ZSM型重力仪仪器性能试验精度分析研究

摘" 要：在野外项目开展之前，必须对仪器的性能进行全面测试。这些仪器需要进行性能试验，包括静态试验、动态试验、多台仪器一致性试验，以检验仪器弹性系统的稳定性，以确保野外项目开展过程的顺利进行。该文主要针对ZSM型重力仪的性能测试情况进行分析，使用一代ZSM-6和二代ZSM-6型相对重力仪，在相同的时间段和地点进行静态、动态和一致性试验，并对观测数据进行精确的处理和计算。通过绘制曲线图深入分析仪器性能，确定试验精度是否符合规范和设计要求，以验证是否适合混合投入野外施工使用。

关键词：ZSM型重力仪;静态试验;动态试验;一致性试验;精度分析

中图分类号：P716+.81" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2024）26-0072-04

Abstract： Before the field project is carried out， the performance of the instrument must be fully tested. These instruments require performance testing， including static testing， dynamic testing， and consistency testing of multiple instruments， so as to verify the stability of the instrument's elastic system and ensure the smooth progress of the field project. This paper mainly analyzes the performance test of ZSM gravimeter. Using the first generation ZSM-6 and the second generation ZSM- 6 relative gravimeter， the static， dynamic and consistency tests are carried out at the same time and place， and the observed data are processed and calculated accurately. By drawing a curve to deeply analyze the performance of the instrument， determine whether the test accuracy meets the specifications and design requirements， in order to verify whether it is suitable for mixed construction in the field.

Keywords： ZSM gravimeter; static test; dynamic test; consistency test; accuracy analysis

国内外重力勘探技术在持续地发展与创新，野外测量工作所使用的相对重力仪也在不断地改进，使得测量精度明显提高。1985年开始LCR-G型[1]金属零长弹簧重力仪投入使用以来，逐渐有Burris、CG-5型新型仪器产出[2-3]。2015年12月，北京地质仪器厂首次研发并自主生产的ZSM-6型机械调零式石英弹簧重力仪通过验收并投入使用[4]，近期我国引进了新一代相对重力仪CG-6型重力仪，改进了CG-5的无静电整体熔凝石英弹簧传感器，操作键减至5个，操作更为方便[5]。北京奥地探测有限公司通过对一代ZSM-6型重力仪不断升级研发，目前已经开始投入应用二代ZSM-6型重力仪， 国产ZSM-6型数字重力仪在矿产资源勘查、地质灾害观测等领域得到广泛应用[6]。目前，LCR-G、CG-5、CG-6、ZSM-6型重力仪是用于重力勘探常用的仪器，这些仪器在重力测量开工前与收工后都要进行仪器性能试验，包括静态试验、动态试验、多台仪器一致性试验，目的是检验仪器弹性系统的稳定性[1]。结合正在使用的4台ZSM-6型重力仪在相同地点观测的试验数据，进行处理计算，以确定试验精度是否满足规范和设计要求，验证其是否能够混合投入到野外施工中使用。

1" 仪器及数据采集

1.1" 仪器介绍

ZSM-6型数字重力仪采用了全新的熔融石英弹性技术、恒温控制及高精度测温技术、倾角精确测量技术和真空密封技术等诸多先进技术[7]，该仪器实现了一键式操作，能够自动采集和记录重力数据，自动显示和输出测量结果，同时支持漂移改正、仪器倾斜改正、温度改正和固体潮改正的智能化处理。一代ZSM-6型仪器读数分辨率为0.001 mGal，最小读数范围为7 000 mGal，重量为10 kg。二代ZSM-6型仪器读数分辨率为0.000 1 mGal，最小读数范围为8 000 mGal，重量为7.8 kg，重量较轻方便携带，适用于复杂地形条件下的丘陵和山地等作业环境[7]。

1.2" 数据采集

1.2.1" 静态试验

静态试验的目的是将重力仪放于静置状态下，了解仪器静态零点漂移是否呈线性变化，受气温变化的影响大小或在抽气 （为保持仪器的真空度）前后读数的变化和稳定性等。此次静态试验场地选择环境温度变化小且无震动、安静、通风的楼房一层的室内进行，一般每隔20～30 min观测一次同时记录室内温度，为了更精细地获取仪器的静态曲线，本次试验设置每隔8 min观测一次，连续进行24 h以上的观测。试验完毕后首先进行固体潮改正而后进行数据处理，计算出静态掉格率并更改零漂系数绘制静态零点位移曲线图。

1.2.2" 动态试验

通过动态试验可以了解仪器动态混合零点漂移的速率，动态观测下达到的可能精度及最佳工作时间范围和确定最大线性零点漂移时间间隔[1]。动态试验是选择野外工作区周围环境相对稳定且接近野外施工条件下进行，选取具有一定重力差的2个点 （或多个点），采用与施工相同的运输方式，以多次重复观测的方法进行，2个点间重力差大于3×10-5 m/s2，两点间单程观测时间间隔约10～15 min，同时记录气温。试验时间应超出开工前和收工后各1 h，并不少于12 h，观测结果经重力固体潮改正后计算出动态试验的观测精度并绘制重力仪动态混合零点漂移曲线。动态精度的均方误差不能大于要求的观测精度的1/2，否则认为仪器性能不满足施工要求。有了最大线性时间间隔，结合工区内的交通条件及工作效率等，可以确定工区内较合理的基点网布置密度。

1.2.3" 一致性试验

当需要2台以上的仪器在工区工作时，应做此试验。它可以与动态观测的试验结合进行，也可另选一些重力变化大的点用往返重复观测的方式进行，试验后计算均方误差，计算应分别对各台仪器进行，超出精度要求的仪器不能参加重力测量。为了更好地分析判别多台仪器间数据成果的一致性好坏[1]，此次一致性试验在野外工作区选取有一定高差的平坦公路上的16个点进行了双程往返测量，相邻两点间重力值变化不小于3×10-5 m/s2，采用减震效果较好的汽车进行运输[8]，观测结束后经固体潮改正，通过测量计算出30个独立增量并算出每台仪器的一致性精度及所有仪器的一致性总精度，绘制出仪器一致性曲线图，每台仪器间一致性均方误差应低于设计的测点重力观测的均方误差（εg）。

2" 数据分析讨论

2.1" 静态试验

首先对ZSM-6型重力仪静态观测数据进行重力固体潮改正，并在删除异常点后，绘制静态零点位移曲线图（图1）。

通过对4台仪器的静态掉格率计算来看，试验中的2种ZSM-6型重力仪的掉格率最大为±0.003×10-5 m/s2/h，规范要求应小于设计的测点观测均方误差[9]，因此试验精度完全符合规范要求，通过图1中4台重力仪静态试验曲线图可以看出重力仪的零漂线性比较好。

2.2" 动态试验

首先对ZSM-6型重力仪仪器动态观测数据进行重力固体潮改正，删除异常点后，绘制出动态零点位移曲线图（图2）。

通过对4台仪器的动态精度计算来看，试验中的2种ZSM-6型重力仪的动态精度最大为±0.009×10-5 m/s2，本区域重力调查设计的测点观测均方误差为0.140×10-5 m/s2，设计的基点联测均方误差为±0.050×10-5 m/s2，规范要求动态观测精度应低于设计的基点联测均方误差或重力观测点均方误差的1/2[9]。可以看出动态试验观测精度完全优于设计要求，且二代ZSM-6型重力仪A1、A2精度高于一代ZSM-6型重力仪B1、B2。通过图2中4台重力仪动态试验曲线图可以看出重力仪的动态零点位移曲线图较平稳。在试验过程中二代ZSM-6型重力仪A1、A2读数稳定，测量精度较高，相对于一代ZSM-6型重力仪B1、B2在读数时有时需要静置1～2 min才可以达到较高的精度。

2.3" 一致性试验

首先，对ZSM-6型重力仪仪器一致性观测数据进行重力固体潮改正，在删除异常点后，绘制出4台ZSM-6型重力仪一致性曲线图（图3）。

通过对4台仪器的一致性观测总精度计算来看，试验中的2种ZSM-6型重力仪的一致性观测总精度为±0.015×10-5 m/s2。规范要求一致性观测精度应小于重力测点观测均方误差[9]，本区域重力调查设计的测点观测均方误差为0.140×10-5 m/s2，可以看出一致性试验精度完全优于设计要求。由图3中4台重力仪一致性试验曲线图可以看出重力仪的一致性曲线图相互稳合较好，因此，一代ZSM-6型和二代ZSM-6型相对重力仪在项目野外施工中可以同时混合使用，不会影响数据质量问题发生。

3" 结论

1）重力仪的观测精度不仅与仪器本身的性能、仪器使用年限有关，还与观测点周围环境有关。

2）二代ZSM-6型重力仪A1、A2与一代ZSM-6型重力仪B1、B2相比较读数稳定，不需要静置太长时间且测量精度较高，可以提高野外工作效率。

3）ZSM-6型重力仪要时刻关注每天的掉格情况，发现掉格大时应及时找出原因并做静态试验，在必要时进行零漂改正，确保野外测量数据质量合格。

4）一代ZSM-6型和二代ZSM-6型重力仪的静态曲线展现出较好的线性关系，动态精度最大为±0.009×10-5 m/s2，动态零点位移曲线图较平稳，一致性精度为±0.015×10-5 m/s2，一致性曲线图相互稳合较好，因此，一代ZSM-6型和二代ZSM-6型重力仪在项目野外施工中可以同时混合使用。

5）在野外观测中想要取得高质量的数据要尽量避免仪器的磕碰，做好仪器的保护工作，减少仪器的颠簸，选择减震效果较好的车辆运输重力仪。

参考文献：

[1] 尚立志，张宝松，黄宁.LCR-G、CG-5型重力仪仪器性能试验比较[J].绿色科技，2017（4）：137-139.

[2] 张锐，何志堂，郭树松.Burris重力仪性能测试[J].大地测量与地球动力学，2011，31（6）：155-158.

[3] 沈博，袁尚武，马玄龙，等.CG-5重力仪的漂移与寿命[J].物探与化探，2015，39（2）：383-386.

[4] 耿启立.重力仪器国外代表产品及国内研发最新进展[J].地质装备，2016，17（1）：27-30.

[5] 玄松柏，汪健，李杰，等.新一代CG-6重力仪性能分析[J].大地测量与地球动力学，2018，38（1）：3-7，13.

[6] 陶照明，梁连仲，秦佩，等.ZSM-6高精度数字重力仪原理与应用试验[J].地质装备，2021，22（2）：23-28.

[7] 北京奥地探测仪器有限公司移动式绝对重力仪和ZSM-6数字重力仪[J].地质装备，2017，18（5）：48.

[8] 张宏伟，罗显国.运输工具对相对重力仪测量精度的影响分析[J].北京测绘，2013（2）：46-50.

[9] 区域重力调查规范：DZ/T 0082—2021[S].2021.

基金项目：中国地质调查局“武威-银川地区区域地球物理调查项目”（DD20230255）

第一作者简介：常金鑫（1992-），男，助理工程师。研究方向为重力勘探。

*通信作者：彭伍胥（1993-），男，工程师。研究方向为地球物理调查。