ГРАДИЕНТОМЕТР
GRADIENT METER

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано для измерения градиентов гравитационного поля.
Известен гравитационный градиентометр Чена-Пайка, содержащий два акселерометра, оси чувствительности которых расположены на одной оси, направленной под углом к вертикали, а также поворотное и регистрирующее устройства /Physical Review D, 1987, v. 35, N 12/.
Недостатком аналога является ограниченность его применения случаем лабораторных условий.
Известен градиентометр, принятый за прототип, содержащий два идентичных акселерометра в герметичном цилиндрическом корпусе, с расположенными в нем чувствительными элементами акселерометров, выполненными с возможностью перемещения вдоль оси корпуса в виде механоэлектрических преобразовательных элементов (МЭПЭ) с инерционными массами, а также электронный блок и схему съема информации, при этом оси чувствительностей акселерометров ориентированы вдоль оси цилиндрического корпуса, закрепленного на поворотном устройстве, ось вращения которого ортогональна оси корпуса /RU N 2033632/.
Данный гравитационный градиентометр можно применять в условиях эксплуатации.
Недостатками прототипа являются его сложность, недостаточная чувствительность и относительная дороговизна.
Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является устранение недостатков прототипа, т.е. удешевление, упрощение и повышение чувствительности прибора.
Данный технический результат достигают за счет того, что в известном градиентометре, содержащем два идентичных акселерометра в герметичном цилиндрическом корпусе, с расположенными в нем чувствительными элементами акселерометров, выполненными с возможностью перемещения вдоль оси корпуса в виде механоэлектрических преобразовательных элементов с инерционными массами, а также электронный блок и схему съема информации, при этом оси чувствительностей акселерометров ориентированы вдоль оси цилиндрического корпуса, закрепленного на поворотном устройстве, ось вращения которого ортогональна оси корпуса, механоэлектрические преобразовательные элементы акселерометров выполнены в виде пьезоэлементов, установленных с инерционными массами на торцах цилиндрического корпуса в едином модуле, образующем дифференциальный акселерометр, подключенный выходом через схему съема информации к электронному блоку, при этом пьезоэлементы механически соединены между собой по направлению осей чувствительностей акселерометров.
Пьезоэлементы выполнены в виде биморфов, центры которых связаны между собой струной.
Пьезоэлементы с инерционными массами связаны с корпусом посредством плоских пружин.
Электронный блок выполнен в виде двух усилителей, один из которых с регулируемым усилением, и сумматора, при этом выходы механоэлектрических преобразователей соединены с входами усилителей, подключенных выходами к входам сумматора.
Пьезоэлектрические преобразователи (ПП) широко используются в виброметрии, где МЭПЭ в виде пьезокерамики, работающей на сжатие, сдвиг или кручение, входят в состав различных вибропреобразователей, обеспечивая, благодаря пьезоэффекту, преобразование механических деформаций, возникающих в них при колебательных движениях, в электрические сигналы на частотах до десятков килогерц. Являясь преобразователями силы пассивного типа с большим динамическим диапазоном (до 200 дБ), они выгодно отличаются от прототипа простотой своей технической реализации, малыми габаритами, надежностью и незначительным объемом требуемого электронного оборудования.
Пьезоэлектрические МЭПЭ - это преобразователи контактного типа. Их жесткость входит в жесткость механической подвески инерционной массы (ИМ) является доминирующей для всех подвесок, кроме низкочастотных, где в целях уменьшения собственных шумов подвески и увеличения чувствительности пьезопреобразователей предпринимаются специальные меры снижения собственной частоты подвесок путем применения биморфных преобразователей. Биморфные МЭПЭ являются преобразователями изгибных деформаций, обладают малой по сравнению с другими типами пьезоэлементов жесткостью, малым пироэлектрическим эффектом и большим коэффициентом преобразования, что позволяет рассматривать их в качестве одного из возможных типов МЭПЭ для высокочувствительного унифицированного градиентометра.
Оценим предельные возможности пьезоэлектрического биморфного преобразователя с наиболее широко распространенным последовательным соединением пластин, имеющего длину l, ширину в и толщину h, свободно опертого по краям и нагруженного по центру силой F. Напряжение на обкладках пьезоэлемента U при его поперечных (изгибных) деформациях будет удовлетворять уравнению:
31
0
-12
где d и ε - пьезомодуль и диэлектрическая проницаемость материала биморфа, соответственно; ε=8.85×10 ф/м. Откуда коэффициент преобразования биморфного пьезоэлемента по силе:
n
При работе биморфа в качестве МЭПЭ в градиентометре величинами наиболее полно его характеризующими, являются коэффициент преобразования по перемещению К(х) и жесткость биморфа. При принятой схеме нагружения биморфа, его жесткость может быть представлена выражением:
где Е - модуль упругости материала биморфа;
n
Воспользовавшись соотношением F=W×x и подставив его в (2), найдем К(х):
31
-12
10
2
Подставив в (4) значения пьезоэлектрических постоянных для наиболее распространенной пьезокерамики ЦТС-19 (d=157×10 Кл/Н, Е=7,2×10Н/м, ε=1540), получим выражение, позволяющее численно оценивать коэффициенты преобразования биморфных пьезоэлементов:
5
3
0
n
n
n
Из (5) видно, что биморфные пьезоэлементы являются одними из самых чувствительных преобразователей перемещения. Так, например, чувствительность биморфа с размерами h=1 мм, l=40 мм, равна 7,5×10 В/м, что во много раз больше максимально достижимого коэффициента преобразования прототипа. При этом малая жесткость биморфов позволяет на их основе создавать достаточно низкочастотные подвески. Так, биморф с указанными параметрами и шириной 2 мм имеет жесткость W=9×10 Н/м, что в ПП с инерционной массой 0,5 кг дает возможность получить собственную частоту подвески, равную  Ясно, что уменьшить соответствующим образом размеры биморфа (3), можно снизить и ƒ, однако, следует учитывать, что при этом будет уменьшаться и К(х) (5), причем относительное уменьшение К(х) будет происходить быстрее, например, снижение приведет к уменьшению К в 3 раза.
Для оценки предельной разрешающей способности биморфных МЭПЭ найдем выражение для его собственных шумов, для чего используем эквивалентную схему пьезоэлектрического МЭПЭ в виде емкости С, нагруженной на сопротивление потерь R. Спектральная плотность мощности напряжения тепловых шумов такой схемы определяется выражением:
Специально проведенными исследованиями доказано, что величина равная tgδ, где tgδ - тангенс угла диэлектрических потерь, а также С - частотно независимы до 0,1 Гц. Учитывая это обстоятельство, а также то, что абсолютное значение tgδ для всех пьезокерамик мало, выражение (6) можно переписать в виде:
откуда видно, что определяющим параметром при оценке собственных шумов, проводимых на выходе пьезоэлектрического МЭПЭ, является их емкость, увеличение которой ведет к снижению Pn(U). Шумы пьезоэлементов частотно зависимы. Их абсолютное значение растет с уменьшением частоты.
0
Воспользовавшись (4) и (7), а также очевидным соотношением С=εεbl/h, получим общее выражение для спектральной плотности мощности шумовых колебательных перемещений на входе биморфного МЭПЭ:
где  - коэффициент электромеханической связи пьезокерамики.
2
31
Выражение (8) показывает, что собственные шумы биморфных МЭПЭ, приведенные ко входу, определяются электромеханическими параметрами пьезокерамики (член tgδ/(К31)) и жесткостью пьезоэлементов. Причем изменение собственных шумов МЭПЭ в широких пределах можно практически добиться только путем изменения жесткости биморфа, т.к. отличие коэффициента К для большинства известных составов пьезокерамик - незначительно. Поэтому, подставив в (8) значения электромеханических констант для состава ЦТС-19, получим упрощенное выражение, позволяющее оценивать величину спектральной плотности мощности эквивалентного шумового ускорения на входе биморфного пьезоэлемента  в зависимости от его жесткости:
или геометрических размеров:
0
0
2
Используя (9), можно получить выражение для оценки минимального уровня собственных шумов  тех ПП, у которых величина суммарной жесткости определяется в основном жесткостью применяемых биморфов. Для того в (9) подставим вместо W его выражение W=(2πƒ)M и найдем которое достигает минимального значения на резонансной частоте подвески ƒ:
3
Выше и ниже резонансной частоты собственные шумы ПП будут возрастать. Выше- пропорционально ƒ, ниже - обратно пропорционально ƒ. Это обусловлено наличием частотной зависимости собственных шумов у пьезоэлементов и передаточной функции подвески.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена конструктивная схема градиентометра, на фиг. 2 - состав его электронного блока.
Градиентометр содержит два идентичных акселерометра с единой осью чувствительности OO' в герметичном цилиндрическом корпусе 1 (фиг. 1) с расположенными в нем чувствительными элементами в виде МЭПЭ, выполненными ввиде пьезоэлементов 2, 2' с ИМ 3, 3', выполненных с возможностью перемещения вдоль оси OO' чувствительности. При этом пьезоэлементы 2, 2' выполнены в виде биморфов, центры которых связаны между собой, например, стержнем или струной 4, образуя дифференциальный акселерометр ввиде единого модуля.
Пьезоэлементы 2, 2' установлены на торцах цилиндрического корпуса 1 в едином модуле с помощью плоских пружин 5, 5'.
Корпус 1 закреплен на оси 6 поворотного устройства 7, ортогональной оси OO' чувствительности (оси цилиндрического корпуса 1).
Градиентометр установлен на основание 8.
Имеется также электронный блок (фиг. 2).
Информация с дифференциального акселерометра передается на электронный блок с помощью известной фотоэлектрической или магнитоэлектрической схемы съема информации. Электронный блок выполнен в виде двух усилителей, один из которых, например, 9 выполнен перестраевым по усилению.
Выходы усилителей 9, 10 подключены к входам сумматора 11 (фиг. 2).
Схема съема информации на чертежах не представлена ввиду ее известности из специальной литературы /SU N 1483499/.
Градиентометр предназначен для детального исследования областей с большими горизонтальными градиентами силы тяжести. При этом прибор измеряет вторые производные от гравитационного потенциала Земли, т.е. измеряет кривизны ее поверхности и горизонтальные градиенты силы тяжести.
Вторые производные определяют степень неоднородности гравитационного поля. Для характеристики этой неоднородности измеряют силы, действующие на две ИМ 3, 3' (фиг. 1).
В неоднородном гравитационном поле на ИМ 3, 3', будут действовать разные по величине и направлению силы, сумма которых регистрируется пьезоэлементами 2, 2', усиливается в усилителях 9, 10 и суммируется в сумматоре 11 (фиг. 2).
Определение измеряемых величин проводится при вращении цилиндрического корпуса 1, вокруг оси 6 с помощью поворотного устройства 7. При замене пьезоэлементов 2 и 2' на тензоэлементы, необходимость во вращении МЭПЭ отпадает.
Перед началом измерений прибор настраивается на ноль с помощью перестраевомого усилителя 9.
Градиентометр является более простым, надежным и малобюджетным прибором по сравнению с прототипом. Его предполагается использовать на микроспутниках.
Этим достигается поставленный технический результат.