Z型石英弹簧重力仪的基本原理和操作

Z400石英弹簧重力仪由北京地质仪器厂独家生产，是测量地面重力加速度值相对变化的高精度仪器。仪器的弹性系统由应时玻璃制成，采用零读数模式，并配有精确的自动温度补偿装置。它具有灵敏度高、测量范围宽、精度高、重量轻、体积小、使用方便、计算简单等特点。它是同类仪器中直读范围最大的仪器，不仅满足高精度重力测量的需要，而且适用于区域重力测量。仪器主体为白色圆柱体，外径14cm，高40cm。仪器净重4.5kg，外观如图4-3-1所示。

图4-3-1 Z400石英弹簧重力仪外观。

仪器的主要技术参数如下:

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(Z400石英弹簧重力仪的结构和工作原理。

Z400石英弹簧重力仪由弹性系统、光学指示系统、读数系统、保温系统等组成。其主要结构如图4-3-2所示。

图4-3-2 Z400石英弹簧重力仪内部结构示意图

1.弹性系统

弹性系统由敏感装置、测量补偿装置和温度补偿装置组成。除平衡器的重负载(白金环)和温度补偿线外，弹性系统部件均由熔融应时制成并焊接成一体，如图4-3-3所示。

敏感装置由主弹簧4、扭力丝3和负载1组成。主弹簧的上端与连杆连接，下端与平衡体的支撑点连接。平衡体的前端固定有铂金圈。当重力增大时，平衡体向下偏转，同时弹性臂减小；然而，当重力减小时，平衡体向上偏转，弹性臂增大。主簧的连接方式使微小的重力变化引起平衡体大幅度偏转，所以本身就起到了助力运动的作用。主弹簧是由直径几十微米的应时线制成的零长度弹簧。平衡器的前端是一根指示线11，显示其挠度。平衡体的活动范围是有限的。平衡体没有夹紧装置。

测量补偿装置由测量弹簧10、测量弹簧6、框架、连杆7和测量扭力线9组成。测量弹簧的弹性系数比量程测量弹簧的弹性系数小得多。它们的上端分别连接在千分尺上，下端垂直连接在与框架焊接的支柱上。当采用零读数时，测量补偿装置补偿重力的变化。当重力变化时，平衡体偏离零位。此时，可以通过旋转千分尺(计数器)来改变测量弹簧的伸长，从而改变作用在测量扭力线上的弹性力矩。框架和连杆一起偏转，使平衡体回到零位。千分尺数字的变化显示重力的变化，使平衡体回到零位。千分尺数字的变化显示了重力变化的大小。

图4-3-3 Z400石英弹簧重力仪弹性系统结构图

温度补偿装置由温度补偿线5、框架和连杆(与测量补偿装置相同的框架和连杆)组成。温度补偿丝一端与连杆的上端连接，

另一端与框架连接。一对温度补偿扭绞线焊接在连杆另一端的两侧，并与机架连接。因此，当温度补偿丝的长度因热胀冷缩而发生变化时，连杆和框架都会发生相对偏转，连杆的偏转会导致主弹簧上端点位置的变化，以补偿温度变化引起的平衡体上扭矩的变化。只要精确调整器件之间的几何关系，就可以获得良好的温度补偿效果。

整个弹性系统安装在一个由硬铝制成的圆柱形座上，并覆盖有两层硬铝屏蔽。以消除气流和气压变化的影响。将防护罩抽至一定真空度(约10 ~ 15 mm汞柱)并密封(底座装有抽气阀)。为了消除静电的影响，在限幅器旁边安装了放射性金属箔。为了防止水蒸气凝结，内部护罩中还安装了干燥剂。

2.光学指示系统

仪器中平衡体的偏转是通过光学系统用肉眼观察的。光学系统由目镜、标尺、场镜、物镜、全反射棱镜等组成。，放大倍数约250倍，照明部分由灯泡和聚光镜组成，如图4-3-4所示。

视野中看到的“亮线”是平衡体前端的指示丝的图像。标尺中间的长线是“零线”。当重力增大时，平衡体向下偏转一个角度，从视野中可以看到亮线向右偏移；反之，当重力减小时，亮线会向左移动。观察时采用零读数法，即每次读数时，亮线必须与零线重合，然后读取计数器的值。照明电源的形状是仪表盘上的一个旋钮，轻轻一提就可以打开。光导管有一个45°的斜面，可以反射一部分来自聚光器的光来照亮垂直和水平的水平面。为了用倾斜法调整灵敏度，物镜与目镜中心线之间有2mm的偏心，旋转目镜的座时，零线的位置可以左右平移。

图4-3-4 Z400石英弹簧重力仪光学系统示意图

3.测量和读数系统

该系统由精密测微螺杆、导向装置、连杆和计数器组成。有两个千分尺螺丝表，一个用于量程调整，其上端隐藏在仪表板上的量程调整孔中，如图4-3-2所示；另一个千分尺螺丝的上端与面板上的计数器相配，如图4-3-5所示，以便直接读数。为了保持仪器内部的密封，两个测微螺钉通过金属波纹管与量程弹簧和读数弹簧相连。计数器有三个数字。千分尺螺钉每旋转一周，第二个数字就变化一个数字。个位数后的小数可以根据固定标志线对应的个位数鼓上的1/10刻度线读出，也可以估算出1/10刻度线之间的半距。因此，可以从计数器中读取的数据是五个有效数字，如498.75个网格。

图4-3-5 Z400石英弹簧重力仪测量读数系统示意图

图4-3-6 Z400石英弹簧重力仪隔热系统示意图

4.隔热系统及其他

该仪器没有电热恒温器。为了减少外界温度变化的影响，内部安装了一个保温瓶，保温瓶与仪器外壳之间填充了隔热材料。容器和弹性系统的上部也由隔热材料隔开，以防止外部温度的剧烈变化影响从属仪器的内部。隔热系统如图4-3-6所示。

仪器外壳侧面配有手柄和电池盒，底部有三个水平调节螺丝。仪器附件包括底盘、内外减震器(减震器)和工具箱。底盘表面是凹的，可以大致调平仪器。内减震器用于手动背运，外减震器用于仪器长途运输或汽车运输时嵌套内减震器。

(Z400石英弹簧重力仪的操作步骤

(1)将仪器底盘放平放稳。

(2)小心地将仪器从减震盒中取出(注意防止与减震盒碰撞)，轻轻放在底盘上，与底盘凹面大致平齐。注意不要让仪器离机箱边缘太近，以免重心不稳，摔倒在仪器上。

(3)右手握住仪器，左手提起照明电源开关。

(4)转动水平调节螺钉，首先将水平水平仪的气泡调节到中心，然后调节垂直水平仪。调节水平后，在整个操作过程中不要按压仪表板。

(5)观察目镜筒中亮线(指示线)的位置。当亮线在刻度零线的左侧时，顺时针转动计数器旋钮；相反，当亮线在右边时，计数器逆时针旋转。为了避免齿轮和齿距间隙对读数的影响，每次读数时要始终保持同一个旋转方向，使亮线与零线重合。习惯上是把读数顺时针转多一点，然后把亮线从左移到零。两者重叠后，记下此时计数器上的读数(读五位有效数字)。

(6)逆时针转动计数器半圈，使亮线偏离零线。重复步骤(5)。

(7)重复步骤(6)，直到连续三次读数的最大差值在允许范围内(一般为0.2 ~ 0.3格)。

(8)检查垂直和水平。如果气泡偏离中心位置在允许值内(如1/2刻度)，按下照明开关，记录时间(精确到“分”)。

(9)最后，轻轻提起仪器，小心地放回冲击箱中，以便转移到下一个测点进行观察。

(Z400石英弹簧重力仪的检查和调整

为了保证仪器测量的准确性，Z400石英弹簧重力仪等机械重力仪在投入生产前应进行必要的性能检查。常规检查包括量程的检查和调整、垂直和水平水准仪、气泡曲线测试和灵敏度的检查和调整。

(1)测量范围的检查与调整:检查重力仪的测量范围是否适合当地工区的观测范围，或进行调整。

(2)纵横水准仪的检查调整和气泡曲线测试:为了减少仪器水准测量误差对仪器读数的影响，应对仪器的水平位置进行检查和测试。测量气泡曲线并调整垂直和水平水平。要求实测气泡曲线偏离其正确位置不超过(1/4 ~ 1/2)个网格。

(3)灵敏度的检查与调整:对于Z400石英弹簧重力仪的光灵敏度，即当亮线偏离刻度时，相应计数器的读数应调整到(16 ~ 20)。

(5)石英弹簧重力仪的使用说明

(1)检查把手、带子、挂钩等是否完好。仪器的牢固性，随时消除隐患。

(2)取放仪器时，动作要轻柔，严禁碰撞。

(3)禁止大角度倾斜、平放或倒置仪器。

(4)仪器放在底盘上后，操作人员不得随意走动和离开。

(5)当调整水平和观察读数时，不要按压仪表板。

(6)保护仪器免受阳光直射和雨淋。

(7)缓慢均匀地转动计数器。

(8)仪器在工作中发生故障时，不得在现场擅自拆卸，应由有维修经验的人员带回站内维修或送厂维修。

(9)每天下班后，仪器要清洗一次，目镜或面板要用镜面清洁纸或软刷擦拭，不允许用其他替代品。地脚螺丝也应定期清洁和润滑。