Кварцевый гравиметр Советский патент 1982 года по МПК G01V7/02 

1/

Изобретение относится к геофизике, в частности к устройствам для определения ускорения силы тяжести на подвижном основании.

Известен гравиметр, содержащий горизонтальную крутильную нить с зеркалом, установленную в корпусе с защитным стеклом, неподвижное (раперное) зеркало, сканирующее устройство, включающее электродвигатель,,д на оси которого размещен полый цилиндрический барабан с винтообразной формой торца, фотоэлектрический преобразователь, состоящий из осветительной лампы, вспомогательного ,5 зеркала и фотоэлектронного умножителя, сигналы от которого управляют электронным ключом, коммутирующим генератор стабильной частоты с пересчетной схемой. Электродвигатель20 через делитель частоты связан с генератором, который используют для измерения отрезка времени между импульсами, поступающими от фотоэлектронного умножителя. В соответствии с изменением ускорения силы тяжести изменяется угол закручивания кварцевой нити упругой системы и разворот закрепленного на ней зеркала относительно неподвижного, что влечет за собой изменение расстояния между световыми бликами, построенными объективом в его фокальной плоскости, совпадающей с винтообразным обрезом барабана. При вращении вала электродвигателя обрез барабана поочередно пересекает световые блики от .подвижного и неподвижного зеркал и на выходе фотоэлектронного умножителя появляются последовательно два электрических импульса за кащый оборот барабана о Время, прошедшее с момента пересечения барабаном первого блика до момента пересечения второго, при постоянной скорости электродвигателя, является мерой расстояния между бликами для соответствующего ускорения силы тяжести Cl. Однако этот кварцевый гравиметр имеет недостаточную точность измеренияНаиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является кварцевый гравиметр, содержащий корпус, заполненный демпфирующей жидкостью, в верхнем основании которого установлено защит ное стекло, двойную упругую систему крутильного типа, помещенную в демпфирующую жидкость и включающую два маятника с укрепленными на них развернутыми зеркалами, фотоэлектрический преобразователь с устройством сканирования, выполненным в виде вра щающегося полого цилиндрического барабана с щелью Г21Недостатками известного устройства являются достижение заданной точности в ограниченном измерительном диапазоне и наличие ошибки, связанной с изменением масштаба преобразования угла поворота зеркала маятника во временной интервал. Цель изобретения - повышение точности в широком диапазоне измерений,. Поставленная цель достигается тем что в кварцевом гравиметре, содержащем корпу9, заполненный демпфирующей жидкостью, в верхнем основании которого установлено защитное стекло двойную упругую систему крутильного типа, помещенную в демпфирующую жид кость и включающем два маятника с укрепленными на них развернутыми зер калами, фотоэлектрический преобразователь с устройством сканирования, выполненным в виде вращащегося поло го цилиндрического барабана, введена бипризма с отражающим покрытием на верхних гранях, при этом грани би призмы повернуты в противоположные стороны относительно осей симметрии маятников на угол, равный предельном углу отклонению маятника от горизонтального положения при максимальном изменении измеряемой величины и одновременно относительно осей поворота маятников а на боковой поверхности барабана выполнена дополнитель ная щель, разнесенная по высоте и не лежащая на одной образующей с пер вой щелью, а зеркала развернуты в противоположные стороны вокруг осей симметр 1И маятников и их оси симметрии параллельны осям симметрии маятников. На чертеже представлена схема гравиметра. Гравиметр содержит двойную упругую систему 1, к маятникам 2 которой приварены плоские зеркала 3. Они ориентированы параллельно осям маятников и повернуты в противоположных направлениях вокруг этих осей. Упругая система помещена в корпус 4, заполненный демпфирующей жидкостью 5. В верхней части корпуса расположено защитное стекло 6, нижняя поверхность :которого соприкасается с жидкостью. На нем укреплена бипризма 7 с отражающим покрь1тием на верхних гранях, образующих совместно с нижней поверхностью защитного стекла два жидкостных клина о Верхние грани бипризмы повернуты в противоположные стороны относительно Осей симметрии маятников, так же как и зеркала, и одновременно относительно осей поворота маятников на величину, соответствую1чую диапазону изкеренияоНад корпусом упругой системы расположены фотоэлектрический преобразователь, включающий источник 8 излучения, щелевую диафрагму 9, установленную в фокальной плоскости объектива 10, светоделительную призму 11, линзу-коллектив 12 и фотоэлектрический приемник 13, сканирующее устройство, которое состоит из синхронного двигателя (не показан) с укрепленным на его оси полым цилиндрическим барабаном И. На боковой поверхности барабана имеются две анализирующие щели 15 и 16, расположенные параллельно оси вращения и смещенные друг относительно друга в направлении образующей сканирующего барабана и перпендикулярном ей одновременно. На поверхности сканирующего барабана, совпадающей с фокальной поверхностью объектива, формируется четыре автоколлимационных изображения светящейся щели 9 два 17 и 18 - от бипризмы и два 19 и 20 - от зеркал маятников упругой системы. Действие устройства заключается в следующем . Свет от источника 8 излучения, освещающего щель 9, проходит через светоделительную призму 11 и-объекив 10, отражается от граней призмы 7 и зеркал маятников 3, делящих его на четыре части, снова попадает в объектив, направляется светоделител ной призмой на барабан }Ц и далее через щели 15 и 16 и линзу-коллекти 12 на чувствительную площадку фотоприемника 13. Благодаря, повороту аеркал вокруг осей симметрии маятников, изображения 19 и 20 смещены друг относитель но друга вдоль образующей сканирующего барабана и перпендикулярной ей одновременно. Аналогичным путем сме щены и изображения 17 и 18 от биприз мы. В соответствии с изменением ускорения силы тяжести изменяется уго закручивания кварцевых нитей упруго системы и уголлЧ между маятниками. Расстояние 1 между изображениями 19 и 20 пропорционально углу Д М и явля ется мерой ускорения силы тяжести e., где К) - коэффициент преломления жи Ткл кости, - фокусное расстояние объектива. Расстояние L между изображениями 17 и 18 пропорционально постоянному углу между гранями бипризмы и служи для определения,коэффициента передачи преобразователя контроля его стабильности в процессе эксплуата.ции . Расстояние 1 и 12. между изоб ражениями 17 и 19I 18 и 20 являются мерой ускорения силы тяжести, измеряемого каждой кварцевой системой, а расстояние 1 - мера ускорения силы тяжести, измеряемого двойной упругой кварцевой системой. Ска нирукхчее устройство и фотоприемник преобразуют расстояния Ц j. Н и L во временные интервалы между электрическими импульсами. Благодаря смещению анализирующих щелей барабана в направлении образующей сканирующего барабана и перпендикулярно ей, обеспечивается последовательное сканирование всех светящихся изображений, разнесенных попарно по двум дорожкам. Таким образом, предлагаемый гравиметр обладает следующими преимуществами:При изменении ускорения силы тяжести перемещение изображений от зе кал маятников упругой системы проис ходит по двум траекториям, благодар чему информационная емкость анализируемого поля зрения увеличивается в два раза без снижения точности измерений. Благодаря наличию двух щелей, разнесенных по разным дорожкам, имеется возможность определения величины ускорения силы тяжести как двойной упругой системой,так и каждой упругой системой в отдельности, в то время как в известном гравиметре измеряется лишь одна из этих велиПрименение сканирующего барабана с анализирующими щелями на цилин-. дрической поверхности вместо барабана с винтообразной формой торца . уменьшает погрешность измерения, связанную с отклонением формы торца от расчетной зависимости из-за неточности изготовления. Наличие бипризмы, грани которой образуют жидкостные клины с постоянными преломляющими углами, обеспечивает оп 5еделение масштаба преобразования угла поворота зеркал маятников во временной интервал и его контроль непосредственно в процессе . эксплуатации и тем самым позволяет вводить коррекцию в показания гравиметра в случае возникновения изменений показателя преломления демпфирую1чей жидкости, фокусного расстояния объектива, диаметра барабана и дро Испытаниям подвергался образец гравиметра, имеющий следующие параметры: изменение угла между маятниками упругой системы дЦ 1,5° ( это изменение угла соответствует изменению ал); поворот зеркал вокруг осей маятников 25 угл |МинСугол между зеркалами 50 угл, мин) расстояние между подвижными изображениями мм| угол между гранями бипризмы (в плоскости качания маятников) и 50(в перпендикулярном направлении), при этом расстояние L между бликами от граней бипризм составляет 18 мм, а смещение бликов в направлении образующей сканирующего барабана 6 мм, расстояние между щелями на боковой поверхности- сканирующего барабана 20,9 мм в направлении сканирования и 6 мм в направлении образующей (расстояние между дорожками) , фокусное расстояние объектива . мм, коэффициент преломления ,костиЧх и 11 скорость вращения сканирующего барабана 375 об/мин; ис трчник получения - светодиод ЭЛ107Б, приемник - ФЗУ-62, Средняя квадратическая погрешност испытанного образца гравиметра соетавила 0,5 мгл, что соответствует относительной точности измерений силы тяжести 5-10. При использовании предлагаемого кварцевого гравиметра отпадает необходимость в перестройке измерительного диапазона, исключаются связанные с этим простои судна и экономитс время при определении масштаба преоб разования угла поворота зеркал маятников во временной интервал. Формула изобретения Кварцевый гравиметр, содержащий корпус, заполненный демпфирующей жид костью, в верхнем основании которого установлено защитное стекло, двой ную упругую систему крутильного типа, помещенную в демпфирующую жидкость и включающую два маятника с укрепленными на них развернутыми зер калами, фотоэлектрический преобразователь с устройством сканирования, выполненным в виде вращающегося полого цилиндрического барабана с щелью, отли чающийсятем, что, с целью повышения точности измерений в.широком диапазоне, в него введена бипризма с отражающим покрытием на верхних гранях, при этом грани бипризмы повернуты в противоположные стороны относительно осей симметрии маятников на угол, равный предельному углу отклонения маятников от горизонтального положения и одновременно относительно осей поворота маятников, при этом зеркала развернуты в противоположные стороны вокруг осей симметрии маятников и их оси симметрии параллельны осям симметрии маятников, а на боковой поверхности барабана выполнена дополительная щель, разнесенная по высоте и не лежащая на одной; образующей с первой щелью. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 168901, кл. G 01 V 7/02, 1962. 2.Морской торстабилизированный гравиметр. Сборник статей под. ред. Попова Е.Л. М., Наука, 1972. с. 3 (прототип).