專利名稱：帶有扭轉(zhuǎn)撓曲樞軸的重力梯度儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本說明書涉及重力梯度儀(gravity gradiometer)。更加具體而言，本說明書涉及一種重力梯度儀，其在優(yōu)選的形式當中具有正交四極響應(yīng)器(orthogonal quadrupole responders) (0QR,并包括兩個平衡梁)，其中每個四極響應(yīng)器或者平衡梁通過兩個同軸扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部而安裝在裝置的殼體上。詳細情況將在以下的本申請中進行更加全面的描述。
背景技術(shù)：
重力梯度儀已經(jīng)存在多年并用來測量地球重力場中的梯度變化。重力梯度儀可以用在礦物和碳氫化合物的勘探當中，這是因為地球中的這些物質(zhì)的沉積物、以及包含有這些沉積物的地下結(jié)構(gòu)的變化產(chǎn)生了重力變化和重力梯度的變化，如果對這些變化進行正確解析的話就能夠?qū)е潞苡袃r值的發(fā)現(xiàn)。人們希望獲得在移動車輛中操作重力梯度儀的能力，這是因為這么做能夠極大地減少在給定場地上執(zhí)行調(diào)查所需的時間量。必須被測量的重力梯度的變化從幅值上而言非常地小，因此需要非常敏感且低噪聲的儀器，該儀器帶有非常可重復的響應(yīng)特性。并且，當把重力梯度儀安裝在移動車輛中的時候，與由車輛的加速和轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的儀器的不希望的響應(yīng)相比較，由于這些重力梯度的改變而產(chǎn)生的信號非常弱小，其中所述儀器安裝在該車輛上。在目前商業(yè)化運行的航空重力梯度儀中，所報道的性能當前被限制在當在非常低的湍流飛行條件下操作時，在6秒鐘的信號平均時間下大約3到4厄缶(Eotvos) (IE = 每米下每平方秒10_9米的梯度，大約為KTuig/米)的誤差級別，其中性能隨著湍流的增大而降低。盡管這種性能已經(jīng)足以提示在航空重力梯度測量上的的潛在用處，然而據(jù)認為，要廣泛地成功應(yīng)用于礦產(chǎn)勘探，還需要提到高平均每次每秒IE的性能級別。一種已經(jīng)實驗證明具有提供這種性能增益(gain)的潛力的已知的重力梯度儀的形式是所謂的正交四極響應(yīng)器(在本文中也稱作0QR，并且還被稱為正交分量 (cross-component)重力梯度儀)。在OQR當中，兩個正交導向的四極質(zhì)量塊(mass quadrupoles)(本文中也稱為平衡梁)中，每個四極質(zhì)量塊是一個本體，其質(zhì)量的分布方式使得它沿著兩個軸線具有非均等的四極質(zhì)量塊力矩，該兩個軸線互相正交并且正交于期望的轉(zhuǎn)動軸線，該兩個四極質(zhì)量塊利用多個彈簧聯(lián)接至殼體，該多個彈簧的互相對準限定了期望的轉(zhuǎn)動軸線，從而構(gòu)成四極響應(yīng)器(有時也稱作角度加速器)。平衡梁響應(yīng)于特定重力梯度的張量分量的變化而(在相反方向上)進行差模轉(zhuǎn)動(rotate differentially)，但是響應(yīng)于殼體的轉(zhuǎn)動加速運動而進行共模轉(zhuǎn)動(兩者在相同的方向上)。從而，原則上，當所述殼體安裝在車輛中的時候，OQR將弱的重力梯度信號從由車輛的角加速度所產(chǎn)生的大得多的噪聲中分離出來。以下文獻中公開了 OQR重力梯度儀設(shè)計的轉(zhuǎn)動方案的早期方案申請人為 Weber、Zipoy 禾口 Forward 的美國專利 No. 3，722，284，禾口 by Robert L. Forward, “ Future lunar gravity measurements, " Earth, Moon, and Planets, Volume 22, No. 4 (1980) pp. 419-433 (由 Robert L. Forward 在第 22 卷，第四期(1980 年)，第 419-433 頁的《地球、月亮和行星》雜志中所著的“將來的月球重力測量”)，以及申請人為Lautzenhiser 的美國專利 No. 4，215，578。在 Ho Jung Paik, in ” Superconducting tensor gravity gradiometry for satellite geodesy and inertial navigation, “ The Journal of the Astronautical Sciences，Volume XXIX，No. 1，pp. 1-18, January-March1981(Ho Jung I^aik在“用于人造衛(wèi)星測地學和慣性導航的超導張量重力梯度儀”一文(航天科學期刊第XXIX卷，第一期，第1-18頁，1981年，1月_3月刊))中，刊載了對正交分量梯度儀的描述(第7頁和圖4中進行了論述)，該梯度儀與forward的設(shè)計是拓撲上等價的，但是該梯度儀利用了超導材料、感應(yīng)的間隙感測線圈和SQUID換能器，從而獲得高的信噪比，而不需要使得整個儀器轉(zhuǎn)動。一種同樣采用超導材料的稍晚的方案在申請人為 Van Kann 和 Buckingham 的美國專利 No. 5，668，315 中被公開了，并且被(by Van Kann et al.， “ Laboratory tests of a mobile superconducting gravity gradiometer “， Physica B, Volume 165 (1990) pp. 93-94 (Vann Kann等人的“移動的超導重力梯度儀的實驗室測試”，記載于物理B雜志，第165卷(1990年)第93-94頁)一文中描述為0QR。在 Moody,Paik & Canavan,“ Principle and performance of a superconducting angular accelerometer " , Review of Scientific Instruments, Volume 74, Issue 3(2003) pp. 1310-1318(科學儀器評論雜志的第74卷第三期(2003年)第1310-1318頁中的Moody、 Paik & Canavan所著的“超導角加速度計的原理和性能”)一文當中，描述了已建造的并且已經(jīng)過測試的超導角加速度計的細節(jié)，可以使用一對這樣的超導角加速度計來構(gòu)成OQR重力梯度儀。OQR重力梯度儀的現(xiàn)有的實例利用了低溫(cryogenic temperature)，從而既允許采用基于四極響應(yīng)器的運動檢測的SQUID(超導量子干涉裝置)，又獲得扭轉(zhuǎn)彈簧的幾乎完美的彈性特性，其中四極質(zhì)量塊安裝在該扭轉(zhuǎn)彈簧上。Van Karm和Buckingham 在美國專利No. 5，668，315中描述了這樣一種OQR重力梯度儀。另一種方案首先描述于在 E. R. Canavan, Μ. V. Moody, H. J. Paik, R. V. Duncan, and J. A. Demko " Superconducting Gravity Gradiometer for Airborne Survey," presented at the American Geophysical Union Fall Meeting (San Francisco, December, 1995)(美國地球物理協(xié)會秋季大會(舊金山市，1995 年 12 月)上提交的由 E. R. Canavan, Μ. V. Moody, H. J. Paik, R. V. Duncan 和 J. A. Demko所撰寫的“用于航空測量的超導重力梯度儀”)一文當中，并且在Moody，M. V. and Paik, H. J. , “ A superconducting gravity gradiometer forinertial navigation", in Proc.IEEE 2004 Position Location and Navigation Symposium(PLANS 2004),April 2004, pp. 775-781.(刊載于Proc. IEEE2004的“位置定位和導航研討會”(PLANS，2004年)， 2004年4月，第775-781頁中的由Moody，Μ. V.和Paik, H. J.所撰寫的“用于慣性導航的超導重力梯度儀”)一文當中進行了進一步的詳述。此外，在French，J. B.等人的美國專利 No. 7，360，419中描述了另外的方案。在顯著高于低溫的溫度(包括標準室溫)下，所有的多晶材料呈現(xiàn)出蠕變和磁滯效應(yīng)，這降低了儀器的響應(yīng)的可重復性(這就是為什么(例如) 某些高品質(zhì)的重力計由表現(xiàn)出低得多的蠕變和磁滯現(xiàn)象的非結(jié)晶的熔融石英制成)。目前的非轉(zhuǎn)動的OQR類型的重力梯度儀利用彈簧將它們的平衡梁聯(lián)結(jié)至它們的殼體，所述彈簧呈“需要用顯微鏡來觀察的”厚度的腹板的形式。由于非常薄，這種腹板將具有很小的橫截面面積，這在腹板材料上引起了響應(yīng)于殼體的加速度的很大應(yīng)力；因此，這種腹板很脆弱并且很容易斷裂。已經(jīng)證明在制造這種類型的腹板撓曲部的時候很難達到所需的尺寸公差。重要的是，在受到移動中的飛行器或者車輛的加速度所施加的應(yīng)力的時候， 該腹板將承受非等彈性的(anisoelastic)變形(如上所述)，這導致了施加在梯度儀信號上的不希望的非線性誤差(有時稱為噪聲)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所公開的內(nèi)容涉及OQR類型的重力梯度儀，其可具有改進的特性，特別是減少了對飛行器或車輛的平動加速的誤差響應(yīng)。在一個方面當中，所公開的內(nèi)容提供了一種用于OQR類型的重力梯度儀的四極響應(yīng)器，其包括殼體和位于該殼體內(nèi)的四極質(zhì)量塊。該四極質(zhì)量塊具有一對側(cè)面(sides)，并且還具有位于所述側(cè)面之間的質(zhì)心。所述四極響應(yīng)器還包括至少兩個扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部。所述扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部由多個銷來提供，所述多個銷將所述四極質(zhì)量塊的每個側(cè)面連接至所述殼體。所述扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部提供了轉(zhuǎn)動軸線，該轉(zhuǎn)動軸線穿過所述四極質(zhì)量塊的質(zhì)心，并穿過兩個扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部。所述多個銷可以通過擴散粘結(jié)而連接至所述四極質(zhì)量塊并且連接至所述殼體。所述扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部對于所述四極質(zhì)量塊繞所述轉(zhuǎn)動軸線的旋轉(zhuǎn)運動可以是撓性的，但是對于所述四極質(zhì)量塊在所有其它的轉(zhuǎn)動和平動方向上的運動基本是較為剛性的。所述四極質(zhì)量塊的一個側(cè)面上的扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部可以與所述四極質(zhì)量塊的另一側(cè)面上的扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部是相同。選擇性地，所述四極質(zhì)量塊的一個側(cè)面上的所述扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部，可以在形狀或尺寸上與所述四極質(zhì)量塊的另一側(cè)面上的扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部具有至少一個差異。所述撓曲部分之間在形狀或尺寸上的一個或多個差異，可以使得產(chǎn)生了對于所述響應(yīng)器的非等彈性響應(yīng)。每個扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部可以具有正方形的橫截面。選擇性地，每個扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部可以具有圓形的橫截面。選擇性地，每個扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部可以具有正八邊形的橫截面。所述扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部可以提供繞所述軸線的組合的扭轉(zhuǎn)剛度，其產(chǎn)生了對于所述四極質(zhì)量塊相對于所述殼體而繞所述軸線的轉(zhuǎn)動運動的所需的諧振頻率。所述殼體可以包括多個側(cè)部面(side faces)，并且所述多個銷可以正交于所述多個側(cè)部面而定位。所述多個銷可以分別安裝在第一側(cè)板和第二側(cè)板當中，并且所述第一側(cè)板和第二側(cè)板緊固至所述殼體。所述殼體和所述四極質(zhì)量塊可以由鈮制成，并且所述多個銷至少由鈮和鈦合金的其中之一制成。所述多個銷可以將四極質(zhì)量塊的每個側(cè)面連接至所述殼體，而沒有利用任何機械接頭。
所述殼體可以限定了容納所述四極質(zhì)量塊的容積，并且該容積可以具有與所述四極質(zhì)量塊大致相同的形狀。所述容積可以在所述四極質(zhì)量塊和所述殼體之間限定有間隙。 所述多個銷可以適于允許所述四極質(zhì)量塊在該間隙當中圍繞所述軸線進行轉(zhuǎn)動。所述的四極響應(yīng)器還可以包括安裝在所述殼體當中的至少一個傳感器，該傳感器被配置成檢測所述四極質(zhì)量塊和所述殼體之間的距離變化。該至少一個傳感器安裝在緊鄰所述間隙的凹穴 (pocket)當中。所述扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部可以為所述四極質(zhì)量塊繞所述軸線的轉(zhuǎn)動提供第一諧振頻率，并為所述四極質(zhì)量塊的其它轉(zhuǎn)動和平動模下的運動提供額外的諧振頻率。該第一諧振頻率可以低于所述額外的諧振頻率。所述多個銷可以由桿形成，并且所述扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部可以在所述桿當中包括被移除材料的區(qū)域。所述桿可以延伸穿過所述四極質(zhì)量塊，并且該桿在其端部和所述扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部的外側(cè)包括第一凸起和第二凸起。該第一凸起和第二凸起可以固定至所述殼體。在另一個方面當中，所公開的內(nèi)容提供了一種對具有低信噪比的重力梯度信號進行檢測的方法，包括(a)選擇OQR重力梯度儀，該OQR重力梯度儀具有一對四極質(zhì)量塊，該一對四極質(zhì)量塊具有共線的并穿過每個四極質(zhì)量塊的質(zhì)心的多個轉(zhuǎn)動軸線，所述軸線為公共軸線，(b)為每個四極質(zhì)量塊至少提供一對扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部，在每個四極質(zhì)量塊的每個側(cè)面提供一個，所述扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部是共線的并且將所述四極質(zhì)量塊的每個側(cè)面連接至所述殼體。所述方法還可以包括選擇所述扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部的參數(shù)，以使得所述扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部提供了繞所述公共軸線的組合的扭轉(zhuǎn)剛度，其導致了所述四極質(zhì)量塊相對于所述殼體而繞所述公共軸線的轉(zhuǎn)動運動的所需的諧振頻率?？梢詫λ雠まD(zhuǎn)彈簧撓曲部的參數(shù)進行選擇，從而為所述一對四極質(zhì)量塊圍繞所述軸線的轉(zhuǎn)動提供第一諧振頻率，并為所述四極質(zhì)量塊的其它轉(zhuǎn)動和平動模下的運動提供了額外的諧振頻率。該第一諧振頻率可以低于所述額外的諧振頻率。所述扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部可以通過多個銷來提供，所述多個銷通過擴散粘結(jié)而固定連接至所述四極質(zhì)量塊并且連接至所述殼體。所述扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部可以通過多個銷來提供，所述多個銷將每個四極質(zhì)量塊的每個側(cè)面連接至所述殼體。步驟(b)可以包括通過擴散粘結(jié)而將所述多個銷固定至所述四極質(zhì)量塊并且固定至所述殼體。


在具體實施方式
部分中引用了附圖，在附圖中圖1是傳統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)中的OQR類型的重力梯度儀的四極質(zhì)量塊、殼體和撓曲部的簡圖；圖2是根據(jù)本申請的四極響應(yīng)器的第一實施例的側(cè)視圖；圖3是沿著圖2中的A-A線截取的截面圖；圖3A是用于圖2和圖3的四極響應(yīng)器的銷的側(cè)視圖，該銷由單一桿加工而成并且為單一桿零件；
圖4是四極響應(yīng)器的另一實施例的側(cè)視分解圖；圖5是圖4中的四極質(zhì)量塊、銷和殼體下部的側(cè)視圖；圖6是對用于圖4和圖5的四極響應(yīng)器的扭轉(zhuǎn)撓曲銷進行端部固定 (encastering)的替代方法的放大側(cè)視圖；圖7是顯示制造圖4中的四極響應(yīng)器的另一個方法的側(cè)視圖；圖8是圖7中的四極響應(yīng)器的局部分解端視圖；圖9A是用來形成四極響應(yīng)器的初始的單體件的立體圖，其帶有坐標系的示意圖， 該坐標系用來描述顯示在以下附圖中所顯示的四極響應(yīng)器；圖9B是用于四極響應(yīng)器的平衡梁和多個扭轉(zhuǎn)銷之一的立體圖，該四極響應(yīng)器是從圖9A中的單體件雕刻出來的；圖IOA是圖9A中的單體件的立體圖，其顯示了在該單體件上所執(zhí)行的加工操作；圖IOB是用于圖IOA中的四極響應(yīng)器的平衡梁的立體圖；圖IlA是圖IOA中的單體件的立體圖，其顯示了在該單體件上所執(zhí)行的加工操作；圖IlB是用于圖IlA中的四極響應(yīng)器的平衡梁的立體圖；圖12A是圖IlA中的單體件的立體圖，其顯示了在該單體件上所執(zhí)行的額外的加工操作；圖12B是圖12A中的四極響應(yīng)器的平衡梁的立體圖；圖13A是圖10AU1A和12A中的單體件的立體圖，其顯示了在該單體件上所執(zhí)行的進一步的加工操作；圖13B是由圖13A中的單體件中所形成的平衡梁的立體圖；圖14A是顯示了形成在圖13B中的殼體當中的凹穴的立體圖；圖14B是顯示了用于圖14A的平衡梁的間隙傳感器的位置的立體圖；圖15A是用于在圖1中所示的那種現(xiàn)有技術(shù)的四極響應(yīng)器的撓曲部區(qū)域的放大圖；以及圖15B是圖15A中所示的撓曲部區(qū)域的放大圖，并顯示了加速度效應(yīng)。
具體實施例方式首先參考圖1，其圖示性地顯示了現(xiàn)有技術(shù)中的四極響應(yīng)器8(如French等人的美國專禾Ij No. 7，360，419和已公開的美國專利申請No. US2006/0207326A1中所示的那樣) 的側(cè)視圖。它基本上是二維的厚板，其包括殼體10、四極質(zhì)量塊12 (平衡梁)和腹板撓曲部14，該腹板撓曲部14將四極質(zhì)量塊12聯(lián)結(jié)至殼體10。通過在四極響應(yīng)器12整個周圍 (除了留作形成撓曲部14的薄的腹板材料之外)放電加工(EDM)出間隙16，整個組件能夠從一個厚板中便利地切割出來。當響應(yīng)于變化的重力梯度，四極質(zhì)量塊或者平衡梁12在間隙16當中繞轉(zhuǎn)動軸線19輕微轉(zhuǎn)動的時候，位于凹穴18當中的傳感器檢測到了該運動，該凹穴18也是從最初的厚板中切割出來的。每個傳感器所定位的位置，使得當平衡梁繞撓曲部軸線19轉(zhuǎn)動的時候，該傳感器和平衡梁的表面之間的距離(該距離是間隙的寬度)發(fā)生改變。對傳感器進行選擇，使得傳感器產(chǎn)生的輸出隨著該間隙距離改變而發(fā)生變化，從而測量出平衡梁相對于殼體的轉(zhuǎn)動角度。盡管就原理而言，只有一個這種傳感器就能足以進行該測量，但是可以采用額外的多個傳感器來產(chǎn)生多種好處，例如減少對熱膨脹的敏感度或者減少對平衡梁在其它方向上的運動的敏感度，并且(在使用超導材料的平衡梁和感應(yīng)線圈傳感器的情況下)允許對平衡梁關(guān)于撓曲部軸線19的諧振頻率進行調(diào)諧，并且它的轉(zhuǎn)動運動被“以電的方式”從OQR重力梯度儀中的另一個四極響應(yīng)器中扣除，從而如美國專利申請No. US2006/0207326A1中所描述的那樣，以最大的敏感度和穩(wěn)定性來測量差模運動。圖 1中顯示了這樣的多個傳感器凹穴(在本實例中為八個)。對四極質(zhì)量塊的形狀進行設(shè)計，以使得它的質(zhì)心盡可能地靠近轉(zhuǎn)動軸線19，該轉(zhuǎn)動軸線19由腹板撓曲部14的中心進行限定。兩個這樣的四極響應(yīng)器組件互相地正交排列， 并且它們的轉(zhuǎn)動軸線共線，這形成了正交的四極響應(yīng)器形式的重力梯度儀，或者OQR(該重力梯度儀也在French等人的上述專利中進行了顯示)。接下來參考圖2和圖3，其顯示了根據(jù)本申請的四極響應(yīng)器20的第一實施例。與現(xiàn)有技術(shù)中的一樣，四極響應(yīng)器20包括由殼體M包圍的平衡梁或四極質(zhì)量塊22，其具有能夠在間隙沈中輕微轉(zhuǎn)動的能力。然而，平衡梁22并不是通過腹板而是通過兩個耳軸銷觀(圖2和圖幻而連接至殼體24，該耳軸銷28安裝在側(cè)板30當中，側(cè)板30通過螺栓32 緊固至殼體對。正如在本文中所使用的那樣，術(shù)語“銷”包括可以將平衡梁22連接至殼體 M的任何結(jié)構(gòu)，并且它包括可以充當扭轉(zhuǎn)彈簧(也稱為扭轉(zhuǎn)撓曲部、撓曲部區(qū)域、或者扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部)的至少一部分。也就是說，所述銷提供了扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部。在本實施例當中， 銷28通過側(cè)板30間接地將平衡梁22連接至殼體M。然而，在替代的實施例當中，銷28可以將平衡梁22直接連接至殼體24。此外，在本實施例當中，每個銷觀僅有一部分充當扭轉(zhuǎn)彈簧。具體而言，將平衡梁22和側(cè)板30之間的間隙進行橋接的多個銷觀的部分四充當扭轉(zhuǎn)彈簧。由兩個銷觀的中心線限定的轉(zhuǎn)動軸線34位于——優(yōu)選地是精確地位于——穿過四極質(zhì)量塊22的質(zhì)心的位置上，并且位于與殼體M的側(cè)部面35的平面進行正交的位置上，從而兩個這樣的組件能夠便利地進行組裝，其中它們的軸線精確地對準成與互相90° 定向的四極質(zhì)量塊22的長軸線共線，從而形成完整的OQR類型的梯度儀。在圖2和圖3當中，多個側(cè)板30被繪制成正好對靠近多個銷觀的區(qū)域進行橋接， 但是顯而易見的是，它們能夠被放大，從而當組裝完成的時候，它們既用來對銷觀進行定位又充當抗剪腹板(shear webs)，所述抗剪腹板為整個殼體M提供了額外的剛度。為了進行組裝，通過在所述梁和殼體之間保留橋部，所述平衡梁22可以精確地定位在殼體M當中，該橋部在制造過程結(jié)束時被去除?？蛇x擇地，可以利用臨時組裝薄墊片和夾具(圖中未示)。在進行鉆孔和插入銷之前將側(cè)板30緊固到位，以使得能夠在側(cè)板30 當中鉆出的孔36和平衡梁當中鉆出的孔38之間獲得精確的對準。孔的直徑使得當銷觀受迫穿過側(cè)板當中的孔36并進入到平衡梁當中的孔38內(nèi)而到位的時候，獲得了強迫配合 (forced fit)?？蛇x擇地，為避免強迫配合的要求，所述銷可以由長的、大直徑的桿300(圖3A)形成，通過對該桿進行加工(例如使用車床)來將該桿的兩個部分中的材料進行移除，以形成兩個扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部(圖3A中示出的標號302處)，從而扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部的中心線304與桿的中心線306共線，并且從而兩個扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部302互相分開預(yù)期的距離。作為例子， 圖3A顯示了直徑為0. 2英寸的這種桿300，其中加工有直徑為0. 016英寸長度為0. 010英寸兩個扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部302，伴隨有兩個中間直徑的凸起308，該凸起308恰好在扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部302的外側(cè)而由桿300加工而成。在該實施例當中，每個銷的整個部分包括扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部，并且所述銷和扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部都通過對平衡梁22和側(cè)板30之間的縫隙進行橋接的區(qū)域來進行限定。為了容置該選擇性實施例的桿300和銷302，可以在平衡梁22的整個厚度上形成有鉆孔(圖中未示)。通過對平衡梁和殼體組件進行加熱和/或?qū)︿N部件(加工之后的桿300)進行冷卻以通過熱膨脹/收縮而獲得足夠的間隙，能夠?qū)N插入到圖3中的平衡梁22和殼體M當中。緊接著，可以將桿300依次插入到三個孔(平衡梁22當中具有一個孔，并且殼體M的每一側(cè)上具有一個孔)的每一個孔當中，并且將桿300保持到位一定時間，直到多個部分達到同一溫度。作為例子，銷部件由直徑為0. 2英寸的鈦合金桿制成，該銷部件可以被冷卻至-196°C，并且鈮材料的殼體和平衡梁被加熱到300°C，從而在桿和用于插入的孔之間產(chǎn)生0. 0005英寸的間隙，其導致了當所有部分都返回到同一溫度的時候，產(chǎn)生了 0. 00025英寸的干涉配合。典型地，重力梯度儀可以要求四極響應(yīng)器的平衡梁相對于所述殼體進行可重復性地轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)角為大約10_12弧度，這等價于響應(yīng)于重力梯度的IE的變化，傳感器(位于圖1 中的其中一個凹穴18當中)表面和平衡梁的鄰近表面之間的間隙尺寸產(chǎn)生了 ΙΟ—1、的可重復性改變。通過多部件組件來獲得這種量級的可重復性十分困難。這是因為在組件的接頭處由于應(yīng)力解除而產(chǎn)生的磁滯效應(yīng)和蠕變效應(yīng)能夠引起尺寸改變，該尺寸改變對應(yīng)于大得無法接受的儀器測量漂移，特別是在移動使用的情況下受到無法避免的振動的時候尤其如此。為了避免這個問題，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果組件中的配對表面被正確制備并且處在足夠的壓縮下的話(例如通過銷觀在側(cè)板30和平衡梁22當中的強迫配合而進行提供，或者通過上述的干涉配合進行提供)，整個組件接著在真空中承受適宜的高溫，例如1100°C，就會發(fā)生退火和擴散粘結(jié)的組合，從而整個組件有效地變成消除了應(yīng)力的單體件實體。這可以涉及多步驟的工藝。以下兩個表格中顯示了示例性的尺寸和由此導致的動態(tài)和靜態(tài)特性。所表示的公式利用了簡支梁理論(simple beam theory)以一級近似(first approximation)的方式來估算撓曲部在各種轉(zhuǎn)動和平動方向上的剛度。盡管需要對扭轉(zhuǎn)銷的短高度的效應(yīng)進行更加詳細的分析(例如使用有限元模型(finite element modeling))，以便為此確定更高精度的估值，但是這些簡支梁理論的估值足以確認這種設(shè)計方法在所有方向產(chǎn)生了足夠的剛度，而在平衡梁繞撓曲部軸線進行明顯的大角度轉(zhuǎn)動的時候不會承受過大的應(yīng)力。表 權(quán)利要求
1.一種用于OQR類型的重力梯度儀的四極響應(yīng)器，包括(a)殼體；(b)位于所述殼體內(nèi)的四極質(zhì)量塊，所述四極質(zhì)量塊具有一對側(cè)面，還具有位于所述側(cè)面之間的質(zhì)心；(c)至少兩個扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部，所述扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部由將所述四極質(zhì)量塊的所述側(cè)面連接至殼體多個銷提供，所述扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部一起提供了轉(zhuǎn)動軸線，該轉(zhuǎn)動軸線穿過所述四極質(zhì)量塊的質(zhì)心，并穿過兩個扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部。
2.如權(quán)利要求1所述的四極響應(yīng)器，其中所述銷通過擴散粘結(jié)而連接至所述四極質(zhì)量塊并且連接至所述殼體。
3.如權(quán)利要求1所述的四極響應(yīng)器，其中所述扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部對于所述四極質(zhì)量塊圍繞所述轉(zhuǎn)動軸線的旋轉(zhuǎn)運動是撓性的，但對于所述四極質(zhì)量塊在所有其它轉(zhuǎn)動和平動方向上的運動基本是較為剛性的。
4.如權(quán)利要求1所述的四極響應(yīng)器，其中所述四極質(zhì)量塊的一個側(cè)面上的扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部與所述四極質(zhì)量塊的另一側(cè)面上的扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部是相同的。
5.如權(quán)利要求1所述的四極響應(yīng)器，其中所述四極質(zhì)量塊的一個側(cè)面上的扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部與所述四極質(zhì)量塊的另一側(cè)面上的扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部在形狀或尺寸上至少具有一個差已
6.如權(quán)利要求1所述的四極響應(yīng)器，其中每個扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部具有正方形橫截面。
7.如權(quán)利要求1所述的四極響應(yīng)器，其中每個扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部具有圓形橫截面。
8.如權(quán)利要求1所述的四極響應(yīng)器，其中每個扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部具有正八邊形的橫截
9.如權(quán)利要求5所述的四極響應(yīng)器，其中在形狀或尺寸上的所述至少一個差異使得產(chǎn)生了對于所述響應(yīng)器的非等彈性響應(yīng)。
10.如權(quán)利要求1所述的四極響應(yīng)器，其中所述扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部提供了繞所述軸線的組合的扭轉(zhuǎn)剛度，其導致了所述四極質(zhì)量塊相對于所述殼體而繞所述軸的旋轉(zhuǎn)運動的所期望的諧振頻率。
11.如權(quán)利要求1所述的四極響應(yīng)器，其中所述殼體包括多個側(cè)部面，并且所述多個銷正交于所述多個側(cè)部面而進行定位。
12.如權(quán)利要求1所述的四極響應(yīng)器，其中所述多個銷分別安裝在第一側(cè)板和第二側(cè)板當中，并且所述第一側(cè)板和第二側(cè)板緊固至所述殼體。
13.如權(quán)利要求1所述的四極響應(yīng)器，其中所述殼體和所述四極質(zhì)量塊由鈮制成，并且所述多個銷至少由鈮和鈦合金的其中之一制成。
14.如權(quán)利要求1所述的四極響應(yīng)器，其中所述多個銷將所述四極質(zhì)量塊的每個側(cè)面連接至所述殼體，而沒有利用任何機械接頭。
15.如權(quán)利要求1所述的四極響應(yīng)器，其中所述殼體限定了容納所述四極質(zhì)量塊的容積，并且該容積具有與所述四極質(zhì)量塊基本相同的形狀。
16.如權(quán)利要求15所述的四極響應(yīng)器，其中所述容積在所述四極質(zhì)量塊和所述殼體之間限定了間隙。
17.如權(quán)利要求16所述的四極響應(yīng)器，其中所述多個銷適于允許所述四極質(zhì)量塊在所述間隙當中圍繞所述軸線進行轉(zhuǎn)動。
18.如權(quán)利要求17所述的四極響應(yīng)器，還包括安裝在所述殼體當中的至少一個傳感器，該傳感器被配置成檢測所述四極質(zhì)量塊和所述殼體之間的距離變化。
19.如權(quán)利要求18所述的四極響應(yīng)器，其中所述至少一個傳感器安裝在緊鄰所述間隙的凹穴當中。
20.如權(quán)利要求1所述的四極響應(yīng)器，其中所述扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部為所述四極質(zhì)量塊繞所述軸線的轉(zhuǎn)動提供了第一諧振頻率，并為所述四極質(zhì)量塊的其它轉(zhuǎn)動和平動模的運動提供了額外的諧振頻率，所述第一諧振頻率低于所述額外的諧振頻率。
21.如權(quán)利要求1所述的四極響應(yīng)器，其中所述多個銷由桿形成，并且所述扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部包括所述桿中材料被移除的區(qū)域。
22.如權(quán)利要求21所述的四極響應(yīng)器，其中所述桿延伸穿過所述四極質(zhì)量塊，并且該桿在其端部和所述扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部的外側(cè)包括第一凸起和第二凸起，其中所述第一凸起和第二凸起固定至所述殼體。
23.一種對具有低噪比的重力梯度信號進行檢測的方法，包括(a)選擇OQR重力梯度儀，該OQR重力梯度儀具有一對四極質(zhì)量塊，所述一對四極質(zhì)量塊具有多個轉(zhuǎn)動軸線，所述多個轉(zhuǎn)動軸線是共線的并穿過每個四極質(zhì)量塊的質(zhì)心，所述軸線為公共軸線，以及(b)為每個四極質(zhì)量塊至少提供一對扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部，每個四極質(zhì)量塊的每個側(cè)面提供一個，所述扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部是共線的并且將所述四極質(zhì)量塊的每個側(cè)面連接至所述殼體。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，還包括選擇所述扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部的參數(shù)，以使得所述扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部提供了繞所述公共軸線的組合的扭轉(zhuǎn)剛度，其導致了所述一對四極質(zhì)量塊相對于所述殼體而繞所述公共軸線的旋轉(zhuǎn)運動的所期望的諧振頻率。
25.如權(quán)利要求M所述的方法，其中對所述扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部的參數(shù)進行選擇，從而為所述一對四極質(zhì)量塊對繞所述軸線的轉(zhuǎn)動提供了第一諧振頻率，并為所述四極質(zhì)量塊的其它轉(zhuǎn)動和平動模的運動提供了額外的諧振頻率，所述第一諧振頻率低于所述額外的諧振頻率。
26.如權(quán)利要求23所述的方法，其中所述扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部通過多個銷進行提供，該多個銷通過擴散粘結(jié)而固定連接至所述四極質(zhì)量塊并且固定連接至所述殼體。
27.如權(quán)利要求23所述的方法，其中所述扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部通過多個銷進行提供，該多個銷將每個四極質(zhì)量塊的每個側(cè)面連接至所述殼體。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中所述步驟(b)包括通過擴散粘結(jié)而將所述多個銷固定至所述四極質(zhì)量塊并且固定至所述殼體。
全文摘要
一種用于OQR類型的重力梯度儀的四極響應(yīng)器，包括殼體和位于該殼體內(nèi)的四極質(zhì)量塊。該四極質(zhì)量塊具有一對側(cè)面，還具有位于所述側(cè)面之間的質(zhì)心。所述四極響應(yīng)器還包括至少兩個扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部。該扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部通過多個銷進行提供，該多個銷將所述四極質(zhì)量塊的每個側(cè)面連接至所述殼體。所述扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部提供了轉(zhuǎn)動軸線，該轉(zhuǎn)動軸線穿過所述四極質(zhì)量塊的質(zhì)心，并穿過兩個扭轉(zhuǎn)彈簧撓曲部。
文檔編號G01V7/00GK102227651SQ200980147536
公開日2011年10月26日 申請日期2009年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月24日
發(fā)明者M·V·穆迪 申請人:M·V·穆迪