RU2577550C1 - Гравитационный градиентометр с повышенной частотой собственных колебаний - Google Patents
Гравитационный градиентометр с повышенной частотой собственных колебаний Download PDFInfo
- Publication number
- RU2577550C1 RU2577550C1 RU2015102003/28A RU2015102003A RU2577550C1 RU 2577550 C1 RU2577550 C1 RU 2577550C1 RU 2015102003/28 A RU2015102003/28 A RU 2015102003/28A RU 2015102003 A RU2015102003 A RU 2015102003A RU 2577550 C1 RU2577550 C1 RU 2577550C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- quadrupole
- dumbbells
- shaft
- dumbbell
- spindle
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Изобретение относится к геофизическому приборостроению, а именно к гравитационным градиентометрам. Гравитационный градиентометр содержит квадруполь с изготовленными в виде стержня и пробных масс гантелями, следящие системы с датчиками перемещений и привод вращения со шпинделем, при этом квадруполь выполнен в виде центрального вала, к которому на радиально расположенных ленточных пружинах присоединены гантели так, что между стержнями гантелей и валом имеются зазоры, на концах гантелей тангенциально установлены легкие консоли, между прикрепленными к разным гантелям консолями оставлены промежутки, в которые установлены датчики перемещений в виде зондов и подложек туннельных микроскопов, центральный вал квадруполя соединен со шпинделем привода вращения, а между приводом и квадруполем установлен металлический экран. Технический результат - повышение точности и помехоустройчивости градиентометра. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.
Description
Изобретение относится к геофизическому приборостроению, а именно к гравитационным градиентометрам, и предназначено для повышения точности гравитационных градиентометров и эксплуатационных характеристик.
Известны градиентометры [1], в которых разности гравитационных сил, приложенных к массам гантели (диполя), противодействует сила закручивания упругой нити. Эту силу вычисляют по измеряемому оптическими средствами углу поворота гантели относительно корпуса прибора. Недостатком таких градиентометров является необходимость установки гантели в несколько азимутальных положений для определения величины и направления изменения градиента. Вторым недостатком является длительное время измерения, определяемое малой жесткостью подвеса и малыми демпфирующими силами трения о воздух.
Второго недостатка лишены градиентометры [2], в которых диполь в вакууме устанавливается на неконтактный безмоментный подвес. Гравитационным силам противодействуют электрические силы, создаваемые следящей системой обратной связи, состоящей из датчика угла (емкостного датчика перемещений), усилителя и датчика момента (электростатического датчика силы). Обратная связь сохраняет постоянное положение гантели относительно корпуса. Градиент вычисляют по изменению параметров системы (емкости, тока или напряжения), возникающих при воздействии гравитационных сил.
Для исключения периодической перестановки гантели в азимуте вводится непрерывное вращение двух взаимно перпендикулярных гантелей - квадруполя [3]. В градиентометрах с квадруполем измеряют разность гравитационных сил, действующих на диполи. Недостатком известных систем является измерение указанной разности через измерение сил относительно корпуса и их последующее вычитание. В этом случае корпус является излишней паразитной базой измерений. Вторым недостатком является связь гантелей с корпусом с помощью микроскопически тонких растяжек, снижающих помехоустойчивость прибора на подвижном объекте. Через растяжки практически невозможно передавать вращающий момент при раскручивании квадруполя, приходится вращать промежуточный корпус, который прикладывают момент непосредственно к гантелям, что приводит к появлению ошибок, связанных с не идентичностью сил, действующих на них. Электрические наводки, создаваемые силовым полем двигателя, не исчезают и на выбеге и приводят к дополнительным погрешностям.
Целью изобретения является исключение промежуточных элементов, обеспечивающих измерения и вращение, повышение жесткости конструкции квадруполя и снижение уровня помех.
Эта цель достигается тем, что в градиентометре квадруполь отделен от привода вращения. Квадруполь выполнен в виде центрального вала, к которому на радиально расположенных ленточных пружинах присоединены гантели. Между стержнями гантелей и валом имеется зазор, и вращение вала передается гантелям через пружины. К концам гантелей тангенциально прикреплены легкие консоли так, что между консолями, принадлежащими разным гантелям, оставлены промежутки. В промежутки установлены датчики перемещений, выполненные в виде в виде зонда и подложки туннельного микроскопа. При измерении вертикального градиента в зазоры между валом и гантелями вставляются подшипники с малыми моментами сухого трения. Привод вращения состоит из подшипника, двигателя, датчика угла и шпинделя, соединяемого с центральным валом квадруполя, а между приводом и квадруполем установлен металлический экран.
Технический эффект заключается в повышении точности и помехоустойчивости градиентометра.
Устройство градиентометра приведено на схемах Фиг. 1, Фиг. 2 и Фиг. 3.
На Фиг. 1 изображены: 1 - центральный вал градиентометра, 2-5 - ленточные пружины, 6 - стержень гантели с пробными массами 7 и 8, 9 - стержень гантели с пробными массами 10 и 11, 12 - зазор между гантелями и валом, 13-20 - дуговые консоли, 21-24 - блоки следящих систем обратной связи, 30 - вычислитель.
На Фиг. 2 раскрыт один из блоков обратной связи, а именно блок 21: 25, 26 - зонд и подложка туннельного микроскопа, 27, 28 - ротор и статор датчика силы, 29 - усилитель.
На Фиг. 3 приведен схематический разрез градиентометра вдоль одной пары пружин. На Фиг. 3 изображены: 31, 32 - подшипники в зазорах между валом и стержнями гантелей, 33 - шпиндель привода вращения, 34 - подшипник привода вращения, 35 - датчик угла поворота шпинделя, 36 - двигатель привода вращения, 37 - экран.
К валу 1 с помощью, например, плоских ленточных пружин 2-5 присоединены пробные массы 7, 8, 10, 11 гантелей со стержнями 6 и 9. Гантели посажены на вал с зазором 12 так, что связь гантелей между собой и с валом реализуется только через пружины. К массам гантелей приварены консоли 13-20 в виде дуг, изготовленных из легкого сплава. Между свободными концами консолей установлены блоки следящих систем 21-24. Блоки содержат датчики перемещений, выполненные в виде зонда 25 и подложки 26 туннельного микроскопа, датчики силы, например, электростатические с обкладками 27, 28 и усилители 29. Все усилители соединены с вычислителем 30. При измерении вертикального градиента в зазоры между валом и гантелями устанавливаются подшипники 31, 32. Шпиндель привода вращения 33 крепится в подшипнике 34. Угол поворота шпинделя определяется датчиком угла 35, а скорость задается двигателем 36. Для снижения влияния электромагнитных полей на следящую систему сохранения зазора между консолями используется размещенный между приводом и квадруполем экран 37.
Известно [4], что туннельный микроскоп отслеживает рельеф поверхности, используя в качестве датчика перемещений металлический зонд и проводящую подложку, между которыми приложено напряжение приблизительно 1 В. При сближении зонда и подложки на расстояние менее 10 Å между ними возникает туннельный ток J, экспоненциально зависящий от зазора L[Å]
I=I0e-2L,
где I0 - начальный ток. Точность удержания зазора в туннельном микроскопе [4] ΔL=0.01 Å. Так как в технических приложениях на предельные точности обычно не ориентируются, то примем ΔL=0.02 Å=2*10-12 м. При уменьшении зазора на ΔL=0.02 Å туннельный ток увеличится на 4%. Такого изменения вполне достаточно, чтобы преодолеть шумовые помехи электроники.
Механическая часть градиентометра представляет систему, собственные колебания которой описываемую в первом приближении уравнением
Квадрат собственной частоты крутильных колебаний системы определится выражением где W - минимальное ускорение, которое необходимо измерить. Если принять, что расстояние между массами гантели равно 0,1 м, а минимальный градиент 1 Э=10-9 с-2, то ускорение W=10-10 м*с-2. Емкостные, индукционные и оптические датчики перемещений имеют разрешающую способность порядка половины длины световой волны ΔL=2*10-7 м, и этим определяется частота собственных колебаний механической части градиентометров с такими датчиками, приведенная в таблице. В последней строке таблицы записаны частоты и период собственных колебаний механической системы, удерживающей гантели от смещения под действием своего веса в случае, если квадруполь вращается в горизонтальной плоскости.
Из таблицы видно, что частота крутильных колебаний квадруполя с туннельными датчиками будет в 300 раз выше частоты колебаний квадруполя с другими датчиками.
Примем сечение пружинной ленты прямоугольным. В нем отношение момента инерции относительно горизонтальной оси Jг к моменту относительно вертикальной оси Jв определяется соотношением где h и b - высота и ширина ленты. Примем также, что требуемые жесткости на изгиб пропорциональны моментам инерции и квадратам угловых частот. Вычислим отношение квадратов высоты ленты к ее толщине Реализация такой ленты возможна, если, например, взять b=0,1 мм, а высоту h=1,5 см.
Градиентометр работает следующим образом. При сообщении валу 1 через шпиндель 33 скорости вращении с частотой Ω в движение пружинами 2-5 вовлекаются гантели со стержнями 6 и 9. В установившемся режиме, например на выбеге в вакууме, в равномерном гравитационном поле квадруполь вращается как единое целое, и взаимное положение гантелей не изменяется. Если же поле неравномерно, то к гантелям будет прикладываться сила, стремящаяся развернуть их относительно друг друга. Если эта сила изменит положение гантелей на величину, превышающую порог чувствительности датчика перемещений, то обратная связь приведет зазор в начальное положение, а сигнал об этом поступит в вычислитель 30. В вычислителе будет выделен полезный гармонический сигнал на частоте 2Ω. Амплитуда этого сигнала будет зависеть от величины градиента, а фаза - от направления изолинии градиента, определяемого с помощью датчика угла 35. Так как двигатель 36 может обладать значительным электромагнитным полем, то для снижения его влияния на туннельный датчик перемещений предусмотрен экран 37. При измерении вертикального градиента гантели квадруполя будут стремиться лечь на вал. Чтобы это предотвратить, необходимо либо значительно увеличивать мощность следящих систем, что может привести к потере точности измерений, либо устанавливать подшипники 31, 32 в зазоры между валом и стержнями гантелей, что скажется на точности в меньшей мере. В качестве маломоментных подшипников могут быть использованы магнитные, электростатические или жидкостные подвесы.
При работе на подвижном объекте из-за угловых и линейных ускорений последнего возникнут помехи, связанные с изменением скорости вращения вала и действием инерционных сил на гантели. Однако они будут проявляться на частотах, отличающихся от 2Ω, и могут быть отфильтрованы.
Литература
1. Грушинский Н.В. «Основы гравиметрии». М.: Наука. 1983.
2. Патент РФ №2172967, 2001.08.27. «Гравитационный вариометр».
3. Патент US №20122222481, 2012.09.16. «Квадрупольный ответчик для гравитационных градиентометров OQR».
4. Миронов В.Л. «Основы сканирующей зондовой микроскопии». РАН. Институт физики микроструктур. Нижний Новгород. 2004.
Claims (2)
1. Гравитационный градиентометр, содержащий квадруполь с изготовленными в виде стержня и пробных масс гантелями, следящие системы с датчиками перемещений и привод вращения со шпинделем, отличающийся тем, что квадруполь выполнен в виде центрального вала, к которому на радиально расположенных ленточных пружинах присоединены гантели так, что между стержнями гантелей и валом имеются зазоры, на концах гантелей тангенциально установлены легкие консоли, между прикрепленными к разным гантелям консолями оставлены промежутки, в которые установлены датчики перемещений в виде зондов и подложек туннельных микроскопов, центральный вал квадруполя соединен со шпинделем привода вращения, а между приводом и квадруполем установлен металлический экран.
2. Градиентометр по п. 1, отличающийся тем, что в зазор между валом и стержнем каждой гантели установлен подшипник.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015102003/28A RU2577550C1 (ru) | 2015-01-22 | 2015-01-22 | Гравитационный градиентометр с повышенной частотой собственных колебаний |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015102003/28A RU2577550C1 (ru) | 2015-01-22 | 2015-01-22 | Гравитационный градиентометр с повышенной частотой собственных колебаний |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2577550C1 true RU2577550C1 (ru) | 2016-03-20 |
Family
ID=55647875
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015102003/28A RU2577550C1 (ru) | 2015-01-22 | 2015-01-22 | Гравитационный градиентометр с повышенной частотой собственных колебаний |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2577550C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2705926C1 (ru) * | 2019-04-29 | 2019-11-12 | Анатолий Борисович Попов | Комплекс для измерения абсолютного значения ускорения силы тяжести на подвижном основании |
RU2713964C1 (ru) * | 2019-07-05 | 2020-02-11 | Анатолий Борисович Попов | Прямой преобразователь перемещений для микромеханических приборов (датчик перемещений) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20120210783A1 (en) * | 2011-02-17 | 2012-08-23 | Carroll Kieran A | Gravity gradiometer and methods for measuring gravity gradients |
WO2014007848A1 (en) * | 2012-07-02 | 2014-01-09 | SRC, Inc | Gravity gradiometer |
RU2539093C2 (ru) * | 2008-10-24 | 2015-01-10 | Мартин Вол МУДИ | Гравитационный градиометр с торсионными стержнями изгиба |
-
2015
- 2015-01-22 RU RU2015102003/28A patent/RU2577550C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2539093C2 (ru) * | 2008-10-24 | 2015-01-10 | Мартин Вол МУДИ | Гравитационный градиометр с торсионными стержнями изгиба |
US20120210783A1 (en) * | 2011-02-17 | 2012-08-23 | Carroll Kieran A | Gravity gradiometer and methods for measuring gravity gradients |
WO2014007848A1 (en) * | 2012-07-02 | 2014-01-09 | SRC, Inc | Gravity gradiometer |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2705926C1 (ru) * | 2019-04-29 | 2019-11-12 | Анатолий Борисович Попов | Комплекс для измерения абсолютного значения ускорения силы тяжести на подвижном основании |
RU2713964C1 (ru) * | 2019-07-05 | 2020-02-11 | Анатолий Борисович Попов | Прямой преобразователь перемещений для микромеханических приборов (датчик перемещений) |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US2363373A (en) | Shaft vibration pickup | |
CN108375371B (zh) | 一种基于模态局部化效应的四自由度弱耦合谐振式加速度计 | |
EP3087399B1 (en) | Accelerometers | |
CN107329184B (zh) | 轴对称弹性系统及重力仪 | |
RU2577550C1 (ru) | Гравитационный градиентометр с повышенной частотой собственных колебаний | |
JP6503142B2 (ja) | 差動渦電流検知を用いた熱非感受性オープンループハングマス加速度計 | |
CN103512571A (zh) | 转速传感器 | |
JP2019514018A (ja) | 長手方向の温度勾配に対して低減された感度を有するアサーマルハングマス加速度計 | |
RU2172967C1 (ru) | Гравитационный вариометр | |
Liu et al. | Development of an optical accelerometer for low-frequency vibration using the voice coil on a DVD pickup head | |
CN108919343B (zh) | 一种旋转地震计 | |
CN105823465A (zh) | 地倾斜监测装置 | |
CN207051509U (zh) | 轴对称弹性系统及重力仪 | |
US3238788A (en) | Accelerometer | |
RU2438151C1 (ru) | Гравитационный вариометр | |
Walmsley et al. | Three-phase capacitive position sensing | |
RU2705926C1 (ru) | Комплекс для измерения абсолютного значения ускорения силы тяжести на подвижном основании | |
RU2797144C1 (ru) | Гравиметр | |
RU2489722C1 (ru) | Чувствительный элемент углового акселерометра | |
CN215867156U (zh) | 一种平动式重力测量装置 | |
CN107065026A (zh) | 一种发条式弹簧相对重力仪 | |
CN117471563B (zh) | 悬浮摆隔振装置、万有引力常数的测量装置及其测量方法 | |
CN113687435B (zh) | 一种平动式重力/加速度测量敏感结构 | |
CN108240902A (zh) | 一种电磁力矩器的测试装置及测试方法 | |
RU2033632C1 (ru) | Гравитационный трехкомпонентный градиентометр |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200123 |