ГРАДИЕНТОМЕТР СИЛЫ ТЯЖЕСТИ Российский патент 1995 года по МПК G01V7/10 

Изобретение относится к измерительной технике для измерения недиагональных компонентов тензора гравитационного градиента на подвижном основании.

Известен прибор для измерения диагональных компонентов 9хх, 9yy и 9zz тензора гравитационного градиента. Этот прибор состоит из пары акселерометров, установленных так, что их чувствительные оси расположены в линию. Разность в отклонениях акселерометров пропорциональна компоненту градиента данного тензора и воспринимается модулируемой индуктивностью ближайшей сверхпроводящей обмотки. Прибор имеет тот недостаток, что пружины диафрагмы служат и как опоры для масс, и как датчики градиента. Первая из этих ролей требует большей жесткости пружин, тогда как роль датчика требует увеличения мягкости пружин.

Изобретение поясняется фиг. 1-9.

На фиг. 1 дан в осевом разрезе градиентометр силы тяжести в сборке, подвешенный на универсальном шарнире внутри вакуумной емкости для вращательно стабилизированной криогенной работы; на фиг. 2 увеличение части фиг. 1, показывающее узел градиентометра в натуральную величину; на фиг. 3 сечение А-А фиг. 2; на фиг. 4 увеличение (5-кратное) гибкой осевой опоры, с помощью которой каждый из взаимно ортогональных квадрупольных брусков массы поддерживается в узле градиометре; на фиг. 5а еще большее увеличение (50-кратное) опоры в области перемычки; на фиг. 5, в вид, подобный фиг. 5,а альтернативной осевой опоры; на фиг. 6 более подробный осевой разрез одного из узлов держателя соленоид/соленоид; на фиг. 7 и 8 соответственно вид снизу и вид сверху узла, показанного на фиг. 6; на фиг. 9 схемы сверхпроводящих цепей для градиентометра.

Устройство 10 включает в себя узел 12 градиентометра, поддерживаемый двухосной или трехосной универсальной подвеской 14 внутри вакуумной емкости 16. Устройство 10 составляет зонд Дьюара, который может быть подвешен внутри сосуда Дьюара (не показан) и погружен в нем в жидкий гелий. Емкость 16 создает полость, из которой можно выкачать воздух, посредством которой может поддерживаться температура, равная или близкая к температуре жидкого гелия для криогенной работы узла 12 градиентометра. Тепловой экран 17 может быть смонтирован около узла градиентометра для уменьшения излучательной и газовой проводимости тепловой передачи между узлом градиентометра и вакуумной емкостью. Все оборудование, включая сосуд Дьюара, легко может быть смонтировано на летательном аппарате или другом движущемся транспортном средстве.

Фактически узел 12 градиентометра включает в себя два, по существу, идентичных градиентометра 20, 20' ориентированных на измерение 9xy и 9хх компонентов тензора гравитационного градиента. Градиентометры 20, 20' прикреплены болтами сверху и снизу к центральной коробчатой структуре 40 и каждый включает в себя пару прямоугольных коробчатых кожухов 22, 23, например, из ниобия, установленных один в другом, и внешние ниобиевые боковые панели 60, образующие окружающий экран от электромагнитного излучения. Кожухи 22, 23 в типичном случае ниобиевые и дают два добавочных уровня полнокругового электромагнитного экранирования.

Твердый брусок 25 сверхпроводящего материала, такого, как ниобий, смонтирован на опоре 21 во внутреннем кожухе 23 для тонкого вращательного изгиба в качестве квадрупольной массы вокруг оси 8, проходящей по существу через центр массы бруска. Оси изгиба двух брусков 25, 25' совпадают, а бруски вытянуты в горизонтальной плоскости взаимно ортогонально в х и y направлениях. Наличие пары ортогональных квадрупольных брусков позволяет уничтожить вращательные ускорения обычного режима, т.е. вращательный шум на каждом бруске. Конечно, градиентометры могут быть ориентированы различно, в зависимости от интересующих компонентов градиента.

Каждый градиентометр 20, 20' кроме того, включает в себя матрицу сверхпроводящих соленоидов 30, которые смонтированы на держателях 70, в свою очередь, поддерживаемых внешним кожухом 22. Соленоиды 30 размещены в непосредственной близости к квадрупольному бруску 25.

Сосуд Дьюара (не показан) должен в типичном случае состоять из внешнего вакуумного контейнера, около 450 мм в диаметре и 1,3 м высотой, и внутреннего сосуда диаметром 300 мм, подвешенного от отверстия вверху внешней оболочки с помощью фиберглассовой трубки горловины. Пространство между внутренним сосудом и внешней оболочкой постоянно поддерживается в разреженном состоянии и в типичном случае заполнено экранами тепловой радиации, окруженными многочисленными слоями алюминизированной майларовой суперизоляции. Вакуумная емкость 16 поддерживается в сосуде Дьюара алюминиевой верхней панелью, которая прикреплена к входному отверстию сосуда Дьюара. Верхняя панель и вакуумная емкость соединены горловой трубкой 13, через которую разрежается вакуумный сосуд, например, до уровня от 10^-8 до 10^-10 Торр. Универсальная подвеска 14 прикреплена к жесткой 25 мм толщины алюминиевой плите 15, которая прикреплена болтами к ионному фланцу 15а головной трубки, а также образует крышку для емкости 16.

Универсальная подвеска 14 состоит из трех карданных колен 43, 44, 45, установленных на гибких осях (не показаны), таких, как пересекающие перемычку оси Bendix. Подвеска 14 обеспечивает трехосевую вращательную изоляцию для узла 12 градиентометра и, кроме того, объединяет соответствующие датчики вращения из оптического стекловолокна (не показаны) или осей х и y, и объединенные электромеханические диамагнитные приводы для активной стабилизации в сервосхеме, управляемой датчиками вращения.

Каждый градиентометр 20, 20' идентичен и следовательно, предполагается тепеpь детализировать только конструкцию градиентометра 20, с отдельной ссылкой на фиг. 2 и 3. Как уже упоминалось, кожухи 22, 23 имеют прямоугольную коробчатую конфигурацию и скомплектованы из узлов верхней, донной, боковых и концевых панелей. Внутренний кожух 23 плотно входит во внешний кожух 22, но устроен так, что может скользить внутрь и наружу при перемещении донной платы внешнего кожуха 22. Внутренний кожух снабжен множеством круглых отверстий 24, которые соответственно принимают держатели 70 соленоидов, а на донной плите 23а втулкой 26 или гибкой опоры 21, которая поддерживает брусок 25.

Гибкая опора 21 детализирована на увеличенных фиг. 4 и 5,а, 5,б и формируется электроискровой обработкой (ЕДМ) как почти непрерывный канал 27 через брусок 25, параллельный оси 8, кроме микроскопической тонкой перемычки 29, удлиняя ширину бруска вдоль оси 8 в центре массы бруска. В примере фиг. 5, а канал 27 определяет 270^о-ный цилиндрический сердечник 28, снабженный тремя резьбовыми отверстиями 23а на одном конце для прикрепления сердечника к втулке 26. Конечно, если требуется или необходимо, сердечник может быть закреплен на обоих концах.

Добавочные резьбовые отверстия (не показаны) предусмотрены в бруске для ввинчивания малых винтов, позиция которых может изменяться до частичного достижения равновесия массы бруска вокруг оси 8. Радиальные части 27а канала 27 отклоняются на их внутренних концах в правые угловые сегменты 27b, которые отцентрированы и отделены перемычкой 29. К обеим сторонам перемычки канал слегка выпячивается на обеих сторонах в 27с, чтобы удлинить перемычку и уменьшить ее жесткость при работе в качестве опоры. Перемычка 29 определяет микроопору толщиной 0,030 мм, длиной 0,200 мм и "шириной" 30 мм, шириной полосы 25. Фиг. 5,а, 5,б показывает канал, альтернативный фиг. 5,а.

Необходимо оценить, в частности, на фиг. 4 и 5,а, 5,б что сердечник 28 и примыкающая внутри выступающая фаска 31 определяет пару элементов с противоположными близко расположенными областями 28b, 31b, или 28'b, 31'b, соединенными перемычкой 29, в плане пересекающей ширину бруска. Эти элементы приспособлены для вращательного взаимного изгиба вокруг опорной оси, ориентированной вдоль перемычки 29. Необходимо также заметить, что элементы 28, 31 и перемычка состоят из цельной массы существенно однородного материала, в данном случае ниобия. В частности, квадрупольный брусок 25 является восприимчивым к тонкому вращательному изгибу на микроопорной перемычке 29 между угловыми пределами, определяемыми контактом между противоположными поверхностями радиальных частей 27а канала 27. Этот угловой предел составляет около 3^о и в любом случае находится в пределах величины, определяемой неэластичностью деформации перемычки.

Размеры бруска 25 выбраны в 30,00 мм квадрат на 30,00 мм длиной, благодаря которым получается датчик градиента с естественной частотой около 1 Гц, при которой чувствительность к ускорениям через эластичные деформации бруска и опорной перемычки 29 является относительно небольшой.

Крепление каждого сверхпроводящего соленоида 30 лучше видно на фиг. 6-8. Каждый держатель 70, механически обработанный кусок ниобия, является в поперечном сечении круглым и имеет внешний фиксирующий фланец 72. Держатель, кроме того, имеет соосную внутреннюю высоту 71 для фиберглассовой направляющей 74 соленоида. Соленоид 30 является спиральной катушкой индуктивности, т. е. плоской спиралью, намотанной на выступающей поверхности направляющей 74 и закрепляемой на месте эпоксидной смолой. Провод 80, обязательно сверхпроводящий и обычно из ниобия с формваровой изоляцией (formvar), входит в центр спирали через диагональное входное отверстие 76 в направляющей 74, обматывает несколько раз направляющую и выходит через канал в направляющей. Отверстия 75 в направляющей служат для временной фиксации узла в процессе намотки провода. Оба конца провода проходят через отверстие 78 в держателе 70 и затем вдоль различных каналов (не показаны), с помощью станка сделанных во внешних поверхностях кожуха 22, и через отверстия в кожух 40.

Держатели 70 фиксируются на месте в апертурах 24 в кожухах и покрываются одной из экранных плат 60, закрепляемых на месте на внешнем кожухе 22 винтами 73. Платы 60, из которых четыре имеются на боках каждого кожуха 22, экранируют провода 80, которые идут от соленоида 30 к кожуху 40. Внутренний конец каждого соленоида, по существу, сопланарен с внутренней поверхностью внутреннего кожуха 23 в непосредственной близости к поверхности бруска 25.

Соленоиды 30 расположены своими осями в общей горизонтальной плоскости, три вдоль каждой стороны и один на каждом конце квадрупольного бруска. Боковые соленоиды организованы в противоположные соосные пары, одна пара с осями, сопланарными с осью 8, и другими по направлению к каждому концу квадрупольного бруска 25. Концевые соленоиды 30а, 30b на одной стороне используются в качестве толкающих соленоидов для диамагнитного приложения вращающей силы и увеличения скручивающей жесткости, сверхпроводящему (го) бруску (бруска) в соответствующих направлениях вращения вокруг оси 8. Два противоположных соленоида 30с, 30b на другой стороне используются для реагирования модуляцией их индуктивности на осевой изгиб бруска 25, возникающий от гравитационного градиента через брусок, реагирования соответствующих соленоидов на изгиб в соответствующих направлениях вращения вокруг оси 8. Оставшиеся четыре соленоида также используются в качестве чувствительных катушек индуктивности, но для детектирования преобразовательного движения бруска в направлениях х и y. Соленоиды являются, по существу, идентичными и, следовательно, могут взаимозаменяемо использоваться или как выталкивающие соленоиды, или как чувствительные катушки индуктивности, или как то и другое.

Выталкивающие соленоиды требуются для обеспечения демпфирования по обратной связи и для тонкой настройки скручивающих резонансных частот квадрупольных брусков для точного совпадения их отклика с обычным видом углового ускорения вокруг оси 8.

Оценим, что квадрупольные бруски 25 не обязательно должны формироваться в твердом сверхпроводящем материале, таком как ниобий, пока они содержат сверхпроводящий материал для взаимодействия с соленоидами 30. Например, каждый брусок может быть массой алюминия, облицованной ниобием или содержащим ниобий в тех частях его поверхности, которые обращены к рабочим соленоидам.

Восемь соленоидов каждого набора соединены приводами в сверхпроводящие схемы (фиг. 9).

Сверхпроводящие провода 80 от соленоидов идут через выполненные на станине каналы в кожухе 22 и сверхпроводящему объединенному интерфейсу в кожухе 40. Внутри кожуха 40 размещены также различные требуемые преобразователи.

Набор схем для градиометра состоит из пяти схем трех различных типов. Это схема главного отсчета (фиг. 9,а), схемы контроля ускорения (фиг. 9,с) и схемы выталкивания (фиг. 9, б). Имеется две схемы контроля ускорения для измерения ускорений в направлениях х и y, и две схемы выталкивания для соответствующих брусков 25, 25'. Две схемы контроля ускорения (представитель одной из которых показан на фиг. 9,с), обозначенны х и y, выполняют функцию выдачи данных ускорения для записи.

Две схемы выталкивания (одна для каждого бруска), являются идентичными, поэтому только одна показана на фиг. 9,б. Последующее описание для одной, полностью применимо для другой.

Петля схемы выталкивания несет постоянный электрический ток, который может регулироваться и сохраняться. Результирующий магнитный поток в петле означает, что соленоиды выталкивания действуют как магнитные пружины, посредством которых увеличивается резонансная скручивающая механическая частота квадрупольного бруска. Этот технический прием используется для согласования резонансных скручивающих частот двух брусков. Подавление угловых ускорений вокруг оси z зависит от того, как хорошо эти частоты согласованы. Модуляции электрического тока будут вызваны угловым движением бруска, и это воспринимается подключением петли выталкивания и SQUID. Этот выход может быть использован в обратной связи для серворегулирования угловых ускорений вокруг оси z.

Схема главного отсчета, изображенная на фиг. 9,а выполняет функцию объединения угловой информации от каждого из передатчиков счетчиков, с информацией х и y ускорений, для создания температурно-компенсированного выходного сигнала, пропорционального градиенту силы тяжести. Имеется пять петель, в каждой из которых магнитный поток может быть независимо установлен и затем замкнут. Это: О петля для верхнего бруска, 0 петля для нижнего бруска, Х петля ускорения (нижний брусок). Y петля ускорения (верхний брусок); и последняя петля восприятия температуры, в которую включен SQUID входной трансформатор. Поток в Х, Y петлях подстраивается так, что SOUID выход не зависит от этих двух ускорений. Подобным образом поток ив каждой из двух 0 петель устанавливают так, чтобы ликвидировать воздействия вращательных ускорений вокруг оси z. Поток температурной петли регулируется так, чтобы в первом приближении компенсировать малые температурные неоднородности в градиометре.

Использование: область измерительной техники для измерения недиагональных компонент тензора гравитационного градиента. Сущность изобретения: градиентометр содержит корпус, включающий в себя пару кожухов электромагнитной защиты, установленных один внутри другого, и тело из сверхпроводящего материала, установленное внутри внутреннего кожуха для тонкого осевого изгиба в качестве квадруполя массы вокруг оси, проходящей через центр массы вышеуказанного тела. Матрица сверхпроводящих соленоидов поддерживается внешним кожухом и помещена в непосредственной близости к вышеуказанному телу для диамагнитного приложения вращательной силы к телу относительно оси изгиба и/или для реагирования модулирования индуктивности на осевой изгиб тела, возникающий от гравитационного градиента через тело. Матрица приспособлена для приложения вращательной силы в обоих направлениях вращения и для реагирования на изгиб в обоих направлениях вращения. Гибкая осевая опора включает в себя пару элементов с противоположным, расположенными с небольшим зазором поверхностями. Эти поверхности соединены перемычкой микроскопической толщины в плоскости, пересекающей поверхности. Элементы и перемычка состоит из цельной массы однородного материала, элементы приспособлены для осевого зажимного изгиба вокруг оси, ориентированной вдоль указанной перемычки. 8 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. ГРАДИЕНТОМЕТР СИЛЫ ТЯЖЕСТИ, содержащий преобразовательную систему, включающую расположенные в корпусе массу и сверхпроводящий преобразователь, отличающийся тем, что масса выполнена в виде состоящего из сверхпроводящего материала тела, установленного посредством гибкой осевой опоры, при этом ось изгиба массы тела совпадает с осью, проходящей через центр масс тела, а также преобразовательная система дополнительно содержит матрицу преобразователей, установленных в непосредственной близости к телу. 2. Градиентометр по п.1, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде двух прямоугольных коробчатых кожухов, размещенных один в другом, а тело выполнено в виде бруска, дополняющего их прямоугольной формы. 3. Градиентометр по п.1, отличающийся тем, что корпус дополнительно снабжен системой тепловой и виброзащит. 4. Градиентометр по п.1, отличающийся тем, что каждый преобразователь выполнен в виде матрицы сверхпроводящих соленоидов, каждый из которых выполнен в виде спиральной катушки индуктивности и установлен посредством держателей, при этом соленоиды расположены своими осями в общей горизонтальной плоскости по три вдоль каждой боковой стороны тела и по одному на каждом торцевом конце тела. 5. Градиентометр по п.1, отличающийся тем, что в качестве сверхпроводящего материала используется ниобий. 6. Градиентометр по пп.1 5, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вторую преобразовательную систему, идентичную первой преобразовательной системе, при этом обе преобразовательные системы расположены так, что оси изгиба масс тел каждой преобразовательной системы параллельны, сами тела ориентированы взаимно ортогонально и ортогонально оси изгиба массы каждой преобразовательной системы, а матрица сверхпроводящих соленоидов одновременно с массами обеих преобразовательных систем включена в пять сверхпроводящих контуров. 7. Градиентомер по п.1, отличающийся тем, что гибкая осевая опора содержит пару элементов, представляющих собой кольцеобразное тело и дополнительное тело, расположенное внутри кольцеобразного, поверхности которых противоположны, элементы установлены с зазором и соединены тонкой перемычкой, пересекающей тело вдоль вертикальной оси, совпадающей с осью изгиба квадруполя массы тела, а один из указанных элементов является частью массы тела. 8. Градиентометр по п.6, отличающийся тем, что оси изгиба масс тел каждой преобразовательной системы совпадают. 9. Градиентометр по п.7, отличающийся тем, что пара элементов и перемычка гибкой осевой опоры выполнены из единой массы сверхпроводящего материала.