引用本文
沈博, 袁尚武, 马玄龙, 郝晓菡. CG-5重力仪的漂移与寿命[J]. 物探与化探, 2015,39(2): 383-386.
SHEN Bo, YUAN Shang-Wu, MA Xuan-Long, HAO Xiao-Han. Zero drift of CG-5 gravimeter and its service lifetime[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2015,39(2): 383-386.
Doi:10.11720/wtyht.2015.2.29  
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CG-5重力仪的漂移与寿命
沈博1, 袁尚武2, 马玄龙3, 郝晓菡1
1.中国地质大学地球物理与空间信息学院,湖北 武汉 430074
2.河南省地质局第三地质矿产调查院,河南 信阳 464000
3.湖北省地质局地球物理勘探大队,湖北 武汉 430056

作者简介: 沈博(1962-)男,高级工程师,长期从事地球物理勘探教学和科研实践工作。

收稿日期: 2014-06-23
摘要

漂移及其线性度是重力仪最重要的性能指标,在很大程度上决定了其精度和寿命。对14台CG-5重力仪漂移数据的分析表明,多数仪器使用2年后的平均漂移率约在(0.7~1.7)×10-5 m/s2/d之间。以此为基础,结合厂家提供的相关数据,对CG-5重力仪的使用寿命进行了推测。得到北纬40°地区,仪器平均寿命约10年的结论。

关键词: CG-5重力仪; 漂移; 使用寿命; 仪器性能
中图分类号:P631.1 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2015)02-0383-04
Zero drift of CG-5 gravimeter and its service lifetime
SHEN Bo1, YUAN Shang-Wu2, MA Xuan-Long3, HAO Xiao-Han1
1. Institute of Geophysics and Geomatics, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China
2. Third Geological Survey Institute of Henan Geological Bureau, Xinyang 464000, China
3. Geophysical Exploration Party of Hubei Geological Bureau, Wuhan 430056, China
Abstract

The zero drift and its linearity are the most important performance indexes of gravimeter and also considerably dominate the instrumental accuracy and lifetime. Based on an analysis of drift data from 14 CG-5 gravimeters, the authors found that the average drift rates of the majority of instruments are between 0.7 and 1.7×10-5 m/s2/day in two years. On such a basis in combination with the related data provided by manufacturers, the service lifetimes of CG-5 gravimeters have been inferred in this paper. The normal mean operational lifetime seems to be about 10 years in the area of forty degrees north latitude.

Keyword: CG-5 gravimeter; drift; service lifetime; instrument performance

CG-5重力仪是加拿大Scintrex公司生产的一种全自动重力仪, 使用无静电熔凝石英弹簧, 其精度约± 5× 10-8m/s2, 读数分辨率± 1.0× 10-8 m/s2, 厂家提供的静态漂移率< 1× 10-5 m/s2/d, 测量范围8 000× 10-5 m/s2(全量程反馈), 具有自动读数功能, 可选择潮汐、倾斜、温度、滤波等修正项[1, 2]。CG-5重力仪以其优异的性能和良好的操作性, 在我国得到了广泛认可和使用, 目前国内拥有量已超过400台。

CG-5是在原CG-2重力仪基础上的升级产品。20世纪60年代~90年代初, CG-2、美国Worden及北京地质仪器厂ZSM重力仪, 曾作为主流重力仪, 在我国石油普查、固体矿勘查和1:20万区域重力调查中发挥重要作用。这些仪器后来被称为中精度重力仪, 精度在± 0.03× 10-5 m/s2, 直接测量范围(100~200)× 10-5 m/s2, 由测程弹簧调整分布范围, 多数仪器昼夜漂移量(1~2)× 10-5 m/s2。仅从漂移速率一个指标看, CG-5与CG-2等中精度石英弹簧重力仪基本没有差别。

CG-5的优势在于:①高精度恒温器的使用, 保证了仪器良好的漂移线性度; ②仪器内部基于软件的各项校正和自动读数等功能的实现; ③大容量、小体积锂电池的使用, 大幅延长了野外工作时间; ④无静电熔凝石英制成的传感系统, 减小了粘摆问题的发生概率。从而, 使CG-5重力仪具备了较高精度和使用上的巨大便利性。

但是, 目前对CG-5重力仪漂移规律的研究和系统阐述还很有限。重力仪的漂移特性, 在测量精度和仪器寿命的预期等方面, 都具有重要意义。而厂家提供的漂移参数、参考寿命则较粗略、偏乐观, 对仪器之间技术指标的显著差异没有给予必要的阐述, 这在一定程度上对使用者产生了误导。笔者基于多台CG-5重力仪数年来所积累的漂移数据, 分析阐述了该仪器主要漂移特征, 并结合有关数据, 对其使用寿命进行了推测。希望能对国内CG-5重力仪的引进和使用有所帮助[1]。

1 CG-5重力仪的漂移

2009年6月, 中国地震局地震研究所等单位, 在武汉及庐山基线场, 对10台出厂不久的CG-5重力仪进行了测试, 取得了各台仪器的静态、动态和混合漂移数据[3]。将该文给出的漂移率数据换算成10-5 m/s2/d单位, 列于表1。可见, CG-5重力仪在野外测量过程中, 静态、动态和混合漂移率之间基本没有差别, 仪器的漂移率处于(1.1~3.3)× 10-5 m/s2/d之间。其中522、525、527、530四台仪器的所在单位则称, 其静态漂移率约在0.5× 10-5 m/s2/d[4], 与表1的数据差异很大, 可以理解为出厂不久的静态漂移率与初次野外使用中动态漂移率的差别。

表1 CG-5重力仪工作中的漂移数据[3]

仪器性能测试结果的积累与研究是重力工作的基本任务之一。本单位的四台CG-5重力仪数年所积累的静态漂移率数据见图1。其中, 584仪器在使用1年半以后, 漂移率基本在前期最高值一半的上方趋于稳定; 2013年在野外使用中, 漂移率再次发生显著上升, 但峰值明显低于前期高点, 随后回落至自高点以来的最低漂移率值。与此相似, 表1中522、525、527、530四台仪器的漂移率在1年以后也出现明显下降[5]。

图1 四台CG-5重力仪漂移率曲线

图1中四台仪器的漂移特点归纳为:引进初期的静态漂移率均较低, 在其后的使用中都出现了大幅升高; 当较长时间不使用, 漂移率都逐渐降低, 并趋于稳定; 再次使用时, 漂移率再次出现明显上升; 随着时间推移, 漂移率的波动范围向低位逐渐收敛。

由图1可以看出, 这四台仪器在前期大幅波动后, 初步稳定的平均漂移率估计值。若将首次使用时记录的原始读数和最近的原始读数相比, 同样可以计算得到各仪器总的平均漂移率。将二者进行对比, 见表2。总的平均漂移率与初步稳定的平均漂移率估计值大体相当, 较客观地表示了仪器漂移的现状。各仪器的漂移率在最初约18个月里, 都经过了大幅度波动, 其后, 波动范围收窄并向下收敛, 指示了漂移的未来变化趋势。昼夜24 h漂移的线性度, 用线性回归后得到的漂移残差的振幅表示, 这是厂家和代理商推荐的方法。在采用55 s采样时间、排除明显干扰, 并进行固体潮校正之后, 四台仪器数年静态试验结果中, 残余振幅基本都在15× 10-8m/s2之内, 线性度良好。

表2 四台CG-5重力仪的平均漂移率[3]

与表2相比, 表1中给出的10台仪器漂移率明显较高, 这可以用初次野外使用时, 出现的漂移率极值来进行解释。不同仪器, 或因运输方式、工作环境及使用和维护条件等不同, 可以造成重力仪显著的漂移率差异。

根据表2中四台仪器的漂移率变化的大致规律, 利用初步稳定后的平均漂移率估计值与此前的最高漂移率进行对比, 平均比值为65%, 见表3。据此, 可以对表1中10台仪器初步稳定后的平均漂移率进行大致估算。计算表明, 14台CG-5重力仪中的12台, 初步稳定后的平均漂移率估计值处于(0.7~1.7)× 10-5 m/s2/d之间, 平均值为1.2× 10-5 m/s2/d(明显高于厂家指标)。仅524和916两台仪器, 在此区间之外, 漂移率估计值分别为(2.09、0.55)× 10-5 m/s2/d, 可大致视为CG-5重力仪初步稳定后的最高和最低漂移率。

表3 四台CG-5重力仪近期与最高漂移率比值[3]

不久前的调查表明, 这里得到的平均漂移率1.2× 10-5 m/s2/d, 与地震局反映这些仪器近期约50× 10-8 m/s2/h的平均漂移水平十分接近。同时也表明, 使用4~5年的仪器(包括图1中584仪器)的漂移率, 与2年左右初步稳定的漂移率差距并不十分明显。

2 CG-5重力仪的寿命

CG-5重力仪的测量范围, 取决于其静电反馈系统的工作区间, 厂家操作手册[1, 2]给出的全量程反馈区间为8 000× 10-5m/s2。根据1979年国际地球物理及大地测量联合会推荐的正常重力公式, 计算得到了不同纬度地区的正常重力值, 见图2。

图2 不同纬度地区的正常重力值

地球两极与赤道的正常重力值之差为5 185.9× 10-5 m/s2, 计算得到, 在保证完全覆盖地表正常重力值的基础上, CG-5重力仪总的测程余量约为2 800× 10-5 m/s2。为了保证仪器在赤道附近高山区或负重力异常区的使用, 需要在低值区域也保有一定测程余量。CG-5重力仪的生产地是加拿大多伦多, 北纬43.7° , 仪器的初始读数在该地调整至4 200× 10-5 m/s2左右[1, 2]。由此可以算出, 低值区保有的测程余量为1 730× 10-5 m/s2, 这个余量是可以对最高海拔5 895 m的乞力马扎罗雪山区(赤道非洲最高峰)进行覆盖的。于是得到, CG-5重力仪在两极地区的测程余量约1 100× 10-5 m/s2, 在南北纬40° 度地区的测程余量约4 100× 10-5 m/s2。这意味着当仪器出厂后的累积漂移量达到4 100× 10-5 m/s2时, 在北京及以北的平原地区便已无法使用。因CG-5重力仪测量区间两端的反馈精度目前尚缺乏实验数据进行证实, 故北京地区4 100× 10-5 m/s2的测程余量只是理论上限, 实际可以保证仪器测量精度的漂移余量可能更小一些。

根据CG-5重力仪的测程余量及分布, 不同纬度地区正常重力值, 以及前面根据实际资料得到的仪器漂移率水平, 可以计算得到在不同纬度地区使用时, CG-5重力仪的正常使用年限, 见图3。图中绘出了三条曲线, 分别表示平均漂移率为(0.7、1.2、1.7)× 10-5 m/s2/d的重力仪, 随地理纬度变化的正常使用年限。

图3 不同纬度地区CG-5重力仪的正常使用年限

我国地域广袤, 北端是位于大兴安岭北麓的黑龙江漠河县, 最高纬度53.5° 。位于北纬40° 线(北京的纬度)以北的地区包括东北三省、内蒙古、新疆中北部及甘肃西北部等, 约占全国陆地面积30%, 都是我国重要的矿产资源赋存地。北京地区是我国国家重力网的重要枢纽, 是重力长基线的必经之地, 并在灵山建有国家级重力仪标定场。所以, 如果一台重力仪已经不能在北京使用, 那么, 就可以认为它在中国已经该报废了, 故本文将重力仪寿命定义在北纬40° 线。

图3给出, 平均漂移率为(0.7~1.7)× 10-5 m/s2/d的CG-5重力仪, 在北纬40° 地区的正常使用年限为6.7~16.2年。按其均值1.2× 10-5 m/s2/d计算, CG-5重力仪的平均使用寿命为9.4年。考虑到重力仪在其使用的后半期, 漂移率仍将进一步有所减小, 故CG-5重力仪在我国的实际平均使用寿命约10年。这里讨论的仪器寿命, 只考虑了仪器的漂移率和测量范围两个最重要的参数, 其他如石英系统的意外损坏、电子系统及元器件的老化和寿命等, 也是决定仪器使用年限的重要因素。要强调的是, 不同CG-5重力仪的漂移率和寿命相差极为悬殊, 一个比较极端的例子是湖北2010年引进的676仪器, 不到4年使用时间, 累计漂移量已经超过3 000× 10-5 m/s2/d, 平均漂移率超过2.0× 10-5 m/s2/d。

为了延长仪器使用寿命, 厂家可以提供更换更大反馈量程静电反馈系统的服务。但更换之后, 仪器的性能水平是否能够保证不明显下降还不清楚。本单位2012年引进的三台仪器与2009年进的584仪器相比, 仪器原始读数减小了约300× 10-5 m/s2, 应该是仪器在生产调试中, 有意减小了低值端测程余量的结果, 可使仪器寿命得到小幅延长。

3 结论

(1)CG-5重力仪在引进初期, 静态漂移率往往较低, 常见值0.5× 10-5 m/s2/d左右; 在首个野外使用工期中, 漂移率通常出现大幅度升高, 可达到(2~3)× 10-5 m/s2/d。

(2)静置数月后, 漂移率会逐渐降低, 再次使用时又将明显上升, 但不超过首次使用的漂移率高点; 2年后, 漂移率的波动范围开始收窄, 并向低位小幅收敛, 漂移率约降至(0.7~1.7)× 10-5 m/s2/d水平, 最大平均漂移率超过2.0× 10-5 m/s2/d。多数仪器漂移率明显大于厂家≤ 1.0× 10-5 m/s2/d的指标。

(3)在仅考虑仪器的漂移率和测量范围两个参数情况下, 按2年后较稳定的平均漂移率计算, CG-5重力仪在南北纬40° 地区的平均使用寿命约9.4年, 因仪器使用的后半期, 漂移率仍将有所减小, 故其实际平均寿命约10年, 最低寿命仅约6年。仅有极少数仪器也许可以达到代理商声称的15~20年寿命。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 曹金国, 王来鹏, 翟广卿, 等, CG-5重力仪及应用[M]. 北京: 解放军出版社, 2007. [本文引用:4]
[2] SCINTREX LIMITED. CG-5 Scintrex Autograv System OPERATION MANUAL V5. 0[内部资料]. 2009: 99-172. [本文引用:3]
[3] 邢乐林, 李辉, 夏正超, 等, CG-5重力仪零漂特性研究[J]. 地震学报, 2010, 32(3): 369-373. [本文引用:1]
[4] 肖凡, 张宏伟. 利用CG-5重力仪标定动态检定场[J]. 地理空间信息, 2012, 10(4): 126-128. [本文引用:1]
[5] 邱雪峰, 王应建, 朱命琪. 求定CG-5重力仪静态漂移系数的方法[J]. 北京测绘, 2013 (6), 65-67. [本文引用:1]