專利名稱：一種海洋重力儀控制裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及地學觀測技術，尤其涉及海洋重力的觀測。
對于海洋重力場時空變化的監測與研究，無疑是地球重力學研究的極其重要的內容。同時由于海洋資源(譬如石油)的藏量豐富，又使得海洋重力測量成為了人類較為有效的地球物理勘探手段。衛星重力測量雖然利用空間技術可以監測海洋重力，但其衛星軌道參數的確定仍需以地表重力測量數據為基礎。因此在海面利用海洋重力儀測量重力，至今仍為海洋重力學研究和海洋地球物理勘探不可缺少的手段。由于海面重力測量是在動態環境中進行，因此其測量綜合精度僅為毫伽級。但由于海上測區大，連續作業時間長(至少1-2個月)，所以對海洋重力儀的掉格、儀器格值的穩定性、電氣檢測部分的漂移和整機故障率均有很高的要求。前西德在海洋重力儀制造領域具有很高水平。我國自70年代以來，引進海洋重力儀以西德產品居多。如阿斯卡尼亞公司生產的GS-15型以及轉產波登公司生產的GSS-2和GSS-20以及其后的KSS-30型海洋重力儀，這些儀器掉格均很小(GSS-2小于3毫伽/月)，平靜海況時測量精度高(GSS-2優于0.7毫伽，KSS-30優于0.5毫伽)。近三十年來，這些儀器為我國海洋重力測量研究發揮了很大作用。但由于年代久遠，并受當時控制思想和器件技術水平的限制，已無法滿足海洋重力測量的要求，同時國內的許多臺德國進口重力儀的電氣控制部分均已損壞。與此相反，這些儀器的機械探頭性能卻日趨穩定。因此從事這些儀器控制系統的更新研制，使得這些精密機械重力傳感探頭重新煥發青春，對于物盡其用、節省外匯，對于啟迪和促進我國海洋重力儀器研制無疑具有現實意義。
本實用新型的目的，首先是征對德國GSS-2型海洋重力儀的改造，也適用于其它海洋重力儀的改造，即保持海洋重力儀現有本體的優點，克服其電控和記錄部分存在的問題，提供一種性價比更高的控制裝置。
本實用新型的目的是這樣實現的①保持GSS-2重力儀本體部分不作任何修改和添加附加設備。這樣既保持了傳感器的精度，又能夠實現新舊電控系統的替換、備份和兼容。
②完全取消任何機械運算。
③取消所有電橋等直流-交流變換部分，全部采用直流放大與控制。
④徹底取消筆錄儀在控制回路中的作用，使新機柜完全獨立運行。
⑤采用單片機對執行電機進行直接數字步進式控制，取消多余的伺服機構及齒輪傳動機構。
⑥采用全數字技術，實現數字反饋、數字PI運算；改變設置方便；保證參數可靠，系統長期動靜態特性不變。
以下結合附圖和實施例詳細說明

圖1為GSS-2儀本體結構示意圖。
圖2為GSS-2儀改造前組成框圖。
圖3為GSS-2儀改造后組成框圖。
圖4為自整機低速運轉電路組成框圖。
圖5為升壓器電路圖。
圖6為計算機輸出電路圖。
圖7為CPU電路圖。
圖8為步進計算單元電路圖。
圖9為電機當前位置記憶單元電路。
圖10為電機驅動輸出電路。
其中M-擺，G-擺桿，m-配重塊，O-支點，S-支點彈簧，S1-上測彈簧，S2-下測彈簧，V1.V2-上下端光電池，L-燈泡，R-重力讀出電位器，E-執行電機，V-合成輸出電壓，Vg-下測彈簧位置電壓，PI-積分運算放大器，x-重力顯示；A-本體，B-控制裝置；1-重力變化信號，2-擺桿機構，3-光電檢測電路，4(S2)-下測彈簧，5-自整角機，6-機械讀數計數器、讀數電位器，7-終端紅通道，8-數據放大器，9-阻容濾波器，10-電機控制單片機，11-數字PI運算器，12-A/D轉換器，13-終端藍通道；a-升壓器，b-計算機輸出電路，c-CPU，d-步進計算單元，e-電機當前位置記憶單元，f-電機驅動輸出電路，g-自整角機繞組。
1、GSS-2儀的工作原理由圖1可知，當擺G所受重力產生的轉矩與支點彈簧s的扭矩平衡時，擺桿G保持在水平位置。此時分別位于擺M上下兩端的光電池V1、V2，因接受燈泡L的照度相同，合成輸出電壓V為零，這便是重力儀的初始狀態。在擺M和支點O之間，還安置有上測彈簧S1和下測彈簧S2，S1和S2的伸長和壓縮均會產生作用于擺桿G的附加轉矩。S1由人工調節，用作調整重力儀的測程；S2由重力儀閉環執行電機E調節，它的伸長或壓縮代表著重力變化量。執行電機E在旋轉S2的同時，也旋轉重力讀出電位器R，R的中心軸頭位置則有不同的Vg(下測彈簧S2位置電壓)輸出。Vg乘上重力儀的格值系數則可得到重力變化。
2、由圖2可知，GSS-2儀采用了雙通道筆式記錄。其蘭筆通道記錄儀器擺M的位置，紅筆通道記錄下測彈簧S2的位置電壓Vg。在GSS-2儀原檢測控制方式中，雙通道記錄的蘭筆電機被用作閉環控制必不可少的環節，其比例和積分環節又采用交流電橋和機械齒輪加法器，因此原工作方式的嚴重缺陷在于①控制過程重力變化信號多次直流、交流轉換；②機械合成pI運算采用的大量齒輪減速機構帶來的間隙誤差和調節死區；③下測彈簧S2位置電壓Vg所反映的重力變化通過刻度盤人工讀出影響儀器的精度。
3、由圖3可知，改造后的重力儀由本體A和控制裝置B兩大部分組成閉環自動調節系統。
①本體A有擺桿機構2、光電檢測電路3、下測彈簧4、自整角機(置換原同步接收機)5、機械讀數計數器和讀數電位器6。
②控制裝置B有數據放大器8、阻容濾波器9、電機控制單片機10、數字PI運算器11、A/D轉換器12。
③其相互連接關系是擺桿機構2→光電檢測電路3→數據放大器8→阻容濾波器9→A/D轉換器12→數字PI運算器11→電機控制單片機10→自整角機5→下測彈簧4(S)→擺桿機構2。還有阻容濾波器9→終端藍通道13。自整角機5→機械讀數計數器讀數電位器6→A/D轉換器12→終端紅通道7。
由此可見，本實用新型丟棄了雙通道筆式記錄儀，重力變化信號1經高精度低飄移數據放大器8放大，阻容濾波器9濾波后，直接送A/D轉換器12，變為數字信號，又經數字PI運算器11運算后以計算脈沖的方式再通過電機控制單片機10驅動自整角機5，調節下測彈簧4(s)。
4、由圖4可知，自整角機低速運轉電路包括數字PI運算器11和電機控制單片機10，由升壓器a、計算機輸出電路b、CPU c、步進計算單元d、電機驅動輸出電路f、電機當前位置記憶單元e組成，其連接關系是升壓器a→電機驅動輸出電路f；步進計算單元d→CPU c→計算機輸出電路b→電機驅動輸出電路f；電機當前記憶單元e→CPU c；電機驅動輸出電路f→自整角機定子繞組g。
其中升壓器a的功能是為電機驅動輸出電路f提供適當的高壓。計算機輸出電路6的功能是計算機三相輸出電路。CPU的功能是計算機中央處理器和均勻旋變磁場發生電路。步進計算單元d的功能是PID(比例積分、微分)步進脈沖運算電路。其相應電路由相應附圖給出。
自整角機低速運轉電路是本控制裝置的核心部分，它是將一般傳統的自整機對(包括一個位于控制部分的自整角機發射機和一個位于被控對象部分的自整角機接收機)，用電軸連接實現轉角跟蹤，改進成用數控脈沖直接驅動自整角機接收機低速運轉。一般控制裝置的執行電機，無論是交流還是直接伺服電機均為高速旋轉型。自整角機發射機與伺服電機連接必需依靠大量的減速齒輪裝置方可獲得低速運轉以保證整個伺服控制系統的靜態和動態特性。
本控制裝置省去了控制部分的自整角機發射機，將具PID調節規律的數字脈沖直接驅動自整機接收機低速運轉完成自動控制系統的閉環控制功能。通過數字PID運算，本控制裝置很容易獲得優良的靜、動態調節特性，因而本裝置的顯著特性是①只用一只自整角機而不需自整角機對就能實現角度傳輸、變換、指示和控制。②將自整角機從一種感應式電機的運行狀態改變為轉子直流激磁、定子三相直流逆變的步進電機運行狀態。
本自整角機低速運轉電路，改變定子電壓逆變頻率則可以改變轉速，對逆變信號進行適當細分，則可得到需要的轉角定位精度。
由以上分析可知，本實用新型的優點在于①由于采用了高精度數據放大器610610L，其長期穩定度小于0.5μV/月，因此在控制系統中，對于近似直流的重力信號，貫穿整個控制過程始終，而無需多次交直流轉換。
②采用數字PI技術，改變調節時間常數，只需要通過撥碼盤操作軟件，能方便適應各種海況的測量，且時間長數不會有模擬PI器件的變化。
③直接將GSS-2儀器執行電機，由自整角機狀態運用為步進電機，丟棄了大量齒輪減速系統，避免了齒輪間隙誤差，減小了調節死區。
④重力變化信號Vg采用12位A/D轉換器變換成數字信號讀出，保證了讀出精度優于0.3毫伽。
⑤本自整角機低速運轉電路及技術，可以推廣應用于數字信號直接驅動自整角機的其它領域。
權利要求1.一種海洋重力儀控制裝置，包括數據放大器(8)、阻容濾波器(9)、電機控制單片機(10)、數字PI運算器(11)、A/D轉換器，其特征是本控制裝置(B)與重力儀本體(A)組成一閉環自動調節系統，連接關系是擺桿機構(2)→光電檢測電路(3)→數據放大器(8)→阻容濾波器(9)→A/D轉換器(12)→數字PI運算器(11)→電機控制單片機(10)→自整角機(5)→下測彈簧(4)(S)→擺桿機構(2)。
2.按權利要求1所述的一種海洋重力儀控制裝置，其特征是數字控制單片機(11)、電機控制單片機(10)組成一自整角機低速運轉電路，該電路由升壓器(a)、計算機輸出電路(b)、CPU(c)、步進計算單元(d)、電機驅動輸出電路(f)、電機當前位置記憶單元(e)組成；其連接關系是升壓器(a)→電機驅動輸出電路(f)；步進計算單元(d)→CPU(c)→計算機輸出電路(b)→電機驅動輸出電路(f)；電機當前位置記憶單元(e)→CPU(c)；電機輸出電路→自整角機定子繞組(g)。
專利摘要本實用新型公開了一種海洋重力儀控制裝置,涉及地學觀測技術,尤其涉及海洋重力的觀測。為了對德國GSS－2型海洋重力儀等改造,本實用新型保持其本體不變,由本控制裝置與其組成一閉環自動調節系統,尤其是其中的自整角機低速運轉電路主要由CPU、步進計算單元、電機輸出電路、電機當前位置記憶單元組成,保證了改型后的海洋重力儀性能價格比高,因此有著廣闊的應用前景。
文檔編號G01V7/12GK2403038SQ9924549
公開日2000年10月25日 申請日期1999年12月8日 優先權日1999年12月8日
發明者潘顯章, 李志宏, 周旭華 申請人:中國科學院測量與地球物理研究所