析：
（a）第一小组：
由图1可以看到G1点从16:
24到16:
52的28min相对重力值改变了0.076mGal，改变率0.002714mGal/min，而G2点从16:
41到17:
06的25min相对重力值却只改变了0.002mGal，改变率为0.00008mGal/min，G2从17:
06到17:
30的24min改变了-0.054mGal，改变率-0.00225mGal/min,G4从17：
22到17:
37的15,min改变了-0.1003mGal，改变率-0.0002mGal/min。
（见下表）
表1零点漂移分析
点位
改变时间（min）
相对重力
变化量（μGal/min）
改变率绝对值（μGal/min）
G1
28
76
2.714
G2
25
2
0.08
G2’
24
-54
2.25
G4
15
-3
0.2
结论：
从表中改变率可以看出，零漂并不呈线性，G1和G2’的零漂比较吻合而与其他几项都不吻合，说明第一小组测量的效果并不是很好。
（b）第二组：
由图2可以看到G4点从16:
27到16:
46的19min相对重力值改变了2μGal，改变率0.11μGal/min，而G5点从16:
38到17:
02的24min相对重力值改变了-40μGal，改变率为-1.67μGal/min，G5从17:
02到17:
25的23min改变了4μGal，改变率0.17μGal/min,G1从17：
15到17:
38的23,min改变了-3μGal，改变率-0.13μGal/min。
表2第二组零点漂移分析
点位
改变时间（min）
相对重力变化量（μGal）
改变率绝对值（μGal/min）
G4
19
2
0.11
G5
24
-40
1.67
G5’
23
4
0.17
G1
23
-3
0.13
结论：
从表中可以看出G5的零漂与其他三组都不同，说明G5的测量结果不是很好。
而其他几组数据基本吻合。
五、实验感想
经过本次重力三重小循环勘探实验我对GN-5重力仪以及勘探方法有了更为深刻的认识，以及对于重力仪的测量野外观测方法有了一定了解。
从这次实验课我们学到了许多课本上学不到的东西，在做实验的同时还加深了对于知识点的理解，以及也提高了自己的动手实验能力，了解了自己的不足。
同样，在后期的处理实验结果上，利用matlab，grapher等软件处理数据时，也提高了自己的编程能力和认识数据的能力，使自己的专业知识巩固的同时，也使自己得到了其他方面的提高。
总的来说，此次的重力实验使自己得到了一定的提升，让自己学到了一定的知识，认识到了一些不足，比如观测时仪器旁边站太多人会使得测量不精确。
参考文献
[1]陈志远,陈仁恕,徐晓源.重力仪中零长弹簧的研制[J].大地测量与地球动力学,1990（3）:
28-36.
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