RU2253882C1

RU2253882C1 - Gravity meter

Info

Publication number: RU2253882C1
Application number: RU2003134584/28A
Authority: RU
Inventors: А.П. Быков (RU); А.П. Быков; В.П. Кулеш (RU); В.П. Кулеш; Л.М. Москалик (RU); Л.М. Москалик; О.Е. Енина (RU); О.Е. Енина
Original assignee: Открытое акционерное общество "Нефтяные контрольно-измерительные приборы" ("Нефтекип")
Priority date: 2003-11-28
Filing date: 2003-11-28
Publication date: 2005-06-10

Abstract

FIELD: gravity meter is used at carrying out high-precision measuring of gravity force and its increase.

SUBSTANCE: gravity meter has a body with distributed in it an elastic element and explorative mass, an arrangement of registration of displacement of explorative mass and a system of processing results. The arrangement of displacement of explorative mass is executed in the form of a laser measuring instrument of displacement with reversing calculation of interference fringes. At that the elastic element has at least two flat springs. The heterodyne laser measuring instrument of displacement with reversing calculation of interference fringes has corner reflectors. The height of the corner reflectors may be located at least in one of the vertical surfaces of symmetry of the elastic element.

EFFECT: increases precision and stability of measuring results and increases operating speed of the gravity meter's work.

8 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области гравитационных измерений, в частности к конструкциям гравиметрических устройств, и может быть использовано при проведении высокоточных измерений силы тяжести или ее приращений.The invention relates to the field of gravitational measurements, in particular to the designs of gravimetric devices, and can be used when conducting high-precision measurements of gravity or its increments.

Известен баллистический лазерный гравиметр, содержащий вакуумную камеру, лазер, светоделитель, по меньшей мере, два уголковых отражателя, по одному в опорном и измерительном плече интерферометра, фотодетектор, блок обработки сигнала и вычислительное устройство (Патент РФ №2193786, МПК7: G 01 V 7/14, опубликован 27.11.2002 г.) - аналог.Known ballistic laser gravimeter containing a vacuum chamber, a laser, a beam splitter, at least two corner reflectors, one each in the reference and measuring arm of the interferometer, a photo detector, a signal processing unit and a computing device (RF Patent No. 2193786, IPC7: G 01 V 7 / 14, published on November 27, 2002) - an analogue.

Известный гравиметр предназначен для измерения абсолютных значений силы тяжести и имеет низкую чувствительность, а следовательно, точность при измерении малых смещений пробной массы. Это обусловлено тем, что ширина интерференционной полосы в нем определяется как λ/2, а дискретность отсчетов в блоке обработки сигнала в лучшем случае четверти интерференционной полосы, т.е. λ/8 или по перемещению, ΔZmin=0,08 мкм, что позволяет сделать вывод о недостаточной точности измерений гравиметра.The known gravimeter is designed to measure the absolute values of gravity and has a low sensitivity, and therefore, accuracy when measuring small displacements of the test mass. This is due to the fact that the width of the interference band in it is defined as λ / 2, and the sampling resolution in the signal processing unit is at best a quarter of the interference band, i.e. λ / 8 or by displacement, ΔZmin = 0.08 μm, which allows us to conclude that the accuracy of gravimeter measurements is insufficient.

Известен гравиметр, содержащий корпус с размещенным в нем упругим элементом, пробную массу, устройство регистрации смещений пробной массы и устройство обработки результатов (Авторское свидетельство СССР №548820, G 01 V 7/02, БИ №8 за 1977 г.) - прототип. Основным недостатком известного гравиметра является низкая точность измерений, что происходит из-за недостаточной точности применяемого емкостного регистратора смещения пробной массы.A known gravimeter comprising a housing with an elastic element housed in it, a test mass, a device for recording displacements of the test mass and a device for processing results (USSR Author's Certificate No. 548820, G 01 V 7/02, BI No. 8 for 1977) is a prototype. The main disadvantage of the known gravimeter is the low accuracy of the measurements, which is due to the insufficient accuracy of the applied capacitive recorder of the displacement of the test mass.

В известном устройстве, также как и в заявляемом гравиметре, используется прямой метод измерения смещения пробной массы в отличие от гравиметров с силовой компенсацией смещения с помощью измерительной пружины.In the known device, as well as in the inventive gravimeter, the direct method of measuring the displacement of the test mass is used, in contrast to gravimeters with force compensation of the displacement using a measuring spring.

Известно, что емкостной метод измерения смещения пробной массы обеспечивает высокую точность только при измерениях его компенсационным методом, при котором величина зазора обеспечивается постоянной, т.е. емкостной датчик выполняет функцию нуль-органа в системе силовой компенсации гравиметра, а в случае прямого метода измерения его динамический диапазон не превышает

что в пересчете на приращение силы тяжести составляет около 0,2 мГал и не является достаточным для проведения измерений с достаточной точностью.It is known that the capacitive method of measuring the displacement of the test mass provides high accuracy only when measured by its compensation method, in which the gap is constant, i.e. the capacitive sensor performs the function of a zero-organ in the power compensation system of the gravimeter, and in the case of a direct measurement method, its dynamic range does not exceed

which in terms of the increment of gravity is about 0.2 mGal and is not sufficient to carry out measurements with sufficient accuracy.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности и стабильности результатов измерений и повышение быстродействия работы гравиметра.The task to which the invention is directed is to increase the accuracy and stability of measurement results and increase the speed of the gravimeter.

Заявленный технический результат достигается тем, что в гравиметре, содержащем корпус с размещенными в нем упругим элементом и пробной массой, устройство регистрации смещения пробной массы и систему обработки результатов, устройство регистрации смещения пробной массы выполнено в виде одного лазерного измерителя перемещений с реверсивным счетом интерференционных полос, содержащего два уголковых отражателя, причем упругий элемент содержит, по меньшей мере, две плоские пружины.The claimed technical result is achieved in that in a gravimeter containing a housing with an elastic element and a test mass placed therein, a test mass displacement recording device and a result processing system, a test mass displacement recording device is made in the form of a single laser displacement meter with a reversible interference fringe count, comprising two corner reflectors, the elastic element comprising at least two flat springs.

В гравиметре устройство регистрации смещения пробной массы может быть снабжено дополнительным регистратором смещения пробной массы.In the gravimeter, the test mass displacement recording device can be equipped with an additional test mass displacement recorder.

В гравиметре в качестве дополнительного регистратора смещения пробной массы может использоваться дополнительный лазерный дифференциальный измеритель перемещений.In the gravimeter, an additional laser differential displacement meter can be used as an additional recorder for the displacement of the test mass.

В гравиметре вершины уголковых отражателей могут быть размещены, по меньшей мере, в одной из вертикальных плоскостей симметрии упругого элемента.In the gravimeter, the vertices of the corner reflectors can be placed in at least one of the vertical planes of symmetry of the elastic element.

В гравиметре упругий элемент и пробная масса расположены в термостатированном корпусе, причем термостат может быть выполнен, по меньшей мере, двухступенчатым.In the gravimeter, the elastic element and the test mass are located in a thermostated housing, and the thermostat can be made at least two-stage.

В гравиметре система обработки результатов может быть выполнена в виде вычислительного устройства.In a gravimeter, the result processing system can be implemented as a computing device.

В гравиметре упругий элемент может иметь форму призмы.In a gravimeter, the elastic element may be in the form of a prism.

Заявляемый гравиметр иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-3.The inventive gravimeter is illustrated by the drawings shown in figures 1-3.

На фиг.1 изображена конструктивная схема гравиметра с устройством регистрации пробной массы в виде лазерного измерителя перемещений с реверсивным счетом интерференционных полос.Figure 1 shows a structural diagram of a gravimeter with a device for recording test mass in the form of a laser displacement meter with a reversible count of interference fringes.

На фиг.2. - оптическая схема устройства регистрации пробной массы, выполненного в виде лазерного измерителя перемещений с реверсивным счетом интерференционных полос.In figure 2. - optical diagram of the device for recording test mass, made in the form of a laser displacement meter with a reversible count of interference fringes.

На фиг.3 - оптическая схема устройства регистрации пробной массы, выполненного в виде лазерного измерителя перемещений с реверсивным счетом интерференционных полос и снабженного дополнительным лазерным дифференциальным измерителем перемещения.Figure 3 is an optical diagram of a test mass recording device made in the form of a laser displacement meter with a reversible count of interference fringes and equipped with an additional laser differential displacement meter.

Гравиметр содержит корпус 1 с размещенными в нем упругим элементом 2 и пробной массой 3, устройство регистрации смещения пробной массы и систему обработки результатов 4.The gravimeter includes a housing 1 with an elastic element 2 and a test mass 3 placed therein, a device for recording the displacement of the test mass and a result processing system 4.

Устройство для регистрации смещения пробной массы выполнено в виде лазерного измерителя перемещений с реверсивным счетом интерференционных полос и расположено как внутри корпуса 1, так и за его пределами, и выполнено состоящим из трех частей: первая из которых расположена вне корпуса 1 (I), вторая - расположена в корпусе 1 и установлена неподвижно относительно него (II), а третья - расположена в корпусе 1 и выполнена с возможностью перемещения относительно части лазерного измерителя перемещений, неподвижно установленного в корпусе 1 (III).The device for recording the displacement of the test mass is made in the form of a laser displacement meter with a reversible count of interference fringes and is located both inside the casing 1 and outside it and is made up of three parts: the first of which is located outside of casing 1 (I), the second - located in the housing 1 and installed motionless relative to it (II), and the third is located in the housing 1 and is configured to move relative to the part of the laser displacement meter, motionlessly installed in the housing 1 (III).

Часть (I) состоит из лазера 5, оптического частотного модулятора 6, установленного вдоль оси лазера 5 и подключенного к задающему генератору 7, фотоприемника 8, поляризатора 9 и фазометра 10, на опорный вход которого подается сигнал с задающего генератора 7, на измерительный вход - сигнал с фотоприемника 8, а выход фазометра подключен к вычислительному устройству 4.Part (I) consists of a laser 5, an optical frequency modulator 6, installed along the axis of the laser 5 and connected to a master oscillator 7, a photodetector 8, a polarizer 9 and a phase meter 10, to the reference input of which a signal is supplied from the master oscillator 7, to the measuring input - the signal from the photodetector 8, and the phasemeter output is connected to the computing device 4.

Часть (II) состоит из зеркальной призмы 11, установленной между уголковыми отражателями 12 и 13 и двулучепреломляющей призмы 14, перед которой установлен светоделитель 15.Part (II) consists of a mirror prism 11 mounted between the corner reflectors 12 and 13 and a birefringent prism 14, in front of which a beam splitter 15 is mounted.

Часть (III) состоит из уголковых отражателей 12 и 13, выполненных с возможностью перемещения, причем для достижения оптимального результата вершины уголковых отражателей могут располагаться, по меньшей мере, в одной из вертикальных плоскостей симметрии упругого элемента 2.Part (III) consists of corner reflectors 12 and 13, made with the possibility of movement, moreover, to achieve the best result, the vertices of the corner reflectors can be located in at least one of the vertical planes of symmetry of the elastic element 2.

Корпус 1 расположен в термостате 16, причем и в корпусе 1, и в термостате 16 выполнены окна для прохождения сигнала лазерного измерителя перемещений с реверсивным счетом интерференционных полос.The housing 1 is located in the thermostat 16, and in the housing 1 and thermostat 16 there are windows for the passage of the signal of the laser displacement meter with a reversible count of interference fringes.

При работе гравиметра в полевых условиях, при его транспортировке из одного пункта измерений к другому, а также при его работе в жестких условиях, например в условиях высокой сейсмики или ударных нагрузок, для расширения режимов работы гравиметра, при которых сохраняются надежность и стабильность его результатов, целесообразно использовать дополнительный регистратор.When operating the gravimeter in the field, when transporting it from one measurement point to another, and also when operating in harsh conditions, for example, in conditions of high seismic or shock loads, to expand the operating conditions of the gravimeter, which maintain the reliability and stability of its results, it is advisable to use an additional registrar.

Дополнительным регистратором может быть любой бесконтактный датчик смещения (датчик координаты): оптронный, световодный, емкостной, оптический, растровый и т.п.An additional registrar can be any non-contact displacement sensor (coordinate sensor): optocoupler, optical fiber, capacitive, optical, raster, etc.

В заявляемом изобретении в качестве дополнительного регистратора может быть использован лазерный дифференциальный измеритель перемещений.In the claimed invention as an additional recorder, a laser differential displacement meter can be used.

Такой лазерный дифференциальный измеритель перемещений с независимой шкалой имеет ряд преимуществ перед другими аналогичными устройствами, так как его принцип действия основан на том же принципе, что и основное устройство для регистрации смещений пробной массы, выполненное в виде лазерного измерителя перемещений с реверсивным счетом интерференционных полос. В его работе используются уже имеющиеся пучки излучения, используется такой же фазометр, который в настоящее время легко выполняется многоканальным (в заявляемом устройстве применяется четырехканальный фазометр).Such a laser differential displacement meter with an independent scale has several advantages over other similar devices, since its principle of operation is based on the same principle as the main device for detecting test mass displacements, made in the form of a laser displacement meter with a reversible interference fringe count. In his work, existing radiation beams are used, the same phasometer is used, which is now easily multichannel (the inventive device uses a four-channel phase meter).

Дополнительный лазерный дифференциальный датчик перемещений может содержать положительную линзу 17, дополнительную двулучепреломляющую призму 18, положительную линзу 19, выполненную с возможностью перемещения диафрагму 20, жестко связанную с подвижной частью упругого элемента 2, фотоприемник 21, перед которым установлен поляризатор 22, ориентированный своими осями под углом 45 градусов к направлениям поляризации пучков. Выход фотоприемника 21 подключен к измерительному входу дополнительного фазометра 23, к опорному входу которого подается сигнал с задающего генератора 7, а выход дополнительного фазометра 23 подключен к вычислительному устройству 4. Положительные линзы 17 и 19 образуют телескопическую систему, то есть задний фокус положительной линзы 17 совпадает с передним фокусом положительной линзы 19. Расположенная между линзами двулучепреломляющая призма 18 идентична призме 15 основного лазерного измерителя перемещений с реверсивным счетом интерференционных полос, но, как правило, имеет меньшую длину в направлении пучков для уменьшения размеров конструкции гетеродинного лазерного измерителя перемещений с реверсивным счетом интерференционных полос.The additional laser differential displacement sensor may include a positive lens 17, an additional birefringent prism 18, a positive lens 19, capable of moving the diaphragm 20, rigidly connected with the moving part of the elastic element 2, a photodetector 21, in front of which there is a polarizer 22, oriented at an angle with its axes 45 degrees to the polarization directions of the beams. The output of the photodetector 21 is connected to the measuring input of the additional phasemeter 23, to the reference input of which a signal is supplied from the master oscillator 7, and the output of the additional phasemeter 23 is connected to the computing device 4. Positive lenses 17 and 19 form a telescopic system, that is, the back focus of the positive lens 17 coincides with the front focus of the positive lens 19. The birefringent prism 18 located between the lenses is identical to the prism 15 of the main laser displacement meter with a reversible interference count nnyh bands, but, as a rule, has a smaller length in the direction of the beams to reduce the dimensions of the structural heterodyne laser displacement meter with reversing account of interference fringes.

Упругий элемент, может иметь, например, рамочную конструкцию, как это показано на приведенных чертежах.The elastic element may have, for example, a frame structure, as shown in the drawings.

Достижение указанного технического результата при работе заявляемого гравиметра, в котором в качестве устройства регистрации смещения пробной массы используется лазерный измеритель перемещений с реверсивным счетом интерференционных полос, обосновывается следующим.The achievement of the specified technical result during the operation of the inventive gravimeter, in which a laser displacement meter with a reversible count of interference fringes is used as a device for recording the displacement of the test mass, is justified by the following.

Пучок излучения лазера 5 с линейной поляризацией направляется в оптический частотный модулятор 6 (ОЧМ), осуществляющий сдвиг частоты излучения на величину Ω, равной частоте задающего генератора 7. На выходе ОЧМ 6 излучение представляет собой два соосных пучка с взаимно ортогональной поляризацией Е_х и E_z:The radiation beam of a linearly polarized laser 5 is directed to an optical frequency modulator 6 (OFDM), which shifts the radiation frequency by an amount Ω equal to the frequency of the master oscillator 7. At the output of the OFDM 6, the radiation is two coaxial beams with mutually orthogonal polarization E _x and E _z :

где ω - круговая частота излучения лазера,where ω is the circular frequency of the laser radiation,

φ₀ - некоторая начальная фаза.φ ₀ is some initial phase.

Пучки E_x и E_z проходят через двулучепреломляющую призму 14, которая ориентирована своими кристаллографическими осями по осям ОХ и OZ. На выходе двулучепреломляющей призмы 14 пучки(1) пространственно разделяются в плоскости yOz, оставаясь параллельными друг другу. Далее с помощью прямоугольной зеркальной призмы 11 пучки направляются соответственно на верхний 12 и нижний 13 уголковые отражатели. Пройдя уголковые отражатели 12 и 13, пучки затем отражаются обратно от граней той же зеркальной призмы 11, проходят в обратном направлении по тому же пути и с помощью светоделителя 15 направляются на фотоприемник 8, перед которым установлен поляризатор 9, ориентированный своими осями под углом 45 градусов к направлениям поляризации падающих на него соосных пучков.The beams E _x and E _z pass through a birefringent prism 14, which is oriented by its crystallographic axes along the axes OX and OZ. At the output of the birefringent prism 14, the beams (1) are spatially separated in the yOz plane, remaining parallel to each other. Then, using a rectangular mirror prism 11, the beams are directed respectively to the upper 12 and lower 13 corner reflectors. After passing through the corner reflectors 12 and 13, the beams are then reflected back from the faces of the same mirror prism 11, pass in the opposite direction along the same path, and with the help of a beam splitter 15 are sent to a photodetector 8, in front of which there is a polarizer 9, oriented with its axes at an angle of 45 degrees to the directions of polarization of the coaxial beams incident on it.

Если перемещение по оси OZ верхнего уголкового отражателя - Δz₁, а нижнего - Δz₂, то на входе в фотодетектор излучение пуков Е_х и E_z можно записать в видеIf the movement along the OZ axis of the upper corner reflector is Δz ₁ and the lower one is Δz ₂ , then at the entrance to the photodetector the radiation of the bundles E _x and E _z can be written as

где к=2πn/λ - волновое число.where k = 2πn / λ is the wave number.

На фотоприемнике 8 пучки Е_х и E_z интерферируют, выходной фототок I с фотоприемника имеет видAt the photodetector 8, the beams E _x and E _z interfere, the output photocurrent I from the photodetector has the form

Сигнал (4) представляет собой биения на частоте Ω, а фаза содержит информацию о смещении Δz. Сигнал (4) подается на измерительный вход фазометра 10, например электронного фазометра, с реверсивным счетом фазовых циклов, опорным сигналом для которого служит сигнал u~cos(Ωt+φ₀) с задающего генератора 7. Полная разность фаз на выходе фазометра 11 имеет видSignal (4) represents beats at a frequency Ω, and the phase contains information about the offset Δz. The signal (4) is fed to the measuring input of a phase meter 10, for example, an electronic phase meter, with a reversed phase cycle count, the reference signal for which is the signal u ~ cos (Ωt + φ ₀ ) from the master oscillator 7. The total phase difference at the output of the phase meter 11 has the form

где φ₀ - некоторый постоянный фазовый сдвиг, который далее примем равным нулю.where φ ₀ is a certain constant phase shift, which we further assume equal to zero.

Так как уголковые отражатели 12 и 13 жестко связаны друг с другом, то Δz₂=-Δz₂=Δz.Since the corner reflectors 12 and 13 are rigidly connected to each other, then Δz ₂ = -Δz ₂ = Δz.

Тогда разность фаз (5) равнаThen the phase difference (5) is equal to

Это значение разности фаз (6) в виде числового массива поступает на вычислительное устройство 4, в котором вычисляется Δz, и по нему определяется приращение Δg силы тяжести, по заранее определенному путем градуировки пересчетному коэффициенту, как и для любого гравиметра.This value of the phase difference (6) in the form of a numerical array is supplied to the computing device 4, in which Δz is calculated, and the increment Δg of gravity is determined from it, according to a conversion factor predetermined by calibration, as for any gravimeter.

Так как измерительные плечи в схеме предлагаемого устройства лазерного измерителя перемещений с реверсивным счетом интерференционных полос идентичны друг другу, то при малых относительных смещениях элементов неподвижной части схемы, например лазера 5 относительно остальной части устройства, длины измерительных плеч изменяются на одинаковую величину, что не сказывается на результате измерения.Since the measuring arms in the scheme of the proposed device of the laser displacement meter with a reversible count of interference fringes are identical to each other, with small relative displacements of the elements of the fixed part of the circuit, for example, laser 5 relative to the rest of the device, the lengths of the measuring arms change by the same amount, which does not affect result of measurement.

При изменении температуры окружающей среды вследствие теплового расширения материала подвижной части лазерного измерителя перемещений с реверсивным счетом интерференционных полос уголковые отражатели 12 и 13 смещаются на величину δz₁ и δz₂соответственно в противоположных направлениях. При симметричном расположении уголковых отражателей 12 и 13 относительно зеркальной призмы 11 получаем - δz₁=δz₂. Подставляя эти значения в формулу (5), получим δФ=0, т.е. изменения температуры окружающей среды не сказывается на результате измерения перемещения подвижного звена лазерного измерителя перемещений с реверсивным счетом интерференционных полос относительно неподвижного, и точность измерений повышается.When the ambient temperature changes due to thermal expansion of the material of the moving part of the laser displacement meter with a reversible count of interference fringes, the corner reflectors 12 and 13 are shifted by the values of δz ₁ and δz _2, respectively, in opposite directions. With a symmetrical arrangement of the corner reflectors 12 and 13 relative to the mirror prism 11, we obtain - δz ₁ = δz ₂ . Substituting these values in formula (5), we obtain δФ = 0, i.e. changes in ambient temperature does not affect the result of measuring the movement of the moving link of the laser displacement meter with a reversible count of interference fringes relative to the stationary one, and the measurement accuracy is improved.

С другой стороны, если уголковые отражатели 12 и 13 закрепить несимметрично на упругом элементе 2, то, подбирая материал детали, на которой закреплены уголковые отражатели и/или подбирая точку их крепления, можно точно скомпенсировать температурную зависимость модуля упругости материала упругого элемента.On the other hand, if the corner reflectors 12 and 13 are mounted asymmetrically on the elastic element 2, then, selecting the material of the part on which the corner reflectors are fixed and / or selecting the point of their attachment, it is possible to precisely compensate the temperature dependence of the elastic modulus of the material of the elastic element.

Применение дополнительного регистратора для получения оптимальных характеристик гравиметра целесообразно, кроме указанных выше, еще и в том случае, если приращение силы тяжести Δg превосходит величину, при которой соответствующее значение разности фаз больше или равно 2π, что обосновывается следующим.The use of an additional recorder to obtain the optimal characteristics of the gravimeter is advisable, in addition to the above, also if the increment of gravity Δg exceeds the value at which the corresponding value of the phase difference is greater than or equal to 2π, which is justified as follows.

Полная разность фаз в формуле (6) может быть записана в видеThe total phase difference in formula (6) can be written as

где N - целое число фазовых циклов или интерференционных полос, посчитанное счетчиком при прохождении смещения Δz, Λ=λ/8 - ширина интерференционной полосы для рассматриваемого измерителя перемещений, δФ - дробная часть фазы, в пределах 2π.where N is the integer number of phase cycles or interference fringes calculated by the counter when passing the displacement Δz, Λ = λ / 8 is the width of the interference fringe for the considered displacement meter, δФ is the fractional part of the phase, within 2π.

Для того чтобы определять однозначно полную разность фаз (7), предлагается использовать, по крайней мере, один дополнительный регистратор смещения пробной массы.In order to determine unambiguously the total phase difference (7), it is proposed to use at least one additional test mass displacement recorder.

Пусть дополнительный регистратор смещения пробной массы имеет функцию преобразования видаLet the additional trial mass displacement recorder have a conversion function of the form

Если полный диапазон смещения равен Z, выходной сигнал, то есть функция U, должна быть однозначной на данной области определения 0≤Δz≤Z. В этом случае существует однозначная обратная функция Δz=f^-1(U). Так как величина Δz как в формуле (7), так и в формуле (8) есть результат измерения одного и того же смещения, то между ними можно поставить знак приближенного равенстваIf the full range of the bias is Z, the output signal, that is, the function U, must be unique in this area of definition 0≤Δz≤Z. In this case, there exists a unique inverse function Δz = f ^-1 (U). Since the quantity Δz both in formula (7) and in formula (8) is the result of measuring the same displacement, we can put an approximate equal sign between them

так как точность измерения смещения в основном и дополнительном каналах различна.since the accuracy of measuring the displacement in the primary and secondary channels is different.

Формулу (9) также можно переписать в видеFormula (9) can also be rewritten as

откуда число целых циклов фазы приближенно равноwhence the number of whole phase cycles is approximately equal

Если погрешность измерения смещения с помощью дополнительного регистратора меньше перемещения в 0.5ΛIf the error in measuring the displacement using the additional recorder is less than the displacement of 0.5Λ

то N можно найти путем округления до ближайшего целогоthen N can be found by rounding to the nearest integer

где int(x) - функция целой части числа х.where int (x) is the function of the integer part of x.

Тогда искомое значение смещения Δz равноThen, the desired displacement Δz is

Уравнение (12) позволяет найти однозначно смещение Δz в диапазоне Z или, что то же самое, в полном диапазоне изменения силы тяжести.Equation (12) makes it possible to find unambiguously the displacement Δz in the Z range or, which is the same, in the full range of gravity changes.

Если условие (10) для дополнительного регистратора невыполнимо, может потребоваться еще один дополнительный регистратор, в качестве которого может использоваться любой бесконтактный датчик смещения (датчик координаты), который будет удовлетворять заданным условиям.If condition (10) for the additional recorder is not feasible, another additional registrar may be required, which can be any contactless displacement sensor (coordinate sensor) that will satisfy the given conditions.

При работе гравиметра на выходе двулучепреломляющей призмы 18 получаются два расходящихся пучка, оси которых параллельны, лежат в плоскости yOz, а расстояние между ними - d. На выходе линзы 19 пучки становятся коллимированными и пересекаются в задней фокальной плоскости этой линзы. Если перед фокальной плоскостью поместить поляризатор 22, распределение интенсивности света в фокальной плоскости описывается уравнениемWhen the gravimeter is operating at the output of the birefringent prism 18, two diverging beams are obtained, the axes of which are parallel, lie in the yOz plane, and the distance between them is d. At the output of the lens 19, the beams become collimated and intersect in the rear focal plane of this lens. If a polarizer 22 is placed in front of the focal plane, the distribution of light intensity in the focal plane is described by the equation

где

W - фокусное расстояние линзы 19.Where

W is the focal length of the lens 19.

Распределение (13) представляет собой пространственную решетку с периодом Λ₁. На выходе диафрагмы 20, если ее размер поперек решетки много меньше ее периода, интенсивность света описывается тем же выражением (13).Distribution (13) is a spatial lattice with a period Λ ₁ . At the exit of the diaphragm 20, if its size across the grating is much smaller than its period, the light intensity is described by the same expression (13).

Уравнение (13) аналогично уравнению (4) для основного канала лазерного измерителя перемещений с реверсивным счетом интерференционных полос, но с другим значением интерференционной полосы Λ₁. Оптический сигнал (13) попадает на фотоприемник 21, сигнал с которого подается на второй канал фазометра 10. Так как

то

следовательно, чувствительность дополнительного канала регистратора много меньше чем основного.Equation (13) is similar to equation (4) for the main channel of a laser displacement meter with a reversible count of interference fringes, but with a different interference fringe value Λ ₁ . The optical signal (13) hits the photodetector 21, the signal from which is fed to the second channel of the phasemeter 10. Since

then

therefore, the sensitivity of the additional channel of the recorder is much less than the main.

Заявляемый гравиметр работает следующим образом. Приращение силы тяжести Δg вызывает изменение веса пробной массы 3, что приводит к деформации упругого элемента 2 по оси OZ, и, как следствие, к смещению уголковых отражателей 12 и 13, что в свою очередь приводит к возникновению оптической разности хода из-за изменения расстояния (геометрической разности хода) между уголковыми отражателями 12 и 13 и зеркальной призмой 11. Оптическая разность хода приводит к появлению фазового сдвига в сигнале с фотоприемника 8 по отношению к сигналу с задающего генератора 7 и, как следствие, возникает фазовый сдвиг, содержащий информацию о величине смещения упругого элемента 2, которое измеряется фазометром 10 и передается на вычислительное устройство 4, в котором сигнал обрабатывается и выводится на монитор.The inventive gravimeter works as follows. The increment of gravity Δg causes a change in the weight of the test mass 3, which leads to deformation of the elastic element 2 along the OZ axis, and, as a result, to the displacement of the corner reflectors 12 and 13, which in turn leads to the appearance of an optical path difference due to a change in distance (geometric path difference) between the corner reflectors 12 and 13 and the mirror prism 11. The optical path difference leads to a phase shift in the signal from the photodetector 8 relative to the signal from the master oscillator 7 and, as a result, a phase shift occurs, containing information about the displacement of the elastic element 2, which is measured by a phase meter 10 and transmitted to the computing device 4, in which the signal is processed and displayed on the monitor.

В случае наличия дополнительного регистратора лазерный измеритель перемещений с реверсивным счетом интерференционных полос работает в том же режиме, но одновременно со смещением уголковых отражателей 12 и 13 происходит смещение на ту же величину и диафрагмы 20, что приводит к приращению фазы сигнала с фотоприемника 21 по отношению к фазе сигнала с задающего генератора 7 на величину ≤2π. Это приращение измеряется фазометром 23, для которого опорным сигналом является также сигнал с задающего генератора 7. Сигнал с фазометра 23 передается на вычислительное устройство 4, на которое поступает также и сигнал с лазерного измерителя перемещений с реверсивным счетом интерференционных полос. В вычислительном устройстве анализируются значения фазовых сдвигов, поступивших с обоих устройств, что в результате позволяет определить величину Δg с достоверностью, близкой к 1, даже для случаев работы гравиметра в условиях повышенной микросейсмики, ударных воздействий и т.д.In the case of an additional recorder, the laser displacement meter with a reversible count of interference fringes operates in the same mode, but simultaneously with the shift of the corner reflectors 12 and 13, the diaphragm 20 is shifted by the same amount, which leads to an increase in the phase of the signal from the photodetector 21 with respect to phase of the signal from the master oscillator 7 by a value of ≤2π. This increment is measured by the phase meter 23, for which the reference signal is also the signal from the master oscillator 7. The signal from the phase meter 23 is transmitted to the computing device 4, which also receives the signal from the laser displacement meter with a reversible count of interference fringes. The computing device analyzes the values of the phase shifts received from both devices, which as a result allows us to determine the Δg value with a reliability close to 1, even for cases when the gravimeter is operating under conditions of increased microseismic, shock, etc.

Рассмотрим численный пример.Consider a numerical example.

1) для случая выполнения устройства регистрации пробной массы в виде лазерного измерителя перемещений с реверсивным счетом интерференционных полос.1) for the case of the implementation of the registration device of the test mass in the form of a laser displacement meter with a reversible account of interference fringes.

Для примера оценим чувствительность или разрешающую способность предлагаемого устройства. Для He-Ne лазера λ=0,6328 мкм. Современные фазометры позволяют измерять фазовый сдвиг с точностью ~2π/3000. В пересчете на смещение это составит ~0,025 нм, что в перерасчете на приращение силы тяжести составит ≈0,005 мГал.For example, we evaluate the sensitivity or resolution of the proposed device. For a He-Ne laser, λ = 0.6328 μm. Modern phase meters make it possible to measure the phase shift with an accuracy of ~ 2π / 3000. In terms of displacement, this will be ~ 0.025 nm, which in terms of the increment of gravity will be ≈0.005 mGal.

2) для случая выполнения устройства регистрации пробной массы в виде лазерного измерителя перемещений с реверсивным счетом интерференционных полос и дополнительного регистратора.2) for the case of the implementation of the registration device of the test mass in the form of a laser displacement meter with a reversible account of interference fringes and an additional registrar.

Характерное смещение пробной массы для предлагаемого гравиметра при изменении силы тяжести на 8000 мГал (максимальное изменение силы тяжести в земных условиях) составляет 40 мкм. Для однозначного измерения смещения с помощью дополнительного лазерного измерителя перемещений с реверсивным счетом интерференционных полос должно быть Λ₁<40 мкм. Абсолютная погрешность измерения согласно (10) должна быть меньше Λ/2, где Λ=0,08 мкм, относительная - меньше 0,08 мкм/40 мкм = 1/500. В терминах измерения фазы в интерферометрах погрешность измерения должна быть не хуже 1/500 доли интерференционной полосы. Как отмечалось выше, современные фазометры позволяют измерять фазовый сдвиг с точностью 1/3000, то есть в нашем случае достаточно одного дополнительного регистратора для однозначного определения смещения пробной массы с помощью лазерного интерферометра.The characteristic displacement of the test mass for the proposed gravimeter with a change in gravity by 8000 mGal (the maximum change in gravity in terrestrial conditions) is 40 microns. To unambiguously measure the displacement using an additional laser displacement meter with a reversible count of interference fringes, Λ ₁ <40 μm. The absolute measurement error according to (10) should be less than Λ / 2, where Λ = 0.08 μm, relative - less than 0.08 μm / 40 μm = 1/500. In terms of phase measurement in interferometers, the measurement error should be no worse than 1/500 of the interference band fraction. As noted above, modern phase meters allow you to measure the phase shift with an accuracy of 1/3000, that is, in our case, one additional recorder is enough to uniquely determine the displacement of the test mass using a laser interferometer.

Claims

1. A gravimeter comprising a housing with an elastic element placed therein with flat springs and test mass, a test mass displacement recording device and a result processing system, characterized in that the test mass displacement registration device is made in the form of a laser displacement meter with a reversible interference fringe count, containing two corner reflectors mounted on an elastic element.

2. The gravimeter according to claim 1, characterized in that the device for recording the bias of the test mass is equipped with an additional recorder of the bias of the test mass.

3. The gravimeter according to claim 2, characterized in that an additional laser differential displacement meter is used as an additional recording mass displacement recorder.

4. The gravimeter according to claim 1, characterized in that the vertices of the corner reflectors are placed in at least one of the vertical planes of symmetry of the elastic element.

5. The gravimeter according to claim 1, characterized in that the elastic element and the test mass are located in a thermostated housing.

6. The gravimeter according to claim 5, characterized in that the thermostat is made of at least two stages.

7. The gravimeter according to claim 1, characterized in that the results processing system is made in the form of a computing device.

8. The gravimeter according to claim 1, characterized in that the elastic element has the shape of a prism.