Введение к работе
Актуальность темы. Создание высокочувствительной аппаратуры для измерения и регистрации магнитных полей относится к разряду системных задач. Это, с одной стороны, техническая реализация современной методологической и теоретической базы магнитометрии, основанной на использовании чувствительных элементов (ЧЭ) с заданной механической структурой; с другой стороны, расширение возможностей магниторегистрирующих приборов - использование их для прогноза землетрясений, и оценки физико-механических и геоэлектрических характеристик Земной коры, а также для определения структуры магнитол сферы и ионосферы Земли.
Для обеспечения высокого качества измерений регистрирующая аппаратура должна обладать соответствующими характеристиками. В связи с этим проектирование магннтоизмернтельных систем с высокой чувствительностью, низким уровнем собственных шумов, малой зависимостью от климатических, сейсмических и других факторов является важной задачей.
Работа посвящена изучению и повышению чувствительности магнитостати-ческого вариометра (МСВ), работающего на принципе взаимодействия постоянного магнита с внешним (постоянно изменяющимся) магнитным полем. Методологическую и теоретическую базу исследования составляют в первую очередь труды Розе Н.Ф., Трубятчинского Н.Н., Брюнелли Б.Е., Яновского Б.М., Боброва В.Н., Кротевича Н.Ф., Копытенко Ю.А., заложенные в основу проектирования МСВ. Важный вклад в развитие методов расчета ЧЭ внесли работы Динни-каА.Н., Устинова Ю.А., Светлицкого В.А., Андреевой Л.Е., Пономарева С.Д., Мусалимова В.М.
Несмотря на значительное количество работ, мало внимания уделено оценке влияния материала и формы постоянного магнита, материала, формы и структуры подвеса, а также, других конструктивных параметров ЧЭ МСВ на характеристики прибора в целом. Работа посвящена решению этой актуальной задачи.
Цель диссертационной работы - повышение чувствительности, ударопрочное и термостабильности МСВ в том числе за счет использования в качестве подвеса ЧЭ спирально-анизотропных волокон.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
Провести анализ конструкции ЧЭ МСВ.
Рассмотреть влияние конструктивных особенностей ЧЭ (магнит, нить, кронштейн, демпфер) на основные характеристики МСВ.
Составить математическую модель спирально-анизотропного подвеса ЧЭ, проанализировать динамику полученной системы.
Осуществить синтез ЧЭ МСВ, удовлетворяющего требованиям по исследуемым характеристикам.
Разработать и изготовить оснастку для производства ЧЭ МСВ, а также, средств контроля и испытания их параметров. \
Изготовить партию опытных образцов ЧЭ и провести испытания\ \р
7. Проанализировать полученные результаты, сделать выводы, дать рекомендации по изготовлению ЧЭ МСВ с улучшенными характеристиками.
Основные положения, защищаемые в диссертации:
Способ уменьшения влияния сейсмических колебаний на показания МСВ за счет подбора формы и способа крепления кронштейна ЧЭ.
Способ повышения чувствительности ЧЭ МСВ за счет применения спирально-анизотропных торсионов в подвесе ЧЭ.
Метод исследования электромеханической математической модели МСВ путем численного моделирования.
Методы исследования. Основные результаты работы получены численным исследованием математических моделей, составленных по уравнениям Лагран-жа. Качественные и количественные характеристики макетных ЧЭ оценивались экспериментально.
Научная новизна работы состоит в применении теории спирально-анизотропного тел (CAT) для проектирования торсионов входящих в состав ЧЭ МСВ.
Внедрение результатов диссертационной работы имеет важное научное значение для магнитометрии и динамики торсионных систем.
Достоверность научных результатов, полученных в работе, обеспечивается строгостью постановки задач, применяемых математических методов, статистической обработкой полученных результатов. Обработка экспериментальных данных проводилась на базе кафедры Мехатроники СПбГУ ИТМО.
Практическая ценность и реализаци работы заключается в разработке методики, позволяющей проектировать новые МСВ и улучшать характеристики существующих, в т.ч.: чувствительность, термостабильность, ударостойкость, уровень собственных шумов, частотный диапазон.
По результатам диссертационной работы получен патент РФ на конструкцию и принцип действия датчика магнитометра. Результаты работы внедрены в СПбФ ИЗМИРАН для проектирования и изготовления магнитометров и в учебном процессе кафедры Мехатроники СПбГУ ИТМО при проведении занятий со студентами по курсам «Аналитическая механика», «Основы мехатроники», «Конструирование и производство типовых приборов и устройств».
Работа получила развитие и поддержку в рамках грантов правительства Санкт-Петербурга для студентов и аспирантов в 2008 и 2009 гг.
Проведенные в диссертационной работе исследования применялись при улучшении параметров МСВ (СПбФ ИЗМИРАН), связанных с повышением его чувствительности, а также в ОАО «ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА» при усовершенствовании конструкции скважинного гироинклинометра для стабилизации его перемещений.
Апробация работы. Результаты работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на III-VI Всероссийских научных конференциях молодых ученых (Санкт-Петербург, 2006-2009). 8 и 9-й сессиях Международных научной школы "Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов" VPB-07 и VPB-09 (Санкт-Петербург, 2007, 2009), XXXVII научной и учебно-методической конференции ППС СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2008), Всероссийской (с международным участием) научной конференции «Комплексные геолого-геофизические модели древних щитов» (Апатиты: ГИ КНЦ РАН, 2009), 9th International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments, ISMTII-2009 (Санкт-Петербург, 2009).
Публикации. По материалам диссертационных исследований опубликовано 18 работ, из низ 3 - в журналах из перечня ВАК, 2 - в иностранных реферируемых журналах, 1 - в журнале «Известия ВУЗов. Приборостроение». Получен патент РФ на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, 5 приложений, библиографического списка из 110 наименований. Объем диссертации с приложениями 122 страницы.