Гравитационный вариометр Советский патент 1979 года по МПК G01V7/10 

« .

Изобретение относится к области гравиметрии и может быть испсшьзоваяо дня измерения слабых сил гравитвщион- ной, электромагнитной или иной природы.

Известен прибор, содержащий корпус, оптическое устройство, регистратор, крутильньй маятник, вьтолнениый в виде коромысла с укрепленными на его концах пробными массами и подвешенный за йередину на тонкой упругой.крутильной нити ij.

В этом приборе под воздействием микросейсм и инерциальньге ускорений другой природы (вибрации, толчки и т. д. возникают паразитные колебания коромысла относительно верхней точки подвеса (маятниковые колебания) и относительно нижней точки подвеса(качания), которые приводят к появлению эффекта так .назьгоаемой динамической жесткости. При этом жесткость крутильной нити увеличивается, что соответственна приводит к изменению периода крутильных колебаний коромысла.

Экспериментальные исследования но измерению гравитационной постоянной показывают, что сейсмические воздействия на коромысло определяют стабильность его периода колебаний на уровне

AT.

to

что является существенным- препятствием к повышению точности измерений,

Известен вариометр, содержащий корпус, оптическое устройство, регистратор, крутильный маятник, выполненный в виде крестообразного симметричного коромысла, центр тяжести которого совпадает с точкой подвесами. Оптимизация конструкции н параметров чувствительного элемента позволяет увеличить стабильность его периода до

AT

Ут

10 -f10Сложность нелинейной теории движения коромысла не позволяет найти точного решения, а поэтому нет и возможности строгого решения задачи оптимизации. Крометого, ийвозможен учет систематическчх погрешнодтей, обусловленных нелинейным характером теории движения маятника и влиянием помех. Наиболее близким к предлагаемому является гравитационный вариометр Этвеша, содержащий два крутильных маят ника с одинаковыми моментами инерции, подвешенных на общем основании на упруги.х нитях с одинаковой крутильной жесткостью, корпус, оптическую систему отсчета, поворотное азимутальное устройство f 3. Указанный вариометр имеет низкую точность, у него наблюдаются систематические погрешности, обусловленные влиянием йнерпиальн гх помех. Цель изобретения - повышение точности измерения за счет исключения влия ния случайных помех, обусловленных инер диальными ускорениями основания прибора. Поставленная цель достигается тем, что один из крутильных маятников выполнен в виде тела с равномерным угловым распределением массы в плоскости вращения (т. е. имеет форму тела вращения) например, в виде цилиндра, подвешенного так, что его ось совпадает с осью вращения упругой крутильной нити. Надлежащим размещением зеркал маят ников производится оптическое вычитание углов поворота маятников. Поскольку оба маятника имеют одинаковые моменты инерции относительно точки подвеса, то они в Одинаковой мере будут подвержены влиянию инерциальных помех. Но при этом цилиндрический маятник, имея равно мерное распределение масс относительно оси вращения, не будет реагировать на моменты гравитационных сил, а обычный маятник, выполненный в виде гантели, будет чувствовать и изменение моментов гравитационньгх сил. Следовательно, разность периодов этих двух маятников буде свободна от влияния инерциапьных помех. На фиг. 1 схематически изображено предлагаемое устройство,- на фиг. 2 принципиальная схема его. Гравитационный вариометр содержит гравичувствительный маятник 1, гравинечувствительный маятник 2, упругие ни ти подвесов 3, лампу осветителя 4, оптическую систему 5, вспомогательные зеркала б, фотЬприемник 7, лампу освет теля нижних зеркал 8, коордннатно- юточувствительные элементы 9, нижние зерк а 10, фотоана,1и: ито;;ы И, призмы 12, иафрагмы 13 (поворотно-азимутальное , стройство на рисунке не приводится). Гравичувствительный маятник 1 может быть выполнен в виде гантели с массами, aкpeплeиньпv и -на концах горизонтального стержня. Гравинечувствительный маятник вьшолнен в виде симметричного тела, например, цилиндра, сферы, конуса т. д., причем ось тела вращения должна совпадать с осью подвеса маятника. Зеркала 6 реализуют уголковый отражатель, который передает световой луч от лампы осветителя 4 через оптическую систему 5 на фотоприемник 7 лишь в моменты времени, кратные периодам обоих маятников. При этом фотоприемник регистрирует мОменть перехода маятников через положение равновесия, причем период разностного маятника равен разности периодов исходных маятников. Возможно также измерять период каждого маятника в отдельности, а разность периодов образовывать в системе регистрации. В этом случае из периода колебаний гравичувствительного Маятника также устраняется вклад помех негравитационного происхождения (устройство такой регистрации не требует особого пояснения и на чертеже не показано). Положение каждого маятника в гори- зонтальной плоскости фиксируется посредством координатно-чувствительных фотоэлементов §. Для этой цели луч света JOT лампы 8 направляется через призмы 12, диа4рагмы 13 и отверстия в центре фотоэлементов на нижние зеркала Ю. Отраж 1Ясь от зеркал луч света расходящимся пучком попадает на активную поверхность фотоэлементов 9. При сУтсутствии маятниковых колебаний и качаний маятников (при отсутствии макро- и мрфосейсм) величина разностного фототока фотонрнилников 9 (при правильной горизонтальной установке нижних зеркал Ю) равна нулю. Крутильные колеба1з:ия маятников на величину разностного фототока приёмников 9 влияния оказывать не будут. Таким образом, фотоприемники 9 дают дополнительную возможность контролировать условия, при которых вьшолняются измерения, и вносить поправки в измеренные величины.. Приншш действия вариометра заключается в следующем. На пункте наблюдения включаются лампы 4 и 8. Затем маятникам задают. 569 крутильные колебания в разных направ- пениях: одному по часовой стрелке, а второму - против. Время между моментами, в Которые фотоприемник 7 будет регистрировать сигнал совпадения покйзаНИИ маятников, будет соответствовать разностному периоду колебаний маятников. Использование гравннечзгествительного маятника совместно с обычным грави 15даствительным позволяет уменьшить систематические и случайные погрешности, обусловленные сейсмическими и микросейсмическими помехами. Это дает возможность повышения точности при измерениях в статическом и, особенно, в, динамическом режимах. При использовании вариометра в динамическом режиме увеличивается его пройэвййврГёЯь ность в 5-6 раз по сравнешсю со статическим режимом измерения при равных (около 4ОО с)собственных периодах колебаний. Применение преоложенного вариометра в полевых условиях П01эт1олит значительно снизить требования к учету температурных влияний, поскольку они будут автоматически устраняться в процессе язмерения. Предложенный вариометр, помимо язмереняя малых сил гравитаояоннйГЬ «фо исхождения, может быть использован для малых сил, обусловленных магнетизмом, световым давлением, впяянием сверхвысоких частот. Пря этом точность измерения повьшгается на одяя даа порядка.

(ри 56 Формула изобретения 1. Гравитационный вариометр, содержа. щий два крутшшных маятника с одинаковь1ми моментамийнёршш, подвешенных на общем основании на упругих нитях с одинаковой крутильной жесткостью, о тличающийся т&л, что, с пелью повышения точ)аостйизмёрешш за счет исключения случайных я систематических помех, в нем один из крутильных маятников выполнен в виде симметричного тела с равномерным угловым распределением массы в плоскости его вращения, причем его ось симметрии совпадает с нитью подвеса. 2. Вариометр по п. 1, о т л и ч а ющ и и с я тем, что один на крутильных маятников вьшояяен в виде цилиндра. Источники информации, принятые Во Вшманнё при экспертизе 1. Калинников И. И., Колоснидын Н. И. К теории горизонтальных весов с шестью степенями свободы. Сб. Вопросы ставдартизации, метрологи и техники точных измерений. М., Изд. стандартов, 1973. с, 219-224., . 2. Аникин В. И. и др. Крутильные весы для измерения Кавендиша постояниой. Сб. Вопросы ставдартязашя, метрологин и техники точных вамереняй. : . стандартов, 1973, с. 224-230. 3. Йвсеяов К. Е., Сагятов М. У. Гравиметрическая разведка, М., Недра, 1968, с. 212-230.