目前G測量的方法大致可以分為三類:地球物理測量、實驗室測量和空間測量。地球物理方法有明顯的引力效應，但實驗精度相對較低。空間測量方法面臨許多新的技術問題，仍在探索中。目前，實驗室測量是獲得高精度G值的主要手段，常用的工具是精密扭秤。扭秤測引力常數g有以下幾種方法:直接傾斜法，* * *振動法和周期法。其中扭秤周期法是應用最廣泛、測量結果最理想的方法之壹。它的基本原理是在扭秤周圍放置吸引質量後，扭秤的運動周期會相應改變。在實驗室測量引力常數g是壹項艱巨而困難的系統工作。實驗精度的提高主要受到以下四個因素的制約:引力相互作用很弱；重力作用不能被屏蔽；質量、長度和時間的絕對測量；引力常數g的獨立性等。
本文用扭秤的周期法絕對測量重力常數g，系統地研究了扭秤的特性和系統誤差。同時同步監測實驗環境背景，保證實驗準確性。其創新之處在於采用了長周期、高Q的扭秤，工作在恒溫、隔振、外界重力幹擾相對較小的環境中，從而克服了扭絲磁滯和熱彈性對G測量的影響。詳情如下:
A.扭秤系統誤差的研究
從理論和實驗兩方面了解扭秤系統的誤差來源，對提高扭秤的實驗精度具有重要意義。我們在扭秤系統誤差的研究中得到了壹系列重要的結果:1)扭秤系統的檢驗質量和吸引質量之間存在壹個最優配置，可以從吸引質量上減小非線性效應，使扭秤在大幅度內工作，提高系統的信噪比(phys. lett.a，238，1998:337)；2)用測量扭秤的瞬態代替測量扭秤的平衡態可以獲得更高的實驗精度(phys.lett.a，238，1998:341)；3)理論分析和實驗研究表明，當扭秤工作在10-2弧度時，扭秤掛線的非線性效應小於1 ppm，可以忽略不計。這壹結論消除了人們對絞線非線性效應的擔憂(Phys .列特。a，264，1999: 112)。4)理論分析和實驗研究表明，扭秤系統的品質因數Q隨其振幅的增大而減小，這對減小滯彈性對G測量的影響具有重要的指導意義(Phys .列特。a，268，2000: 255) (5)理論分析和實驗研究表明，環境溫度的變化對扭秤吊線的扭轉系數K影響很大。對於實驗中常用的鎢絲，即環境溫度變化時，給G的測量帶來的誤差會高達165 ppm (Rev. SCI。Instrum.71，2000: 1524)。扭絞線的這種熱彈性效應的研究結果表明，以前的許多G測量結果是值得懷疑的，我們可以用它來對目前G測量結果不壹致的現象作出合理的解釋。
B.超長周期信號基頻擬合方法研究
扭秤的周期壹般從幾分鐘到1小時以上，因為周期越長，靈敏度越高。然而，擬合長周期扭秤的基頻是非常困難的。傳統的FFT(快速傅立葉變換)和全極點(極值點)方法需要n = 10-5個周期的實驗測量數據才能達到相對擬合精度。如果扭秤的周期是1小時，實驗數據長度是15年，顯然是不現實的。目前常用的是所謂的非線性擬合，比如對正弦信號用目標函數進行最小二乘擬合。這種方法對頻率的擬合精度取決於幅度和相位的擬合精度。為了得到最小的總方差，三個參數的方差必須平衡。因為我們只對頻率的擬合精度感興趣，所以可以犧牲其他參數的擬合精度來獲得高精度的頻率擬合。利用這壹思想，我們提出了周期擬合方法。計算機仿真和實驗數據的具體應用結果表明，該方法對十個以上周期(周期長達1小時)的低頻信號的數據擬合精度可達10-7以上，從而解決了長周期扭秤基頻的精確擬合問題。該方法可廣泛應用於需要確定超低頻信號基頻的領域(Rev. Sci。器樂。，V70，1999: 4412)。
C.折疊擺傾斜儀的研究
為了在測G實驗環境中同步探測地傾斜固體潮背景，我們將激光引力波探測實驗中使用的水平隔振技術應用到地傾斜固體潮研究中，成功研制了折疊擺傾斜儀。基本思想是巧妙地將壹個正擺和壹個倒立擺連接起來，以降低整個擺系統的恢復系數，從而獲得極低的運動頻率(長周期)。我們研制的折疊擺周期大於60秒，單擺等效長度大於1 km。用折疊擺觀測地傾斜固體潮的實驗結果表明，折疊擺的靈敏度已達到3.5±10-9弧度(物理列特。a，256，1999: 132)。這壹結果明顯優於常用的水管測斜儀和水平擺測斜儀。此外，折疊擺還可以作為高精度的地震拾音器，用於監測地震的異常信號，尤其是地震前的異常信號。我們利用折疊擺探測到了許多地震及其前兆信號。折疊擺傾斜儀發明專利申請已獲國家專利局批準(專利號:ZL951148222)。
D.精密溫度傳感系統的研究
在測G扭秤的實驗中，微小的環境溫度變化都會直接影響實驗結果。為了同步監測實驗環境中的溫度場，我們研制了壹套高精度的微小溫度變化測量系統。其基本原理是利用兩種不同材料熱膨脹特性的差異來檢測微小溫度的變化。我們研制的溫度監測系統分辨率達到0.0001 oC，解決了實驗環境中溫度場的監測問題。這項技術還可以應用於許多其他領域(Rev. Sci。儀器。, 68,1997: 565).
E.超低頻隔振系統的研究
由於引力相互作用很弱，必須隔離外界振動對G測量實驗的幹擾，隔振系統的頻率越低，隔振效果越好。首次提出了準靜態參考系的概念，並實現了基於準靜態參考系主動阻尼的隔振新方法。設計並制造了超低頻垂直扭桿彈簧系統。其固有周期達到20秒，系統的隔振率在6Hz時超過3個數量級。以其為準靜態參照系，成功實現了大型隔振系統的主動阻尼，其隔振性能比傳統隔振方法(Rev. SCI。Instrum.69，1998:2781；物理，列特。a，253，1999:1)。
獨特的實驗設計(長周期、高Q值)、優越的實驗環境(靜音、恒溫、隔振)、對扭秤儀系統誤差的深入細致研究、背景環境的同步監測，保證了實驗的準確性。我們最終測得G為(6.6699 0.0007)10-11 m3 kg-1s-2，其相對精度達到105 ppm。該結果發表在美國的Phys. Rev. D(物理評論D)上。這不僅是我國迄今為止第壹個高精度的G值，也是目前國際上最好的測量值之壹，並被國際物理基本常數委員會1998推薦的CODATA值采用。
參考資料:
/yxbslw/pxjg/2002/luojun.htm