Чувствительный элемент гравиметра

Полезная модель относится к гравиметрическому приборостроению и может быть использована в геофизике, геодезии, геологии, космонавтике в качестве чувствительного элемента динамических гравиметров для измерения абсолютного значения ускорения силы тяжести. Технический результат - расширение ассортимента чувствительных элементов гравиметров, обладающих высокой точностью и быстродействием, а также упрощение их конструкции. Принцип действия чувствительного элемента основан на измерении угловых скоростей вращения ₁ и прецессии ₂ волчка, который выполнен в виде диска со светоотражающими сегментами, насаженного на ось. ₁ определяют по количеству отражений света от светоотражающих секторов диска, а ₂ по количеству пересечений светового потока осью. Оптическая система подсчета световых импульсов включает два датчика съема информации, каждый из которых состоит из источника и приемника света, при этом один из датчиков установлен с возможностью измерения световых импульсов по количеству пересечений светового потока осью волчка, а другой с возможностью измерения импульсов, отраженных от светоотражающих сегментов диска, при этом каждый датчик съема информации соединен со своим пересчетным устройством.

Полезная модель относится к гравиметрическому приборостроению и может быть использована в геофизике, геодезии, геологии, космонавтике в качестве чувствительного элемента динамических гравиметров для измерения абсолютного значения ускорения силы тяжести.

Как известно к динамическим гравиметрам относят баллистические и маятниковые.

Чувствительный элемент баллистического гравиметра представляет собой, как правило, вакуумированную трубу, в которой может свободно падать пробное тело, несущее оптический уголковый отражатель, и оптическую лазерную систему, отслеживающую перемещение пробного тела, выполненную по схеме интерферометра Майкельсона. Движение пробного тела осуществляется либо подбрасыванием его катапультой (симметричное движение) либо освобождается магнитным спусковым устройством (несимметричное движение). При абсолютных определениях баллистическим методом с погрешностью 10^-8 g необходимо измерять расстояние с погрешностью порядка сотой доли длины волны света (=0,6 мкм), а время с погрешностью 1 нс.(п. США 5351122, п. РФ 99194 U1, п. РФ 2193786, а.с. СССР 1563432).

К недостаткам чувствительных элементов такого типа можно отнести зависимость точности измерений расстояний от стабильности длины волны используемого лазера и исключение влияния сил трения и сопротивления воздуха (т.е. необходимость вакуумирования), а также длительность и трудоемкость подготовки процесса измерений. Кроме того, измерения с помощью чувствительных элементов баллистических гравиметров, проводимые на подвижных основаниях связаны с определенными трудностями, так как такие элементы не способны ощутить разницу между ускорением силы тяжести и возникающим при этом инерционным возмущающим ускорением вследствие вертикальных перегрузок при движении автомобиля, корабля или самолета. Использование баллистического чувствительного элемента требует для проведения абсолютных измерений ускорения силы тяжести большого количества вспомогательного оборудования, поэтому их нецелесообразно проводить при обычных геодезических съемках.

Частично данные недостатки устраняют чувствительные элементы ряда маятниковых гравиметров. Например, чувствительный элемент мобильного абсолютного гравиметра, представленного в п. РФ 89723 U1 выполнен в виде двух вертикальных маятников и системы лазерной регистрации отклонения маятников от вертикали, включающей излучатель и отражатель. Маятники закреплены на противоположных концах общего коромысла и снабжены подвесами равной длины, в качестве грузов на которых расположены лазерные отражатели. Маятники движутся по принципу карусели на коромысле, установленном на вращающемся валу. Ниже коромысла на валу закреплена горизонтальная платформа с двумя соосно ориентированными, но противоположно направленными, в горизонтальной плоскости, лазерными микрометрами, излучатели которых расположены в центре платформы, а приемники на периферии. Таким образом, каждый груз-отражатель, в процессе вращения, находится между излучателем и приемником своего микрометра. При этом маятники отклоняются от вертикали в процессе вращения до тех пор, пока проекция вектора центробежной (инерционной) силы на касательную к дуге отклонения не уравновесится аналогичной, но противоположно направленной проекцией вектора силы тяжести. Это позволяет определить абсолютное значение ускорения силы тяжести через значение центростремительного ускорения, с которым грузы-отражатели движутся вокруг оси вращения маятников. При таком движении вектор поступательной скорости маятника всегда ортогонален вектору действующей на него центробежной силы, поэтому положение равновесия маятников, в момент замера, не нарушается действием силы сопротивления воздуха. Трение при отклонении маятников от вертикали компенсируется упругостью гибкого сочленения подвесов с коромыслом. В необходимом для замера положении равновесия, силы трения и упругости на маятники уже не действуют

Таким образом, в качестве компенсации силы тяжести используется сила инерции. Действуя на движущийся по окружности груз вертикального маятника, эта сила отклоняет подвес маятника на такой угол от оси вращения, при котором сила инерции уравновешивается силой тяжести. В соответствии с принципом Даламбера для вращающихся систем отсчета - данная сила инерции определяется, как центробежная сила.

Наиболее близким к заявляемому является установленный в корпусе чувствительный элемент абсолютного гравиметра, включающий рабочий элемент из трех двухмаятниковых приборов и оптическую систему съема информации. Маятниковые приборы чувствительного элемента выполнены в виде двух маятников каждый из которых состоит из кварцевого стержня, скрепленного в верхней части с агатовой головкой, составляющей единую деталь с опорной призмой, а в нижней части стержень сваривается с тяжелым цилиндрическим грузом. Маятники расположены один против другого в плоскости качания и качаются в противофазе. Колебания маятника близки к гармоническим, поэтому для повышения точности определения g можно измерять длительность не одного, а большого числа собственных колебаний маятника. Запись колебаний производится с использованием оптической системы съема информации, включающей источник света, передающей луч света на зеркала, установленные на маятниках, и пересчетное устройство (Грушинский Н.П., Сажина М. Гравитационная разведка «Недра» 1981, с.97)

К недостаткам данного чувствительного элемента можно отнести ограниченность области его использования, недостаточно высокую точность определения ускорения силы тяжести, из-за малой частоты колебаний маятника, что приводит к длительности измерений, и из-за трудности учета помех, вызванных наклонами основания гравиметра в направлениях отличных от плоскости качания маятника.

Задача, решаемая полезной моделью, состоит в расширении ассортимента чувствительных элементов гравиметров, повышении точности и быстродействия определения ускорения силы тяжести.

Поставленная задача решается чувствительным элементом гравиметра, содержащим расположенными в корпусе рабочим элементом, системой запуска рабочего элемента и оптическую систему съема информации, соединенную с пересчетным устройством, при этом рабочий элемент выполнен в виде установленного на твердой платформе волчка в форме диска со светоотражающими сегментами, насаженного на ось, оптическая система съема информации включает два датчика съема информации, каждый из которых состоит из источника и приемника света, при этом один из датчиков установлен с возможностью измерения световых импульсов по количеству пересечений светового потока осью волчка, а другой с возможностью измерения импульсов, отраженных от светоотражающих сегментов диска, при этом каждый датчик съема информации соединен со своим пересчетным устройством.

Таким образом, за счет значительного увеличения скорости прецессии (колебаний) волчка относительно колебаний маятника и отсутствия влияния на угловые скорости вращения и прецессии волчка наклонов платформы в разных плоскостях достигается решение поставленной задачи - повышение точности и быстродействия определения ускорения силы тяжести g, а кроме того достигается упрощение конструкции самого чувствительного элемента.

Измерение ускорения силы тяжести с использованием заявляемого чувствительного элемента основано на измерении угловых скоростей вращения ₁ и прецессии ₂ волчка, который представляет собой диск со светоотражающими сегментами, насаженный на ось, и последующее определение ускорения силы тяжести по формуле где R - радиус диска, l - расстояние от основания оси до центра тяжести волчка, при этом ₁ определяют по количеству отражений света от светоотражающих секторов диска, а ₂ по количеству пересечений светового потока осью.

Известно, что согласно правилу прецессии гироскопа, под действием момента сила тяжести Р относительно основания оси (точка О) волчок прецессирует вокруг вертикальной оси (OZ) согласно уравнению

откуда

(Никитин Н.Н. Курс теоретической механики. М. Высш. шк., 1990. с.607).

Для плоского однородного диска радиусом R и массой М момент инерции J₀ относительно точки О равен:

и подставляя (3) в (2) получаем

где

На фиг. представлена принципиальная схема чувствительного элемента для измерения ускорения силы тяжести, где 1 - система запуска, 2 - ось волчка, О - основание оси, 3 - диск, 4 - светоотражающие сегменты, 5 - платформа, L₁ , L₂ - источники света, D₁ - приемник света, отразившегося от светоотражаюших сегментов, D₂ - приемник света после пересечения света осью волчка, С - центр тяжести волчка.

Система запуска (1) чувствительного элемента раскручивает волчок, захватывая верхний конец оси (2) волчка и затем поднимаясь вверх освобождает его. При этом ось (2) волчка начинает прецессировать вокруг вертикальной оси (OZ) с угловой скоростью ₂ на платформе (5). Источник света L₂ и приемник D₂ размещены напротив друг так, что при прецессии ось (2) волчка периодически перекрывает световой поток от источника L₂. А источник света L₁ и приемник D₁ расположены так, что свет от источника L₁, отразившись от светоотражающих сегментов (4) попадает в приемник D₁. Угловую скорость ₂ измеряют по количеству пересечений светового потока от L₂ в единицу времени. Угловую скорость ₁ волчка определяют по количеству отраженных от светоотражающих сегментов (4) световых импульсов от L ₁ поступивших в D₁ за то же время. Полученные импульсы поступают в пересчетные устройства (на фиг. не показаны), где вычисляют угловые скорости вращения волчка ₁ и угловую скорость прецессии ₂ и затем по уравнению (4) определяют ускорение силы тяжести и l равно ОС - расстояние от основания оси до центра тяжести волчка.

Волчок выполнен в виде диска, например латунного, со светоотражающими сегментами, насаженного на ось из твердого, коррозионно-стойкого материала, например, из стали.

Платформа чувствительного элемента выполнена из материала, обладающего высокой твердостью, прочностью и малым коэффициентом трения пары ось волчка - платформа, например, агата.

В качестве источников и приемников света используют, например, оптопары с открытым оптическим каналом типа АОД111А или в качестве источника - светодиоды, а приемника - фотодиоды. Пересчетные устройства могут быть выполнены на базе микропроцессора, например ATMEGA 8535L.

Система запуска волчка может быть различной, например, выполненной в виде разгоняющего устройства из двух сопряженных конусов, один из которых находится в верхней части разгоняющего устройства и приводится во вращение, например, электромотором или воздушной турбиной, а другой в верхней части оси волчка.

При необходимости выполнения особо точных измерений корпус чувствительного элемента выполняют термостатированным и ваккумитрованным.

1. Чувствительный элемент гравиметра, содержащий установленные в корпусе рабочий элемент, систему запуска рабочего элемента и оптическую систему съема информации, соединенную с пересчетным устройством, отличающийся тем, что рабочий элемент выполнен в виде расположенного на твердой платформе волчка в форме диска со светоотражающими сегментами, насаженного на ось, оптическая система съема информации включает два датчика съема информации, каждый из которых состоит из источника и приемника света, при этом один из датчиков установлен с возможностью измерения световых импульсов по количеству пересечений светового потока осью волчка, а другой с возможностью измерения импульсов, отраженных от светоотражающих сегментов диска, при этом каждый датчик съема информации соединен со своим пересчетным устройством.

2. Чувствительный элемент по п.1, отличающийся тем, что корпус чувствительного элемента выполняют термостатированным и ваккумитрованным.