2018, Vol. 38
Burris型相对重力仪在国内勘探、地震、测绘等行业被使用多年，对其性能已有一定的认识[1-4]，但对其失温后再通电加热过程中的仪器读数变化特点缺乏确定性的认识。这导致在重力仪断电再通电后，其读数的准确性存在一定的不可知性。本文对Burris型重力仪实施不同时长的断电，使其经历不同时长的冷却、再通电后进行静态测量，利用静态数据分析该型重力仪升温过程中的读数变化特点。
1 升温实验在中国地震局第二监测中心地下室对Burris型相对重力仪分别实施2次断电再通电后的静置测量实验，地下室冬季室温约为14 ℃。第1次静态测量前Burris型重力仪(B95)经过了大约1个月的长时间断电冷却过程，第2次测量前对3台仪器(B95、B54、B57)进行了15 min、2 h、24 h的短时间断电冷却。
2 升温过程 2.1 长时间冷却后升温过程实验前对B95仪器实施约30 d的断电冷却，于2016-11-11 09:25在地下室对其通电。通电后，为保护仪器进行100 min静置加热，于11:05开始读数。此时，蓝牙读数器提示仪器温度不足(读数器显示bad temperature)，供电125 min后(11:30)“bad temperature”提示消失(达到恒温点)，此后静置测量直至11-23。由于在11-11通电后的11:35和12:32对仪器进行了测程调节，致使该时间段内仪器读数明显异常，因此不对该段数据作分析。
经潮汐改正之后的静态测量数据如图 1(红色竖线为到达恒温点时间)，图中记录到的地震为2016-11-13 19:02:58(北京时间)新西兰MS8.0地震。可见，在开始读数后，仪器读数处于快速下降阶段，且下降幅度逐渐变小。记录到的最大下降幅度为5 min变化7.7×10-5 m·s-2，至11:35第1次调节测程前下降幅度为平均每分钟0.26×10-5 m·s-2。在12:45之后，仪器读数(分钟采样)先处于相对快速上升过程，在新西兰MS8.0地震后处于基本稳定状态。
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图 1 B95仪器升温曲线 Fig. 1 Heating curve of B95 gravity meter |
对3台仪器分别实施15 min(B57)、2 h(B95)、24 h(B54)的断电冷却，再供电时间分别为2017-03-08 13:16、14:39、14:35，其中，只断电15 min的B57于供电3 min后开始读数时未出现温度不足的提示，断电2 h的B95“bad temperature”提示消失于供电46 min后，断电24 h的B54“bad temperature”提示消失于供电96 min后。这表明，随着断电冷却时间变长，仪器升温至恒温点所需的时间也相应加长。图 2为3台仪器供电后的相对重力变化(再供电时刻已改到相同时间，下同)。图 2表明，断电时间长短既影响仪器到达恒温点所需的时间，也影响仪器读数稳定所需的时间；“bad temperature”提示的消失仅表明弹簧到达恒温点，仪器读数还在快速变化中，性能还远未稳定；在仪器到达恒温点后，仪器读数经历了继续下降后上升的过程，且升温过程中变化读数的最小值出现的时间在达到恒温点后。图 1和图 2显示，在仪器读数趋于稳定的过程中，冷却时间的长短影响仪器读数最小值的大小。
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图 2 B57、B95、B54升温曲线 Fig. 2 Heating curve of B57、B95、B54 |
B95经历1个月的长时间冷却后，其静态测量显示，仪器从开始供电加热至达到恒温需要125 min。在仪器通电加热100 min后至仪器读数稳定之前，重力仪读数呈现非线性变化，经历了先减小再增大的过程。利用B95仪器11-11 11:05~11:35和11-11 12:45至静态测量结束时去除固体潮后的静态数据计算重力变化率。11-11 11:05~11:20及11:21~11:32两个时间段内的总重力变化率分别为-86.4×10-5 m·s-2/h和-45.6×10-5 m·s-2/h。12:45后每5 min计算一次重力读数变化率，如图 3所示，其中11-13和11-22的较大变化率为新西兰和日本本州近海地震，11-15的较大变化率为外部扰动。图 3表明，在读数变化过程中，读数绝对变化率逐渐变小，至11-14 02:00后读数变化率小于0.005×10-5 m·s-2/h。这表明，仪器在经过长时间断电再供电加热65 h后，读数变化率仍然偏大。11-15即在供电加热约110 h后，其绝对变化率才满足地震观测仪器进网要求的0.003×10-5 m·s-2/h[5]。
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图 3 2016-11-11 12:44后的重力变化率 Fig. 3 Gravity change rate after 12:44, November 11, 2016 |
B57、B95、B54仪器较短时间冷却后的静态测量显示，在仪器能够正常读数后，冷却15 min、2 h、24 h后的仪器，其读数变化幅度和读数稳定下来所需要的时间不同。冷却24 h后的B54静置测量中读数的最大变化量明显大于冷却15 min和2 h的B57和B95；B57和B95在通电后至读数稳定下来所需要的时间明显短于冷却24 h的B54，且B57和B95升温过程中的读数绝对变化量也明显小于B54。这表明，冷却时间的长短会明显影响短时间内的测量，既影响升温过程中仪器读数的变化幅度，又影响读数稳定下来所需要的时间。
2次升温实验的重力读数变化表明，虽然仪器显示在供电一段时间后达到恒温状态，但重力仪读数还在快速且剧烈的变化过程中，表明弹簧的状态远未稳定。LCR-G型仪器的实验表明，温度变化小于0.01 ℃才能使弹性系数变化引起的重力读数变化小于1×10-8 m·s-2[5]，表明温度会极大地影响金属弹簧的弹性系数。2次实验中，4台仪器均在升温过程中出现仪器读数先变小再变大的过程，其原因应与弹簧的材料属性有关：温度变化所引起的材料弹性模量的变化为近似二次函数，而仪器读数又与弹簧弹性系数呈线性关系，因此在温度变化过程中仪器读数会出现极值。而由于弹性后效的影响，温度变化过程中仪器读数的极值出现在弹簧达到恒温点后。
Burris重力仪的断电实验说明，在温度和弹性滞后效应的共同影响下，即使15 min的断电对重力仪的影响也较大。图 4为再供电后重力仪读数每10 min的变化率。可见，断电15 min的B57读数稳定所需要的时间最短，但仍需不少于1 h的加热时间后仪器读数的变化率才小于0.015×10-5 m·s-2，加热2 h后才小于0.003×10-5 m·s-2。同时，重力仪读数变化率在读数稳定前为正值，表明读数变化率在升温过程中存在由负变正且其绝对值由大变小再变大后变小的过程，此后重力读数才最终稳定。
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图 4 B57、B95、B54再通电测量后仪器读数变化率 Fig. 4 Gravity change rate of B57、B95、B54 after power up |
图 5为B57、B95、B54三台仪器再供电前后每10 min的重力仪读数变化率。可见，再供电待仪器读数稳定后，B57和B95仪器读数变化率与断电前相近，均在0.005×10-5 m·s-2/h以内，但B54读数变化率明显大于0.005×10-5 m·s-2/h，也大于断电前的读数变化率，表明断电可能会影响仪器在再供电后几天内的观测精度。
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图 5 再通电前后仪器重力变化率对比 Fig. 5 Gravity change rate before and after power up |
1) Burris型重力仪冷却时间长短影响仪器读数稳定下来所需要的时间，冷却时间越长，读数稳定所需要的时间越长。
2) 在Burris型仪器断电再供电后的加热升温过程中，蓝牙读数器中“bad temperature”提示消失仅表明弹簧基本达到恒温点，但弹簧性能还远未稳定，仪器读数仍在快速剧烈变化过程中，仪器读数剧烈变化过程中的最小值出现在“bad temperature”提示消失后。在整个升温过程中，重力仪读数先减小后增大，即读数变化率由负变正，且读数变化率的绝对值存在由大变小再变大后变小至读数最终稳定的过程。
3) 冷却大约1个月的仪器的升温过程显示，再供电约110 h后仪器读数变化率才会小于地震观测仪器进网要求。而短至15 min的断电冷却后，再通电1 h后仪器读数变化率仍然大于0.015×10-5 m·s-2/h，大约2 h才小于0.003×10-5 m·s-2/h。
4) 经历较短时间冷却过程的3台仪器中，冷却1 d的B54仪器在读数稳定后，其读数变化率明显大于0.003×10-5 m·s-2/h，且大于断电前的读数变化率，表明断电可能会影响仪器读数稳定后在短时期内的精度。
本次实验均在14 ℃的室温下进行，无法观察该型仪器在不同温度下的升温表现。该项工作值得进一步研究，以便观察Burris重力仪加温过程中可能呈现出的不同梯度。
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