Способ выставления вертикали рабочего лазерного луча в баллистическом гравиметре
METHOD OF SETTING VERTICAL OF WORKING LASER BEAM IN BALLISTIC GRAVIMETER

Изобретение относится к области разработки новых физических методов повышения точности метрологических измерений в технике, и, в частности, в области гравиметрии, и предназначено для выставления вертикали лазерного луча в баллистическом гравиметре при проведении высокоточных абсолютных измерений силы тяжести или ее приращений.
Известно техническое решение для выставления вертикали лазерного луча в баллистических гравиметрах, где используется "жидкое зеркало" - кюветы, заполненные жидкостью с хорошей отражательной способностью (ртуть, спирт, масло и др.), (Патент США №5351122, «Absolute gravity inline measuring apparatus incorporating improved operating features» МПК G01P 15/093; G01V7/14, опубликован 27.09.1994), при этом, лазерный луч выставляется перпендикулярно горизонтальной поверхности жидкости. Это техническое решение используется в баллистических гравиметрах основанных как на способе свободного падения - так и в гравиметрах, основанных на симметричном способе измерений - Н. Hu, S. Svitlov, C. Rothleitner, J. Schafer, J.Zhang and L.J. Wang improvements of the MPG-2 transportable absolute ballistic gravimeter», Metrologia 47 (2010) 575-582; D'Agostino G, Desogus S, Germak A, Origlia C, Quagliotti D, Berrino G, Corrado G, d'Errico V and Ricciardi G «The new IMGC-02 transportable absolute gravimeter: measurement apparatus and applications in geophysics and volcanology». 2008. Ann. Geophys. 51 39-49.
Недостатком известного технического решения является высокая чувствительность поверхности жидкости к вибросейсмическим помехам, вызывающим рябь на поверхности жидкости, препятствующую точному выставлению вертикали лазерного луча.
Известно техническое решение, представленное в способе выставления вертикали рабочего лазерного луча, (Патент RU №2498356 «Способ выставления вертикали лазерного луча в баллистическом гравиметре и устройство для его осуществления», МПК G01V 7/14, опубликовано 10.11.2013 г.) и выбранное в качестве прототипа, где осуществляется регистрация смещения изображения лазерного луча, отраженного от установленного на свободно падающем теле уголкового отражателя, в процессе его падения.
Способ выставления вертикали лазерного луча в баллистическом гравиметре основан на двух физических эффектах, а именно: а) свободно падающее тело всегда движется по направлению вертикали и б) луч, выходящий из уголкового отражателя, всегда параллелен входящему лучу. Из этого следует, что если направление лазерного луча совпадает с вертикалью, то луч, приходящий из уголкового отражателя во время его свободного падения, всегда попадает в одну и ту же точку визуализатора, а если направление лазерного луча не совпадает с вертикалью, то приходящий луч при свободном падении уголкового отражателя смещается относительно своего начального положения на визуализаторе. При начале движения свободно падающего тела из стартового положения пробное тело испытывает воздействие бокового импульса удерживающего устройства. Вследствие воздействия бокового импульса, который задает пробному телу начальную горизонтальную скорость при начале движения свободно падающего тела из стартового положения, возникает дополнительное смещение изображения луча, линейно зависящее от времени свободного падения, тогда как смещение изображения луча, обусловленное отклонением луча от вертикали, представляется квадратичной функцией времени падения. В связи с этим для реализации способа производят регистрацию траектории смещения измерительного (рабочего) луча, отраженного от уголкового отражателя в процессе свободного падения тела, осуществляя покадровую обработку видеозаписи траектории смещения измерительного луча. Для разделения линейных и квадратичных составляющих смещения изображения измерительного луча используется алгоритм вычисления на основе регрессионного анализа и определение отклонения измерительного луча от вертикали производится по функциональной зависимости смещения от угла отклонения измерительного луча от вертикали.
Недостатком известного решения является высокая чувствительность к воздействию бокового импульса, который задает пробному телу начальную горизонтальную скорость при начале движения свободно падающего тела из стартового положения.
Перед авторами ставилась задача разработать способ выставления вертикали рабочего лазерного луча в баллистическом гравиметре обеспечивающий высокоточное определение абсолютного значения ускорения силы тяжести.
Поставленная задача решается тем, что в способе выставления вертикали рабочего лазерного луча в баллистическом гравиметре включающий направление лазерного луча от источника излучения на уголковый отражатель, который закреплен на свободнопадающем пробном теле баллистического гравиметра, определение величины и направления угла отклонения от вертикали рабочего лазерного луча в процессе свободного падения пробного тела в баллистическом гравиметре, выполнение коррекции направления рабочего лазерного луча дополнительно формируют расщеплением рабочего лазерного луча реперный базис из первого вспомогательного лазерного луча и второго вспомогательного лазерного луча, взаимосвязанных с рабочим лазерным лучом, при этом первый вспомогательный лазерный луч направляется на уголковый отражатель с отклонением на заданный угол относительно рабочего лазерного луча, а второй вспомогательный лазерный луч направляется на уголковый отражатель с отклонением на точно такой же по величине, но противоположно направленный угол относительно рабочего лазерного луча, а определение величины и направления угла отклонения от вертикали рабочего лазерного луча производят посредством наблюдения взаимного смещения изображения от уголкового отражателя рабочего лазерного луча, первого вспомогательного лазерного луча и второго вспомогательного лазерного луча посредством визуализатора в процессе свободного падения пробного тела в баллистическом гравиметре, выставление вертикали рабочего лазерного луча производят, корректируя его направление посредством выравнивания разности величины смещения изображения первого вспомогательного лазерного луча и второго вспомогательного лазерного луча.
Технический эффект заявляемого способа заключается в повышении точности выставления вертикали лазерного луча в баллистическом гравиметре и уменьшении погрешности измерения абсолютного значения ускорения силы тяжести.
Кроме того, расширяется область применения заявляемого способа путем использования его в устройствах, содержащих лазерный луч и уголковый отражатель.
На фиг. 1 представлена схема, поясняющие работу заявляемого способа выставления вертикали рабочего лазерного луча в баллистическом гравиметре при точном выставлении вертикали рабочего лазерного луча, где 1 - источник излучения, 2 - расщепитель рабочего лазерного луча, 3 - уголковый отражатель, 4 - стартовое положение уголкового отражателя, 5 - финишное положение уголкового отражателя, 6 - рабочий лазерный луч, 7 - первый вспомогательный лазерный луч, 8 - второй вспомогательный лазерный луч, 9 - визуализатор, 10 - смещение изображения первого вспомогательного лазерного луча, 11 - смещение изображения второго вспомогательного лазерного луча, 12 - путь, пройденный свободно падающим телом из стартового положения в финишное положение.
На фиг. 2 представлена схема, поясняющие работу заявляемого способа выставления вертикали рабочего лазерного луча в баллистическом гравиметре при наличии отклонения рабочего лазерного луча от вертикали, где 1 - источник излучения, 2 - расщепитель рабочего лазерного луча, 3 - уголковый отражатель, 4 - стартовое положение уголкового отражателя, 5 - финишное положение уголкового отражателя, 6 - рабочий лазерный луч, 7 - первый вспомогательный лазерный луч, 8 - второй вспомогательный лазерный луч, 9 - визуализатор, 10 -смещение изображения первого вспомогательного лазерного луча, 11 - смещение изображения второго вспомогательного лазерного луча, 12 - путь, пройденный свободно падающим телом из стартового положения в финишное положение, 13 - смещение изображения рабочего лазерного луча.
Заявляемый способ выставления вертикали рабочего лазерного луча в баллистическом гравиметре реализуется следующим образом: лазерный луч от источника излучения 1 направляется на уголковый отражатель 3, при этом, в отличие от прототипа, дополнительно формируется реперный базис из первого вспомогательного лазерного луча 7 и второго вспомогательного лазерного луча 8 взаимосвязанных с рабочим лазерным лучом 6, образуя в одномерном случае систему из трех лазерных лучей в соответствие с изображением на фиг. 1. и фиг. 2. При этом первый вспомогательный лазерный луч 7 направляется на уголковый отражатель 3 с отклонением на заданный угол ϕ относительно рабочего лазерного луча 6, а второй вспомогательный лазерный луч 8 направляется на уголковый отражатель 3 с отклонением на точно такой же по величине, но противоположно направленный угол - ϕ относительно рабочего лазерного луча 6. Реперный базис, например, можно образовать путем простого расщепления рабочего лазерного луча 6 расщепителем рабочего лазерного луча 2. При свободном падении пробного тела, на котором закреплен уголковый отражатель 3, за время его движения на экране визуализатора 9, в общем случае, будет наблюдаться перемещение изображения всех трех лазерных лучей, рабочего лазерного луча 6, первого вспомогательного лазерного луча 7 и второго вспомогательного лазерного луча 8, отраженных уголковым отражателем 3 относительно начального положения лучей при нахождении уголкового отражателя 3 в стартовом положении 4. Уголковый отражатель 3, который закреплен на свободнопадающем пробном теле баллистического гравиметра, проходит путь 11 от стартового положения уголкового отражателя 4 до финишного положения уголкового отражателя 5 в конце свободного падения. При этом зависимость величины смещения изображения отраженных от уголкового отражателя 3 трех лазерных лучей, за время свободного падения пробного тела, из стартового положения уголкового отражателя 4 в финишное положение уголкового отражателя 5 представляется в виде:
1
x
S(t)=2Htanγ+υt,
2
x
S(t)=2Htan(γ+ϕ)+υt,
3
x
S(t)=2Htan(γ-ϕ)+υt,
2
z
H=gt/2+υt,
1
2
3
z
x
где S - смещение изображения рабочего лазерного луча 13, S- смещение изображения первого вспомогательного лазерного луча 10, S- смещение изображения второго вспомогательного лазерного луча 11, Н - путь, пройденный свободнопадающим пробным телом за время t, g - значение ускорения силы тяжести на данном пункте, υ- компонента начальной скорости движения уголкового отражателя 3 по вертикали, υ - компонента начальной скорости движения уголкового отражателя 3 в горизонтальном направлении, обусловленная воздействием бокового импульса, γ - угол отклонения рабочего лазерного луча 6 от вертикали, ϕ - величина угла отклонения вспомогательных лазерных лучей относительно рабочего лазерного луча 6.
Рассмотрим разности, представляющие собой отличия в смещении изображения первого вспомогательного лазерного луча 7 и второго вспомогательного лазерного луча 8 от изображения рабочего лазерного луча 6:
1
2
1
ΔS=S(t)-S(t)=2H[tan(γ+ϕ)-tanγ],
2
2
1
ΔS=S(t)-S(t)=2Htan(γ-ϕ)-tanγ].
1
2
x
Сразу отметим, что разности ΔS и ΔS уже не содержат компоненты начальной скорости движения уголкового отражателя 3 в горизонтальном направлении υ и, следовательно, не зависят от воздействия бокового импульса. Далее, если рабочий лазерный луч 6 выставлен вертикально, т.е.γ=0, то
1
ΔS=2Htanϕ,
2
ΔS=2Htan(-ϕ)=-2Htanϕ,
1
2
1
2
1
2
1
2
и при свободном падении пробного тела, с закрепленным на нем уголковым отражателем 3, разности ΔS и ΔS оказываются равными по величине, но противоположно направленными. В общем случае, если направление рабочего лазерного луча 6 не совпадает с вертикалью, γ≠0, то в смещении изображения рабочего лазерного луча 13 (Фиг. 2) появляется компонента 2Htanγ, приводящая к тому, что ΔS≠ΔS, именно отличия в разностях ΔS и ΔSхарактеризуют направление и величину отклонения рабочего лазерного луча 6 от вертикали, Корректировкой направления рабочего лазерного луча 6 производится выравнивание разностей ΔS и ΔS, обеспечивая тем самым выставление рабочего лазерного луча 6 в вертикаль.
В заявляемом способе выставления вертикали рабочего лазерного луча 6 в баллистическом гравиметре в отличие от прототипа нет необходимости в покадровой регистрации, достаточно фиксировать положение изображения рабочего лазерного луча 6, первого вспомогательного лазерного луча 7 и второго вспомогательного лазерного луча 8 только в стартовом положении уголкового отражателя 4 и финишном положении уголкового отражателя 5.
В заявляемом способе выставления вертикали рабочего лазерного луча в баллистическом гравиметре в отличие от прототипа автоматически устраняется влияние горизонтальной начальной скорости обусловленной действием бокового импульса, задающего пробному телу начальную горизонтальную скорость при начале движения свободнопадающего пробного тела из стартового положения. При этом в отличие от прототипа отпадает необходимость в применении сложного вычислительного алгоритма, осуществляющего покадровую обработку траектории смещения лазерного луча для разделения линейной и квадратичной составляющих движения. Таким образом, достигается заявляемый технический эффект.