автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Методы и средства изучения дестабилизирующих и диссипативных факторов в измерительных устройствах на основе высокочувствительных механических осцилляторов

!лУ ■ 0 / у I с /> Й

^ 1 ~ / оС Р О - <?0

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ, НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ АВИАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

На правах рукописи

ИЗМАИЛОВ ВАЛЕРИЙ ПЕТРОВИЧ

Методы и средства изучения дестабилизирующих и диссипативных факторов в измерительных устройствах на основе высокочувствительных механических осцилляторов

05.11.16 -информационно-измерительные системы

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель, д.т.н. Карагиоз О.В.

Москва - 1999

Содержание

Перечень обозначений и символов 4

Введение 6

Научные положения, выносимые на защиту 7

1. Измерительные устройства на основе высокочувствительных механических осцилляторов 8

1.1. Решение проблем, связанных с измерением малых сил 8

1.2. Методы измерения гравитационных

взаимодействий и пондеромоторных эффектов 9

1.3. Датчики и измерительные устройства,

используемые при измерении малых сил 11

1.3.1. Применение маятников и баллистических гравиметров

при абсолютных измерениях параметров гравитационного поля 12

1.3.2. Использование гравиметров и струнных датчиков

при относительных измерениях 17

1.3.3. Применение крутильных весов как наиболее чувствительного механического осциллятора 24

Выводы 26

2. Исследование диссипативных и дестабилизирующих факторов, ограничивающих стабильность работы механических осцилляторов 27

2.1. Изучение диссипативных процессов при качении

шаровых и цилиндрических опор 28

2.2. Исследование диссипативных и дестабилизирующих факторов

при струнных колебаниях 38

2.3. Исследование диссипативных и дестабилизирующих

факторов при крутильных колебаниях 43

2.3.1. Измерение гистерезисных потерь в нити подвеса 43

2.3.2. Исследование стабильности работы крутильных весов 45

2.3.3. Исследование влияния качаний на движение весов 56

2.3.4. Изучение воздействия микровибраций 57

2.3.5. Регистрация влияния потоков разреженного газа

на параметры движения весов 57

2.3.6. Оценка погрешностей измерений,

обусловленных системой индикации 61

2.3.7. Разработка системы регистрации на базе компьютера 64 Выводы 64

3. Использование добротных высокостабильных механических

осцилляторов в физических экспериментах 66

3.1. Разработка маятникового метода измерения

коэффициента трения качения 66

3.2. Измерение физических параметров

струнными датчиками 70

3.2.1. Использование датчика в качестве акселерометра 70

3.2.2. Применение датчика в качестве весов 76

3.2.3. Измерение температуры и давления газа 78

3.3. Определение гравитационной постоянной с использованием вакуумированных крутильных весов 81

3.3.1. Методы расчёта гравитационной постоянной 81

3.3.2. Установка для измерения гравитационной постоянной 84

3.3.3. Результаты измерения при трёхпозиционной схеме 87

3.3.4. Измерения гравитационной постоянной

при искусственных вибрациях 91

3.3.5. Проверка гипотез, предсказывающих

отклонение от закона обратных квадратов 91

3.3.6. Анализ основных дестабилизирующих факторов 93

3.4. Измерение пондеромоторного действия

светового излучения 93

3.4.1. Разработка установки на базе крутильных весов 93

3.4.2. Исследование основных дестабилизирующих факторов 95

3.4.3. Методы измерения пондеромоторного действия

светового излучения 95

3.4.4. Разработка частотного метода измерения

потока светового излучения 96

3.5. Исследование пятой силы на базе неподвижных крутильных весов и шаровой вращающейся массы

с вырезанной в ней шаровой полостью 100

3.5.1. Методика проведения эксперимента 100

3.5.2. Оценка порога чувствительности установки 102

3.5.3. Оптимизация параметров крутильных весов 104 Выводы 108

Основные результаты работы 109

Список литературы 110

Приложения

124

Перечень обозначений и символов а - радиус пятна контакта;

С1 - коэффициент, корректирующий период при изменении амплитуды; с2 - константа, определяющая схему расположения фотоприёмников; с3 - константа оптической системы; с - скорость света;

С - коэффициент гистерезисных потерь;

Со -коэффициент потерь при нагрузочно-разгрузочном цикле;

с1 - диаметр струны;

<¿1 - диаметр нити подвеса;

с12 - диаметр вспомогательной нити подвеса;

с13 - диаметр грузов коромысла;

сЦ - диаметр коромысла;

Е - модуль Юнга;

частота поперечных колебаний струны; ^ - коэффициент трения качения; Г - сила натяжения струны; g - ускорение силы тяжести; (7 - гравитационная постоянная; Н - постоянная экранирования; И - смещение притягивающей массы по вертикали; к - постоянная Больцмана; кс - продольная жёсткость струны; кп -жёсткость поперечной пружины; 1 - длина струны;

/ - расстояние от оси вращения рабочего тела до центра пятна излучения; /о - длина стержня или пластины;

1\ - расстояние от торца стержня до центра масс груза на его другом торце; \\ - расстояние от нижней точки подвеса до центра масс рабочего тела;

12 - длина нити подвеса;

13 - расстояние между верхними точками крепления основной и вспомога-

тельной нитей; и ~ длина вспомогательной нити подвеса;

15 - расстояние от точки крепления вспомогательной нити до оси коромысла;

16 - длина стержня, понижающего частоту качаний;

Ьь Ь2, Ьз - расстояния от оси вращения до центра масс шаров;

расположенных, соответственно, на 1-й, 2-й и 3-й позициях; Ь5 - расстояние от оси вращения до центра масс груза коромысла; Ь6 - длина плеча коромысла; шч - масса лёгкой частицы;

тп - масса "пастуха";

т - масса струны;

Ш1 - масса груза коромысла;

т2 - масса коромысла;

тз - масса стержня;

М- масса колеблющегося тела;

Мг - масса сосредоточенного груза;

МЕ- масса Земли;

М - разность масс притягивающего шара и вытесненного им воздуха;

М - величина инерционной массы, укрепленной к концу струны;

п - число колебаний осциллятора;

Р0 ~ давление в центре пятна контакта;

Р - мощность светового излучения;

г - радиус стержня круглого сечения;

К - радиусу катящегося шара или цилиндра;

Я - коэффициент отражения светового излучения поверхностью зеркала; Я0 - расстояние между осями вращения шара и его сферической полости; Я - расстояние между взаимодействующими массами; Т - период колебаний осциллятора; Т- температура;

а, у- параметры, описывающие новые дальнодействующие силы;

ось - коэффициент линейного расширения материала корпуса;

а2~ коэффициент линейного расширения материала струны;

осе - термоэластический коэффициент материала поперечных пружин;

у - амплитуда колебаний маятника;

фо - амплитуда колебаний крутильных весов;

3- момент инерции колеблющегося тела;

13 - момент инерции рабочего тела;

Ус - момент инерции сечения;

V - коэффициент Пуассона;

№1 - номер варианта крутильных весов;

№2 - порядковый номер массива;

и - логарифмический декремент затухания;

р - расстояние от оси вращения до центра масс колеблющегося тела;

р - удельная плотность материала;

а - среднеквадратическое отклонение С;

х* - время релаксации;

т - время измерения;

х - длительность светового импульса;

С) - добротность осциллятора.

Введение

В экспериментальной физике известно большое количество опытов, в которых обнаружение ожидаемого эффекта сводится к регистрации малой силы, действующей на пробное тело. К ним следует отнести эксперименты по поиску гравитационных волн [13, 16, 20, 21, 114, 133], исследованию влияния промежуточной среды на гравитационное взаимодействие [31, 156], проверке эквивалентности инертной и гравитационной масс [18], проверке ньютоновского закона тяготения [86, 87, 152], обнаружению новых дально-действующих сил [71], измерению пондеромоторного действия светового излучения [17, 60] и т.п. При реализации таких экспериментов используются различные высокочувствительные механические датчики, например, крутильные весы, гравиметры, градиентометры, маятники, струнные преобразователи, антенны Вебера. Среди них особое место занимают крутильные весы, обладающие очень высокой чувствительностью и поэтому используемые в большинстве наиболее тонких экспериментов. Однако они имеют большое число маятниковых степеней свободы, эффективно работают только при наличии высокого вакуума, что затрудняет их использование в ряде экспериментов, где предпочтение отдаётся более простым и вибростойким датчикам.

Постановка на более высоком уровне вышеупомянутых физических экспериментов требует дальнейшего повышения стабильности работы датчиков первичной информации. Поэтому проведение дальнейших исследований, направленных на совершенствование таких датчиков, перспективных при решении ряда метрологических задач и проблем экспериментальной физики, является актуальным.

В связи с изложенным целью данной работы являлось исследование и минимизация диссипативных процессов и дестабилизирующих факторов, ограничивающих стабильность работы датчиков первичной информации, при создании измерительных устройств на базе высокостабильных механических осцилляторов, обеспечивающих измерение гистерезисных потерь, гравитационных взаимодействий, тонких пондеромоторных эффектов, слабых дальнодействующих сил (при попытках их выявления), физических и механических параметров движущихся объектов и окружающей среды (перемещений, ускорений, температуры, давления). Для достижения намеченной цели были поставлены и решены следующие задачи:

- выявление основных механизмов диссипации энергии при различных видах упругого деформирования,

- выявление основных дестабилизирующих факторов, препятствующих достижению высокой стабильности механических осцилляторов;

- разработка методики измерения коэффициента трения качения маятниковым прибором на всех упругих конструктивных материалах,

- разработка струнных датчиков для измерения ускорения, силы тяжести, массы, температуры и линейных перемещений;

- осуществление термомеханической обработки нити подвеса, обеспечивающей уменьшение гистерезисных потерь;

- исследование влияния свободных качаний и вибраций на движение весов;

- реализация варианта измерений О при фиксации притягивающих масс на трёх позициях на линии равновесия весов;

- оптимизация методики измерения (7, автоматизация процесса циклических измерений, устраняющего влияние различных низкочастотных дрейфов;

- исследование эффекта предполагаемой зависимости С от расстояния И. между взаимодействующими массами;

- выбор оптимальной схемы регистрации мощности светового излучения, разработка частотного метода измерений;

- оптимизация параметров установки по обнаружению новых дальнодейст-вующих сил с использованием шара со сферической полостью.

Диссертационная работа с 1967 по 1986 годы выполнялась в головном метрологическом институте Госстандарта России - Всероссийском НИИ оптико-физических измерений (ВНИИОФИ) и была завершена в Национальном институте авиационных технологий (НИАТ). Работа финансировалась Миннауки России в порядке выполнения научно-технической программы.

Основные результаты работы изложены в 60 печатных трудах, содержащих 41 статью, 18 авторских свидетельств и 1 ГОСТ.

Содержание диссертационной работы изложено в трёх главах.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Коэффициент гистерезисных потерь, определяющий долю диссипи-руемой энергии, не зависит от вида упругой деформации и является объективной структурной характеристикой материала.

2. Воздействие микровибраций на нелинейные осцилляторы, приводящее к смещениям положения равновесия и периода колебаний и вносящее систематические погрешности в результаты измерений, существенно ослабляется магнитным демпфированием.

3. Циклическое перемещение притягивающих масс при измерении гравитационной постоянной способствует устранению основных дестабилизирующих факторов, связанных с дрейфами различной физической природы.

4. Измерение гравитационной постоянной с минимальной дисперсией и отсутствие систематической разности между значениями (7 в симметричных комбинациях при перемещении притягивающих масс в противоположные стороны являются критериями достоверности полученных результатов.

5. Динамический частотный метод позволяет измерить поток светового излучения, сравнить полученные результаты с амплитудным и фазовым методами для исключения систематических погрешностей, используя крутильные весы в качестве чувствительного осциллятора.

1. Измерительные устройства на основе высокочувствительных механических осцилляторов

1.1. Решение проблем, связанных с измерением малых сил

В экспериментальной физике существует ряд проблем, где проведение исследований связано с измерением предельно малых сил. К их числу следует, прежде всего, отнести проверку принципа эквивалентности, поиск гравитационных волн, экранирование гравитационного поля и т.п. Согласно экспериментальным данным, ускорение свободного падения в однородном гравитационном поле одинаково для масс, изготовленных из разных материалов. Этот фундаментальный результат неоднократно подвергался опытной проверке. Под названием принципа эквивалентности инертной и гравитационной масс он вошёл в качестве постулата в основание общей теории относительности. Вопрос о принципе эквивалентности - это по существу вопрос о том, является ли гравитационное взаимодействие универсальным. Можно полагать, что новые эксперименты по проверке принципа эквивалентности будут осуществляться до тех пор, пока не будет либо обнаружено на опыте его нарушение, либо будет достигнут принципиальный предел, который нельзя будет превзойти в дальнейших экспериментах.

Проблема обнаружения гравитационного излучения привлекает до сих пор большое количество экспериментаторов. Обнаружить гравитационное излучение от лабораторного или внеземного источника - это значит проверить одно из важнейших следствий теории относительности и одновременно решить одну из труднейших экспериментальных задач. Гравитационная волна создаёт поле ускорений, перпендикулярных к направлению распространения. Дж. Вебером было предложено использовать в качестве антенны протяжённый цилиндр, самая низкая мода колебаний которого имеет частоту, близкую к частоте гравитационной волны. Используя высокодобротные механические резонаторы из монокристаллов как массовые квадруполи, можно создать гравитационные детекторы, превосходящие по чувствительности существующие и имеющие меньшие размеры. Чувствительность таких детекторов может быть дополнительно поднята на несколько порядков путём охлаждения их до гелиевых температур. В качестве гравитационной антенны вместо протяжённого твёрдого тела можно использовать две свободные пробные массы и чувствительную систему обнаружения малых вариаций относительной скорости этих масс. Чувствительность таких гравитационных антенн определяется характеристиками системы, измеряющей вариации скорости. В настоящее время реализуется вариант, в котором в качестве индикатора малых колебаний пробных масс используется лазерный интерферометр.

Гипотетический эффект экранирования гравитации до сих пор не обнаружен и его исследование ведётся в направлении определения допустимой верхней границы. Проблема эта представляет интерес ввиду того, что из-за

фундаментальности гравитации даже незначительная её "утечка" имела бы в космических масштабах существенное значение. Исследователи оперируют постоянной экранирования к, характеризующей относительное ослабление гравитационного воздействия единичным экраном толщиной 1 см и плотностью

1 г/см . В 1919 г. К.Майорана провёл эксперимент по обнаружению эффекта экранировки сил тяготения веществом. На точных вакуумирован-ных весах произведено взвешивание пробного шара массой 1274 г, когда он был окружён массивным симметричным экраном в виде 104 кг ртути и когда экран удалён. С экраном наблюдался дефект веса, который соответствовал

_12 о

величине /г=6,73Т0 см /г. Опыты были признаны совершенными и заслуживающими серьёзного внимания. Однако экстраполяция этого эффекта в задачу о морских приливах и в небесную механику показала, что полученное значение к непомерно велико.

1.2. Методы измерения гравитационных взаимодействий и пондеромоторных эффектов

В ряде экспериментов измеряемые силы не относятся к классу предельно малых, однако их надо измерять с достаточно высокой точностью. Поэтому приходится также использовать достаточно чувствительные механические осцилляторы, позволяющие решить конкретную задачу. Высокие требования к чувствительности осцилляторов сохраняются при измерении гравитационной постоянной путём измерения силы, возникающей между пробными телами. В качестве пробных тел чаще всего используются шаровые массы, позволяющие предельно упростить расчётные формулы. С уменьшением габаритов и массы притягивающих тел уменьшается сила взаимного притяжения, что вынуждает использовать высокочувствительные осцилляторы. При измерении гравитационной постоянной используются крутильные весы [72, 100, 117, 126], гравиме�