重力儀

重力儀是測量重力加速度的儀器，一般分為絕對重力儀和相對重力儀。前者用於絕對重力測量，直接測量重力加速度值，後者測量重力加速度的相對值(重力異常)，主要用於重力勘探。重力儀通常指相對重力儀。其基本原理是彈性體在重力作用下發生形變，彈性體的彈性力與重力平衡時，彈性體處於某一平衡位置。當重力變化時彈性體的平衡位置則改變，觀測兩次平衡位置的改變量，即可測定兩點的重力差。廣泛使用金屬彈簧重力儀和石英彈簧重力儀 ^[1]  。

根據測量的物理量的不同， 重力測量分為動力法和靜力法兩大類， 動力法觀測的是物體的運動狀態 （時間與路徑），用以測定重力的全值， 即絕對重力值 （早期的擺儀也可用於相對測量） ；靜力法則是觀測物體在重力作用下靜力平衡位置的變化。 以測量兩點間的重力差， 稱相對重力測定， 重力儀是一種精密、 貴重的儀器。

絕對重力儀是一台由光學系統、機械系統、真空系統、電子測量與控制系統及計算機構成的高精度自動化測量設備。測量結果的不確定度可達3×10m/s。適用於在全球範圍建立重力基準點，測定該點的絕對重力值。為全球的大地測量和地球物理應用提供基本物理參數。

從16世紀末世界上第一次進行絕對重力測定，隨着科學技術的進步，重力測量的方法和儀器有了很大的發展，但其基本原理仍然是振擺和自由落體兩種，而現代絕對重力儀均採用第二種原理。絕大多數儀器都是用一個由立體直角稜鏡構成的落體，在高真空室內自由下落。以高穩定的碘飽和吸收激光為光源，用光干涉的方法測量落體下落距離。同時用精確度優於

的原子頻標為時基測量落體的下落時間。計算機將同時採集到的干涉條紋數及時標脈衝數進行處理，獲得單次下落的測量結果。在計算機的控制下，每小時可自動進行上百次到上千次測量，經數據處理後，獲得被測點的絕對重力值。

中國計量科學研究院，自1965年開始並於1975年完成中國固定式絕對重力儀研製。儀器採用了獨特的符合法技術方案，已被國際同行公認為世界上3種不同的技術方案之一。利用此儀器建立了北京計1號絕對重力點，並在中國人民解放軍總參謀部測繪局協助下，與1957年建立的我國波茨坦重力系統網的北京西郊機場基本重力點進行了聯測，確定我國的57重力網的系統誤差，為57重力網改值提供了科學數據。中國計量科學研究院研製的NIM1型及NIM2型可移式絕對重力儀於1980年、1985年、1989年前後三次參加了在法國巴黎國際計量局舉行的國際絕對重力儀比對，比對結果均達到國際先進水平，被納入國際重力原點的平差數據中，為建立國際重力原點做出貢獻。此外，在國內完成了大面積的絕對重力觀測，建立了一條哈爾濱—北京—昆明的重力長基線及北京東靈山重力短基線，為我國的相對重力儀的校準及其數據的統一提供了基礎。1987年NIM2型可移式絕對重力儀在哈爾濱觀測時首次發現 “國家85重力網”的一些控制點上存在不能忽視的偏差，這個發現被1987年後來華測量的外國絕對重力儀所證實。NIM1型可移式絕對重力儀和NIM2型高精度小型可移式絕對重力儀二項成果於1985年及1990年分別獲得國家科技進步三等獎和國家科技進步二等獎。於1995年和1996年，NIM2型高精度可移式絕對重力儀分別為馬來西亞、新加坡、文萊、韓國共建立了10個絕對重力基點。

絕對重力測量的簡單原理是利用自由落體的運動規律， 在固定或移動點上測量時有單程下落和上拋下落兩種行程， 自由落體為一光學稜鏡， 利用穩定的氦氨激光束的波長作為邁克爾遜 （michelson ）干涉儀的光學尺， 直接測量空間距離：時間標準是採用高穩定的石英振盪器與天文台原子頻率指標對比。 觀測時，仍然還有許多幹擾因素影響重力值的精度測定， 如大地脈動、 真空度、 落體下落偏擺等等，因此必須加以分析、控制和校正。

相對重力儀，簡稱重力儀，用於重力勘探工作中的重力儀， 都是相對重力測量儀器， 即只能測出某兩點之間的重力差， 由於重力差比重力全值小几個數量級以上， 因而要使用測量值達±（1~0.0n）g.u.精度，其相對精度就比絕對重力儀小得多了，這樣使儀器輕便，小型化就較為實現， 但即便如此，為能正確反映重力極微小的變化， 在儀器設計、材料選取、各種干擾的消除等方面仍非易事。

我國首次使用重力儀是30年代由顧功敍從美國帶回的一台Worden重力儀。50年代以來，從國外陸續引進了一些低精度石英重力儀開展重力勘探工作。

第二個五年計劃前後，石油部西安儀器廠開始試製金屬彈簧重力儀和石英彈簧重力儀。1959年，北京地質學院地球物理探礦系成立高精度重力儀研製小組，進行重力儀原理和結構的研究和試驗。地質部北京地質儀器廠也同期成立試製小組，開展石英彈簧重力儀的研製，從1967年投產ZS-67型重力儀起，歷經20年的研究、攻關，陸續生產了ZSM-3型、ZSM-4型和ZSM-5型等系列產品，至80年代末共生產石英彈簧重力儀達1000台。儀器性能達到同類型重力儀的國際先進水平。

鑑於重力場強度變化值很小，一般僅10量級，為使重力儀的分辨率優於10_-8，除完成儀器原理和結構設計外，還需要解決精密機械加工、抗干擾及穩定性等工藝範疇的問題：

①超高精度測微螺絲付和導向裝置的設計和加工，其精度要求優於±1μm。北京地質儀廠送檢的重力測微螺絲付經中國計量科學院檢測，精度優於±1μm。

②外界温度變化是重力讀數的最大幹擾因素。對於石英彈簧重力儀來説，温度變化1℃，影響讀數竟達到精度要求的1190倍。經拓寬温度全補償範圍，提高温度補償的重複性和穩定性後，儀器温度係數大大減小，從而僅採用性能良好的保温瓶隔熱，就能基本上消除外界温度對重力儀讀數的影響。

③為保證重力儀格值穩定，不受温度變化的影響，需要採用恆温措施，在温度補償的基礎上研製節能型分段式直接恆温系統，開發生產了ZSM-5型重力儀。重力儀分段式直接恆温系統在節能和恆温效果方面達到國際領先水平，並獲國家實用新型發明專利。

④儀器穩定性研究完成了零點漂移及其突變因素的分析和改進措施、重力儀狀態變化對儀器讀數的影響等研究，大大提高了重力儀的穩定性。

另外，還研製了水下重力儀和珠峯型大測程重力儀，以滿足不同的需要。

相對重力儀的基本原理是彈性體在重力作用下發生形變，彈性體的彈性力與重力平衡時，彈性體處於某一平衡位置。當重力變化時彈性體的平衡位置則改變，觀測兩次平衡位置的改變量，即可測定兩點的重力差。廣泛使用金屬彈簧重力儀和石英彈簧重力儀。

一個恆定的質量 m 在重力場內的重量隨 g 的變化而變化，如果用另一種力（彈力， 電磁力等） 來平衡這中重量或重力矩的變化， 則通過對物體平衡狀態的觀測，就有可能測量出兩點間的重力差值， 按物體受重力變化而產生位移方式的不同，重力儀可分為平移（或線位移）式或旋轉（或角位移）式兩大類。日常生活中使用的彈簧稱從原理上説就是一種平移式重力儀 ^[2]  。