EA006191B1 - Устройство для измерения градиентов силы тяжести - Google Patents

Abstract

Предложено устройство для измерения квазистатических градиентов силы тяжести, содержащее гибкую струну (1) и средства вывода для формирования выходного сигнала как функции градиентов силы тяжести, причем струна закреплена на обоих концах (2, 2'), а устройство содержит воспринимающие средства (L1, L2) для обнаружения поперечных смещений струны из исходного положения в состоянии покоя, обусловленных градиентом силы тяжести вокруг струны, при этом средства вывода выполнены с возможностью реагирования на обнаруженное смещение для формирования выходного сигнала как функции градиента силы тяжести, а устройство также содержит средства (30), установленные в положении, соответствующем средней точке между закрепленными концами струны, и выполненные с возможностью предотвращения перемещений струны, соответствующих всем нечетным модам, начиная с С-моды струны, и с отсутствием возможности влияния по меньшей мере на перемещение струны, соответствующее второй фундаментальной моде (S-моде) струны.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к гравитационной градиентометрии, в частности к способу абсолютного измерения компонент тензора градиента силы тяжести.

Предшествующий уровень техники

Тензор градиента сила тяжести - это двумерная матрица вторых частных производных гравитационного потенциала V относительно произвольной системы декартовых координат х, у, ζ. Он представляет изменение вектора силы тяжести в каждом из указанных направлений вдоль осей системы.

Точные абсолютные измерения компонент тензора градиентов силы тяжести Τ_ι__ι=ό’² _ι__ιν (у=х, у, ζ), взятые в некоторой локальной системе координат ΟΧΥΖ, имеют большое значение для развития таких областей, как геологоразведочные работы, составление карт гравитационного поля Земли, космическая, морская и подводная навигация.

Способ абсолютного измерения компонент тензора градиента силы тяжести был впервые изобретен бароном Роландом фон Этвёш еще в 1890 году, в способе был применен гравитационный вариометр с контрольными массами, подвешенными на разной высоте к горизонтальному балансиру, висящему на тонкой нити. Градиенты силы тяжести вызывают дифференциальные силы, прикладываемые к массам, которые обусловливают действие на балансир крутящего момента, что вызывает угловое смещение масс, которое можно обнаружить с помощью соответствующего датчика. Может быть достигнута чувствительность, равная примерно 1 Е (1 Е=1 Этвёш=10^-9 с^-2), но измерение проводится в течение нескольких часов в одной позиции, так как необходимо пересчитывать компоненты градиентов силы тяжести из по меньшей мере пяти независимых измерений углового смещения каждой массы при разном азимутальном угле.

Используемые на практике устройства, сконструированные в соответствии с этим основным принципом, имеют большие размеры и низкую защищенность от помех окружающей среды. Таким образом, для проведения измерений необходимы специально подготовленные условия, что исключает любую возможность использования этих устройств на движущемся несущем элементе.

Способ абсолютного измерения компонент тензора градиента силы тяжести, который усовершенствовал вышеописанный способ, был изобретен Форвардом в середине шестидесятых годов (патенты США 3,722,284 (Форвард и др.) и 3,769,840 (Хансен)). Способ включает установку как гантелеобразного осциллятора, так и датчика смещения на платформе, которая равномерно вращается в горизонтальной плоскости с некоторой частотой Ω вокруг оси торсионной нити. Затем гантель перемещается в вынужденном колебании с удвоенной скоростью вращения, в то время как многие источники ошибок и помех модулируются при частоте вращения или не модулируются (в частности, помехи или шум 1/Т). Амплитуда вынужденного колебания максимальна, когда частота вращения удовлетворяет условию резонанса 2Ω=ω₀, где ω₀ - угловая резонансная частота, а добротность Ω осциллятора стремится к бесконечности. В отличие от способа, в котором вращение не предусмотрено, данный способ позволяет быстро определить количественные значения Туу-Т_хх и Т_ху путем разделения квадратурных компонент характеристики, используя синхронное детектирование с опорным сигналом частотой 2Ω.

Те же принципы можно использовать, как было предложено Мецгером (патент США 3,564,921), если заменить гантелеобразный осциллятор на два или более акселерометра, ориентированных должным образом на подобной движущейся платформе. Данное решение не имеет новых отличительных признаков по сравнению с предыдущим, за исключением того, что выводы пар акселерометров требуют дополнительной балансировки.

Были сконструированы устройства, реализующие этот способ, но проблем было больше, чем преимуществ, главным образом, из-за необходимости поддерживать строго равномерное вращение и измерять незначительное смещение относительно вращающейся системы координат. Максимальная рабочая точность, достигнутая этими устройствами, составляла несколько десятков Этвёш за один интервал измерений, равный 1 с, и они чрезвычайно чувствительны к вибрационным помехам окружающей среды вследствие свойственных этим устройствам относительно низких резонансных частот. Технологические проблемы, возникающие в данном случае, настолько трудно преодолеть, что существующие разработанные конструкции вращающихся градиентометров силы тяжести показывают точность измерения намного более низкую, чем ограничительные теоретические оценки.

В публикации \УО96/10759 описаны способ и устройство для измерения двух недиагональных компонент тензора градиента силы тяжести. В соответствии с данным документом вторая фундаментальная мода (8-мода) стационарной гибкой струны с закрепленными концами связана с недиагональным градиентом силы тяжести, в то время как ее первая фундаментальная мода (С-мода) связана с эффективным, то есть усредненным с весовой функцией по длине струны, поперечным ускорением свободного падения. Другими словами, струна с закрепленными концами изгибается в свою 8-моду только под действием градиента силы тяжести при условии, что она не совершает никаких угловых перемещений. Поэтому путем абсолютного измерения механического смещения подобной струны, которое соответствует 8-моде, можно измерить абсолютным методом недиагональную компоненту тензора градиента силы тяжести.

- 1 006191

Так как гибкая струна имеет две 8-проекции в двух перпендикулярных вертикальных плоскостях, можно, в принципе, измерить одновременно два недиагональных градиента силы тяжести, скажем, Τ_χζ и Т .. если ось Ζ локальной системы координат ориентирована вдоль струны.

Если струна не стационарна, т.е. если струна размещена на движущейся платформе, например на самолете или корабле, то кинематические ускорения, которые возникают при линейных и угловых перемещениях платформы, влияют либо на 8-моду, либо на С-моду струны.

Способность такой струны изгибаться либо в сигнальную моду (8-мода), либо в паразитную моду (С-мода) одновременно вводит дополнительные помехи, и необходимо принять специальные меры для компенсации С-моды с помощью системы считывания, которая примыкает к струне. Данная проблема подобна хорошо известной проблеме компенсации помехи общего вида дифференциального акселерометра, который является обычным элементом конструкции переносных градиентометров силы тяжести.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание устройства для измерения градиентов силы тяжести, обладающего повышенной чувствительностью, портативностью и помехоустойчивостью по сравнению с описанными выше известными системами.

Другой задачей настоящего изобретения является создание нового устройства для абсолютного измерения либо недиагональных, либо всех компонент тензора градиента силы тяжести, в котором эффект вращения заменен взаимодействием параметрической силы между воспринимающим элементом и контуром активной обратной связи, посредством чего достигнута повышенная чувствительность и помехоустойчивость.

Еще одной задачей настоящего изобретения является простое технологическое осуществление вышеуказанного устройства с использованием преимущества усовершенствованных криогенных методик, которые показали возможность обеспечить максимальную чувствительность для измерений механического смещения и удерживание внутренних помех на минимальном уровне.

Для решения указанных задач настоящее изобретение предлагает устройство для измерения квазистатических градиентов силы тяжести, содержащее гибкую струну и средства вывода для формирования выходного сигнала как функции градиентов силы тяжести. Оба конца струны закреплены, а устройство содержит воспринимающие средства для обнаружения поперечных смещений струны из исходного положения в состоянии покоя, обусловленных градиентом силы тяжести вокруг струны. Средства вывода выполнены с возможностью реагирования на обнаруженное смещение для формирования выходного сигнала как функции градиентов силы тяжести. Устройство также содержит средства, установленные в положении, соответствующем средней точке между закрепленными концами струны, и выполненные с возможностью предотвращения перемещений струны, соответствующих всем нечетным модам, начиная с С-моды струны, и с отсутствием возможности влияния на, по меньшей мере, перемещение струны, соответствующее второй фундаментальной моде (8-моде) струны. Это обеспечивается за счет того, что в 8моде средняя точка струны не совершает перемещение, в то время как во всех нечетных модах соответствующие смещения струны максимальны в этой точке.

Отсутствуют какие-либо конкретные ограничения в отношении материала или конструкции струны. Понятие «струна» включает в себя любой удлиненный натяжной элемент, который может отклоняться в поперечном направлении под действием гравитационного поля и который способен обеспечить возвратную силу. В одном варианте струна представляет собой металлическую пластинку, в другом металлический провод.

Гибкая струна с закрепленными концами в состоянии покоя образует абсолютно прямую линию в пространстве, проходящую через точки, в которых закреплены концы струны. Эту линию можно обозначить как одну из осей локальной системы координат, скажем, Ζ, а две другие оси, Х и Υ, расположены в перпендикулярной к струне плоскости. Любое отклонение от этого исходного положения вызвано абсолютными величинами поперечных компонент силы на единицу длины, которая прикладывается к каждому единичному элементу струны.

8-смещение струны из исходного положения в состоянии покоя можно легко обнаружить с помощью любого подходящего датчика механического смещения.

Струна предпочтительно изготовлена из материала, обладающего высокой проводимостью, или сверхпроводящего материала. В обоих случаях, если по струне протекает электрический ток, магнитное поле распределено в поперечной плоскости и по длине струны. Если струна изготовлена из сверхпроводящего материала, то она допускает прохождение большего по величине тока. Соответственно, можно получить более высокую чувствительность к механическому смещению. В струне можно создать постоянный ток или переменный ток путем непосредственного включения струны в токонесущую цепь или с помощью индуктивной связи с цепью или цепями накачки при условии, что струна образует часть замкнутого проводящего или сверхпроводящего контура. Использование переменного тока предпочтительно в плане возможности синхронного обнаружения выходного сигнала. В одном примере осуществления изобретения «струна» выполнена в виде металлической пластинки, смещающейся только в направлении, перпендикулярном плоскости пластинки. Концы пластинки могут быть закреплены зажимами. Вся конфигурация может быть помещена в ящик из такого же материала для совпадения коэффициентов теплового расширения.

- 2 006191

Когда по струне течет ток, поперечное магнитное поле вокруг струны может взаимодействовать с другими индукторами, которые могут быть изготовлены из сверхпроводящих материалов, посредством индуктивной связи. Амплитуда тока, наведенного в индукторе, расположенном рядом со струной, будет непосредственно зависеть от расстояния, на котором струна находится от этого индуктора. В предпочтительном примере осуществления изобретения две чувствительные катушки размещены вдоль струны и действуют в качестве средств восприятия смещения, а ток, наведенный в каждой катушке, может действовать в качестве несущего тока сигнала высокочастотной модуляции гетеродинного типа для любых низкочастотных смещений струны.

В предпочтительном примере осуществления изобретения средства восприятия содержат по меньшей мере два датчика и, возможно, чувствительные катушки, размещенные симметрично в продольном направлении по отношению к средней точке струны.

В другом предпочтительном примере осуществления изобретения датчики смещения, например чувствительные катушки, размещены рядом со струной в двух непараллельных, предпочтительно ортогональных плоскостях, чтобы обеспечить возможность измерения смещения струны одновременно в двух поперечных направлениях.

Если струна представляет собой круглый провод, который может смещаться более чем в одной плоскости, указанные средства, установленные в средней точке, предпочтительно выполнены в виде кольца с ножевой опорой. Допуски для получения необходимого контакта очень жесткие. Если отверстие кольца чуть больше необходимого, то никакого эффекта не будет. Тем не менее, если отверстие чуть меньше, то струна не пройдет сквозь него. Материал струны и материал кольца должны иметь почти равные коэффициенты теплового расширения для обеспечения устойчивого контакта. Рубин, или сапфир, и вольфрам представляют собой пару материалов, коэффициенты теплового расширения которых идеально совпадают.

Один из способов изготовления кольца со столь малыми и точными размерами заключается в использовании алмазного сверла для рассверливания блока из рубина или аналогичного материала сверху и снизу. Этот способ позволяет изготовить рубиновое кольцо с размерами достаточной точности, ножевая опора которого направлена радиально внутрь.

В другом примере осуществления изобретения, когда струна представляет собой металлическую пластинку, две подобные пластинки могут быть расположены под прямым углом друг к другу. Указанные средства, установленные в средней точке струны, отфильтровывает все нежелательные нечетные моды вибрации, не влияя на динамические свойства нужной 8-образной моды. Другими словами, устройство должно обеспечить точечный или ножевой контакт со струной, не оказывая на нее никакого силового воздействия.

Если «струна» имеет форму металлической пластинки, нет необходимости протягивать ее через средства, установленные в средней точке. Следовательно, эти средства могут быть выполнены, например, в виде зажимов с направленными внутрь ножевыми опорами, которые установлены по отдельности сверху и снизу пластинки. Ножевые опоры, обеспечивающие узкий контакт с пластинкой, можно установить на любом материале, коэффициент теплового расширения которого близок к коэффициенту теплового расширения материала, выбранного для изготовления зажимов, а размеры и коэффициенты теплового расширения опорной конструкции можно выбрать из условия компенсации расширения или сжатия пластинки в направлении, перпендикулярном плоскости пластинки.

Для упрощенного математического описания такой «удерживаемой» струны рассмотрим смещение гибкой струны длиной 1 из исходного положения в состоянии покоя, скажем, в направлении по оси х вышеописанной локальной системы координат как функцию ζ-координаты единичного элемента и времени, χ(ζ, ΐ). Это можно описать с помощью следующего дифференциального уравнения:

$2д η—-х(гД) + к—χ(ζ,ΐ)-α—-χ(ζ,ί) + В—-χίζ,ί) =

Ы² 8ί δζ²8ζ =η[9χ(θ. 0 ⁺ Τχζ(0, ί) ζ] + тепловые помехи(1) с граничными условиями на соответствующих закрепленных концах струны и условием отсутствия смещения средней точки струны, то есть х(0, 1)=х('1/2,1)=х(1, ΐ)=0.

В этом уравнении η означает массу струны на единицу длины, α и β - положительные константы, которые определяют силу возврата на единицу длины струны. Величины д_х(0, ΐ) и Τ_χζ(0, ΐ) являются аб удовлетворяют граничным условиям солютными значениями х-компоненты гравитационного ускорения и соответствующего градиента силы тяжести вдоль струны, обе величины взяты в центре выбранной локальной координатной плоскости.

Так как струна подвержена броуновским флуктуациям, то соответствующий задающий источник тепловых помех показан в правой части уравнения (1).

В данном описании направление по оси х было выбрано в качестве произвольного примера для более простого объяснения изобретения. Тем не менее, предшествующий и последующий анализ равным образом применим для любого поперечного к струне направления или для любого количества направлений.

Необходимо показать, что уравнение (1) имеет только одно возможное решение, которое соответствует граничным условиям, налагаемым на струну, то есть х(0, Ц=х(1/2, 1)=х(1, ΐ)=0. Это решение можно представить в виде бесконечной суммы по дискретному числу собственных функций струны, которые

- 3 006191

где С_х(п, ΐ) - амплитуда смещения струны в направлении по оси х для конкретной собственной моды п(п=1, 2, 3, ...).

Подставляя уравнение (2) в уравнение (1) и умножая обе части на 8Ϊη(2πη'ζ/1), а затем интегрируя обе части по Ζ в интервале от 0 до 1, можно получить основное уравнение для С_х(п, ΐ) л 2 9/7 αί τ αΐ = ——7^(0, г) + тепловые помехи (3) πη

В уравнении (3) описан обычный генератор вынужденных гармоник с временем релаксации τ и конкретной резонансной частотой ω_Π. Собственные частоты не обязательно отделены интервалом в одну октаву в области определения спектра и зависят от вида используемой струны.

Видно, что уравнение, которое описывает поведение подобной «удерживаемой» струны, не содержит гравитационного ускорения. Именно воспринимающий элемент градиента силы тяжести может быть положен в основу градиентометра силы тяжести, и именно воспринимающий элемент будет прямым эквивалентом гравитационного вариометра, великого изобретения 19 века.

Предпочтительной модой, которая обеспечивает наибольшую чувствительность для измерения градиентов силы тяжести, является 8-мода струны (п=1). Особенно предпочтительно расположение датчиков смещения в позициях ζ=1/4 и ζ=31/4, которые соответствуют максимальному смещению струны, вызываемому градиентом силы тяжести. Следовательно, сигнал восприятия также будет максимальным, что дает оптимальную чувствительность.

Согласно дальнейшей разработке изобретения можно установить закрепленный проводник рядом с проводящей гибкой струной и параллельно ей. По проводнику проходит ток, который может быть переменным током и который далее будет именоваться несущим током обратной связи, а не описанным выше несущим током сигнала. В предпочтительном примере осуществления изобретения частота несущего тока обратной связи выбирается гораздо ниже по сравнению с частотой несущего тока сигнала, который непосредственно закачивается в струну. Это делается для того, чтобы не допустить проникновения несущего тока обратной связи в канал детектирования, обеспечиваемый средствами восприятия.

Тот же самый несущий ток обратной связи, только модулированный сигналом, непосредственно связанным с демодулированным выходным сигналом средств восприятия, тоже можно закачивать в струну вместе с несущим током сигнала, используя контур активной обратной связи. Когда контур обратной связи активирован, ток обеспечивает взаимодействие силы магнитного поля, создаваемого самим током, и силы магнитного поля, создаваемого несущим током обратной связи, проходящим по закрепленному проводнику и имеющим постоянную амплитуду, которая обеспечивается задающим генератором несущего тока обратной связи. Так как сила магнитного взаимодействия между двумя токами прямо пропорциональна произведению этих токов, то струна будет синхронно взаимодействовать с закрепленным проводником, а сила взаимодействия будет пропорциональна демодулированному выходному сигналу средств восприятия, то есть пропорциональна смещению струны в 8-моду. Путем подбора токов обратной связи с совпадением по фазе или в противоположной фазе можно параметрически ввести положительную или отрицательную жесткость в осциллятор струны.

В предпочтительном примере осуществления изобретения ток обратной связи в струне периодически создают в виде «включен-выключен». Таким образом можно периодически переключать 8-моду струны из состояния низкой жесткости в состояние высокой жесткости. Другими словами, в состоянии высокой жесткости смещение струны в 8-моду, вызванное градиентом силы тяжести, бесконечно мало, и струна находится в исходном положении. Если эффективная жесткость струны низкая, смещение струны в 8-моду максимально. Данная ситуация подобна до некоторой степени ситуации с операционным усилителем, имеющим регулируемый коэффициент усиления, который периодически переключают из состояния нулевого усиления в состояние с конечным значением. Затем напряжение постоянного тока, подаваемое на вход усилителя, преобразуется в сигнал с чередованием импульсов, который пропорционален сигналу постоянного тока. Применяя данную модуляцию, можно предотвратить проблему, связанную со статическими измерениями в статических градиентометрах силы тяжести, и проблему, связанную с вращательной модуляцией во вращающихся градиентометрах силы тяжести, и в то же время получить переменный выходной сигнал, пропорциональный квазистатическому градиенту силы тяжести. Этот переменный выходной сигнал является периодическим сигналом с тем же периодом, что и процесс модуляции и, следовательно, может быть синхронизирован с опорным сигналом активации обратной связи.

В другом предпочтительном варианте изобретения два или большее число закрепленных проводников, которые могут быть сверхпроводниками, расположено рядом со струной и параллельно ей в двух перпендикулярных плоскостях, что дает двумерную модуляцию для одновременного обнаружения двух недиагональных компонент тензора градиента силы тяжести.

- 4 006191

Один предпочтительный пример осуществления изобретения обеспечивает новый датчик для абсолютного измерения недиагональной компоненты тензора градиента силы тяжести с помощью гибкой токонесущей струны с закрепленными концами, который содержит средства, установленные в средней точке струны для предотвращения ее отклонения и, следовательно, воздействия на струну гравитационного ускорения. Датчик также содержит активные силовые обратные связи. Подобная струна представляет собой отдельный когерентный сенсорный элемент, первая фундаментальная мода осцилляции которого (8-мода) непосредственно связана с градиентом силы тяжести. Датчик предназначен для использования в криогенной среде при температуре 77К, то есть при температуре кипения жидкого азота, когда снижены тепловые помехи и достигнута намного более высокая механическая устойчивость.

В данном примере осуществления изобретения струна образует часть замкнутой проводящей цепи с низким импедансом, в которой установлены источник несущего тока сигнала и источник тока обратной связи. Струна также индуктивно связана с дифференциальным резонансным мостом, настроенным на несущую частоту сигнала. Индуктивная часть цепи состоит из двух чувствительных катушек, соединенных в градиентометрической конфигурации, и обеспечивает прохождение только сигналов, которые являются результатом смещения струны в 8-моду. Сигнал, генерируемый при нахождении струны в состоянии покоя, то есть когда струна расположена по прямой линии, ослабляется мостом. Итак, сигнал, который проходит по мосту, является низкочастотной огибающей сигнала, пропорциональной механическим смещениям струны, которая наполняется несущей частотой сигнала. Этот сигнал далее усиливают и затем демодулируют с помощью синхронного детектора. Затем демодулированная низкочастотная огибающая снова наполняется несущей частотой обратной связи и далее формируется для подачи питания на источник тока обратной связи, непосредственно связанный со струной.

Перечень фигур чертежей

Предпочтительный пример осуществления изобретения представлен ниже в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, где фиг. 1 представляет общую схему предпочтительного примера осуществления изобретения;

фиг. 2 представляет общий вид опытного образца датчика в виде одноосного модуля, сконструированного согласно предпочтительному примеру осуществления изобретения;

фиг. 3 представляет детализированный вид струны в форме пластинки, зажима и ножевой опоры; фиг. 4 представляет вид в частичном разрезе другого примера осуществления изобретения;

фиг. 5 представляет двухканальный модуль из четырех одноосных модулей, свободный от влияния угловых ускорений, который можно использовать в режиме закрепления.

фиг. 6 представляет полную тензорную измерительную систему из трех двухканальных модулей, собранных в зонтичной конфигурации, на которую также не действуют угловые ускорения.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Одноканальный опытный образец градиентометра силы тяжести согласно изобретению по фиг. 2 содержит гибкую струну 1 в виде металлической пластинки. Концы струны зажаты зажимами 2, 2'. Вся сборка размещена внутри расположенной лицевой поверхностью вверх камеры, образованной в раме 21 струны, которая предпочтительно изготовлена из того же материала, что и струна. В камере предусмотрены места для чувствительных катушек Ь1, Ь2 и средств 30, фиг. 3, для фиксации струны в ее средней точке. Камера также содержит выводные клеммы, которые позволяют подсоединить чувствительные катушки к резонансному мосту, установленному внутри другой расположенной лицевой поверхностью вверх камеры, образованной в той же самой раме струны и отделенной от первой камеры сплошной перегородкой 31. Закрепленный проводник 3 (на фиг. 3 не показан) также размещен внутри расположенной лицевой поверхностью вверх камеры рядом со струной и параллельно ей, чтобы обеспечить обратную связь со струной с помощью несущего тока обратной связи, который питает закрепленный проводник.

Гибкая струна 1 длиной 1 отклоняется под воздействием градиента силы тяжести от исходного положения, фиг. 1, и одновременно взаимодействует с синусоидальным током, проходящим по закрепленному проводнику 3 вблизи струны, по существу, параллельно ей. Прохождение тока оптимально, когда средняя точка закрепленного проводника 3 совпадает со средней точкой струны. Обратная связь максимальна, когда длина закрепленного проводника равна длине струны.

Переменный ток в закрепленном проводнике 3 обеспечивается задающим генератором 6 несущей частоты обратной связи и закачивается в закрепленный проводник через буферный усилитель 5 и затем далее через трансформатор тока 4.

Когда переключатель 7, который активирует сигнал обратной связи, включен, на фиг. 1 он показан в положении «выключено», канал с обратной связью прямо соединен со струной через буферный усилитель 8 обратной связи, обеспечивая взаимодействие между током обратной связи в струне и переменным током в закрепленном проводнике 3. На фиг. 1 показаны синфазные токи, в этом случае обратная связь вводит отрицательную жесткость в осциллятор струны и струна продолжает «выталкиваться», увеличивая свое отклонение в 8-моду.

В предпочтительном примере осуществления изобретения переменный ток в закрепленном проводнике 3 и ток обратной связи в струне 1 выбираются противоположными по фазе при включенном переключателе, который активирует обратную связь. Это означает, что в период времени, когда активируется

- 5 006191 взаимодействие посредством обратной связи, оно вводит положительную жесткость в осциллятор струны, и, следовательно, струна находится в состоянии более высокой жесткости. Когда обратная связь выключена, струна находится в естественном состоянии низкой жесткости.

Преимущество этого примера осуществления изобретения заключается в том, что во время интервала измерения, который является периодом времени, когда обратная связь выключена, на струну не влияют помехи обратного действия, которые всегда присутствуют в активных обратных связях.

Когда струна находится в состоянии высокой жесткости, ее отклонение от прямой линии становится бесконечно мало, и она занимает исходное положение без градиента. Затем, когда струна выходит из своего состояния низкой жесткости, она принимает 8-форму с амплитудой, пропорциональной статическому градиенту силы тяжести вокруг струны.

Процесс периодического включения и выключения обратной связи будет модулировать с тем же периодом напряжение переменного тока по резонансному мосту 10, фиг. 1, содержащему две чувствительные катушки Ь1, Ь2 и конденсатор, настроенный на несущую частоту сигнала, обеспечиваемую задающим генератором 11 несущей частоты сигнала. Последний также обеспечивает несущий ток сигнала, который непосредственно закачивается в струну через буферный усилитель 9. Он также непосредственно накачивает резонансный мост 10 через фазовый и амплитудный блок управления 12, чтобы свести к минимуму напряжение смещения несущей частоты по мосту.

Периодически модулированное напряжение несущей частоты сигнала далее усиливается криогенным предварительным усилителем 13 и усилителем 14, работающим при комнатной температуре, и одновременно демодулируется синхронным детектором 15. Затем выходной сигнал синхронного детектора 15 снова модулируется путем умножения 16 на опорный сигнал несущей частоты обратной связи, который берется из задающего генератора 6 несущей частоты обратной связи. Контур обратной связи замыкается, когда результирующий сигнал проходит через блок 17 формирования обратной связи и затем через активирующий обратную связь переключатель 7, управляемый импульсным генератором 18.

Выходной сигнал синхронного детектора 15 далее проходит через блок управления 19 смещением постоянного тока и затем синхронизируется на частоту активации обратной связи с помощью конечного синхронного усилителя 20. Полученный выходной сигнал пропорционален статическому градиенту силы тяжести вокруг струны.

Одноосный датчик, фиг. 2, разработанный согласно изобретению, не имеет никаких механических степеней свободы, связанных с гравитационным или кинематическим линейным ускорением. Это значит, что его можно использовать в любой ориентации, включая горизонтальную.

На фиг. 3 приведен детальный вид ножевой опоры 35, расположенной в средней части средств 30, используемых со струной 1, выполненной в виде пластинки. Как говорилось выше, ножевая опора соприкасается со струной, не допуская смещение струны из ее плоскости, но не оказывает никакого силового воздействия на струну. Следовательно, требуются очень точная регулировка и согласование расширения.

На фиг. 4 показана ножевая опора 36, пригодная для использования со струной 1, выполненной в виде провода. Ножевая опора 36 предпочтительно изготовлена из рубинового блока или аналогичного материала с применением алмазного сверла для рассверливания блока сверху и снизу. Сверло формирует две конические части, которые пересекаются в узком межсоединении.

Несколько подобных модулей можно собрать в конфигурацию, показанную на фиг. 5. Она содержит два Т-образных блока, каждый из которых выполнен из двух одноосных модулей, размещенных перпендикулярно друг к другу. Если оси чувствительности выбраны, как показано на фиг. 5, то, например, датчик 811 измеряет следующий динамический градиент:

- 5Ω_ν выходной сигнал (311)= = % -Ω_ΧΩ_Ζ —3ί где Τ_χζ - это истинный градиент силы тяжести, а Ω_χ, Ω_ν, Ω_ζ - это угловая скорость тангажа, угловая скорость крена и угловая скорость рыскания. Выходной сигнал датчика 812 следующий:

0Ω„ выходной сигнал (312) = Τ_ζχ = Τ_ζχ -£ϊ_ζ£Ι_χ +—д1

Так как для всех компонент тензора градиента силы тяжести Ту=Тд, то сумма двух вышеуказанных выходных сигналов дает следующее:

выходной сигнал (811)+выходной сигнал (812)=2Τ_ΧΖ-2Ω_ΧΩ_Ζ.

То же самое соображение применимо к нижним Т-образным блокам, которое дает следующее: выходной сигнал (821)+выходной сигнал (822)=2Τ_γζ-2Ω_γΩ_Ζ.

Величины Ω_Χ, Ω_γ и Ω_ζ содержатся в вышеуказанных выходных сигналах в виде произведения. Следовательно, требования к определению этих величин намного ниже по сравнению со случаем, когда необходимо определение угловых ускорений. Это значит, что конфигурацию, показанную на фиг. 5, можно использовать непосредственно «закрепленной» на передвижной платформе, не используя устойчивый стол. То же самое относится ко всей системе измерения тензора, показанной на фиг. 6.

На фиг. 6 показаны три сборки М1, М2, М3 по фиг. 5 в зонтичной конфигурации для обеспечения полной системы измерения тензора, которая также свободна от влияния угловых ускорений. Двухканаль- 6 006191 ные модули М1, М2, М3 симметрично расположены вокруг оси ζ, причем модуль М1 находится в плоскости ζ-у. Угол α можно выбрать по усмотрению. Большие по величине углы дают более компактную сборку.

Claims (12)

1. Устройство для измерения компонент квазистатических градиентов силы тяжести, содержащее гибкую струну и средства вывода для формирования выходного сигнала как функции градиентов силы тяжести, причем струна закреплена на обоих концах, а устройство содержит воспринимающие средства для обнаружения поперечных смещений струны из исходного положения в состоянии покоя, обусловленных градиентом силы тяжести вокруг струны, при этом средства вывода выполнены с возможностью реагирования на обнаруженное смещение для формирования выходного сигнала как функции градиента силы тяжести, а устройство также содержит средства, установленные в положении, соответствующем средней точке между закрепленными концами струны, и выполненные с возможностью предотвращения перемещений струны, соответствующих всем нечетным модам, начиная с С-моды струны, и с отсутствием возможности влияния, по меньшей мере, на перемещение струны, соответствующее второй фундаментальной моде (8-моде) струны.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средства для предотвращения перемещений содержат ножевую опору, соприкасающуюся со струной.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что струна выполнена в виде круглого провода, а средства для предотвращения перемещений содержат кольцо с ножевой опорой.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что кольцо с ножевой опорой сформировано из цельного блока, рассверленного вдоль оси в противоположных направлениях с образованием двух пересекающихся конических частей.

5. Устройство по одному из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что струна изготовлена из материала, обладающего высокой проводимостью, или сверхпроводящего материала.

6. Устройство по одному из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что струна выполнена в виде металлической пластинки, способной перемещаться только перпендикулярно плоскости пластинки.

7. Устройство по одному из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что воспринимающие средства содержат по меньшей мере два датчика, размещенных симметрично в продольном направлении по отношению к средней точке струны.

8. Устройство по одному из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что в струне создается ток, а воспринимающие средства содержат чувствительные катушки.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что ток является переменным током, а для демодуляции выходного сигнала воспринимающих средств предусмотрен синхронный детектор.

10. Устройство по одному из пп.7, 8 или 9, отличающееся тем, что датчики смещения размещены вблизи струны в двух непараллельных плоскостях с возможностью одновременного измерения смещений струны в двух поперечных направлениях.

11. Устройство по одному из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что вблизи струны предусмотрен закрепленный токонесущий проводник, а к струне подводится соответствующий ток для обеспечения силовой обратной связи.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что предусмотрено периодическое включение тока обратной связи.