Устройство для измерения абсолютного значения ускорения силы тяжести Советский патент 1980 года по МПК G01V7/14 

Изобретение относится к области гра виметрии и может быть применено тфи высокоточных измерениях абсолютного значения силы тяжести в геофизике, геодезии и метрологии. Известны устройства для измерения абсолютного значения ускорения силы тяжести, основанные на измерении пути и времени свободного, падения массивно го тела ШН Недостатком известных устройств яв ляется низкая точность, связанная с высоким уровнем систематических погрешностей при измерении отрезков пути и времени. Известно также устройство для изме рения абсолютного значения ускорения силы тяжести,содержащее уголковый отражатель, оптически связанный интерферометром, электронно-счетную схему, к которой подключены фотоэлектронный .преобразователь сигналов интерферометр схема управления, электронный генератор с формирователем импульсов времени и вычислительное ус тройство з. Недостатком этого устройства также является высокий уровень систематических погрешностей, связанных с ограниченным быстродействие счета импульсов пути и меток времени, а также с несовершенством их формы. Целью :изобретения является повышение точности измерения. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве установлен дополнительный электронный генератор с формирователем импульсов, подключенный к электронно-счетной схеме. На чертеже изображена схема устройства . В вакуумированной трубе I свободно падает оптический уголковый отражатель 2, составляющий измерительное плечо интерферометра. Интерферометр состоит из лазера 3, поворотного зеркала 4, полупрозрачной пластины 5, зер3 7 капа б и опорного уголкового отражателя 7. На выходе 1П1То 1фброметра установлен фотоэлектронный преобразователь 8 оптического интерференшюнного сигнала в последовательность электрических импульсов. Пучок света от лазера 3 падает на разделительную пластинку 5 и делится на два. Один из пучков (опорный) после отражения от углового отражателя 7 попадает на фотоприемник фотоэлектро ного преобразователя 8, где образует интерференционное поле с измерительным пучком, отраженным от уголкового-отражателя 2. Изменение интерференционкого поля при движении тела 2 преобразуется фотоэлектронными преобразователем 8 в последовательность электрическ импульсов, поступающих на электронносчетную схему 9. Одновременно на схему 9 пс ступают метки времени, сформированные формирователем 1О из сигнала опорного электронного генератора 11 Кроме того, к схеме 9 через формирова тель импульсов 12 подключен электроннЬгй генератор 13. Резельтаты измерени со схемы 9 поступают на вычислительное устройство 14. Общее управлетше работой устройства осуществляется схемой управления 15. Измерегше ускорения силы тяжести с помощью предложенного устройства производят следующим образом. Рассмотрим для примера схему последовательного измерения, по которой измеряются времена прохождения двух заданных, следующих один за другим, интервалов пути свободного падения тела 2. В этом случае ускорение силы тяжести определяется по следующей формуле 2(УУа) ) .тJт, ( ) где S . ив- последовательные отрезки пути, проходимые падающим телом за соо ветствующее время Tf и Ту - длина волны лазерного излучения; S и М„ - число полуволн А/2 5 уложившихся соответственно в отрезках пу , S ив. Процесс измерения заключается в следующем. В неко1хэрый момент време ни to после отпускания оптического отр 4 ателя (это время точно не фиксируетя, его неопределенность исключается по результатам измерения на двух послеуюихих интервалах) со схемы управления 14 поступает импульс управлеимя, подготавливающий схему к измерештям. Первый импульс, пришедщий после Юvшyльca управления с преобразователя 8, запускает делитель схемы . 9, г юрмирующий интервал измерения, и одновременно открывает первый канал счета. Перпый канал счета регис тркрует число меток времени, поступающих с генератора 11 через формирователь 10 до тех пор, пока делитель частоты насчитает заданное число N импульсов с преобразователя 8. VI д -и импульс является щущуЛьсом конпа счета в первом канале и запускающищим для второго канала счета. Во втором канале метки времени со стандарта частоты 10 считаются до тех пор, пока делитель частоты наберет задатгаое число Ni импульсов с фотоприемника 8. Н1 -и импульс закрывает счет во втором канале. Таким образом, по зацатюму числу импульсов N и N формируются интервалы пути S и в г,, а по числу меток времени, поступивщих с опорного генератора частоты 11 за время прохождения заданных отрезков пути S и Sj , определяются интервалы времени Т, и Т , Далее по формуле ( l) определяется значение гравиташюнного ускорения Q- . При необходимости в найденное значение вносятся поправки, учитывающие приливные изменения g- , влияние градиента силы тяжести, конечность скорости света и т.п. 2j. Из-за погрешности электронно-счетной схемы истинные значения интервалов времени Т , и Trj отличаются от измеренных Т и . Пусть ДtдИ 6t погрешности электронно-счетной схемы х, соответственно для первого и второго каналов счета. Тогда, подставив в ( l) значения Т получим 8-оеа -т-рг сг Т ,(U 2U зи ли Т S т аи лзмерешюе зна,и(.} чение ускорения силы, тяжести, а ff - его истинное значение. Погрешности ut и t содержат случайную и систематическую составляющие, flnsi т /и;нъше11ия случайной погрешкости наб5фа ог массив повторных измереШ1Й ускорения сипы тяжести и выщ спяют ег среднее значение. Для О1тределения систематической погреишости эпектрошюсчетной схемы 9 из частоты дополнител ного генератора 13 формируют преобраз вателем 12 псследователъносгь ш-лпульсов и подают на вход электрогаю-счетной схемы 9 вместо сигнала, nocTjnnaroщего с фотоэлектронного преобразователя 8 Пусть i Q - частота меток времени, сформированшлх преобразователем 1О, at- частрта имнульсов, следующих после прйобразователя 12. Из сиг нала с частотой 11 электронно-счетная схема формирует интервал измерения Т числом М к, периодов следования эт-ого сигнала: .Пусть в интЬрвале Т уложилось MO меток времени, следующих с частотой |:Q , т,е. измеренный ин тервал будет равен Тц Ыо Вслед ствие погреишости электронно-счетной схемы, равной Л , будем иметь: U.. Величины с,.к иН(- известны св сокой точностью, значение Q - резул тат измерения, поэтому -Н -t , At - I-f ч I1-0 t к Для определения систематической погрешности электронно-счетной схемы на бирают массив из п повторных измерений, накапливают их и усредн5пот устрой ством 15 Определенные таким образом систематические погрешности электронно-счетной схемы для первого и второго канала счета будут равны U o.rVo i - М f, 1. где результаты единичных измерений интервала Т соответственно по первому и BTopoMj Ш1тервалам Подставив найденные значения д1 и ui 2. формулу ( 2), можно уточнить измеренное значение ускорения силы тяжести. Для того, чтобы результат измерений не содержал просчетов, частоты не должны превосходить частоту, ограничивающую быстродействие электронносчотной схемь. Кроме того, частоты н j(; не должны быть кратными. чтобы можно было уточш-1ть погрешность измереш1я до величин, меньших дискретности счета. При этом -условии в задаваемом днтерва/ е измере1 ия не будет укладываться целое число периодов опорной частоты , и погреипюсть дискретности будет случайной величшюй, равномерно распределенной Б щэеделах ш тервала квантования, Следотщательно, натйплением и усреднением некоторого заданного числа повторных измер ЗШ1Й за время в п раз превосходящее время счета, можно выявить и определить схексатическую погрешность, меньшую в Vn раз погрешности дискретности счета. Таким образом, достоинством предлагаемого устройства для измерений абсрлютного значения ускорения силы тяжести является повышение точности измерений до уровня, превосходящего техзщческке ограничения, вносимые электронно-счетной схемой устройства. Формула изобретений Устройство для измаренк;4 абсо,тогно го значения ускорения сильт т.яжести, содержащее уголковый отр)5шгекъ, опти-. чески связанный с интерфер-ометром, электронно-счетную схему, к которой подключены фотоэлектрош ый преобразователь сигналов 1антерферометра, схема управления, электронный генератор с формирователем i-iMTij Tbcoe врел-юни н вычислительное устройство, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с цеяью повышения. точности, в нем установлен дополнятельый электройный генератор с формироателем импульсов, подключенный к электронно-счетной схеме Источншат информации, принятые во БШйланяе при экс/аргнге 1. Романюк В. А, Измерение a6coraovого значения ycKopemfti силы тя сестк. codoitiuche unci CieophisV(.oiEische- VercjlenUichung en ,Rehi Heit30, iS72, Z, Патент США № 3429184 Ш. 73-382, опуб;--шк, 1969. 3, Измерешге абсолютного значеюгя равиташюкногх ускорения. Ротапринт нститута автоматшси н электрометр1-ш О АН СССР, 1972, с. 23 (1трототип).

XX ;

/

ts