EA016757B1

EA016757B1 - Измеритель микрогравитации для геофизической разведки

Info

Publication number: EA016757B1
Application number: EA200901079A
Authority: EA
Inventors: Николо Беверини; Франческо Фидекаро; Андреа Де Мишеле; Франческо Манго; Алессандро Бертолини
Original assignee: Эни С.П.А.
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2012-07-30
Also published as: MY146323A; GB0916715D0; WO2008120075A2; GB2460005B; BRPI0808871A2; EA200901079A1; AU2008234589A1; AU2008234589B2; NO20093036L; US20100071461A1; ITPI20070036A1; GB2460005A; CN101663598A; US8661894B2; WO2008120075A3; CA2681609A1

Abstract

Изобретение относится к аппарату и способу измерения ускорения свободного падения на землю, например, предназначенному для геофизической разведки в горнодобывающей промышленности, включающему в себя несущую раму (31); резонатор (10), имеющий первый сапфировый диск (2), составляющий одно целое с несущей рамой (31), второй сапфировый диск (1), расположенный на минимальном расстоянии от первого диска (2) и ориентированный вертикально по отношению к первому диску (2), так что первый и второй диски (1 и 2) образуют резонатор для электромагнитных сигналов (10); консольную балку (41), соединенную с несущей рамой (31) и упруго поддерживающую второй диск (1) с целью обеспечения постоянного модуля упругости; магнитный зонд (11) для подачи электромагнитного сигнала в указанный резонатор (10), расположенный в плоскости, проходящей между двумя дисками (1 и 2); линейный электрический зонд (12), расположенный под неподвижным диском (2), ориентированный вертикально по отношению к его боковому краю, для измерения резонансной частоты указанного резонатора в ответ на электромагнитный сигнал; средства корреляции изменения резонансной частоты в ответ на изменение расстояния между дисками (1 и 2) и средства корреляции изменения расстояния в зависимости от локального ускорения свободного падения. Опора (7) имеет переменную длину для регулирования расстояния между дисками (1 и 2) в невозбужденном состоянии d. Предпочтительно предусмотрены первый (10) и второй резонаторы, как описано выше, сопряженные и установленные на двух соответствующих несущих рамах, составляющих одно целое друг с другом, для измерения градиента ускорения свободного падения в вертикальном направлении. Кроме того, резонаторы размещены в

Description

Изобретение относится к аппарату и способу измерения ускорения свободного падения на землю, например, предназначенному для геофизической разведки в горнодобывающей промышленности, включающему в себя несущую раму (31); резонатор (10), имеющий первый сапфировый диск (2), составляющий одно целое с несущей рамой (31), второй сапфировый диск (1), расположенный на минимальном расстоянии от первого диска (2) и ориентированный вертикально по отношению к первому диску (2), так что первый и второй диски (1 и 2) образуют резонатор для электромагнитных сигналов (10); консольную балку (41), соединенную с несущей рамой (31) и упруго поддерживающую второй диск (1) с целью обеспечения постоянного модуля упругости; магнитный зонд (11) для подачи электромагнитного сигнала в указанный резонатор (10), расположенный в плоскости, проходящей между двумя дисками (1 и 2); линейный электрический зонд (12), расположенный под неподвижным диском (2), ориентированный вертикально по отношению к его боковому краю, для измерения резонансной частоты указанного резонатора в ответ на электромагнитный сигнал; средства корреляции изменения резонансной частоты в ответ на изменение расстояния между дисками (1 и 2) и средства корреляции изменения расстояния в зависимости от локального ускорения свободного падения. Опора (7) имеет переменную длину для регулирования расстояния между дисками (1 и 2) в невозбужденном состоянии б. Предпочтительно предусмотрены первый (10) и второй резонаторы, как описано выше, сопряженные и установленные на двух соответствующих несущих рамах, составляющих одно целое друг с другом, для измерения градиента ускорения свободного падения в вертикальном направлении. Кроме того, резонаторы размещены в закрытой камере, в которой созданы условия вакуума.

Область техники

Настоящее изобретение относится к аппарату и способу измерения ускорения свободного падения на землю.

К возможным областям применения относятся проведение полевых работ по разведке на руду и нефть или для решения экологических проблем с целью детектирования подземных пустот или любых видов структур разрыва природного или искусственного происхождения. Другие области применения включают крупномасштабные структурные исследования и использование воздушного или морского транспортного средства.

Описание технической задачи

Проведение геофизического анализа с помощью микрогравиметрической разведки представляет собой методологию, обладающую большими потенциальными возможностями и ускоренно развивающуюся.

Известны датчики для измерения ускорения свободного падения. Первый тип датчиков продается компанией Ш (ЬаСо81е & КошЬегд - 8ст1гех) 1пс. и состоит, по существу, из пружины, поддерживаемой в критических рабочих условиях для усиления минимальных изменений прикладываемого к ней усилия. Этот аппарат определяет значения ускорения силы тяжести, используя измерения градиента на основании двух последовательных показаний одного и того же инструмента в разных положениях. Этот аппарат, однако, имеет недостаток: нуждается в строгом контроле гистерезиса и механического дрейфа, способных подавлять полезные сигналы.

Во избежание влияния таких системных эффектов на результаты измерений известно дифференциальное детектирование с использованием двух измерителей микрогравитации, установленных параллельно. Такой тип геофизических исследований также обладает тем существенным преимуществом, что позволяет проводить прямые измерения градиента гравитационного поля. Дифференциальное детектирование в настоящее время применяется в аппарате некоммерческого типа, используемого исключительно лабораториями для пространственных измерений или в физических экспериментах. Примером является сверхпроводящий гравиметр Университета Мэриленда (Магу1апб Ишуегайу) и гравиметр ΙΡ8Ι СИК. Эти инструменты имеют очень высокое разрешение, например менее 0,01 Этвеш, но являются непереносными и не приспособлены для использования в полевых условиях.

Переносным устройством, известным на рынке, является гравиметр ΟΟΙ (Огауйу Огабюше1ег 1п51гитеШ - инструмент для измерения градиента силы тяжести), разработанный фирмой Ьоскйееб Магйпе и используемый как в военных, так и в гражданских целях. Инструменты этого типа изготавливаются специально для использования на самолетах или судах и состоят из двух пар одинаковых акселерометров, установленных ортогонально на вращающейся платформе. Линейное ускорение в направлении, перпендикулярном к оси вращения, таким образом, модулируется по частоте вращения, в то время как эффект градиента модулируется по двойной частоте. Такие устройства имеют чувствительность примерно 5 Этвеш.

Также известен гравиметр Ве11 Оеокрасе Ри11 Тепког, состоящий из нескольких ΟΟΙ и способный измерять одновременно все компоненты гравитационного градиентного тензора Γ, обеспечивая полную реконструкцию гравиметрической карты. Однако очень высокие рабочие характеристики этого инструмента ассоциированы с соответственно высокой стоимостью, громоздкостью и весом.

Также известен гравиметр Ра1соп Огауйу австралийской компании ВНР - ВШйоп Ищсоуегу Тес11по1още5. способный наблюдать источники, создающие гравиметрическую аномалию, характеризующуюся среднеквадратическим значением Γ_ζ>10 Этвеш, с пространственной разрешающей способностью 500 м.

Другим известным инструментом является передвижной сверхпроводящий гравиметр со сбалансированными качающимися коромыслами, разработанный Университетом Западной Австралии в 1994 г., производство которого освоено фирмой Оебех 1пс. Инструмент, разработанный для воздушной разведки, способен обеспечивать коэффициент ослабления синфазного сигнала (СМКК) более 190 дБ и разрешение выше 1 Этвеш при частоте 1 Гц. Однако он не очень удобен в работе из-за размера инерциальной платформы и необходимости использования системы охлаждения с жидким гелием.

- 1 016757

Сущность изобретения

Отличительным признаком заявляемого изобретения является разработка устройства и способа измерения градиента ускорения свободного падения на землю для различных применений в области геофизической разведки, рассчитанных на достижение значительной точности с прикладной точки зрения даже при ограничении габаритов для обеспечения возможности установки в маленьком самоходном транспортном средстве.

Другой отличительной особенностью заявляемого изобретения является создание названного устройства, требующего меньшего времени на каждое отдельное измерение с целью значительного снижения затрат на проведение измерений.

Дополнительной отличительной особенностью изобретения является создание названного устройства, характеризующегося эффективным подавлением внешних и инструментальных шумов, обеспечивающего высокое подавление помех по отношению к механическим шумам или землетрясениях и способного понизить требования жесткого контроля инструментальных эксплуатационных режимов.

Также отличительной особенностью изобретения является создание устройства, обеспечивающего высокую точность измерений градиента ускорения свободного падения.

Еще одной отличительной особенностью изобретения является создание устройства, уменьшающего требования контроля механического и теплового гистерезиса и позволяющего избежать эффектов, связанных с усталостью материалов.

Другой отличительной особенностью изобретения является создание устройства, не зависящего от колебаний температуры.

Эти и другие цели достигаются в заявленном устройстве для микрогравиметрических измерений при проведении геофизической разведки, отличающемся тем, что устройство включает в себя следующее:

несущую раму;

первый груз, составляющий одно целое с указанной несущей рамой;

второй груз, расположенный на минимальном расстоянии от указанного первого груза и ориентированный вертикально по отношению к указанному первому грузу так, чтобы указанные первый и второй грузы образовывали резонатор для электромагнитного излучения;

средства подвешивания указанного второго груза, которые соединены с указанной несущей рамой и упруго поддерживают указанный второй груз с целью обеспечения постоянного модуля упругости;

средства воздействия электромагнитными сигналами на указанный резонатор;

средства измерения резонансной частоты указанного резонатора в ответ на указанный электромагнитный сигнал;

средства корреляции изменения указанной резонансной частоты с изменением расстояния между указанными двумя грузами и средства корреляции изменения расстояния в зависимости от локального ускорения свободного падения.

Предпочтительно указанный второй груз расположен над указанным первым грузом.

Предпочтительно первый и второй резонаторы выполнены сопряженными, как описано выше, и установлены на двух соответствующих несущих рамах, составляющих одно целое друг с другом, для измерения градиента ускорения свободного падения в вертикальном направлении.

Преимущественно указанные резонаторы размещены в закрытой камере, в которой были созданы условия вакуума. Таким образом, грузы могут свободно перемещаться без эффектов вязкости.

Предпочтительно резонансная частота электромагнитного резонатора находится в области микроволн.

Преимущественно средства измерения разности между резонансными частотами двух резонаторов содержат фазодетекторную интерферометрическую схему. Таким образом, эта разность считывается напрямую, путем сравнения, с помощью вышеописанной интерферометрической схемы, фазового сдвига волн, отраженных двумя резонаторами.

Преимущественно средства генерирования микроволнового сигнала включают шлейфовый осциллятор. Шлейфовый осциллятор может использовать в качестве опорного резонатора один или несколько резонаторов гравиметра, т.е. внешний резонатор.

Преимущественно указанные грузы состоят из сапфировых дисков, расположенных на предварительно заданном расстоянии. Предпочтительно указанное расстояние составляет от 50 до 500 мкм.

Предпочтительно средства подвешивания указанного второго груза представляют собой крутильный маятник.

Преимущественно указанный крутильный маятник изготавливают из вырезанной кремниевой пластины, в частности кремниевой монокристаллической пластины, причем указанная пластина имеет два противоположных С-образных выреза, с целью разделения неподвижной части и подвижной части, соединенных друг с другом двумя соединительными участками, находящимися под воздействием крутящего усилия указанного второго подвесного груза и указанной подвижной части. Таким образом, можно избежать гистерезиса и эффектов усталости материала. Использование монокристаллического материала

- 2 016757 для изготовления указанного плеча позволяет избежать нежелательных эффектов, вызванных усталостью материала и пластической деформацией. В частности, указанную кремниевую пластину режут с помощью ультразвуковых импульсов.

Преимущественно указанная пластина представляет собой балку, выбранную из группы, состоящей из балки с одним закрепленным концом, образующей консоль, или балки с двумя закрепленными концами, причем в обоих случаях изменение расстояния между указанными двумя грузами представляет собой стрелу прогиба указанной пластины.

Преимущественно указанные сапфировые диски могут образовывать резонатор, который резонирует по типу шепчущей галереи.

Преимущественно в случае дифференциальных измерений указанные два резонатора расположены так, что наиболее тяжелые грузы подвешены на указанных пластинах и способны обеспечивать одинаковую упругую реакцию.

Преимущественно для того, чтобы указанные две пластины имели одинаковую чувствительность к ускорению свободного падения, предусмотрены средства демпфирования собственных колебаний каждой пластины без снижения механического коэффициента добротности, а также без увеличения теплового шума.

Предпочтительно указанные средства демпфирования включают следующее:

электрическую обмотку, составляющую одно целое с несущей рамой и предназначенную для создания магнитного поля, ориентированного вертикально по отношению к указанному первому грузу, по направлению к указанному второму грузу;

постоянный магнит, соединенный с указанной пластиной каждого из указанных резонаторов.

Сигнал коррекции в виде тока, подаваемого на указанную обмотку, предпочтительно является пропорциональным скорости самой пластины.

Предпочтительно указанная скорость пластины определяется с помощью лазерной системы. Альтернативно, указанная скорость движения может быть определена с помощью схемы дифференцирующего устройства, определяющей фазу волны, отраженной отдельным резонатором, по отношению к опорному сигналу.

Преимущественно устройство снабжено противовесом для компенсации частоты механических колебаний пластины, действующим на момент инерции самой пластины.

Преимущественно указанная пластина имеет участок, на который нанесен металлический слой, причем указанный металлический слой направлен в сторону по меньшей мере одного электрода, неподвижного по отношению к несущей раме, электромагнитное поле между указанным металлическим слоем и указанным по меньшей мере одним электродом направлено на ослабление эффективного модуля упругости системы.

Предпочтительно предусмотрены средства регулировки расстояния между дисками в невозбужденном состоянии, включающие пьезоэлектрическое устройство, на котором установлен указанный первый груз. Таким образом, можно контролировать частоту электрического резонанса ί₀ и коэффициент передачи άί/άΐ между расстоянием и частотой ί₀.

Предпочтительно предусмотрены средства блокировки движения пластины, когда датчик не выполняет измерений или в случае толчка во время работы.

В частности, указанные средства блокировки включают средства приведения в действие магнита, расположенного на указанной пластине указанных двух пар дисков, со второй катушкой, которая возбуждается при отклонении от рабочего положения больше чем на несколько микрон, с созданием высоких возвратных усилий.

Преимущественно указанные средства приведения в действие магнита включают схему демпфирования каждого из указанных первых грузов, содержащую лазерный датчик, предназначенный для создания опорного сигнала для блокирующей системы, срабатывающей при превышении порогового уровня.

Краткое описание чертежей

Дополнительные характеристики и преимущества устройства в соответствии с изобретением будут понятны из приведенного далее описания типичных примеров вариантов его исполнения, являющихся иллюстративными, но не ограничительными, со ссылкой на чертежи, где одинаковые номера позиций обозначают одинаковые или подобные детали.

Фиг. 1 изображает схематично вид в поперечном сечении примера гравиметрического датчика, состоящего из одного резонатора в соответствии с изобретением, имеющего пару дисков, неподвижный и колеблющийся диск, где колеблющийся диск подвешен на консольной пластине.

Фиг. 1А изображает пример гравиметрического датчика, имеющего активный гаситель колебаний.

Фиг. 2 изображает вид в перспективе гравиметрического датчика, имеющего неподвижный диск и колеблющийся диск, где пластина, на которой подвешен диск, представляет собой вырезанную пластину.

Фиг. 3 изображает схематично вид в поперечном сечении примера гравиметрического датчика в соответствии с изобретением, содержащего два резонатора, аналогичных изображенному на фиг. 1, предназначенного для использования при проведении дифференциальных измерений резонансных частот двух резонаторов (расстояние между двумя резонаторами показано не в масштабе).

- 3 016757

Фиг. 4 изображает вид в перспективе дифференциального гравиметра, в котором колеблющиеся грузы удерживаются соответствующими монокристаллическими пластинами, как изображено на фиг. 2.

Фиг. 5 изображает схематично вид в поперечном сечении дифференциального гравиметра, имеющего две пары колеблющихся дисков, удерживаемых пластинами, закрепленными обоими концами.

Фиг. 6 изображает возможный вариант исполнения средств демпфирования.

Фиг. 7 изображает пример фазодетекторной интерферометрической схемы.

Описание предпочтительных примеров вариантов исполнения

На фиг. 1 схематично изображен микроволновой резонатор 10 измерителя микрогравитации в соответствии с изобретением, в частности, предназначенного для геофизической разведки, например связанной с разработкой месторождений. Резонатор 10 содержит два колеблющихся груза, в частности пару сапфировых дисков 1 и 2, расположенных на расстоянии друг от друга, например, приблизительно 100 мкм. Верхний диск 1 присоединен к консольной балке 41, соединенной с неподвижной несущей рамой, включающей жесткую вертикальную стенку 30 и основание 31, изготовленное из однородного материала.

Длина и материал вертикальной стенки 30, основания 31 и всей несущей конструкции могут быть без труда выбраны квалифицированным специалистом таким образом, чтобы свести к минимуму общее тепловое воздействие на сигнал, с учетом эффектов расширения и изменения константы упругости и диэлектрической постоянной.

Микроволновой сигнал получают с помощью шлейфового осциллятора, который включает проходной резонатор 10. В частности, на фиг. 1 изображен магнитный зонд 11, предпочтительно расположенный в плоскости, проходящей между двумя дисками 1 и 2. Сигнал детектируется электрическим зондом, состоящим из линейного проводника 12, расположенного под неподвижным диском 2 ниже его бокового края.

Также со ссылкой на фиг. 1, расстояние б между двумя сапфировыми дисками 1 и 2 регулируется так, чтобы для стандартных значений д оно составляло примерно 100 мкм.

В соответствии с изобретением на резонансную частоту резонатора 10 оказывают влияние различия в значениях ускорения свободного падения д. Таким образом, можно оценить изменение д путем контроля резонансной частоты резонатора 10 в области микроволн (которая типично соответствует примерно 11 ГГц) при частоте примерно 10,8 ГГц. Стадия контроля осуществляется путем повторных измерений частоты в разных геофизических точках, расположенных близко друг к другу, или при непрерывном движении.

Консоль 41 должна быть крайне чувствительной к акселерометрическому сигналу. Кроме того, поскольку динамический диапазон чувствительности датчика составляет менее 1 мкм, желательно гасить колебания консоли 41 без снижения механического коэффициента добротности и увеличения при этом теплового шума. Как показано на фиг. 1А, это достигается благодаря применению методики активного демпфирования исполнительным механизмом, имеющим магнит 8 уменьшенного размера, соединенный с консолью 41, и приводимым в действие катушкой 9, составляющей одно целое с неподвижной несущей рамой, который прикладывает к подвижной консоли 41 корректирующий сигнал переменного тока, пропорциональный скорости самой консоли 41. Этот сигнал может быть получен с помощью схемы дифференцирующего устройства, основанной на лазерном датчике положения, который не показан, т.е. измерения движения резонансной частоты резонатора по отношению к локальному осциллятору.

Как изображено на фиг. 2, в предпочтительном примере варианта исполнения консоль 41 может быть преимущественно изготовлена в виде крутильного маятника, шарнирно установленного на горизонтальной оси 45. Консоль 41 принадлежит к опоре 5, изготовленной из монокристаллической кремниевой пластины 40, разрезанной, например, с помощью ультразвуковых импульсов. В частности, с помощью ультразвуковых импульсов в пластине 40 получают противоположные С-образные сквозные щелевые прорези 42 и 43, имеющие разную длину и образующие консоль 41, частично отделяющие ее от пластины 40. Консоль 41, пластина 40 и торсионные шарниры 44 на оси 45 являются, таким образом, частями единого монолитного кристалла. Такое решение является благоприятным, позволяя избежать гистерезиса, пластической деформации и эффектов усталости материала. Монокристаллическая пластина 40 соединена со стенкой 30 неподвижной несущей рамы.

В предпочтительном примере варианта исполнения, как изображено на фиг. 3-5, используется второй осциллятор 20, ассоциированный с осциллятором 10, называемым серверным (Зсгтсг). которые равны между собой. Например, расстояние между резонаторами 10 и 20 может составлять 20 см при диаметре дисков 4 см.

Таким образом, изменения д контролируются с очень высоким разрешением путем сравнения резонансных частот в области микроволн в полосе X с помощью шепчущей галереи двух резонаторов 10 и 20, каждый из которых включает два направленных друг к другу сапфировых диска 1, 2, 3 и 4. Независимыми переменными устройства в соответствии с изобретением являются механическая резонансная частота Г_т, частота электрического резонанса Г₀ и расстояние б между дисками, которое определяет коэффициент передачи 6Г/61.

- 4 016757

Резонирующее электромагнитное поле может быть создано способом, известным квалифицированным специалистам, например с помощью источника возбуждения, не показанного и принадлежащего к известному типу.

Два резонатора 10 и 20 и соответствующие элементы в контуре должны быть абсолютно одинаковыми.

С целью коррекции неизбежных дефектов производства и сборки мелкая корректировка осуществляется следующим образом. Сначала выполняется грубая коррекция с целью регулировки момента инерции путем уравновешивания частоты механических колебаний помещением микроразновесов на консоль 41, которая не показана и выполняется известным способом. Далее производится тонкая регулировка модуля упругости с помощью электрических методов, выполняемая дистанционно. Для этого, как изображено на фиг. 6, предусматривается металлизация концевого участка 61 подвижной консоли 41 напротив оси 45, имеющей противовес, как на верхней, так и на нижней поверхностях, и расположенных напротив поверхностей 62 и 63 неподвижной конструкции. В частности, путем создания электрического поля между поверхностями 62 и 63, выполняющими функции электрода, обеспечивается эффект ослабления эффективного упругого модуля кручения вокруг оси 45. Частота электрического резонанса Г₀ и коэффициент передачи 6Г/61 контролируются путем регулирования расстояния в невозбужденном состоянии между сапфировыми дисками серверного блока (ассоциированного с резонатором 10), за счет поддержания переменного расстояния 7, например, с помощью пьезоэлектрического устройства, на котором установлен нижний диск 2 резонатора 10.

Для того чтобы избежать потенциально опасных эффектов ударов сапфировых дисков 1 и 2, система безопасности блокирует движение консоли 41, когда резонатор 10 не выполняет измерений, или в случае толчков во время работы. Такое блокирование обеспечивается путем приведения в действие магнита 8 (фиг. 1А), расположенного на подвижной консоли 41 со второй катушкой (не показана), которая возбуждается в случае отклонения от рабочего приподнятого положения на несколько микрон, создавая высокие возвратные усилия. Лазерный датчик (не показан), используемый в схеме демпфирования 9 подвижной консоли, обеспечивает опорный сигнал, который при превышении порогового значения поступает в блокирующую систему.

Фиг. 4 изображает схематично в поперечном сечении типичный вариант исполнения гравиметра в соответствии с изобретением, включающего пару резонаторов 10 и 20, аналогичных изображенным на фиг. 2, имеющих соответствующие верхние диски 1 и 3, составляющие одно целое с соответствующими консольными балками 41 и 51, прикрепленными своими концами к вертикальным жестким стенкам 30 и 32. Два резонатора 10 и 20 затем устанавливаются в картере (сайег) 50, схематично изображенном на фиг. 4, который образует закрытую камеру и который разделяет два резонатора 10 и 20 с помощью основания из однородного материала. В закрытой камере 50 создаются условия вакуума, так чтобы диски могли свободно перемещаться без эффекта вязкости.

Фиг. 5 изображает другой типичный вариант исполнения гравиметра в соответствии с изобретением, имеющего два резонатора 10 и 20, верхние диски которых соединены с соответствующими пластинами 41' и 51', прикрепленными по порядку к соответствующим вертикальным жестким стенкам 30 и 32, аналогично системе с вырезанными пластинами, для получения подвижной консоли в виде крутильного маятника.

Конфигурация гравиметра, включающего два резонатора 10 и 20, установленных последовательно, как изображено на фиг. 3-5, выполняет прямые измерения гравиметрических данных путем дифференциального сравнения резонансной частоты Г двух микроволновых резонаторов 10 и 20. Такой гравиметр позволяет проводить измерения гравитационного градиента при вертикальном направлении вектора ускорения свободного падения с разрешением 10 Этвеш (10^-8 с^-2). Разность между резонансными частотами двух резонаторов 10 и 20 считывается напрямую, путем сравнения с помощью фазодетекторной интерферометрической схемы резонансных частот двух резонаторов.

Пример такой интерферометрической схемы изображен на фиг. 7, на которой, в частности, показан гравитационный градиометр в соответствии с изобретением, в котором микроволновой сигнал получают с помощью шлейфового осциллятора 70, содержащего проходной резонатор 10 градиометра в качестве опорного резонатора. Это излучение направляется с использованием отражений в два резонатора 10 и 20. В частности, излучение локального осциллятора ЬО делится поровну на две линии передачи с помощью циркулятора 75, возбуждая два резонатора 10 и 20 соответственно антеннами 12 и 72. Фазовый сдвиг волны, отраженной каждым резонатором 10 и 20, является пропорциональным расстройке частоты ЬО и резонансной частоты самого резонатора. Отраженные сигналы рекомбинируются в противофазе, устраняя тем самым синфазный шум ЬО, и отображаются преобразователем частоты 76.

Такая конструкция обеспечивает эффективное ослабление синфазного сигнала внешнего шума, также включающего шум кинематики перемещения, при условии обеспечения в то же время как можно более точной компенсации механических и электрических характеристик двух резонаторов 10, 20. Ведущий резонатор 10 включает две антенны, одна с электрической связью 12 и одна с индуктивной связью 11, тогда как второй резонатор 20 нуждается в одной согласующей антенне 72.

- 5 016757

Отличие величины д определяют путем измерения разности частот между двумя резонаторами с помощью интерферометрической схемы, изображенной на фиг. 7. Микроволновой сигнал получают с помощью шлейфового осциллятора 75, который включает один из резонаторов гравиметра в качестве опорного резонатора, фазовращатель 77, 78 и микроволновой усилитель 79, с низким уровнем шумов и высоким коэффициентом усиления.

Микроволновое облучение направляется в два плеча 81 и 82 интерферометра, откуда оно поступает через циркуляторы 12 и 72 в два резонатора 10 и 20, используемые в режиме отражения. Энергия, отраженная двумя резонаторами 10 и 20, объединяется со сдвигом на 180° в одном из плечей (81 или 82) для получения на выходе 80 нулевого сигнала при полностью уравновешенной схеме. Этот сигнал наблюдают, демодулируя его синфазно по отношению к шлейфовому осциллятору 70, который подает выход схемы в целом в кольцевой балансный смеситель (ΌΒΜ) 76. Выходной сигнал ΌΒΜ 76 пропорционален разности частот между двумя резонаторами 73 и 74, а также разности ускорений.

Пример.

Ниже приводится пример калибровки гравитационного градиометра в соответствии с изобретением. Этот пример относится к градиометру, имеющему два микроволновых резонатора АСМ, сформированных каждый двумя сапфировыми дисками, по существу, одинаковыми друг с другом (см. фиг. 4), с диаметром 42 мм, высотой 5 мм, ε_Γ=9,750 и ε_ζ=11,350, для которых были определены оба значения коэффициентов добротности для различных резонансов в представляющей интерес полосе частот, примерно 10-12 ГГц, оба значения коэффициентов передачи άί/άζ. В свете полученных результатов был выбран путь ТМц,1,₀₊а, который представляет собой коэффициент высшего порядка ΟχΐάΓ/άζ), т.е. примерно 300000 МГц/мм, имеющий коэффициент добротности 0^58000 и άΓ/άζ-5 МГц/мм, при зазоре между двумя дисками примерно 100 мкм.

Для достижения чувствительности, необходимой для измерений с точностью 10 Этвеш, нужно производить измерения очень маленьких смещений, порядка 10^-13 м, и среди многих причин шума должен быть установлен эффект температуры на аппарат в целом, т.е. крутильный маятник + микроволновой резонатор. Желательно установить поглощающие стенки, положение которых должно быть выбрано таким образом, чтобы изолировать резонатор от окружающей среды, без чрезмерного возмущения представляющей интерес шепчущей галереи.

Можно компенсировать по температуре резонаторы или акселерометры таким образом, чтобы снизить, вплоть до уровня, сопоставимого с требуемой точностью, влияние температуры только на акселерометр, при условии того, что будут точно определены значения параметров, вызывающих изменение резонансной частоты резонатора, с точностью выше 1 млн^-1/град (ррт/К). Для этого следует учитывать, что эффекты температуры на резонанс могут быть вызваны температурной зависимостью диэлектрической постоянной сапфира. Фактически, повышение температуры увеличивает ε, и частота уменьшается обратно пропорционально показателю преломления, т.е. ε^-1/2.

Эффект температуры на резонанс может также быть вызван увеличением объема сапфировых дисков, что вызывает уменьшения резонансной частоты. В частности, результаты измерений дают значение примерно 63,2 млн^-1/град (ррт/К) для общего эффекта.

Приведенное выше описание конкретного варианта исполнения настолько полно раскрывает изобретение с концептуальной точки зрения, так что другие особы, используя современный уровень знаний, будут способны модифицировать и/или адаптировать к различным областям применения такой вариант исполнения без дополнительных исследований и без выхода за пределы объема изобретения, и потому следует понимать, что такие адаптации и модификации должны рассматриваться как эквиваленты конкретного варианта исполнения. Средства и материалы для реализации различных функций, описанных в данном изобретении, могут иметь различную природу, не выходя, по этой причине, за пределы объема изобретения. Следует понимать, что используемые в описании фразеология или терминология предназначены для описания, а не для ограничения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Аппарат для микрогравиметрических измерений для геофизической разведки, отличающийся тем, что он содержит несущую раму;

первый груз, составляющий одно целое с несущей рамой;

второй груз, расположенный на минимальном расстоянии от первого груза и ориентированный вертикально по отношению к первому грузу, так чтобы первый и второй грузы образовывали резонатор для электромагнитного излучения;

средства подвешивания второго груза, причем средства подвешивания соединены с несущей рамой и упруго поддерживают второй груз с целью обеспечения постоянного модуля упругости;

средства воздействия электромагнитными сигналами на резонатор;

средства измерения резонансной частоты резонатора в ответ на электромагнитный сигнал;

средства корреляции изменения резонансной частоты в зависимости от изменения расстояния между двумя грузами и средства корреляции изменения расстояния в зависимости от локального ускорения свободного падения.
2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что второй груз расположен над первым грузом.
3. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что предусмотрены первый и второй резонаторы по п.1 или 2, сопряженные и установленные на двух соответствующих несущих рамах, составляющих одно целое друг с другом, для проведения дифференциальных измерений градиента ускорения свободного падения в вертикальном направлении.
4. Аппарат по п.3, отличающийся тем, что резонаторы размещены в закрытой камере, в которой созданы условия вакуума.
5. Аппарат по п.3, отличающийся тем, что резонансная частота электромагнитного резонатора находится в области микроволн.
6. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что средства измерения разности между резонансными частотами двух резонаторов включают фазодетекторную интерферометрическую схему.
7. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что средства генерирования микроволнового сигнала включают шлейфовый осциллятор, причем шлейфовый осциллятор, в частности, использует в качестве опорного резонатора один или несколько резонаторов гравиметра или внешний резонатор.
8. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что указанные грузы состоят из сапфировых дисков, расположенных на предварительно заданном расстоянии, в частности расстояние составляет от 50 до 500 мкм.
9. Аппарат по п.8, отличающийся тем, что сапфировые диски могут образовывать резонатор, который резонирует по типу шепчущей галереи.
10. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что средства подвешивания второго груза включают крутильный маятник, причем крутильный маятник изготавливают из кремниевой монокристаллической пластины, причем пластина имеет два противоположных С-образных выреза для разделения неподвижной части и подвижной части, соединенных друг с другом двумя соединительными участками, поджимаемыми кручением второго подвесного груза и указанной подвижной части.
11. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что средства подвешивания включают пластину, которая представляет собой балку, выбранную из группы, состоящей из балки с одним закрепленным концом, образующей консоль, или балки с двумя закрепленными концами, причем в обоих случаях указанная пластина имеет стрелу прогиба, представляющую собой указанное расстояние между указанными двумя грузами.
12. Аппарат по п.3, отличающийся тем, что в случае дифференциальных измерений указанные два резонатора расположены так, чтобы наиболее тяжелые грузы были подвешены на указанных пластинах и были способны создавать равные по величине упругие реакции.
13. Аппарат по п.12, отличающийся тем, что указанные две пластины имеют одинаковую чувствительность к ускорению свободного падения благодаря средствам демпфирования собственных колебаний каждой пластины без снижения механического коэффициента добротности и также без увеличения теплового шума; в частности, указанные средства демпфирования включают в себя электрическую обмотку, составляющую одно целое с несущей рамой и предназначенную для создания магнитного поля, ориентированного вертикально по отношению к указанному первому грузу, по направлению к указанному второму грузу;

постоянный магнит, соединенный с указанной пластиной каждого из указанных резонаторов.
14. Аппарат по п.13, отличающийся тем, что он дополнительно содержит схему дифференцирующего устройства для более точного определения указанной скорости движения с учетом фазы волны, отраженной отдельным резонатором, по отношению к опорному сигналу.
15. Аппарат по п.12, отличающийся тем, что предусмотрен противовес для компенсации частоты механических колебаний пластины, воздействующий на момент инерции собственно пластины.

- 7 016757
16. Аппарат по п.12, отличающийся тем, что одна или несколько пластин имеют участок, на который нанесен металлический слой, причем указанный металлический слой находится со стороны по меньшей мере одного электрода, неподвижного по отношению к несущей раме, и выполнен с возможностью создания между указанным металлическим слоем и указанным по меньшей мере одним электродом электромагнитного поля для уменьшения эффективного модуля упругости системы.
17. Аппарат по п.9, отличающийся тем, что предусмотрены средства регулировки расстояния между дисками в невозбужденном состоянии, включающие пьезоэлектрическое устройство, на котором установлен указанный первый груз.
18. Аппарат по п.12, отличающийся тем, что предусмотрены средства блокировки движения пластины, когда датчик не выполняет измерений или в случае толчка во время работы.
19. Аппарат по п.18, отличающийся тем, что указанные средства блокировки включают средства приведения в действие магнита, размещенного на указанной пластине указанных двух пар дисков, с помощью второй катушки, которая возбуждается при отклонении от рабочего положения больше чем на несколько микрон, создавая высокие возвратные усилия.
20. Аппарат по п.19, отличающийся тем, что указанные средства приведения в действие магнита включают схему демпфирования для каждого из указанных первых грузов, включающую лазерный датчик, предназначенный для создания опорного сигнала для блокирующей системы, которая срабатывает при превышении порогового уровня.