重力儀

　　測定重力加速度的儀器。重力儀的種類很多，按應用範圍可分為陸地重力儀、海洋重力儀、井中重力儀和航空重力儀。按儀器的測量方式分為測定兩點的重力加速度差值的相對重力儀和測定任一點重力加速度絕對值的絕對重力儀。重力儀廣泛應用於地球重力場的測量、固體潮觀測、地殼形變觀測，以及重力勘探等項工作中。

　　絕對重力儀　工作原理有兩種：

　　①自由下落原理。設一物體在真空中自由下落，運動過程中時間和行程的關系如圖1所示。落體的重心在t₁、t₂和t₃時刻所在的空間位置分別為x₁、x₂和x₃。若以T₂=t₃－t₁和T₁=t₂－t₁表示兩個時間間隔，以S₂=x₃－x₁和S₁=x₂－x₁表示相應的兩段在垂線方向上的距離，則可用下列公式求得絕對重力值：

距離 S ₂和 S ₁可用穩定的激光波長測定，時間間隔 T ₂和 T ₁用高精度的頻標信號測定。測量中還必須對各種影響測量精度的幹擾因素進行計算和檢測，然後對它們進行改正，才能獲得最後測量結果。

圖1　自由下落原理

　　②對稱自由運動原理。設一物體在真空中被垂直上拋，到達頂點D後，沿上升軌道垂直下落，運動過程中的時間和高度關系如圖2所示。H₁和H₂分別為兩個在垂線方向上的預定位置。物體的重心在上升階段通過這兩個位置的時刻分別為t₁和t₂，在下落階段通過H₂和H₁兩位置的時刻分別為t₃和t₄。若以T₂=t₄－t₁，T₁=t₃－t₂表示兩個時間間隔，以H₀代表空間兩位置之間的距離，則可用下列公式求得絕對重力值：

距離和時間間隔的測定方法類似於自由下落原理的測量方法。

圖2　對稱自由運動原理

　　20世紀60年代，美國的J.法勒和J.哈蒙德首先直接應用激光幹涉儀器測量絕對重力值。隨後日本、意大利、蘇聯、法國等國傢先後研制成功這類激光絕對重力儀。中國於1980年按自由下落原理也試制成功激光絕對重力儀，其測量精度在±16微伽左右。

　　相對重力儀　可分為靜重力儀(又稱穩定型重力儀)和助動型重力儀（又稱不穩定型重力儀）。

　　靜重力儀　工作原理類似於一個機械彈簧秤(圖3)。當作用在重錘上的重力g變化Δg時，彈簧的長度隨之變化Δl，這時重錘也位移Δl的距離。在兩個測點上重力的作用下，重錘的靜力平衡方程分別為：

mg= kl m( g+Δ g)= k( l+Δ l)

式中m為重錘質量，k為彈簧的彈性系數，由此即得：

由此可見，隻要已知 ＝ C，並測出重錘位移Δ l，則可求得兩點的重力差Δ g。 C稱為重力儀格值，它可以通過實驗方法或在已知重力差的兩點上作對比觀測來確定。

圖3　靜重力儀原理

　　通常靜重力儀的彈性系統是由一根兩端固定的水平金屬扭轉彈簧，在其中部焊接一根金屬擺桿，擺桿末端的重錘上懸掛一根測量彈簧組成。當作用在重錘上的重力發生變化時，可以伸縮測量彈簧，使擺桿保持原來的靜平衡位置。這樣通過測量彈簧的伸縮量來測定重力的變化。靜重力儀的特點是重力變化同彈簧的伸縮量成線性關系。

　　單位重力引起彈簧的伸縮量或擺桿傾角變化量稱為重力儀的靈敏度。顯然，要提高重力的測量精度，必須提高重力儀的靈敏度。助動型重力儀即是按此要求設計的。

　　助動型重力儀　原理如圖4所示。作用在擺桿上的力矩除重力矩和彈性力矩外，還增加一個裝在支點上方的質塊m作用的力矩，當擺桿方向傾斜時，質塊m對支點的力矩增大，促使擺桿下傾更多，從而提高瞭重力儀的靈敏度。但這時擺桿的平衡狀態是非穩定的。中國制造的助動型重力儀曾用於珠穆朗瑪峰地區的重力測量（圖5）。其彈性系統的結構在於多瞭一個石英彈簧（又稱為助動彈簧）。起著圖4中質塊m的作用。這種重力儀所反映的重力變化同測量彈簧的伸縮量不成線性關系。

圖4　助動型重力儀原理

圖5　用中國制造的助動型重力儀在珠穆朗瑪峰地區（海拔6 500米處）進行重力測量

　　由於相對重力儀中的彈簧存在彈性疲勞現象，因而重力儀會產生零點漂移，即在重力不變的情況下，重力儀的讀數隨時間而變化。零點漂移嚴重影響重力儀的測量精度，而且通常隻能在觀測值中加以改正，不能完全消除。

　　為瞭克服相對重力儀的零點漂移，20世紀60年代末，美國試制成功超導重力儀。超導重力儀根據超導現象，在低溫情況下用超導鈮絲繞成兩組線圈，分別安裝在超導球周圍和下方，超導球是用鋁制成的空心小球，外表塗鉛。線圈接通電流後，立即切斷電源，線圈之間形成一個永久磁場。超導球由於抗磁性而懸浮在磁場中。當懸浮力同作用在小球上的重力平衡時，超導球靜止在一個位置上。在這種情況下，超導線圈的磁場相當於一根機械彈簧，超導小球相當於重錘。當重力發生變化時，超導球也隨之上下移動，且呈線性關系。超導球位移量可采用電容傳感器檢測，進而求出重力變化。由於超導電流的固有穩定性，致使超導重力儀的零點漂移極其微小。這種儀器現在隻能用於固定臺站的觀測。