UA45363C2 - Пристрій і спосіб для вимірювання гравітаційних полів - Google Patents

Abstract

Пропонується пристрій для вимірювання градієнта гравітаційного поля, що містить надпровідну струну 1, закріплену двома своїми кінцями, яка є частиною замкнутого надпровідного контуру, індуктивно в'язаного з двома електромагнітами Ld1, Ld2 збудження. Зміщення струни під дією гравітаційного поля сприймається двома вимірювальними перетворювачами магнітного потоку, кожний з яких містить одну сигнальну обмотку і дві вимірювальні обмотки Lp1, Lp2. Пари вимірювальних обмоток розташовані у двох взаємно перпендикулярних площинах таким чином, що кожній парі обмоток відповідає один незалежний канал вимірювання. Дві схеми формування вихідних сигналів вимірювального перетворювача магнітного потоку, що відповідають двом каналам вимірювання, настроєні таким чином, що вихідний сигнал напруги в кожному каналі формується тільки пропорційно амплітуді несиметричних власних коливань струни. Сигнали напруги на виходах каналів вимірювання використовуються для формування струмів Iy1, Iу2 зворотнього зв'язку в провідниках, розташованих біля струни і паралельно струні. За допомогою регулювання струмів зворотного зв'язку можна змінювати ефективний час релаксації і резонансну частоту першої моди несиметричних власних коливань струни, без зміни параметрів симетричних власних коливань, внаслідок чого підвищується чутливість пристрою до градієнта гравітаційного поля.

Description

Опис винаходу

Настоящее изобретение относится к измерению гравитационньїх полей, в частности, к градиометрии 2 гравитации, и более детально к способу измерения абсолютньїх значений недиагональньїх составляющих тензора градиента гравитации.

Тензор градиента гравитации представляет собой двухразмерную матрицу вторичньїх частичньх производньїх гравитационного потенциала М относительно Декартовьїх координат х, у, 2 некоторой произвольно вьібранной зталонной системь! координат. Он показьівает, как изменяется сам вектор гравитации в каждом из 710 затих направлений по осям.

Точнье измерения абсолютньх значений составляющих тензора градиента гравитации Гіі - д 2імМ(| - х,у,2), проведенньсе на некоторой локальной системе координат О Х у 7, єчень важнь! для прогресса в областях геологического прогнозирования, составления карт гравитационного поля Земли, а также для космической, морской и подводной навигации. то Способ абсолютного измерения составляющих тензора градиента гравитации, использующий баланс деформации кручения с известньми массами, свисающими на разной вьісоте с горизонтальной траверсь, подвешенной на тонкой нити, бьіл впервье изобретен бароном Роландом фон Зтвешем в 1890г. Градиенть гравитации вьізьівают появление дифференциальньїх усилий, воздействующих на массь!) что в результате приводит к деформированию крутящего момента на траверсе и в результате к улловому отклонению масс, 720 которое может бьть детектировано с помощью соответствующего сенсора. Полученная чувствительность может составить порядка 1Е (1Е - 1 зтвеш - 1079 с), но для измерения только в одном положений необходимь! несколько часов вследствие необходимости перерасчетов составляющих градиента гравитации на оснований по меньшей мере 5 независимьїх измерений углового отклонения, каждая с другим углом азимута. сч

Созданнье на практике устройства в соответствии с зтим основньім принципом имеют большие размерь и низкий уровень защитьї от шума окружающей средь), таким образом, требуя специально подготовленньх (8) условий для измерений, что исключает любую возможность использования зтих устройств на подвижном носителе.

Способ измерения абсолютньїх величин составляющих тензора градиента гравитации, которьій улучшает со зо вьішеописанньій метод, бьіл изобретен Форуардом в середине шестидесятьїх ((см. патенть США З 722 284 (Форуард и др.) и З 769 840 (Хансен))|. ісе)

Способ включает установку как балансного генератора, так и сенсора смещения на платформе, которая со равномерно вращается по горизонтали с некоторой частотой о относительно оси крутящейся нити. Генератор затем работает в режиме вьінужденньх колебаний на удвоенной частоте вращения, в то время, как о

Зз5 Многочисленнье источники шума и источники помех модулируются на частоте вращения или не модулируются «г (в частности, шум ІЛ). Амплитуда вьінужденного колебания имеет максимальное значение, когда частота вращения удовлетворяет условию резонанса 20 т од, где оо есть угловая резонансная частота, а добротность генератора О стремится к бесконечности.

В отличие от метода, где используется вращение, данньій метод позволяет бьістро определять величинь! « Гуу - Гхх и Гху путем вьіделения квадратурньїх составляющих характеристики, используя синхронное 8 с детектирование с зтапньїм сигналом частоть! 210. ц Такой же принцип может непосредственно использоваться, как зто предлагается Метцгером (см. патент "» США 3.564.921), если заменить генератор двумя или более отдельньми акселерометрами, расположенньіми соответствующим образом на такой подвижной платформе. Данньій принцип не имеет каких-либо новьх особенностей в своем решений по сравнению с известньм за исключением того, что необходимо г» дополнительное симметрирование вьіїходов парьі акселерометров.

Устройства, вьіполненнье в соответствии с зтим методом, имели больше недостатков, чем преимуществ, в о основном вследствие необходимости сохранять положение контрольной массьії акселерометров, на которье не (95) воздействуют какие! либо силь. Позтому могут измеряться только относительнье смещения контрольньїхх масс. бу 50 Вращающиеся конструкции таких сверх проводящих градиометров гравитации неизвестнь.

В реферате из сборника рефератов патентов Японии том 009Мо 117 (Р-375) и ОР-60 050476 описано сю устройство для измерения ускорения вследствие гравитации, в котором вес подвешен на струне и которое является найболее близким аналогом. Ток, проходящий Через струну, заставляет ее вибрировать в магнитном поле постоянного магнита. Усиленньій злектрический сигнал, соответствующий зтой вибрации, подается на струну, и струна колеблется в режиме самовозбуждения на определенной частоте. Ускорение вследствие о гравитации измеряется на зтой частоте.

Задачей настоящего изобретения является создание такого устройства и способа для измерения їмо) квазистатических гравитационньїх полей, которье обеспечивали бь повьішение точности измерения квазистатических гравитационньїх полей, путем повьішения чувствительности и снижения восприиймчивости к бо шуму.

Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве для измерения квазистатических гравитационньїх полей, содержащее струну, удерживаемую под натяжением, и вьїходнье средства для формирования вьїходного сигнала, зависящего от гравитационного поля, согласно изобретению, струна зафиксирована обоими концами, устройство кроме того содержит чувствительное средство для обнаружения 65 поперечного смещения струньі из невозмущенного состояния под действием гравитационного поля, а вьіходнье средства вьіполненьі с возможностью реагирования на обнаруженное смещение для формирования вьіхОдного сигнала.

В устройстве для измерения квазистатических гравитационньїх полей чувствительноє средство может содержать по меньшей мере два чувствительньїх злемента, расположенньїх по длине струньї симметрично по

Оотношению к средней ее части.

Рекомендуется, чтобь струна бьіла вьіполнена из проводящего материала для пропускания тока Ід.

Необходимо, чтобьі устройство для измерения квазистатических гравитационньх полей содержало проводящеє средство для пропускания тока у, величина которого зависит от вьходного сигнала чувствительного средства, расположенное вблизи струньї для взаймодействия магнитньїх полей, создаваємьмх /о0 током у в проводящем средстве и током Іо в струне, посредством чего по цепи обратной связи возникаєт воздействиеє на струну, усиливающее ее поперечноє смещение из невозмущенного состояния под действием гравитационного поля.

В устройстве для измерения квазистатических гравитационньїх полей, что проводящее средство может содержать по меньшей мере два проводника, расположенньїх по длине струньі симметрично по отношению к /5 Средней ее части, причем каждьй для пропускания по существу равной части тока |у.

Предпочтительно, чтобьі устройство для измерения квазистатических гравитационньїх полей содержало средство для периодического возбуждения в проводящем средстве тока |.

Чувствительное средство должно содержать по меньшей мере одну измерительную катушку для индуктирования током Ід тока Ір в струне, зависящего от єе смещения.

Целесообразно, чтобьії устройство для измерения квазистатических гравитационньїх полей содержало средство для подачи переменного тока Ід на струну.

Возможно, чтобьі устройство для измерения квазистатических гравитационньїх полей содержало средство для индуктирования тока Ід в струне.

Средство для индуктирования тока должно содержать два соленоида, расположенньїх по длине струнь! сч об симметрично по отношению к средней ее части. Струна может бьть вьшполнена из сверхпроводящего материала. Возможно, чтобьй в устройстве для измерения квазистатических гравитационньїх полей, і) чувствительноє средство содержало средство для обнаружения поперечного смещения струньі в двух непараллельньїх плоскостях. Устройство для измерения квазистатических гравитационньїх полей может содержать средство для воздействия на единицу длинь! струнь! и для вьізьвания под действиєм абсолютньх со зо значений поперечньхх струне составляющих зтого воздействия отклонения струньі в виде комбинации ее собственньїх колебаний, где только абсолютнье значения составляющих градиента гравитации вьізьівают ікс, четнье модь, а суммарное ускорениє в поперечной струне плоскости - нечетнье модь!. со

Задача изобретения решаєтся также тем, что в известном способе измерения квазистатических гравитационньїх полей, заключающемся в том, что используют струну, удерживаеємую под натяжениєм и о з5 смещающуюся из невозмущенного состояния под действием гравитационного поля, и формируют вьїходной « сигнал, которьій зависит от гравитационного поля, согласно изобретению, струну удерживают под натяжением, фиксируя оба се конца, смещениє струньі обнаруживают в поперечной струне плоскости и вьіїходной сигнал формируют в ответ на обнаруженное смещение.

Рекомендуєтся вьіїходной сигнал формировать, определяя пространственноє положениє по меньшей мере « оДдНОЙй точки на струне относительно ве невозмущенного состояния. 2 с Возможно определять пространственноеє положениєе четного количества точек, расположенньїх попарно на длине струньі и симметрично по отношению к єе средней части. ;» Указанньєе точки соответствуют положениям пучностей антисимметричньїх собственньїх колебаний струнь!.

Целесообразно увеличивать смещение струньі воздействуя на неє в цепи обратной связи, причем величина такого воздействия зависит от гравитационного поля, действующего на струну. їх Воздействиеє в цепи обратной связи непосредственно зависит от вьіхода.

Целесообразно, воздействуя на струну в цепи. обратной связи усиливать составляющие пространственной о конфигурации струнь), соответствующие собственньм антисимметричньм колебаниям струньі, отдавая со предпочтениеє составляющим пространственной конфигурации струньї, соответствующим собственньм 5р симметричньм колебаниям струнь!.

Ме. Смещение струньі возможно определять в двух непараллельньїх плоскостях. с Предпочтительно, на единицу длинь! струнь! прикладьівать силу для вьізьівания под действием абсолютньх значений поперечньїх струне составляющих зтой силь! отклонения струньі в виде комбинации єе собственньх колебаний, где только абсолютнье значения составляющих градиента гравитации в направлений струнь! Вьізьвают четнье модь, а суммарное ускорение в поперечной струне плоскости - нечетнье модь!.

Для достижения зтих целей настоящее изобретениє представляєт собой устройство для измерения (Ф, квазистатических гравитационньїхх полей, включающее: ко струну, фиксированную с обеих концов и удерживаємую под натяжениєм, сенсорное устройство для детектирования поперечного смещения струньі из состояния покоя вследствиє гравитационного поля, бо воздействующего на струну; а таюке средство, реагирующее на детектируемое смещение для формирования вьіходного сигнала, которьій являєтся функцией гравитационного поля.

Понятие "струна" не предполагаєт какого-либо ограничения с точки зрения материала или конструкции.

Используется любой продольньій злемент натяжения, которьій может отклоняться в поперечном направлений под воздействиєм гравитационного поля и обеспечивать усилия восстановления. в5 Находящаяся в состояний покоя растянутая гибкая струна с фиксированньіми концами образуєт абсолютно прямую линию в пространстве, проходящую через точки, где фиксируются конць струньі. Зта линия может бьть определена как одна из осей локальной системь! координат, скажем 7, а две другие оси, Х и У, внібираются так, чтобьї располагаться в поперечньїх к струне плоскостях.

Любое отклонение струнь! от зтой линии вьізьівается абсолютньми величинами поперечньїх составляющих усилия на единицу длинь, которое прикладьівается к каждому единичному отрезку длинь! струнь!.

При рассмотрениий с другого аспекта изобретение обеспечивает способ измерения квазистатических гравитационньїх полей, включающий: наличие струньі с фиксированньіми концами и удерживаемой под натяжением; детектирование поперечного смещения струньї из состояния покоя вследствие гравитационного поля, 7/0 воздействующего на струну; и формирование вьіходного сигнала в отрет на детектируемое Смещение, причем данньій вьіходной сигнал представляет собой функцию гравитационного поля.

Отклонение струнь! из ее состояния покоя может легко детектироваться с помощью любого подходящего сенсорного устройства смещения.

Желательно, чтобьі струна бьіла вьіполнена из проводящего материала, но найболее желательньм является сверхпроводящий материал. В зтом случає, если через струну протекает злектрический ток, в поперечной плоскости и вдоль направления струньії формируется распределенное магнитное поле. Если струна вьіполнена из материала, имеющего свойства сверхпроводимости, то может пропускаться максимальньй ток и может достигаться последующая максимальная чувствительность к отклонению. Постоянньій или переменньй 2о ток может формироваться в струне посредством включения струнь! в токопроводящую схему или напрямую или через индуктивную связь со схемой (ами) подкачки при условии, что струна образует часть замкнутого проводящего или сверхпроводящего контура. Переменньй ток может индуцироваться в струне, например, посредством одной или более предпочтительно продольно расположенньїх симметричньїх катушек, которье могут иметь свойства сверхпроводимости. Использование переменного тока имеет прейимущества в том с бМьісле, что он позволяет вьіполнять синхронное детектирование вьіходного сигнала.

Когда струна переносит ток, поперечное магнитное поле вокруг струньї может взаймодействовать с другими і) проводниками или сверхпроводниками посредством индуктивной связи. Амплитуда тока, индуцируемого в проводнике в непосредственной близости от струньї, может напрямую соотноситься с расстоянием струнь! от проводника. Таким образом, в предпочтительном варианте изобретения одна или несколько фиксированньх (се зо измерительньх катушек размещаются по всей длине струньї, чтобь! действовать как сенсорное средство смещения, причем ток, индуцируемьій в каждой катушке непосредственно соотносится со смещением струнь ікс, относительно позиции покоя. со

В предпочтительном варианте изобретения сенсорное средство содержит по меньшей мере два сенсора, возможно измерительнье катушки, расположеннье симметрично в продольном направлений относительно о з5 средней точки струнь!. «г

В особенно преимущественном варианте изобретения сенсорьї смещения, например, измерительнье катушки, расположеньі в непосредственной близости от струньі в двух непараллельньїх предпочтительно перпендикулярньїх плоскостях с тем, чтобьї представлять возможность одновременного смещения струнь! в двух поперечньїх направления одновременно. «

Следует понимать, что смещение струнь! длиной | из своего положения покоя, например, в у - направленим -птш) с вьішеописанной локальной системь! координат как функция положения по оси 7 единичного отрезка длинь и времени, у (7, ), может бить описано следующим дифференциальньм уравнением ;» а? а мі в? й 1 пунш - МА ло (ВИ) їх ДІ в ЇЇ вх сл - па, - пес т (95) - - с предельньмми условиями, соответствующими фиксированньім концом струньії, те. у (0, - у (І,.0-0. 8

Ге») 20 зтом уравнений 4 обозначаєт массу струньї на единицу длиньі, й - козффициент трения на единицу длинь, со параметрь У, А и АціЛ - модуль Янга струньї, площадь поперечного сечения и натяжение струнь соответственно. Величинь ау (0, О и Гу (0, Ю) являются абсолютньіми величинами - составляющей суммарного ускорения и соответствующей составляющей тензора градиента гравитации вдоль струньі, причем обе бьіли вв змерень в центре вьібранной локальной системь! координат. Функция Її. (2, Ю произвольное усилие

ГФ) Лангевина на единицу длиньі, воздействующее на струну вследствие ее взаймодействия с термостатом, юю имеющим абсолютную температуру Т, со следующей функцией корреляции - ток г ( во (гої Ор Яквтлв(г -275И-Ю где Кв - 1,4 1029 УК постоянная Больцмана, а 5 (х - х) - дельта-функция. В зтом описаний у-направлениеє бьло вьібрано как произвольньій пример для того, чтобьі упростить обьяснение принципов настоящего б5 изобретения. Однако, вьішеописанньй и нижеследующий анализ в равной степени применим к любому направлению, поперечному к струне или любому количеству направлений.

При использований анализа Фурье для сложной формь! струнь), вьїізванной ее взаймодействием с гравитационньім полем, функция у (7, ) может бьіть описана в пределах 7 - 0 до 7 - | бесконечной суммой синусоимдальньїх функций с периодом 2! с соответствующими козффициентами Су (п, 0. Таким образом, решение уравнения (1), которое удовлетворяет приведенньмм вьіше предельньм условиям, может бьть представлено следующей суммой, в которой каждьй член в п соответствует одной из собственньх вибрационньх мод струнь се т 9 то у суп вт 7)

Гаї 1

При подстановке уравнения (3) в уравнение (1) и при умножениийи его левосторонней и правосторонней частей на зіп (пп' 2/// и затем при интегрирований обеих частей через 7 от 0 до |, можно получить 75 дифференциальное уравнение для Су (п, )

Ф 2 па Я й -я су ---и сп носу п т 9 2 - 2 Для ро ве Я го пи, пи ва ей тові під | с (8) где величинь па АГ о ог - т в т с со воспроизводят собственнье частоть! струньі, тир- время релаксации и обьемная плотность массь! струнь ю соответственно.

Зо Когда п принимает четную величину, т.е. для тех членов бесконечной суммь! в уравнений (3), которне « соответствуют вибрационньм модам струньї, имеющим узел при 72 - |/2 (не симметричнье модьї), член, включающий ду (0,3) равняется нулю. Таким образом, для п четного Су зависит только от Гу (и теплового шума). «

На практике зто означаєт, что амплитуда Су несимметричньїх синусоидальньїх составляющих отклонения струнь в у-направлении, (у (27, ), зависит только от величиньі составляющей тензора градиента гравитации Гу. в) с Средняя точка струнь! 2 - /2 находится в положенийи узла во всех несимметричньїх вибрационньїх модах "» струньі. Если сенсорьї располагаются симметрично в продольном направлений относительно зтой точки, то " появляется возможность идентификации смещений струньі, соответствующих собственньім несимметричньм вибрационньім модам струньі за вьічетом смещений, соответствующих симметричньм модам, на величину которьїх оказьіваєт влияние не только составляющая тензора градиента гравитации Гу но также абсолютноеє ве ускорение вследствие гравитации в у-направлении, ду. с Особине преимущества дает размещение сенсоров смещения в 7 - |/4 и 7 - З І/4, позициях, соответствующих пучности первой несимметричной вибрационной модь оструньй п - 2. В зтих точках смещение струнь, і соответствующее моде п - 2 находится на максимуме и таким образом, сенсорньій сигнал также будет на

Ф 20 максимуме, давая оптимальную чувствительность.

В соответствий с дальнейшим развитием изобретения в непосредственной близости от струньї может с» располагаться проводник. Проводник может пропускать ток, непосредственно связанньй с вьіходньім сигналом сенсорного устройства благодаря использованию цепи положительной обратной связи. Ток может возбуждаться непрерьівно или периодически, например, в режиме "Вьіключено-Включено". В зтом случае небольшое 22 смещениє струньї под воздействием гравитационного поля будет усиливаться магнитньім взаймодействием

ГФ! струньї и проводника. Иньіми словами, проводник будет "толкать" (или "тянуть") струну, смещая ее еще больше, непосредственно в ответ на небольшое смещение, вьізьіваемое воздействием гравитационного поля на струну. о Зто имеет четкие преимущества в том смьісле, что смещение струнь! становится больше благодаря магнитному взаймодействию с проводником и позтому его легче измерить, что улучшает чувствительность устройства. 60 В особо преимущественном варианте данной разработки два или более проводника, возможно сверхпроводника, располагаются в продольном направлений симметрично относительно центра струнь! так. что они усиливают несимметричньсе модь струньі!.

В итоге предпочтительньій вариант изобретения предлагает новое устройство для одновременньх измерений абсолютньїх величин парьї недиагональньх составляющий тензора градиента гравитации бо посредством гибкой сверхпроводящей токопроводящей струньі с фиксированньми концами, содержащей активнье подключения параметрической обратной связи. Струна представляет собой конкретньй чувствительньій злемент, симметричнье собственнье поперечнье модь в котором вьізьваются общим ускорением в поперечной плоскости, в то время как несимметричнье модь! вьізьнваются только абсолютньми величинами составляющих градиента гравитации вдоль направления струнь!.

В зтом варианте струна образует низкоиндуктивную часть замкнутой сверхпроводящей цепи, которая индуктивно связана с вьісокоиндуктивньм возбуждающим соленоидом (ами), проводящим переменньй зталонньй ток с внешнего источника подкачки с некоторой частотой о. Струна также индуктивно связана с двумя сверхпроводящими преобразователями магнитного потока, каждьй из которьїх содержит катушку сигнала и две измерительнье катушки, причем парьї измерительньїх катушек располагаются в двух перпендикулярньх 7/0 плоскостях, линия пересечения которьїх совпадаєт со струной в состояний покоя, таким образом образуя два независимьїх канала измерений. Два плеча каждого сверхпроводящего преобразователя потока балансируются, чтобьі вьіполнять преобразование только несимметричньїх собственньїх мод струньі в ток сигнала в катушке сигнала для измерения злектронньми устройствами на СКВИДах (сверхпроводящие квантовье интерференционнье датчики). Вьїходное напряжение каждого канала, глубоко модулированное с частотой о 75 становится затем пропорциональньм амплитудам несимметричньїх собственньіїх мод струньі. Зто натяжение пропускается дифференцирующий и суммирующий усилитель и затем используется в качестве нагрузки цепи обратной связи для формирования внутри цепи распределения тока обратной связи в непосредственной близости от струньі и параллельно ей. Посредством регулирования тока обратной связи можно соответственно увеличивать и уменьшать зффективное время релаксации и резонансную частоту первой несимметричной собственной модь! струнь! (амплитуда которого зависит только от градиента гравитаций вдоль направления струньі), в то время как аналогичнье параметрьії для симметричньїх собственньїх мод (амплитуда которьх зависит от общего ускорения в поперечной к пружине плоскости) остаются неизменньми.

На практике схема обратной связи сдвигает Броуновский уровень и уровень вибрационного шума значительно ниже чувствительности, необходимой для промьішшленного применения. Га

Далее будет описан предпочтительньїй вариант изобретения только на примере и со ссьілкой на следующие чертежи, в которьх: о

Фиг. 1 - общее схематичное представление предпочтительного варианта и

Фиг. 2 - схема устройства в поперечном сечении по вертикали в соответствии с предпочтительнь!м вариантом изобретения. со

Одноканальньій опьітньій образец устройства в соответствии с изобретением (см. фиг. 2) имеет гибкую струну 1. Струна предпочтительно вьіполняется из сверхпроводящего материала, как например, ниобий (МБ). ї-оі

Проволока из ниобия является найлучшим вьібором, поскольку она имеет оптимальнье характеристики со зластичности, которьіе бьіли провереньі! на рабочие свойства при 4,2К. Струна формирует низкоиндуктивную часть 0 сверхпроводящей замкнутой цепи, которая имеет индуктивную связь на вьІсокоиндуктивньй юю возбуждающий соленоид (і) Га, переносящий переменньй зталонньй ток Га (Ю) с внешнего источника подкачки «І с некоторой частотой 0. Остальная часть цепи закрьіта кожухом устройства 2, 2", 3, 4, 5.

В зтом варианте струна имеет длину І - 24см, їмм в диаметре и фиксируется на концах двумя колпачками 2, 2 из МО, имеющими цилиндрическую форму и каждьй колпачок - отверстие в центре диаметром 1мм. Колпачки « 2,2 плотно закрьвают концьії МО цилиндра, содержащего три части 3, 4, 5, соединеннье вместе двумя М 470 цилиндрическими кольцами 6, 6, имеющими тонкую резьбу. Части З и 5 также имеют резьбу для того, чтобь - с обеспечивать механическое соединение других злементов конструкции. Натяжение струньї формируется двумя а МЬ гайками 7, 7, имеющими тонкую резьбу мм. "» Конструкция в целом формирует закрьтьійй сверхпроводящий цилиндрический резонатор с аксиально расположенной струной. Внутри зтого обьема имеются три зоньі 10, 11, 12 с как можно более полной злектромагнитной изоляцией относительно друг друга вставками 9 из МБ. В двух из них 10, 12 размещаются ї возбуждающие тороидальнье соленоидь 4; и 49», намотаннье МБ проволокой диаметром 0,01мм и сл подключеннье последовательно, формируя таким образом большую общую индуктивность Ма между І а - а. т 145 и индуктивность цилиндрического резонатора Го, которая составляет порядка 10 77 Гн (генри) для і вьібранньїх размеров. Соотношение Ма/ о составляет порядка 5 х 102, так что если переменньй ток подкачки б 20 а (8 в возбуждающих соленоидах имеет амплитуду порядка 100мА, то индуктируемьй переменньй сверхток Іо, проходящий через струну, имеет максимальньй размах амплитудь 50А. с» В зтом случае соответствующая круговая составляющая магнитной индукции В на поверхности струнь составляет почти 200Гаусс, что приблизительно в четьюре раза меньше, чем первое критическое поле ниобия Всі. 59 Две измерительнье катушки прямсугольного типа І рі и ро сверхпроводящего преобразователя потока и

ГФ! активная схема обратной связи устанавливаются вместе на титановой трубе 8, расположенной внутри центральной части конструкции, показанной на фиг. 2. Титан вьібран потому, что его козффициент теплового де расширения согласуется с аналогичньм параметром ниобия. Активная схема обратной связи содержит два плеча из изолированной медной проволоки диаметром 0,5мм, натянутой параллельно струне и проводящей ток 60 обратной связи Іу - Туз я у».

Зта конструкция имеет особье преиймущества; например, замкнутая сверхпроводящая конфигурация обеспечиваєет оптимальное зкранирование от изменяющихся внешних злектромагнитньїх полей. Кроме того, цилиндрически симметричная конфигурация имеет мальй радиальньй размер, которьій составляет не более 3,8см в диаметре, включая все составнье части опьітного образца. Таким образом, можно использовать бо стандартньій промьішленньй сосуд жидкого гелия на 100 литров, имеющий входноеє отверстиє около 4см в диаметре для охлаждения конструкций с помощью стандартного зонда. Специальнье гелиевье криостать,

которье использовались для известньїх устройств, исключают возможность удаления устройства из внутреннего обьема криостата, например, если что-то случается, для перерегулировки устройства в полевьсх условиях. Удаление устройства из криостата требует длительного периода времени, порядка, например, Ннескольких часов для того, чтобьі внутреннее содержимое криостата прогрелось до атмосферной температури, в противном случае под влиянием резкого теплового расширения может произойти взрьів. Зто - один из основньїх недостатков известньїх конструкций. Однако, небольшое входное оотверстие стандартньх промьшленньїх сосудов на 100 литров жидкого гелия предотвращаєт возможность такого взрьіва, а зто означаєт, что устройство, соответствующее настоящему изобретению, можно достать из сосуда и 7/0 отрегулировать в полевьїх условиях. Струна отклоняется неоднородньм квазистатическим гравитационньм полем и взаймодействует с переменньім током обратной связи, распределяемьм в непосредственной близости от струньії и практически параллельно ей. Распределение является оптимальньм, когда ток обратной связи инжектируется в точке или снимается с точки в схеме обратной связи, противоположной средней точке струнь (см. фиг. 1). На вьібранной локальной системе координат зта точка составляет 7 - 1/2. Другим требованием, 7/5 удовлетворяющим оптимальнье рабочие характеристики является то, что два плеча схемь! обратной связи практически равньі и заземлень на концах. В зтом случае между током обратной связи и замкнутьм сверхпроводящим контуром, в котором находится струна, не образуется злектромагнитной связи.

Ток Іо (, протекающий через струну и взаимодействующий с распределенньім током обратной связи |у (7, ) вьізьівает появление следующей поперечной составляющей усилия на единицу длинь! Ту (7, ), воздействующего 2о на струну щі (6)

ТК ох БІЙСЯ у 2па У с 7 1 о где до - 4пП 107 Гн м' есть магнитная проницаемость в вакууме, 4 - расстояние между центром струнь! в состояниий покоя и центром проволоки, проводящей ток обратной связи, а фаза источника 15 тока подкачки вьібирается равной нулю. Знак" или "-" определяется вьіходньім буферньім каскадом дифференцирующего и суммирующего усилителя 16, показанного на фиг. 1. Поперечное перемещение отрезка: единицьі длиньі струньї «З в плоскости ОХ7 в том случаеє описьівается следующим дифференциальньм уравнением: со 2 7 (7 а а Аа о повер жиру їв А стру ю аї а Вт

Ш й «І - - 0, Гу (Ох в до віпбою - по мале « которое будет соответствовать уравнению (1) с добавлением члена уравнения (6). Как следствие уравнение - с (7) таюке имеет решение формь уравнения (3). Таким образом, вьіполняя такую же алгебраийческую "з манипуляцию, как для равнения (1), для зтого варианта может бьїть получено дифференциальное уравнение " для Су (п, О. Зто уравнение (8), которое соответствует уравнению (4), но с добавлением члена обратной связи. т (8) ї» 2 в 2 - с - сно

У (Й У У с о 2 І г о - 2 Д- -1Буо, |В; пи

Ф 1 т ! з х-- 5- Єр усе, Тіп « " зп с 2 - у пи - (52 ІЙ --х під

ГІ Величина єп соотносится с характеристиками системь! преобразователя цепи обратной связи; чем больше длина плеч схемьї обратной связи, тем больше величинь єп. Если плечи схемь! обратной абсолютно одинаковьї, бо то величинь! єп равнь! нулю для всех нечетнь п - 1, З, 5... Их особне значения для размеров, показанньїх на фиг. 2, определяются (5) 1 п БІ пп

Єдп о -|совІ|--|сов - --1|- 2 со5|-- вв п б 6 2

Таким образом, для правильно отрегулированной схемь обратной связи только несимметричнье собственньіе модь! струньї взаимодействуют с током обратной связи. Однако, как видно из уравнений (4) и (7) только несимметричнье собственнье модьі струньії оказьіваются чувствительньми к абсолютной величине 9 измеряемой составляющей тензора градиента гравитации.

Сверхпроводящие измерительнье катушки в непосредственной близости от р. и ро размещаются в непосредственной близости от струньі и при условиий отличной балансировки вьводят два плеча сверхпроводящего преобразователя магнитного потока на режим преобразования только несимметричньх собственньїх мод в ток сигнала Її, которьій детектируется злектронньми сенсорами З на СКВИДАах (см. фиг. 1). то Используются именно СКВИДЬьЬ! 13 (сверхпроводящие квантовье интеграционнье устройства), т.к. они на сегодняшний день являются найболее чувствительньми из имеющихся сенсорами магнитного потока и переменного тока. В образце, показанном на фиг. 2, измерительнье катушки вьіполненьї в форме двух отдельньїх контуров прямоугольного типа из МО проволоки, размещенньїх симметрично относительно средней точки струньї и подключенньхх параллельно катушке сигнала їі. При идеальной симметрии и абсолютно їз одинаковьх площадях контуров симметричнье собственнье модьі не формируют какой-либо ток сигнала Її или ток обратной связи у. Такой же зффект может бьїть получен для несколько неидентичньїх измерительньх катушек с необходимой точностью, если использовать дополнительную индуктивность (и) 6, подключенную параллельно и/или последовательно с одной или обеими измерительньми катушками. Индуктивность (и) 5 может подстраийваться для обеспечения симметрии двух плеч сверхпроводящего преобразователя потока.

Остаточньй ток "нулевой модь" в катушке сигнала Гі, соответствующий состоянию покоя струньії может компенсироваться непосредственно внутри СКВИДа за счет дополнительной связи (не показанной) на источник тока подкачки. Если режимь! симметрии удовлетворяются, то виіходное напряжение злектронной схемь! 13

СКВИДа определяется сч ю Щ (по) о му - Ківі є віпссйу У вбпсуфт КО гії со где К есть передающая функция потока к напряжению, а І з - индуктивность СКВИДа. Величиньі рп зависят от физической конструкции и местоположения измерительньх катушек и равнь! нулю, если п - 1, З, 5.... і

Функция Фу (о) является зквивалентньм шуму хаотическим магнитньм потоком внутри контура СКВИД, со спектральная плотность 5 Ф (о) которого определяет внутренний предел прибора с точки зрения точности ю измерений. Ток обратной связи у () формируется из вьіходного напряжения Му (І) путем пропускания его через дифференцирующий и суммирующий усилитель, которьій нагружаєтся сопротивлением Ку. В зтом случае ток Ж обратной связи у () может бьіть представлен следующим рот о в Щі « м Му -- МИ

Б, фі Кк, З с :з» где р, ад, и «х" являются постоянньмми параметрами, которье зависят от конструкций дирфференцирующего и суммирующего усилителя 16. Следует отметить, что между двумя плечами схемь обратной связи всегда буществует определенное рассогласование. Конструкция, показанная на фиг. 2, использует два одинаковьх їз сопротивления обратной связи Ку и Ку», по одному для каждого плеча. В зтом случає рассогласование может легко компенсироваться путем подстройки одного из сопротивлений, скажем Ку для получения оптимального 1 режима. о Уравнения (7) и (11) воспроизводят замкнутую бесконечную группу дифференциальньїх уравнений 5р параметрического типа. Тщательньій анализ показал, что членьї, содержащие величиньі Су (п) сп 22 в (2) правосторонней части уравнения (11), можно не принимать во внимание. Причина зтого состоит в том, что «сю именно одна мода может делаться "мягкой", т.е. найболее чувствительной к градиенту гравитации, а именно Су (2, 90. В случає, если собственньюе частотьі струньь имеют достаточно вьісокие значения и разделяются отдельньми октавньми промежутками, то необходимь! только коррекции второго порядка, которье легко св / учитьвать наряду с анализом других приборньїх погрешностей. Затем, как следует из уравнения (7), постоянное уравнение для чувствительной модь! градиента гравитации п - 2. Включая неизбежнье источники шума (Ф. основной гармоники, можно в свою очередь записать в форме іме) 60 б5 ти 211 Що - су -- сен - осо Їх

Я т 2 2 9 о 2 1.5 1.5 х - САН - -03-03 СОБІ - ж 177 1 . рве су - 1 з Ї х | пи -- ГП (0,1----А Пет 2 віп А- 2. 1-Н под ) и . зішум обратного действия) віп где 7 из) - Т ор 2 -|ваак| і о0. св. піта Кк, ше й т

Ч с и предполагается, что для тока обратной связи бьл вьібран реальньй знак. Если удовлетворяются Ге) некоторье легко вьіполняемьйй условия, которьіми являются (14) 1 аг 1. - со з шк я ---

Ге 2 Ге)

ВИЙ г32 со 2 - ю

С

« тогда можно показать, что постоянное вьіходное напряжение составляет, 15) « 1 Ге з М Ж ен ННЯ о ба -- с 27 ;» жз-шум Брочна з віп Ка где под "шумом Броуна" понимается комбинация теплового шума и шума обратного действия. ве Интересно оценить предельную точность измерения зтого варианта изобретения, которая может бьть г представлена величиной минимального детектируемого градиента гравитации о -4 шр. (15) бу п о МбкнТ ее Ещіє, а ЕОтО5 с» І у тей 285 1. УМ где тек У л/К1 - ол/4) есть зффективноє время релаксации, т - суммарная масса струнь), БЕфКф(0) - го знергетическая разрешающая способность СКВвИДа. Используя следующие рабочие параметрь!: І - 0,24м, т

ГФ! 1,6010кг, тон - 1Оисек., До - 4 х 103м7, Ів - 5 х 107 1Гн, Іо - БОА, (052 - 52/2)12 т 2ГЦ, 2/2 40ГЦ, О/2к» 2 х

Ге 102гу, ЕФ(О)-2х 101Дж/Ггц (СКВИД, смещаемьй режиме постоянного тока) можно получить из уравнения (16) во Еко п

Голів 7 04 «Не

Можно показать, что диапазоньі параметров т, 2, ю, 0. и 0 имеют место, когда характеристика струнь, 65 описьвваемая уравнением (12) является стабильной. Например, для квазистатических градиентов гравитации и достаточно вьісокой частотьі подкачки оо можно игнорировать колеблющиеся членьі, содержащие Со8(20) и

Зіп(200) в правой части уравнения (12). которьій неизвестного ранее устройства для измерения абсолютньх значений недиагональньхх составляющих тензора градиента гравитации, в котором зффект вращения заменяется параметрическим взаймодействием между чувствительньїм злементом и активньіми соединениями обратной связи, благодаря чему достигаются улучшенная чувствительность к вибрационному шуму.

Еще одной целью настоящего изобретения является простое техническое воплощение вьішеописанного устройства, использующего прейимущества стандартной технологии сверхпроводимости, которье показали способность достижения максимальной чувствительности для измерений механической деформации, а также сохранения внутреннего шума на минимальном уровне. 70 Имеются цельй ряд методик детектирования, которне могут бьіть использованьї настоящим изобретением на зтой стадии и которье зависят от первоначальньїх механических параметров струньї, а также области применения, для которой предназначено устройство. Предпочтительно использовать струну с вьсокой механической жесткостью и мальм временем релаксации для того, чтобьї увеличить невосприйимчивость к вибрационному шуму, являющемуся основньім источником шума в условиях промьішленного использования 7/5 устройства, в частности, в мобильной градиометрии гравитации. С другой стороньі, чем жестче струна, тем сильнее усилие обратной связи, которое должно бьіть приложено к струне для смягчения модь! сигнала и тем больше шум обратного действия, ассоциируемьй с током сигнала.

Кроме того, чем короче время релаксации струньії, тем сильнее влияние тепловьіїх колебаний струньі на точность измерений, поскольку масса на единицу из длинь! струнь! будет как правило довольно малой.

Для решения обеих из вьішеназванньїх проблем найлучший способ разрешения проблем измерения градиента гравитации в соответствии с другим вариантом настоящего изобретения использует переменную обратную связь в режиме "Вьіключено-Включено". В зтом случаеє усилие переменной обратной связи первоначально не прикладьмшвается к струне на период "Вьключено", во время которого струна достигает термодинамического равновесия. Усилие обратной связи затем бьістро активизируется на период "Включено", с

Во время которого зффективная собственная частота 5) (18)

Сен їх -1 ей ї 2 с и зффективное время релаксации ї-о со --19 -41- пт ІФ) тей ї 4 ) т становятся существенно меньше и длительнее соответственно по сравнению с соответствующими исходньіми параметрами струнь. Обратная связь подстрайваєтся таким образом, что зффективное время « релаксации становится значительно более длительньім, чем период "Включено". Измерения вьіполняются З 70 только в период "Включено", в которьій струна достигает термодинамического равновесия. Например, теория с рассеяния колебаний более неприменима к струне на период измерений, и изменяется ее реакция на все з» внешние источники шума (см. В.Б. Брагинский и А.Б. Манукин. - Измерение слабьх усилий в физических зкспериментах, издано Д.Х. Дугласом, Университетская Пресса Чикаго, 1977).

Можно показать, что в зтом случае найменьший градиент гравитации, детектируемьй данньм вариантом ї» 45 изобретения, может бьіть представлен (20) т п Те с

Фо Гі 2 Й Бр тв 0 |х в) | Пт 2Б5 | тен 8 х 109 Ем б сю» где 2) о чів - ма од 1 ден Тов 1 о -щ- бо тт есть время измерений (период "Включено"), т - общая масса струнь, Е ф(0) - разрешающая способность знергии СКВИДа на частоте о, а 5 - статическая погрешность первого типа. Величина 5 - зто вероятность того, что зквивалентньй шум градиента гравитации будет превьішать величину, представленную левой частью уравнения (20) для периода измерений. При использованиий следующих рабочих параметров: І - 0,24м, т -16х 107Зкг, хх О,Бсек, ст сек, тон - 107сек, До 7 4 х 103М7, 18 - 5 х 10711Гн, Ію - БОА, сові - ЗГЦ, о/2к - ВОГЦ, О/2к 55 » 101Гц, ЕФ(О)- ЗХ 1032ДжіГгц (Б00А СКВИД, смещаємьй в режиме постоянного тока) можно получить из уравнения (20)

Гліп 7 0,02 Зтвеш

В обоих вьішеописанньїх вариантах полезньій сигнал получается из вьіїходного напряжения синхронньм детектированием с зталонньм сигналом, снимаемьм с источника 15 подкачки, и изобретение позволяет вьіполнять калибровку полезного сигнала в абсолютньїх единицах градиента гравитации без вращения, как предлагалось для известньїх вращающихся градиометров гравитации. Что касается вращающихся конструкций, то изобретение позволяет вьіполнять перемещение спектра шума в частотньійй диапазон, в котором вклад ій является достаточно мальм. Собственнье вибрации струньї, которне имеют место во время измерений (период 7/0 "Включено"), не создают проблем поскольку они могут отфильтровьіваться из полезного сигнала при условии, что период "Включено" внібирается значительно длительнее, чем период (2л/оек) таких вибраций.

Невосприймчивость к вибрационному шуму может улучшаться на козффициент (ое/о), которьій может бьть установлен на малой величине порядка 107.

Необходимо учитьмшвать индуктивную перекрестную связь между токами обратной связи и каждой парой 75 измерительньх катушек, а также перекрестную связь между самими измерительньми катушками, обе из которьїх действуют как цепи отрицательной обратной связи. С другой стороньі, зто приводит к ненужной перенормировке амплитуд вьіходньїх сигналов до тех пор, пока усиление злектронньїх схем на СКВвВИДах не превьішает некоторую критическую величину. С другой сторонь, в случае измерений по двум каналам вьіходной сигнал по каждому каналу содержит линейную комбинацию каждой измеряемой составляющей градиента гравитации. Можно показать, что каждая такая составляющая может, тем не менее, измеряться отдельно и одновременно, если используется соответствующая система опроса данньїх. Зтого можно легко избежать путем обеспечения дополнительной положительной обратной связи для противодействия зтой отрицательной обратной связи, например, путем подключения через слабую индуктивную связь каждого тока обратной связи с каждьм СКВИДОм. см

На практике устройство в соответствии с изобретением может использоваться для определения о абсолютньїх значений недиагональньїх составляющих градиента гравитации. Просмотрев гравитацию по всей площади) можно обнаружить небольшие изменения абсолютного значения градиента гравитации. Такие небольшие изменения могут бьїть показателем изменений местньїх геологических особенностей, например, наличия минералов, газа или нефти. со

Повторнье показания через некоторое время в одной местности могли бьї указьвать на изменения с геологического состояния района, например, подьем магмьі!. Совершенно очевидно, что изобретение улучшает прогнозирование и другие направления сбора данньїх, где необходимь! точнье измерения гравитационньх Ге) полей. Использование абсолютньїх величин улучшает информацию, которая может бьіть получена по данньм ою измерений. Градиометр в соответствии с изобретением может использоваться в подвижном состоянии, что позволяет устанавливать его на движущихся средствах, будь то земньїх, морских иди воздушньїхх. Например, «І устройство может подвешиваться на вертолете и использоваться во время пересечения вертолетом вьібранного участка, которьій неизвестного ранее устройства для измерения абсолютньїх значений недиагональньхх составляющих тензора градиента гравитации, в котором зффект вращения заменяется « параметрическим взаймодействием между чувствительньм злементом и активньми соединениями обратной связи, благодаря чему достигаются улучшенная чувствительность к вибрационному шуму. - с Еще одной целью настоящего изобретения является простое техническое воплощение вьішеописанного а устройства, использующего прейимущества стандартной технологии сверхпроводимости, которье показали є» способность достижения максимальной чувствительности для измерений механической деформации, а также сохранения внутреннего шума на минимальном уровне. щ»

Claims (1)

1. Формула винаходу (4) 1. Устройство для измерения квазистатических гравитационньїх полей, содержащее струну, удерживаемую под натяжением, и вьіходньіе средства для формирования вьіходного сигнала, зависящего от гравитационного Ф поля, отличающееся тем, что струна зафиксирована обойми концами, устройство, кроме того, содержит сю чувствительное средство для обнаружения поперечного смещения струньі из невозмущенного состояния под действием гравитационного поля, а вьїходнье средства вьшполненьй с возможностью реагирования на обнаруженное смещение для формирования вьіходного сигнала.

   2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что чувствительное средство содержит по меньшей мере два чувствительньїх злемента, расположенньх по длине струньї симметрично по отношению к средней ее части. ІФ) З. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что струна вьіполнена из проводящего материала для ко пропускания тока Іо.

   4. Устройство по п. З, отличающееся тем, что содержит проводящее средство для пропускания тока | у, бо величина которого зависит от вьіходного сигнала чувствительного средства, расположенное вблизи струнь! для взаймодействия магнитньх полей, создаваемьх током |у в проводящем средстве и током о в струне, посредством чего по цепи обратной связи возникает воздействие на струну, усиливающее ее поперечное смещение из невозмущенного состояния под действием гравитационного поля.

   5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что проводящее средство содержит по меньшей мере два 65 проводника, расположенньїх по длине струньї симметрично по отношению к средней ее части, причем каждьй - для пропускания по существу равной части тока |.

   6. Устройство по п. 4 или 5, отличающееся тем, что содержит средство для периодического возбуждения в проводящем средстве тока |.

   7. Устройство по любому из пп. 3-6, отличающееся тем, что чувствительное средство содержит по меньшей мере одну измерительную катушку для индуктирования током Іо тока |, в струне, зависящего от ее смещения.

   8. Устройство по любому из пп. 3-7, огличающееся тем, что содержит средство для подачи переменного тока Іо на струну.

   9. Устройство по любому из пп. 3-7, отличающееся тем, что содержит средство для индуктирования тока І в струне. 70 10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что средство для индуктирования тока содержит два соленоида, расположенньх по длине струньї симметрично по отношению к средней ее части.

   11. Устройство по любому из пп. с З по 10, отличающееся тем, что струна вьіполнена из сверхпроводящего материала.

   12. Устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что чувствительное средство 7/5 содержит средство для обнаружения поперечного смещения струнь в двух непараллельньх плоскостях.

   13. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что содержит средство для воздействия на единицу длинь! струнь и для вьізова под действием абсолютньїх значений поперечньїх струне составляющих зтого воздействия отклонения струньі в виде комбинации ее собственньх колебаний, где только абсолютнье значения составляющих градиента гравитации вьізьівают четнье модьі, а суммарное ускорение в поперечной струне го плоскости - нечетнье модь.

   14. Способ измерения квазистатических гравитационньїх полей, заключающийся в том, что используют струну, удерживаемую под натяжением и смещающуюся из невозмущенного состояния под действием гравитационного поля, и формируют вьходной сигнал, которьй зависит от гравитационного поля, отличающийся тем, что струну удерживают под натяжением, фиксируя оба ее конца, смещение струнь с Обнаруживают в поперечной струне плоскости и вьїходной сигнал формируют в ответ на обнаруженное о смещение.

   15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что вьїходной сигнал формируют, определяя пространственное положение по меньшей мере одной точки на струне относительно ее невозмущенного состояния.

   16. Способ по п. 15, отличающийся тем, что определяют пространственное положение четного количества с зо точек, расположенньх попарно по длине струньї и симметрично по отношению к ее средней части.

   17. Способ по п. 16, отличающийся тем, что указаннье точки соответствуют положениям пучностей ікс, антисимметричньїх собственньїх колебаний струнь!. со

   18. Способ по любому из пп. 14-17, отличающийся тем, что смещение струньі увеличивают, воздействуя на нее в цепи обратной связи, причем величина такого воздействия зависит от гравитационного поля, о действующего на струну. «г

   19. Способ по п. 18, отличающийся тем, что воздействие в цепи обратной связи непосредственно зависит от вьхода.

   20. Способ по п. 19, отличающийся тем, что воздействуя на струну в цепи обратной связи усиливают составляющие пространственной конфигурации струньі), соответствующие собственньм антисимметричньм « Колебаниям струньї, отдавая предпочтение составляющим пространственной конфигурации струнь, в с соответствующим собственньім симметричньїм колебаниям струньі!. . 21. Способ по любому из пп. 14-19, отличающийся тем, что смещение струньї, определяют в двух а непараллельньх плоскостях.

   22. Способ по п. 14, отличающийся тем, что на единицу длинь! струньі прикладьівают силу для вьізова под действием абсолютньх значений поперечньїх струне составляющих зтой силь! отклонения струньі в виде ї5» комбинации ее собственньїх колебаний, где только абсолютнье значения составляющих градиента гравитации в направлений струньії вьізьшают четнье модь, а суммарное ускорение в поперечной струне плоскости - о нечетнье модь. (95) б 50 сю Ф) іме) 60 б5