АБСОЛЮТНЫЙ БАЛЛИСТИЧЕСКИЙ ГРАВИМЕТР
ABSOLUTE BALLISTIC GRAVIMETER

Изобретение относится к области гравиметрии, а именно к средствам абсолютных измерений ускорения свободного падения (ускорения силы тяжести), и может быть использовано для измерений гравитационного поля, в частности, в геологии для поиска и определения запасов полезных ископаемых, в геодезии для определения глобальной и локальной моделей гравитационного поля Земли и других планет, для мониторинга временных вариаций гравитационного поля и в навигации.
Известен абсолютный баллистический гравиметр (US 5351122, 1994.09.27), содержащий вакуумную камеру с баллистическим блоком с пробным телом и узлом его позиционирования в исходном положении и лазерный интерферометр-измеритель перемещений пробного тела. Баллистический блок содержит каретку, на которой установлено пробное тело с отражателем, узел контроля зазора между пробным телом и кареткой и управляемый привод каретки. Лазерный интерферометр состоит из лазера, светоделителя, отражателя на пробном теле и опорного отражателя на виброзащитной подвеске, образующих измерительное плечо, а также отражателя, образующего со светоделителем референтное плечо интерферометра.
Пробное тело на своих опорах устанавливают на каретке на ее установочных элементах, расположенных на одной окружности под углом 120° с центром на оси пробного тела.
Задание пространственной ориентации пробного тела необходимо для обеспечения юстировки ввода оптического излучения относительно отражателя на пробном теле.
Известный абсолютный баллистический гравиметр работает следующим образом:
Каретку с пробным телом с помощью привода перемещают вверх и останавливают в исходном положении.
Из исходного положения с помощью привода каретку перемещают вниз с ускорением большим, чем ускорение свободного падения, что приводит к отделению пробного тела от каретки. В процессе свободного падения пробного тела узел контроля зазора между пробным телом и кареткой и узел управления приводом каретки автоматически обеспечивают движение каретки с заданным зазором. В конце траектории свободного падения пробного тела перемещение каретки замедляют до выравнивания ее скорости со скоростью пробного тела для его плавного подхвата и остановки без удара об опоры каретки.
Измерение пути, пройденного в свободном падении пробным телом, производится с помощью лазерного интерферометра-измерителя перемещений путем счета количества интерференционных полос, каждая из которых соответствует перемещению пробного тела на половину длины волны лазерного излучения, преобразуемых в электрические импульсы фотоприемной системой. Электрические импульсы с фотоприемной системы и соответствующие им интервалы времени, счет которых производится измерителем интервалов времени, поступают на вычислительную систему, вычисляющую измеренное значение ускорения свободного падения.
После установки пробного тела на каретке в конце пути его свободного падения каретка снова поднимается вверх и вместе с пробным телом останавливается в исходном положении.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, относятся сложность конструкции и нестабильность ее функционирования, приводящая
- к невозможности плавного подхвата пробного тела и, как следствие, износу и разрушению установочных элементов пробного тела и каретки,
- к смещению центра тяжести пробного тела из-за указанных износа и разрушению его установочных элементов,
- к механическим возбуждениям всего гравиметра от функционирующего привода, перемещающего каретку в процессе свободного падения пробного тела.
Возникающие механические возбуждения заставляют разделять гравиметр на две механически развязанные части, в одной из которых находится баллистический блок, а в другой - опорный отражатель на виброзащитной подвеске. Все эти причины приводят к снижению надежности функционирования гравиметра, к необходимости дополнительных юстировок и регулировок и к снижению точности измерения ускорения свободного падения.
Известен также абсолютный баллистический гравиметр (H.Hanada, T.Tsubokawa, S.Tsuruta, Bulletin Geodesique, 1994, vol.69, p. 12-20; H.Hanada, T.Tsubokawa, S.Tsuruta, Metrologia, 1996, v.33, n. 2, p. 155-160), содержащий вращающуюся вакуумную камеру с баллистическим блоком с пробным телом с отражателем, с ловушкой для пробного тела, с узлом позиционирования и фиксации пробного тела в исходном положении и лазерный интерферометр-измеритель перемещений пробного тела.
Баллистический блок представляет собой цилиндрическую вакуумную камеру, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси, пересекающей ось цилиндрической камеры. Ось вакуумной камеры расположена вертикально. На верхней поверхности пробного тела соосно оси его симметрии установлен вертикальный стержень. На конце вертикального стержня установлен рубиновый шарик. В исходном положении пробное тело удерживается за рубиновый шарик узлом позиционирования и фиксации. Узел позиционирования и фиксации, состоящий из трех расположенных под углом 120° лапок с пьезокерамическим приводом, обхватывает рубиновый шарик с трех сторон, фиксируя пробное тело в исходном положении перед освобождением. Пьезокерамический элемент отжимает лапки узла позиционирования и фиксации, приводя пробное тело в состояние свободного падения. Пробное тело падает и останавливается на другом конце камеры ловушкой.
С помощью автоматического привода цилиндрическую вакуумную камеру начинают вращать вокруг горизонтальной оси с такой скоростью, что пробное тело удерживается в ловушке, уравновешиваемое центробежной силой. В тот момент времени, когда при вращении камеры пробное тело оказывается в верхнем положении, камера останавливается автоматическим приводом, пробное тело отрывается от ловушки, падает вертикально вниз и попадает стержнем с рубиновым шариком в узел позиционирования и фиксации. При этом лапки узла позиционирования и фиксации обхватывают рубиновый шарик и фиксируют его. Камеру поворачивают еще на 180°, при этом пробное тело, удерживаемое узлом позиционирования и фиксации, находится в верхнем исходном положении для следующего броска.
Измерение пути свободного падении пробного тела производят с помощью лазерного интерферометра - измерителя перемещений путем счета количества интерференционных полос, преобразуемых в электрические импульсы фотоприемной системой. Электрические импульсы с фотоприемной системы и соответствующие им интервалы времени, счет которых производят измерителем интервалов времени, поступают на вычислительную систему, вычисляющую измеренное значение ускорения свободного падения.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, относится неравномерное распределение сил со стороны каждой их трех лапок узла фиксации и позиционирования, фиксирующих рубиновый шарик, приводящее к появлению случайных угловых скоростей в момент высвобождения пробного тела из узла позиционирования и фиксации. Вызываемые случайные начальные угловые скорости вращения пробного тела приводят к тому, что оптический путь, измеряемый интерферометром при падении пробного тела, отличается от пути, пройденного центром тяжести пробного тела, что приводит к неточному измерению ускорения свободного падения. Баллистический блок и его привод в указанном гравиметре имеют большую массу и габариты и сложны по конструкции.
Известен также абсолютный баллистический гравиметр (SU 1563432, G01V 7/14, 1988.01.08), который является наиболее близким аналогом заявляемого гравиметра. Известный гравиметр содержит размещенный в вакуумной камере баллистический блок с пробным телом с отражателем, с ловушкой для пробного тела, установленной на конечном участке траектории свободного падения пробного тела, с узлами позиционирования и фиксации пробного тела в исходном положении, с кареткой-подъемником пробного тела с управляемым приводом и лазерный интерферометр-измеритель перемещений пробного тела.
Баллистический блок гравиметра содержит каретку-подъемник пробного тела в верхнее положение, где пробное тело с отражателем интерферометра, тремя точечными опорами для позиционирования и с элементом из магнитомягкого материала фиксируют закрепленным наверху электромагнитом. После позиционирования и фиксации пробного тела электромагнитом в исходном положении каретку возвращают в нижнее положение. После выключения электромагнита пробное тело свободно падает и подхватывается ловушкой на конечном участке траектории свободного падения. Каретку из нижнего положения снова поднимают, подхватывая пробное тело из ловушки, и пробное тело снова позиционируют и фиксируют электромагнитом в верхнем исходном положении цикла движения.
Измерение пути свободного падения пробного тела производят с помощью лазерного интерферометра-измерителя перемещений путем счета интерференционных полос, число которых соответствует изменению оптического пути лазерного луча, отраженного отражателем свободно падающего пробного тела, преобразуемых в электрические импульсы фотоприемной системой. Электрические импульсы с фотоприемной системы и соответствующие им интервалы времени, счет которых производится измерителем интервалов времени, поступают на вычислительную систему, вычисляющую измеренное значение ускорения свободного падения.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, относятся недостаточная точность позиционирования пробного тела в исходном положении на трех опорных элементах, что приводит к появлению случайных начальных угловых скоростей, вызывающих заклоны пробного тела в падении, и наличие остаточного магнетизма в пробном теле, взаимодействие которого с остаточным магнитным полем электромагнита, с земным магнитным полем и с магнитным полем, возбуждаемым в металлическом корпусе вакуумной камеры падающим пробным телом токами Фуко, приводит к отличию измеряемого ускорения падения пробного тела от ускорения свободного падения, т.е. падения только под действием силы тяжести.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является упрощение конструкции гравиметра и повышение точности и надежности измерений ускорения свободного падения.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в обеспечении возможности надежной и точной фиксации пробного тела в исходном положении и уменьшения угловых и пространственных отклонений оси пробного тела от вертикали во время его свободного падения.
Указанный технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, достигается тем, что в заявляемом абсолютном баллистическим гравиметре, содержащем размещенный в вакуумной камере баллистический блок с пробным телом с отражателем, с ловушкой, установленной на конечном участке траектории свободного падения пробного тела, с узлами позиционирования и фиксации пробного тела в исходном положении, с кареткой-подъемником пробного тела в исходное положение с управляемым приводом, и лазерный интерферометр-измеритель перемещений пробного тела, в отличие от известного гравиметра, пробное тело снабжено установленным на его верхней поверхности соосно оси симметрии направляющим стержнем с гибким элементом на его торце, узел позиционирования пробного тела в исходном положении выполнен в виде фланца с сопрягаемым со стержнем протяженным вертикальным направляющим отверстием, а узел фиксации пробного тела в исходном положении установлен на фланце и выполнен с возможностью удержания гибкого элемента в неподвижном положении.
Указанный результат, получаемый при осуществлении изобретения, достигается также тем, что в заявляемом гравиметре, отражатель выполнен в виде кругового конуса с внутренней отражающей конической поверхностью с углом 45° между образующей и осью конуса.
На фиг.1 изображено заявляемое устройство с пробным телом со встроенным в него отражателем в положении, когда оно находится в ловушке, и в верхнем исходном положении. На фиг.2 изображена часть устройства с узлами позиционирования и фиксации пробного тела, находящегося в исходном положении. На фиг.3 изображено пробное тело с коническим отражателем.
Заявляемый абсолютный гравиметр содержит (фиг.1 и 2) размещенный в вакуумной камере 1 с прозрачным окном 2 баллистический блок 3 с пробным телом 4 с отражателем 5 и с установленным на верхней поверхности пробного тела соосно его оси симметрии направляющим стержнем 6 с гибким элементом 7 на его торце.
1
1
В баллистическим блоке 3 установлены узел позиционирования пробного тела в исходном положении 4, состоящий из сопряженного с направляющим стержнем 6 вертикального протяженного отверстия 8 во фланце 9, и узел фиксации 10 пробного тела 4 в исходном положении с приводом из пьезокерамики 11.
1
2
2
В баллистическом блоке 3 также установлена на направляющих 12 и 12 каретка-подъемник 13 пробного тела 4 с установочным гнездом 14, форма которого сопряжена с формой пробного тела, и на конечном участке траектории свободного падения пробного тела 4 установлена ловушка 15, форма которой сопряжена с формой пробного тела 42.
Заявляемый абсолютный гравиметр содержит также систему управления 16 приводом 17 каретки 13, систему управления 18 приводом 11 узла фиксации 10, лазерный интерферометр 19, фотоприемную систему 20, счетчик интерференционных полос 21, измеритель интервалов времени 22 и вычислительную систему 23 для вычисления ускорения свободного падения.
Заявляемое устройство работает следующим образом:
По команде системы управления 16 приводом каретки 17 каретку 13, первоначально расположенную в крайнем нижнем положении ниже ловушки 15, установленной на конечном участке траектории свободного падения пробного тела, поднимают и подхватывают из ловушки 15 пробное тело 4 с отражателем 5. Пробное тело устанавливают в установочное гнездо 14 на каретке, форма которого сопряжена с формой пробного тела.
1
1
Каретку продолжают поднимать в крайнее верхнее положение, в котором направляющий стержень 6 пробного тела 4 вводится в сопряженное с ним по форме отверстие 8 во фланце 9, и фиксируют узлом фиксации 10 за упругий элемент 7 в исходном положении 4. Каретку 17 опускают в крайнее нижнее положение, а пробное тело 4 удерживают узлом фиксации 10 в верхнем исходном положении 4.
1
По сигналу системы управления 18 привод 11 узла фиксации 10 упругого элемента на направляющем стержне 6 пробного тела приводит пробное тело 4 из его исходного положения 4 в свободное падение и на конечном участке траектории свободного падения подхватывают пробное тело ловушкой 15, после чего весь цикл движения пробного тела может быть повторен.
Измерение пути, пройденного в свободном падении пробным телом, производят путем счета количества интерференционных полос, образуемых в лазерном интерферометре 19 при движении свободно падающего пробного тела 4, вызывающего изменение оптического пути светового луча, отражаемого отражателем 5. Каждую интерференционную полосу, соответствующую перемещению пробного тела на половину длины волны лазерного излучения, преобразуют в электрические импульсы фотоприемной системой 20. Интервалы пути отсчитывают по электрическим импульсам с фотоприемной системы 20 счетчиком 21 и вместе с соответствующими им интервалами времени, счет которых производится измерителем интервалов времени 22, подают на вычислительную систему 23, вычисляющую измеренное значение ускорения свободного падения.
Применение направляющего стерженя 6 на пробном теле 5 и сопряженного с ним отверстия 8 позволяет обеспечить возможность надежной и точной фиксации пробного тела в исходном положении и уменьшить угловые и пространственные отклонения оси пробного тела от вертикали во время его свободного падения, тем самым упростив конструкцию пробного тела и баллистического блока. Использование одноточечной схемы фиксации пробного тела элементом фиксации за гибкий элемент направляющего стержня исключает проблему неоднородности сил прилипания каждой из трех опор к ответным установочным элементам, для разрешения которой в наиболее близком аналоге предлагается сложная схема электромагнитов для фиксации пробного тела в исходном положении.
Дополнительным техническим результатом является то, что в настоящем устройстве за счет отсутствия остаточного магнитного поля узла позиционирования и фиксации как в наиболее близком аналоге достигается уменьшение пути свободного падения пробного тела. Отсутствие такого поля позволяет начать измерения интервалов пути свободно падающего тела с момента его выхода из узла позиционирования и фиксации. Уменьшение пути свободного падения пробного тела, на котором производятся измерения интервалов пути, позволяет уменьшить габариты баллистического блока гравиметра и размер вакуумной камеры и снизить требования к системам вакуумирования баллистического блока.
В качестве отражателя на пробном теле во всех аналогах используются уголковые отражатели. Использование вместо уголкового отражателя кругового конического отражателя с внутренней отражательной поверхностью с углом 45° между образующей и осью конуса (Vitushkin A.L., Vitushkin L.F. Conference Digest of Conference on Precision Electromagnetic Measurements, 14-19 May 2000, Sydney, Australia, p. 477-478) позволяет повысить точность измерения интервалов пути, пройденного пробным телом, за счет повышения точности юстировки вертикальности свободного падения пробного тела с укрепленным на нем коническим отражателем, который, в отличие от уголкового отражателя, чувствителен к заклонам пробного тела.
Таким образом, видно, что приведенные выше сведения подтверждают возможность осуществления заявляемого изобретения, достижения указанного технического результата и решения поставленной задачи.