автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.15, диссертация на тему:Разработка и исследование портативного абсолютного баллистического гравиметра с эксцентриковым механизмом бросания пробного тела

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ УСТРОЙСТВА БРОСАЮЩИХ МЕХАНИЗМОВ СОВРЕМЕННЫХ АБГ.

ГЛАВА 2. ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ И РАСЧЕТ ЭКСЦЕНТРИКОВОГО

МЕХАНИЗМА БРОСАНИЯ ПРОБНОГО ТЕЛА.

2.1 РАСЧЕТ ПРОФИЛЯ ЭКСЦЕНТРИКА

2.2 УСТРОЙСТВО БРОСАЮЩЕГО МЕХАНИЗМА.

ГЛАВА 3. УСТРОЙСТВО АБСОЛЮТНОГО ГРАВИМЕТРА.

3.1 ОБЩЕЕ УСТРОЙСТВО ГРАВИМЕТРА

3.2 ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА ИСПОЛЬЗУЕМОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА.

3.3 УСТРОЙСТВО ПАССИВНОЙ ПОДВЕСКИ ОПОРНОГО ОТРАЖАТЕЛЯ.

3.4 ВАКУУМНАЯ КАМЕРА БРОСАЮЩЕГО МЕХАНИЗМА.

3.5 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ ОБРАБОТКИ СИГНАЛА.

3.6 ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА ОБРАБОТКИ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОГО СИГНАЛА

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТЕЙ РАЗРАБОТАННОГО ГРАВИМЕТРА

4.1 ТРЕБОВАНИЯ К ВАКУУМУ.

4.2 ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ГРАДИЕНТА.

4.3 ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ. ~

4.4 ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ.

4.5 ВЛИЯНИЕ МОДУЛЯЦИИ ВЕЛИЧИНЫ ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА МЕЖДУ ИНТЕРФЕРОМЕТРОМ И ВАКУУМНОЙ КАМЕРОЙ.

4.6 ВЛИЯНИЕ ВРАЩЕНИЯ ПАДАЮЩЕГО УГОЛКОВОГО ОТРАЖАТЕЛЯ.

4.7 ВЛИЯНИЕ НАКЛОНОВ И ОТДАЧИ ПОСТАМЕНТА.

4.8 ВЛИЯНИЕ ОТКЛОНЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНОСТИ ЛАЗЕРНОГО ЛУЧА В ИНТЕРФЕРОМЕТРЕ.

4.9 СУММАРНАЯ ПОГРЕШНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ УСП РАЗРАБОТАННЫМ ГРАВИМЕТРОМ

ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ УСП.

5.1 ИЗМЕРЕНИЯ В СПЕКТРАЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРИИ.

5.2 ИЗМЕРЕНИЯ НА TABLE MOUNTAIN (TMGO).

5.3 ИЗМЕРЕНИЯ В MICRO-g SOLUTIONS.

5.4 ОБЩИЙ АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ УСП.

5.5 АНАЛИЗ ОСТАТОЧНЫХ ДИСТАНЦИОННЫХ ОТКЛОНЕНИЙ.

ВЫВОД

Технический прогресс сопровождается повышением требований к измерительной технике, в частности, к средствам измерения ускорения свободного падения (У СП). Высокоточные абсолютные измерения У СП с относительной погрешностью порядка 1(Г9- 10"8 имеют широкое практическое применение в геофизике (в частности, в вулканологии), геодезии (изучение фигуры Земли) и геологии (гравиметрическая разведка), и в метрологии. Эти измерения позволили значительно развить мировую систему опорных гравиметрических пунктов для изучения долговременных вариаций силы тяжести и в качестве реперной системы. Значительная потребность в абсолютных баллистических гравиметрах (АБГ) связана с необходимостью дальнейшего изучения и поддержания этой сети. В метрологии, помимо использования в эталонах силы, давления и силы тока [8], растёт интерес к абсолютным измерениям УСП и при исследованиях, направленных на поиск нового определения единицы массы килограмма на основе использования весов Ватта, при которых необходимы абсолютные измерения УСП с относительной погрешностью не более 1x1 (Г9.

АБГ играют значительную роль и в метрологическом обеспечении в области гравиметрии, приобретая роль первичных эталонов в этой области, как это отмечено, в частности, в [12]. В то же время в метрологическом обеспечении самих АБГ важное место занимает передача размеров единиц длины и времени, частично обеспечиваемая калибровкой входящих в их состав 4 стабилизированных по частоте лазеров и стандартов частоты, обычно рубидиевых.

О метрологической важности измерений УСП говорит тот факт, что с 1981 года в Международном Бюро Мер и Весов (МБМВ) (Севр, Франция) каждые четыре года проводятся сличения как абсолютных, так и относительных гравиметров из многих стран мира. Семнадцать АБГ и семнадцать относительных гравиметров участвовали в последних международных сличениях в МБМВ в июне - августе 2001 года.

В настоящее время, для проведения абсолютных измерений УСП, во многих странах используются высокоточные АБГ. Наиболее известными и широко используемыми, на сегодняшний день, являются гравиметры JILAg (США) [3, 4, 6], FG-5 (США) [5], А-10 (США) [7] и ГАБЛ (Россия) [2, 10]. Эти АБГ используют баллистический метод, который основан на лазерно-интерференционном измерении отрезков пути и времени свободно падающего в вакууме (порядка Ю-6 Торр) пробного тела (ПТ) в поле силы тяжести Земли.

Существуют два вида баллистического метода: симметричный и несимметричный. В первом случае ПТ тем или иным способом подбрасывается вверх в вакуумированном объёме, достигает верхней точки траектории и затем падает. При этом измерения выполняются на обоих участках траектории. При несимметричном методе измерения производятся только во время падения ПТ, инициированного различными способами. ПТ обычно изготавливается из немагнитных материалов. В ПТ вмонтируется уголковый оптический 5 отражатель, который обеспечивает параллельность входного и выходного (отраженного) лазерных пучков.

Из-за сравнительной простоты реализации во всех вышеуказанных АБГ измерения выполняются несимметричным методом (хотя в FG5 и А-10 изначально было предусмотрено использование обоих методов). Длина броска составляет обычно не менее 200 мм, за исключением гравиметра А-10 (длина броска 50 мм). В гравиметрах FG-5, ГАБЛ и JILAg броски выполняются не быстрее двух раз в минуту, а в А-10 ежесекундно (хотя на практике предпочитается трёхсекундный цикл).

АБГ, разработанный в данной диссертационной работе, является логическим продолжением концепции, которая была отработана и перманентно улучшалась (относительная погрешность измерения уменьшилась с 10"6 до 10-9) с момента первой реализации Д. Фаллером в 1963 году [1]. Эти многолетние исследования и накопленный опыт конструирования значительно помогли при разработке гравиметра, описываемого в данной диссертации. Общая идея создания инструмента с использованием эксцентриков вынашивалась Д. Фаллером многие годы.

Были поставлены следующие задачи:

Во-первых, разработать и изготовить прототип высокоточного о ^ погрешность измерения 5 микроГал, 1 мкГал =10" м/с ) несимметричного АБГ с длиной броска около 25 мм и значительно более высокой частотой измерений, чем в существующих гравиметрах, а также свободного (насколько 6 возможно) от их известных недостатков. Для решения этой задачи было необходимо сконструировать принципиально новую механическую часть и пассивную пружинную подвеску опорного отражателя. В этом прототипе было решено использовать имеющийся в лаборатории интерферометр гравиметра FG-5. Эта модель интерферометра по своим техническим характеристикам (оптическая схема интерферометра и схема фотоприемной части) позволяет осуществлять счет интерференционных полос в рабочем диапазоне частот и амплитуд интенсивности оптического сигнала.

Во-вторых, необходимо исследовать источники погрешностей и оценить их влияние на точность измерений УСП созданным прототипом гравиметра.

И, наконец, необходимо провести сличения на нескольких гравиметрических пунктах с разным уровнем сейсмического фона этого прототипа с существующими гравиметрами, а также оценить перспективы его практического применения.

Гравиметр задумывался ориентированным на применение в полевых условиях (что, однако, совсем не исключает его использование в стационарных условиях), и поэтому была поставлена задача поиска конструкции, обеспечивающей малые габариты и простоту в эксплуатации.

При разработке использовались современные решения в области электроники и вычислительной техники, которые способствовали выполнению поставленных в диссертации задач. 7

ВЫВОД

В данной работе были выполнены следующие задачи: разработка системы бросания пробного тела, включающей эксцентриковый механизм бросания, пробное тело, вакуумную камеру и систему контроля относительного движения пробного тела; разработка методики изготовления эксцентриков, изготовление и сборка всех элементов системы бросания пробного тела с ее адаптацией к блоку лазерного интерферометра и системе счета интерференционных полос; разработка, изготовление и исследование пружинной подвески рефлектора опорного плеча интерферометра гравиметра; адаптация программного обеспечения; проведение и обработка результатов измерений.

Главный результат данной работы заключается в экспериментальном подтверждении возможности, которая не представлялась изначально очевидной (ожидалась погрешность не лучше 50 мкГал), создания высокоточного малогабаритного АБГ с небольшой длиной свободного падения ПТ, высокой частотой броска. Такой АБГ необязательно должен использовать эксцентриковый бросающий механизм, возможны и другие решения. Однако ясно, что для такого АБГ критическим моментом является минимизация систематических возмущений бросающего механизма, вне зависимости от его принципиального устройства.

79

Разработанный АБГ, несмотря на продолжающуюся работу по его улучшению, остается на данный момент экспериментальным образцом, и на основании опыта, полученного при его создании, можно с уверенностью утверждать, что погрешность измерений подобным гравиметром может быть снижена при его дальнейшем совершенствовании, даже при измерениях на пунктах с плохими условиями наблюдений.

Представляется также перспективным создание эксцентрикового механизма с использованием симметричной схемы измерений, которая обладает большим КПД, и свободна от ряда погрешностей, присущих несимметричной схеме.

Кроме того, для дальнейшего снижения погрешности измерений, можно разработать активную систему подавления вибраций опорного уголкового отражателя для данного гравиметра.

В настоящее время погрешность измерений с разработанным прибором не превышает 5 мкГал для пунктов с низким уровнем вибрационных помех, и 10 мкГал для пунктов с высоким уровнем помех. С разработанным механизмом было проведено более 4 миллионов единичных измерений и не было выявлено значительного износа его составляющих.

В результате диссертационной работы:

1. Рассчитан и экспериментально проверен выбор структуры первого в мире динамически сбалансированного механизма эксцентрикового типа для

80 бросания ПТ АБГ, обкспечивающего частоту броска ПТ 200 раз в минуту при длине его пути около 23 мм.

2. Рассчитана форма, выбраны материалы и разработана процедура изготовления эксцентриков на основе априорной информации о значениях УСП, заданного пути свободного падения ПТ, его массо-габаритных характеристик и предпочтительных габаритах гравиметра.

3. Разработана конструкция ПТ, несущей его каретки и системы контроля относительного движения ПТ и каретки. Конструкции ПТ и каретки адаптированы к блоку лазерного интерферометра.

4. Разработана конструкция эффективной пружинной подвески для оптического отражателя опорного плеча лазерного интерферометра.

5. Выполнена адаптация программного обеспечения, управляющего функционированием систем гравиметра и осуществляющего расчет измеренного значения УСП.

6. Проведены измерения УСП разработанным гравиметром на гравиметрических пунктах Table Mountain Observatory и JILA, Университет Колорадо. На основе анализа результатов измерений произведена оптимизация конструкции гравиметра.

В настоящее время изучается вопрос о коммерческом внедрении абсолютного гравиметра на основе разработанного прототипа.

В заключение, автор благодарит профессора Джеймса Фаллера за постановку основной задачи, к. т. н. Демьянова Г. В. за помощь в подготовке

81 диссертации, коллектив Micro-g Solutions за активную помощь в работе, мастерскую JILA за изготовление узлов гравиметра и Table Mountain Observatory за предоставление интерферометра и постаментов для измерений.

82

1. Faller J.E., "An Absolute interferometric determination of the acceleration of the gravity", Ph.D. Thesis, Princeton University, 1963.

2. Арнаутов Т.П. и др. "Высокоточный лазерный гравиметр", Автометрия, 1972-№ 5.

3. Zumberge М.А., "A portable apparatus for absolute measurements of the Earth's gravity", Ph.D. thesis, University of Colorado, Boulder, 1981.

4. Niebauer T.M., "New absolute gravity instrument for physics and geophysics", Ph.D. thesis, University of Colorado, Boulder, 1987.

5. Niebauer T.M. et al., "A new generation of absolute gravimeters", Metrologia 3, стр. 15 8-180, November 1995.

6. F. Klopping et all., "Improvements in absolute gravity observations", Journal of geophysical research, vol. 96, No B5, 8295-8303, May 1991.

7. J. M. Brown, Т. M. Niebauer, B. Richter, F. J. Klopping, J. G. Valentine, and W. K. Buxton, "Miniaturized Gravimeter May Greatly Improve Measurements", EOS Online supplement, http://www.agu.org/eoselec/99144e.html, 1999.

8. Юзефович А.П., Огородова Л.В.,"Гравиметрия", издательство "Недра",1980.

9. Faller J.E., Niebauer Т.М., Vitouchkine A.L., "Rotary cam driven free fall dropping chamber mechanism", USA patent № 6298722B1, 2001.

10. Арнаутов Г. П. и другие, "GABE, an Absolute Free-Fail Laser Gravimeter", Metrologia, стр. 49 55, 1983.83

11. Светлов С. М., "Расчёт погрешности баллистического гравиметра в условиях вибрационных помех", Вестник Харьковского Государственного Политехнического Университета, стр. 29-37, выпуск 69, 1999.

12. G. Boedeclcer, Bull. Inf. Bur. Gav. Int., 1998, vol. 83, стр. 25-27

13. Левитский H. П., "Теория механизмов и машин: Учебное пособие для вузов", Москва, изд. Наука, 1990.

14. J.-M. Chartier, A. Chartier, J. Labot and M. Winters, "Absolute gravimeters: status report on the use of iodine-stabilized He-Ne lasers at A, « 633 nm", Metrologia3, стр. 181-185, November 1995.

15. T. Tsubokawa, S. Svetlov, " New method of digital fringe signal processing in an absolute gravimeter", IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 48, NO 2, April 1999, стр. 488-491.

16. H. Hanada, T. Tsubokawa, S. Tsuruta, " Possible large systematic error source in absolute gravimetry", Metrologia, 1996, 33, стр. 155-160.

17. С. M. Светлов, В. К. Копылов, "Оценка точности баллистических гравиметров типа ГП-05", Геофизический журнал №3, Т. 22, 2000, стр. 105-112

18. Е.А. Боярский, личная корреспонденция.