СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УСКОРЕНИЯ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ
METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING GRAVITATIONAL ACCELERATION

Изобретение относится к области геофизики, астрономии и астрофизики, а именно к способам и устройствам измерения ускорения силы тяжести.
Известны способы для измерения абсолютного значения ускорения силы тяжести, например, к ним относятся баллистический и маятниковый.
Баллистический метод основан на измерении ускорения силы тяжести g, определяемом по результатам измерения пути и времени свободного падения оптического уголкового отражателя.
Главными источниками погрешностей баллистического метода являются торможение падающего отражателя окружающим воздухом, взаимодействие с электрическими и магнитными полями, микроколебания фундамента, вращение отражателя, не вертикальность светового луча. Поэтому баллистические гравиметры практически невозможно использовать с подвижных оснований: на надводных и подводных судах, автомобилях, авиатранспорте (Огородова Л.В., Шимбирев Б.П., Юзефович А.П. Гравиметрия, М., «Недра», 1978, с.82).
К наиболее близким к заявляемому по назначению является маятниковый способ измерения ускорения силы тяжести и устройство «Агат», реализующее данный способ, представляющее собой комплекс высокоточной маятниковой аппаратуры (Грушинский Н.П., Сажина М. Гравитационная разведка. «Недра», 1981, с.97). Принцип, лежащий в основе измерений ускорения силы тяжести маятникового способа, заключается в использовании зависимости периода колебаний свободного маятника от ускорения силы тяжести g. Однако данный способ имеет ряд ограничений. Например, для его осуществления необходимо либо предварительное вычисление силы тяжести в исходной точке либо для вычисления абсолютного значения g знание длины маятника с высокой степенью точности, кроме того способ длителен по времени, так как для получения точных значений g необходимо значительно продлить время наблюдения. К недостаткам способа можно отнести также необходимость учета поправок, вызванных колебаниями маятника в плоскостях, отличных от плоскости качания, которые часто непредсказуемы, учета силы трения и изменения температуры.
Гравиметрический комплекс «Агат» для реализации известного способа включает источник питания, стандарт частоты, измерительную систему, состоящую из запускающего устройства, чувствительного элемента в виде трех двухмаятниковых приборов и оптической системы съема информации, соединенной с пересчетным устройством. Маятниковые приборы чувствительного элемента представляют собой два маятника, каждый из которых состоит из кварцевого стержня, скрепленного в верхней части с агатовой головкой, составляющей единую деталь с опорной призмой, а в нижней части стержень сваривается с тяжелым цилиндрическим грузом. Маятники расположены один против другого в плоскости качания и качаются в противофазе. Колебания маятника близки к гармоническим, поэтому для повышения точности определения g можно измерять длительность не одного, а большого числа собственных колебаний маятника. Измерение периода колебаний маятников осуществляется с помощью стандарта частоты. Запись колебаний производится с использованием оптической системы съема информации, включающей источник света, передающей луч света на зеркала, установленные на маятниках, и пересчетное устройство. Пересчетное устройство обеспечивает на выходе цифровую величину периода колебаний и далее по известным зависимостям вычисляют ускорение силы тяжести g.
К недостаткам известного устройства можно отнести ограниченность области его использования и невысокую точность определения ускорения силы тяжести из-за трудности учета помех, вызванных колебаниями маятника в направлениях, отличных от плоскости качания маятника, а также массивность устройства.
Задача заявляемой группы изобретений состоит в повышении точности определения ускорения силы тяжести g и расширении области использования.
1
2
Поставленная задача решается способом измерения ускорения силы тяжести g, включающим определение угловой скорости вращения волчка и угловой скорости прецессии волчка, при этом в качестве волчка используют диск со светоотражающими сегментами, насаженный на ось, угловую скорость вращения волчка определяют по количеству отражений света от диска в единицу времени, а угловую скорость прецессии волчка - по количеству пересечений светового потока осью волчка, и затем вычисляют ускорение силы тяжести по формуле, где ω - угловая скорость вращения волчка, ω - угловая скорость прецессии волчка, R - радиус диска, l - расстояние от основания оси до центра тяжести волчка.
Поставленная задача решается также устройством для измерения ускорения силы тяжести g, содержащим источник питания, пересчетное устройство, соединенное со стандартом частоты и оптической системой съема информации, размещенной в корпусе измерительной системы, включающей чувствительный элемент и систему запуска чувствительного элемента, при этом чувствительный элемент выполнен в виде установленного на твердой платформе волчка в форме диска со светоотражающими сегментами, насаженного на ось, оптическая система съема информации включает два датчика съема информации, каждый из которых состоит из источника и приемника света, при этом один из датчиков установлен с возможностью измерения световых импульсов по количеству пересечений светового потока осью волчка, а другой - с возможностью измерения импульсов, отраженных от светоотражающих сегментов диска, при этом каждый датчик съема информации соединен со своим пересчетным устройством.
Таким образом, за счет значительного увеличения скорости прецессии (колебаний) волчка относительно колебаний маятника и отсутствия влияния на угловые скорости вращения и прецессии волчка наклонов измерительной системы в разных плоскостях заявляемые способ и устройство позволяют решить поставленную задачу - повысить точность определения ускорения силы тяжести g и расширить область использования заявляемой группы изобретений, что особенно важно, например, для морских гравиметрических работ.
1
2
1
2
Способ измерения ускорения силы тяжести основан на измерении угловых скоростей вращения ω и прецессии ω волчка, который представляет собой диск со светоотражающими сегментами, насаженный на ось, и последующее определение ускорения силы тяжести по формуле , где R - радиус диска, l - расстояние от основания оси до центра тяжести волчка, при этом ω определяют по количеству отражений света от светоотражающих секторов диска, а ω - по количеству пересечений светового потока осью.
Известно, что согласно правилу прецессии гироскопа под действием момента сила тяжести Р относительно основания оси (точка О) волчок прецессирует вокруг вертикальной оси (OZ) согласно уравнению
и, следовательно,
(Никитин Н.Н. Курс теоретической механики. М. Высш. шк., 1990. С.607).
0
Для плоского однородного диска радиусом R и массой М момент инерции J относительно точки О равен:
и, подставляя (3) в (2), получим:
,
а
1
1об/мин
2
2об/мин
где ω=2πn/60 и ω=2πn/60.
1
2
1
2
На чертеже представлена принципиальная схема измерительной системы для измерения ускорения силы тяжести, где 1 - система запуска, 2 - ось волчка, О - основание оси, 3 - диск, 4 - светоотражающие сегменты, 5 - платформа, L, L - источники света, D - приемник света, отразившегося от светоотражаюших сегментов 4, D - приемник света после пересечения света осью волчка, С - центр тяжести волчка.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
2
2
2
2
1
1
1
1
2
2
1
1
1
1
2
1
1об/мин
2
2об/мин
Система запуска (1) измерительной системы раскручивает волчок, захватывая верхний конец оси (2) волчка и затем поднимаясь вверх. При этом ось (2) волчка начинает прецессировать вокруг вертикальной оси OZ с угловой скоростью ω на платформе (5). Источник света L и приемник D размещены в корпусе (не показан) измерительной системы напротив друг друга так, что при прецессии ось (2) волчка периодически перекрывает световой поток от источника L. А источник света L и приемник D расположены в корпусе так, что свет от источника L, отразившись от светоотражающих сегментов (4), попадает в приемник D. Угловую скорость ω измеряют по количеству пересечений светового потока от L в единицу времени. Угловую скорость ω волчка определяют по количеству отраженных от светоотражающих сегментов (4) световых импульсов от L, поступивших в D за то же время. Полученные импульсы поступают в пересчетные устройства (не показаны), где вычисляют угловые скорости вращения волчка ω и угловую скорость прецессии ω и затем по формуле определяют ускорение силы тяжести , где ω=2πn/60 и ω=2πn/60, где l равно ОС - расстояние от основания оси до центра тяжести волчка.
Волчок представляет собой диск, например латунный, со светоотражающими сегментами, насаженный на ось из твердого, коррозионно-стойкого материала, например, стали.
Платформа измерительной системы выполнена из материала, обладающего высокой твердостью, прочностью и малым коэффициентом трения пары ось волчка - платформа, например агата.
В качестве источников и приемников света используют, например, оптопары с открытым оптическим каналом.
Система запуска волчка может быть различной, например выполненной в виде разгоняющего устройства из двух сопряженных конусов, один из которых находится в верхней части разгоняющего устройства и приводится во вращение, например, электромотором или воздушной турбиной, а другой - в верхней части оси волчка.
Для повышения точности измерений корпус измерительной системы может быть выполнен термостатированным и вакуумированным.
Остальные комплектующие устройства: источник питания, стандарт частоты для определения времени измерений, пересчетные устройства, являются стандартными и их параметры зависят от поставленной задачи, а также условий использования. Например, пересчетные устройства могут быть выполнены на базе микропроцессора.
Таким образом, совокупность существенных признаков предложенного способа и устройства позволяют получить заявляемый технический результат - повышение точности измерений и удобства эксплуатации.