Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
Асимптотические оценки погрешностей симметричного способа измерений... 51
Глава 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ
Общий подход к анализу баллистического гравиметра
в частотной области 56
Частотные характеристики симметричных гравиметров 75
Глава 4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ УСТРОЙСТВ
Устройство статистической воспроизводимости
длины волны He-Ne лазера 107
Глава 5. МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ БАЛЛИСТИЧЕСКИХ
ГРАВИМЕТРОВ ОТ ВОЗМУЩАЮЩИХ УСКОРЕНИЙ 132
Инвариантная система гравиметра с двухканальным интерферометром 186
Глава 6. БАЛЛИСТИЧЕСКИЙ ГРАВИМЕТР С СИММЕТРИЧНЫМ
СПОСОБОМ ИЗМЕРЕНИЙ. РЕЗУЛЬТАТЫ АБСОЛЮТНЫХ ОПРЕДЕЛЕНИЙ УСКОРЕНИЯ СВОБОДНОГО ПАДЕНИЯ.... 195
Функциональные модули гравиметра 195
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Примеры использования гравиметрических
данных и характеристики современных баллистических
гравиметров 244
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Техника аппроксимации частотных характеристик
баллистических гравиметров 249
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Акты внедрения результатов диссертации 252
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Копии авторских свидетельств и патентов 257
Введение к работе
Измерение ускорения свободного падения (УСП) даёт необходимую информацию:
в метрологии - для расчета силовых взаимодействий в гравитационном поле Земли;
в геофизике - о распределении масс внутри и вне Земли;
в геодинамике - о вариациях параметров Земли во времени;
в геологии - при поиске полезных ископаемых;
при траекторных расчетах искусственных спутников Земли.
Так для создания национальной системы обеспечения единства измерений абсолютные значения У СП с погрешностями порядка 1-10 мкГал (1 Гал = 1см/с2) требуется при воспроизводстве и передаче эталонных единиц ряда физических величин (Ньютона, Ампера, Паскаля и в перспективе - килограмма), при определении гравитационной постоянной, для аттестации гравиметрических полигонов специального назначения и др.
Широкомасштабные гравиметрические измерения различного назначения обычно опираются на специально создаваемые гравиметрические сети, которые должны равномерно покрывать всю территорию страны. Такая сеть по современным требованиям должна включать абсолютные пункты с погрешностями около 10 мкГал. Это обусловливает необходимость проведения постоянных высокоточных измерений абсолютных значений УСП в масштабах страны.
Абсолютные измерения УСП с точностью до 3 мкГал позволяют выявить вертикальные смещения земной коры амплитудой от 1 см; вследствие сравнительной дешевизны такие методы контроля актуальны для прогноза техногенных катастроф в зонах эксплуатации крупных народнохозяйственных объектов (атомных и гидроэлектростанций, шахт, подземных газохранилищ и др.).
Известно, что стоимость гравиразведки, использующей связи аномалий гравитационного поля со структурой земной коры, относительно других методов обнаружения новых нефтяных месторождений, составляет менее 1%, поэтому развитие данного направления особенно актуально для России.
По мере развития естественных и прикладных наук, расширения областей их практического применения, возрастают требования к точности и универсальности баллистических гравиметров - приборов для абсолютных измерений ускорений свободного падения.
Потребность в широкомасштабных измерениях обусловлена не только задачами научного и прикладного характера в интересах развития народного хозяйства, но и нуждами обороноспособности страны. Известно, что успешное применение ракетных комплексов стратегического назначения напрямую связано с их метрологическим обеспечением исходными гравиметрическими данными.
Таким образом, разработка теории и практики проектирования баллистических гравиметров, предоставляющих высокоточную информацию об абсолютных значениях ускорения свободного падения, является важной народнохозяйственной проблемой во многих отраслях промышленности и оборонной техники.
Актуальность темы диссертационной работы. Для гравиметрических измерений используются приборы, основанные на различных физических принципах. Здесь особое место занимают баллистические гравиметры, которые по своей автономности, стабильности нуль-пункта, ремонтопригодности в условиях эксплуатации не имеют аналогов среди других приборов. Основная особенность баллистических гравиметров заключается в том, что для получения конечных результатов измерений отсутствует необходимость в использовании опорных гравиметрических сетей.
Баллистический метод измерения абсолютных значений УСП основан на наблюдениях вертикальной составляющей свободного полёта пробной массы в поле силы тяжести Земли. Рабочие формулы связывают искомое значение
УСП с измеренными интервалами пути и времени. В современных баллистических гравиметрах измерение пути производят при помощи лазерных интерферометров перемещений, совмещая пробную массу с уголковым оптическим отражателем.
Сложившаяся практика измерений абсолютных значений УСП опирается в основном на несимметричные баллистические гравиметры, в которых измерение параметров движения осуществляется только при падении пробной массы. Существующие несимметричные гравиметры предназначены только для работы на специально подготовленных пунктах, в закрытых помещениях при нормальных климатических условиях, имеют длительное (до нескольких часов) время подготовки, оснащаются постоянно действующей аппаратурой для поддержания глубокого вакуума и малопригодны для эксплуатации в естественных природных условиях. Кроме того, одностороннее наблюдение за полётом пробной массы приводит к неучтенным систематическим погрешностям, которые искажают истинную картину гравитационного поля Земли.
Менее известным, а следовательно недостаточно теоретически и экспериментально изученным, следует признать симметричный способ реализации баллистического метода измерения УСП. В отдельных публикациях имеются сведения о потенциально высоких метрологических возможностях баллистических гравиметров с симметричным способом измерения.
Особенность симметричных гравиметров состоит в том, что измерение параметров движения пробной массы осуществляется как на восходящей, так и на ниспадающей ветвях траектории, компенсируя такие факторы аппаратурной погрешности, как остаточное давление внутри вакуумной камеры, эффект, связанный с конечной скоростью лазерного излучения и некоторые другие.
В процессе проведения измерений баллистический гравиметр подвергается аддитивному влиянию сейсмических колебаний. При анализе возмущений всегда констатируют, что сейсмические колебания вносят наибольший вклад в погрешность гравиметра. Однако оценки соответствующих погрешностей находят, как правило, без учета как динамических характеристик гравиметра, так и характеристик сейсмических колебаний. Отсутствие матема- 8
тических моделей, демонстрирующих как сейсмические колебания проникают в погрешность результата измерения УСП, затрудняет проектирование методов и аппаратуры виброзащиты.
Сами существующие методы виброзащиты ограничиваются использованием длиннопериодных колебательных систем. Такие устройства громоздки, обладают высокой температурной зависимостью и не приспособлены для работы на открытых площадках.
Анализируя современное состояние парка гравиметрической аппаратуры в стране, цели и задачи, решаемые с помощью гравиметрических данных, учитывая возросшие требования к точности и метрологической надежности результатов измерений абсолютных значений ускорения свободного падения, можно сделать заключение, что тема диссертационной работы по исследованию и разработке методов анализа и синтеза аппаратуры универсального баллистического гравиметра, предназначенного для создания гравиметрических сетей различного назначения, является актуальной комплексной научно- технической проблемой.
Цель настоящей научной работы состоит в создании теории анализа статических и динамических характеристик баллистического гравиметра; в разработке методов и аппаратуры построения гравиметра с симметричным измерением.
Для достижения данной цели решаются следующие задачи:
совершенствование теоретических основ анализа методических и аппаратурных погрешностей информационно-измерительной системы гравиметра;
исследование гравиметра в частотной области;
исследование способов реализации многоуровнего информационно- измерительного канала баллистического гравиметра с симметричным измерением;
разработка методов и аппаратуры защиты баллистических гравиметров от возмущающих ускорений;
комплексная проверка результатов исследований на аппаратуре гравиметра.
Объектом исследований являются факторы, определяющие точность баллистического метода измерения абсолютных значений ускорения свободного падения.
Предмет исследований составляет комплекс научно-технических задач в части создания универсального баллистического гравиметра.
При решении поставленных задач используются следующие методы исследований:
метод наименьших квадратов при оценке методических погрешностей многоуровневых гравиметров;
частотный метод анализа динамических погрешностей измерительных систем;
метод передаточных функций анализа и синтеза структурных систем оптимального регулирования;
методы построения бесконтактных электромагнитных опор в автоматических приборных устройствах;
метод регрессионного анализа двухканальной системы инвариантной к возмущающим воздействиям аддитивного характера;
теория ошибок результатов измерений.
Информационной базой исследований помимо списка литературы, проведенной в конце работы, служат отчеты по НИР, протоколы и акты испытаний опытных образцов гравиметров, в разработках которых автор настоящей работы принимал непосредственное участие.
Научная новизна работы заключается в том, что:
предложен теоретический метод асимптотических оценок погрешностей полиномиальной аппроксимации параметров движения пробной массы в поле силы тяжести Земли;
разработан аналитический метод частотного анализа динамических погрешностей рабочих формул гравиметров;
теоретически и экспериментально исследованы варианты реализации информационно-измерительного канала гравиметра с симметричным способом измерений;
теоретически обоснована и экспериментально подтверждена целесообразность применения бесконтактных электромагнитных опор в виброзащитном устройстве лазерного интерферометра перемещений; получены аналитические выражения составляющих электромагнитной силы соленоидной магнитной подвески и устройства электромагнитного центрирования; разработано и проведено исследование высокоэффективного виброзащитного устройства при различных структурах регулятора;
доказана целесообразность использования принципа структурной инвариантности для уменьшения динамической погрешности гравиметра путем использования метода регрессионного анализа;
впервые предложен оригинальный метод фильтрации возмущающих ускорений путем применения двухканального виброзащищенного интерферометра перемещений, позволившего значительно (в 6-10 раз) обеспечить коэффициент подавления помех;
путем проведения предварительных и межведомственных испытаний дана оценка метрологических и эксплутационных характеристик универсального гравиметра и определены области его применения.
Практическая значимость исследований состоит в развитии теоретической и технической базы построения аппаратуры баллистических лазерных гравиметров, позволившая создать ряд приборов, соответствующих современному мировому уровню. Дополнительно, результаты исследований виброзащитных устройств с использованием соленоидной магнитной подвески открывают возможности по созданию высокоэффективных сейсмометров для измерений микросейсмических колебаний инфронизкой частоты.
Результаты диссертационной работы реализованы в разработках различных моделей гравиметров в НПО «Метрология» (г. Харьков), в том числе при создании Государственного специального эталона; при разработке гравиметра в интересах МО России (Нижегородский научно-исследовательский приборостроительный институт «Кварц»). Соответствующие акты имеются в приложении.
В целом, диссертационная работа, по совокупности теоретических результатов и технических решений, может быть квалифицирована как крупное научное достижение в области гравиметрического приборостроения, которое вносит значимый вклад в народное хозяйство и обороноспособность страны.
Апробация результатов исследований. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на:
2-й и 3-й Всесоюзных конференциях «Метрология в гравиметрии» г.Харьков, 1984 и 1991 г.г.;
2-й Международной конференции Секции С: «Геодезия» Комитета по наукам о Земле Центрально-европейской инициативы (CEI), г.Валбжиг, Польша, 1993 г.;
1-й Украинской научной конференции «Комплексные исследования современной геодинамики Земной коры», г.Алушта, Крым, 1993 г.;
Украинской научно-технической конференции «Метрология-95», г.Харьков, 1995 г.;
Международном симпозиуме № 117 «Graflty. Geoid ahd Marine Geodesy» Международной ассоциации геодезии (IAG), Токио, Япония, 1996 г.;
Международной конференции «Microgal Gravimetry: Instruments; Observation and Applications», г.Сант-Августин, Флорида, США, 1997 г.;
Международной специализированной выставке-конференции военных и довойных технологий «Новые технологии в радиоэлектронике и системах управления» г. Н.Новгород, 2002 г.
Перечень базисных положений, выносимых на защиту.
Теоретические оценки методических погрешностей рабочих формул гравиметров методом наименьших квадратов.
Частотный метод анализа динамических погрешностей гравиметров.
Методы анализа вариантов, структур и элементов оптимального информационно-измерительного канала гравиметра.
Теоретическое обоснование и практическая реализация высокоэффективного виброзащитного устройства с использованием бесконтактных электромагнитных устройств.
Метод преобразования гравиметра в инвариантную структуру.
Метод защиты гравиметра от возмущающих ускорений по двухка- нальной схеме лазерного интерферометра перемещений.
Результаты испытаний гравиметров различного назначения.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы составляет 265 страниц, содержащей 59 рисунков, 26 таблиц, литературы из 127 наименований. Приложение составляет 20 страниц.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 40 работ, в том числе 24 журнальных статей, 17 тезисов докладов на конференциях различного уровня, 9 авторских свидетельств и патентов на изобретения.
Похожие диссертации на Исследование баллистического метода определения ускорения свободного падения и разработка лазерного гравиметра с симметричным измерением
