RU108644U1 - SENSITIVE ELEMENT OF GRAVIMETER - Google Patents

Abstract

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. 1. The sensitive element of the gravimeter, containing a working element installed in the housing, a working element launch system and an optical information retrieval system connected to a recalculation device, characterized in that the working element is made in the form of a disk-shaped top with reflective segments mounted on a solid platform, mounted on the axis, the optical information retrieval system includes two information retrieval sensors, each of which consists of a light source and receiver, while one of the sensors is installed with ozhnostyu measuring light pulses by the number of intersections of the light flux axis of the top, and the other with the possibility of measuring pulses reflected from the reflective disc segments, with each pick-off sensor is connected to its scaler. ! 2. The sensing element according to claim 1, characterized in that the housing of the sensing element is performed thermostatically and vacuumed.

Description

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.The utility model relates to gravimetric instrument engineering and can be used in geophysics, geodesy, geology, and astronautics as a sensitive element of dynamic gravimeters for measuring the absolute value of gravity acceleration.

Как известно к динамическим гравиметрам относят баллистические и маятниковые.As you know, dynamic gravimeters include ballistic and pendulum.

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 (λ=0,6 мкм), а время с погрешностью 1 нс.(п. США №5351122, п. РФ №99194 U1, п. РФ №2193786, а.с. СССР №1563432).The sensitive element of a ballistic gravimeter is, as a rule, an evacuated tube in which a test body carrying an optical angle reflector can freely fall, and an optical laser system that tracks the movement of the test body, made according to the Michelson interferometer scheme. The movement of the test body is carried out either by throwing it with a catapult (symmetric movement) or released by a magnetic trigger (asymmetric movement). For absolute determinations by the ballistic method with an error of 10 ^-8 g, it is necessary to measure the distance with an error of the order of a hundredth of a wavelength of light (λ = 0.6 μm), and the time with an error of 1 ns. (US No. 5351122, Russian Federation No. 99194 U1, p. Of the Russian Federation No. 2193786, A.S. of the USSR No. 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.The disadvantages of this type of sensitive elements include the dependence of the accuracy of distance measurements on the wavelength stability of the laser used and the exclusion of the influence of friction forces and air resistance (i.e. the need for evacuation), as well as the length and complexity of the preparation of the measurement process. In addition, measurements using sensitive elements of ballistic gravimeters carried out on moving bases are associated with certain difficulties, since such elements are not able to feel the difference between the acceleration of gravity and the resulting inertial disturbing acceleration due to vertical overloads when moving a car, ship or plane. The use of a ballistic sensitive element requires for the absolute measurement of the acceleration of gravity a large number of auxiliary equipment, therefore, it is inexpedient to carry out with conventional geodetic surveys.

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 действуютPartially, these shortcomings eliminate the sensitive elements of a number of pendulum gravimeters. For example, a sensitive element of a mobile absolute gravimeter, presented in clause RF No. 89723 U1, is made in the form of two vertical pendulums and a laser registration system for the deviation of the pendulums from the vertical, including a radiator and a reflector. The pendulums are fixed at opposite ends of the rocker arm and are equipped with suspensions of equal length, with laser reflectors as loads. The pendulums move according to the principle of a carousel on a beam mounted on a rotating shaft. Below the beam, a horizontal platform is fixed on the shaft with two coaxially oriented, but oppositely directed, in the horizontal plane, laser micrometers, the emitters of which are located in the center of the platform, and the receivers are on the periphery. Thus, each cargo reflector, in the process of rotation, is located between the emitter and the receiver of its micrometer. In this case, the pendulums deviate from the vertical during rotation until the projection of the centrifugal (inertial) force vector onto the tangent to the deflection arc is balanced by a similar but oppositely directed projection of the gravity vector. This allows you to determine the absolute value of the acceleration of gravity through the value of the centripetal acceleration with which the reflective loads move around the axis of rotation of the pendulums. With this movement, the translational velocity vector of the pendulum is always orthogonal to the vector of the centrifugal force acting on it, therefore the equilibrium position of the pendulums, at the time of measurement, is not violated by the action of the air resistance force. Friction when the pendulums deviate from the vertical is compensated by the elasticity of the flexible joint of the suspensions with the beam. In the necessary equilibrium position, the friction and elasticity forces on the pendulums no longer act

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.Thus, inertia is used to compensate for gravity. Acting on the load of a vertical pendulum moving in a circle, this force deflects the suspension of the pendulum by such an angle from the axis of rotation, at which the inertia is balanced by gravity. In accordance with the d'Alembert principle for rotating reference systems - this inertia force is defined as a centrifugal force.

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)Closest to the claimed one is a sensing element of an absolute gravimeter installed in the housing, including a working element of three double-pendulum devices and an optical information retrieval system. The pendulum devices of the sensing element are made in the form of two pendulums, each of which consists of a quartz rod fastened in the upper part with an agate head, which makes up a single part with a support prism, and in the lower part the rod is welded with a heavy cylindrical load. Pendulums are located one against the other in the swing plane and swing in antiphase. The oscillations of the pendulum are close to harmonic, therefore, to increase the accuracy of determining g, it is possible to measure the duration of not one, but a large number of natural oscillations of the pendulum. The oscillations are recorded using an optical information acquisition system, including a light source that transmits a light beam to mirrors mounted on pendulums, and a recalculation device (Grushinsky NP, Sazhina M. Gravity intelligence "Nedra" 1981, p. 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.The disadvantages of this sensitive element include the limited scope of its use, insufficiently high accuracy in determining the acceleration of gravity, due to the low oscillation frequency of the pendulum, which leads to the duration of the measurements, and because of the difficulty of taking into account the interference caused by the inclination of the base of the gravimeter in directions different from pendulum swing planes.

Задача, решаемая полезной моделью, состоит в расширении ассортимента чувствительных элементов гравиметров, повышении точности и быстродействия определения ускорения силы тяжести.The problem solved by the utility model is to expand the range of sensitive elements of gravimeters, increase the accuracy and speed of determining the acceleration of gravity.

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.The problem is solved by the sensitive element of the gravimeter, containing the working element located in the housing, the working element launch system and the optical information retrieval system connected to the recounting device, while the working element is made in the form of a top mounted on a solid platform in the form of a disk with reflective segments mounted on the axis, the optical information retrieval system includes two information retrieval sensors, each of which consists of a light source and receiver, while one of the sensors Ikov is installed with the ability to measure light pulses by the number of intersections of the light flux by the axis of the top, and the other with the ability to measure pulses reflected from the reflective segments of the disk, with each information pick-up sensor connected to its recounting device.

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.Thus, due to a significant increase in the speed of the precession (oscillations) of the top relative to the oscillations of the pendulum and the absence of an influence on the angular velocity of the top and the precession of the top of the platform tilts in different planes, a solution to the problem is achieved - an increase in the accuracy and speed of determining the acceleration of gravity g, and in addition, simplification of the design of the most sensitive element.

Измерение ускорения силы тяжести с использованием заявляемого чувствительного элемента основано на измерении угловых скоростей вращения ω₁ и прецессии ω₂ 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 ω₁ определяют по количеству отражений света от светоотражающих секторов диска, а ω₂ по количеству пересечений светового потока осью.The measurement of the acceleration of gravity using the inventive sensor is based on the measurement of the angular velocity of rotation ω ₁ and the precession ω _{2 of the} top, which is a disk with reflective segments mounted on an axis, and the subsequent determination of the acceleration of gravity by the formula where R is the radius of the disk, l is the distance from the base of the axis to the center of gravity of the top, while ω ₁ is determined by the number of light reflections from the reflective sectors of the disk, and ω ₂ by the number of intersections of the light flux by the axis.

Известно, что согласно правилу прецессии гироскопа, под действием момента сила тяжести Р относительно основания оси (точка О) волчок прецессирует вокруг вертикальной оси (OZ) согласно уравнениюIt is known that according to the gyro precession rule, under the action of the moment, the gravity P relative to the axis axis (point O) the top precesses around the vertical axis (OZ) according to the equation

откудаwhere from

(Никитин Н.Н. Курс теоретической механики. М. Высш. шк., 1990. с.607).(Nikitin N.N. Course in Theoretical Mechanics. M. Higher School, 1990. p. 607).

Для плоского однородного диска радиусом R и массой М момент инерции J₀ относительно точки О равен:For a flat homogeneous disk of radius R and mass M, the moment of inertia J ₀ relative to point O is equal to:

и подставляя (3) в (2) получаемand substituting (3) in (2) we obtain

где Where

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.In FIG. a schematic diagram of a sensitive element for measuring the acceleration of gravity is presented, where 1 is the launch system, 2 is the top axis, O is the base of the axis, 3 is the disk, 4 are reflective segments, 5 is the platform, L ₁ , L ₂ are light sources, D ₁ - receiver of light reflected from reflecting segments, D ₂ - light receiver after the intersection of light by the axis of the top, C - center of gravity of the top.

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 ω₂ 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 ω₂ измеряют по количеству пересечений светового потока от L₂ в единицу времени. Угловую скорость ω₁ волчка определяют по количеству отраженных от светоотражающих сегментов (4) световых импульсов от L₁ поступивших в D₁ за то же время. Полученные импульсы поступают в пересчетные устройства (на фиг. не показаны), где вычисляют угловые скорости вращения волчка ω₁ и угловую скорость прецессии ω₂ и затем по уравнению (4) определяют ускорение силы тяжести и l равно ОС - расстояние от основания оси до центра тяжести волчка.The trigger system (1) of the sensing element spins the top, capturing the upper end of the axis (2) of the top and then rising upwards releases it. In this case, the axis (2) of the top begins to precess around the vertical axis (OZ) with an angular velocity ω ₂ on the platform (5). The light source L ₂ and the receiver D ₂ are opposite each other so that during precession the axis (2) of the top periodically blocks the light flux from the source L ₂ . And the light source L ₁ and the receiver D ₁ are located so that the light from the source L ₁ , reflected from the reflective segments (4), enters the receiver D ₁ . The angular velocity ω _{2 is} measured by the number of intersections of the light flux from L ₂ per unit time. The angular velocity ω _{1 of the} top is determined by the number of light pulses reflected from the reflective segments (4) from L ₁ received in D ₁ at the same time. The obtained pulses are fed to the counting devices (not shown in Fig.), Where the angular velocity of rotation of the top ω ₁ and the angular velocity of the precession ω ₂ are calculated and then the acceleration of gravity is determined by equation (4) and l is equal to OS - the distance from the base of the axis to the center of gravity of the top.

Волчок выполнен в виде диска, например латунного, со светоотражающими сегментами, насаженного на ось из твердого, коррозионно-стойкого материала, например, из стали.The top is made in the form of a disk, for example, brass, with reflective segments, mounted on an axis of a solid, corrosion-resistant material, for example, steel.

Платформа чувствительного элемента выполнена из материала, обладающего высокой твердостью, прочностью и малым коэффициентом трения пары ось волчка - платформа, например, агата.The platform of the sensing element is made of a material having high hardness, strength and a low coefficient of friction of the axis of the top - the platform, for example, agate.

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.For example, optocouplers with an open optical channel such as AOD111A are used as light sources and receivers, or LEDs as a source, and photodiodes as a receiver. Recalculation devices can be performed on the basis of a microprocessor, for example, 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.The start system of the top can be different, for example, made in the form of an accelerating device of two conjugated cones, one of which is located in the upper part of the accelerating device and is rotated, for example, by an electric motor or an air turbine, and the other in the upper part of the axis of the top.

При необходимости выполнения особо точных измерений корпус чувствительного элемента выполняют термостатированным и ваккумитрованным.If it is necessary to perform particularly accurate measurements, the housing of the sensing element is performed thermostatically and vacuumed.

Claims (2)

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.1. The sensitive element of the gravimeter, containing a working element installed in the housing, a working element launch system and an optical information retrieval system connected to a recalculation device, characterized in that the working element is made in the form of a disk-shaped top with reflective segments mounted on a solid platform, mounted on the axis, the optical information retrieval system includes two information retrieval sensors, each of which consists of a light source and receiver, while one of the sensors is installed with ozhnostyu measuring light pulses by the number of intersections of the light flux axis of the top, and the other with the possibility of measuring pulses reflected from the reflective disc segments, with each pick-off sensor is connected to its scaler. 2. Чувствительный элемент по п.1, отличающийся тем, что корпус чувствительного элемента выполняют термостатированным и ваккумитрованным.

2. The sensing element according to claim 1, characterized in that the housing of the sensing element is performed thermostatically and vacuumed.