Безвесильная Е.Н., д.т.н., профессор; Чепюк Л.А., ст. преподаватель

Национальный технический университет Украины "КПИ";

Житомирский государственный технологический университет, Украина

АВИАЦИОННЫЙ СТРУННЫЙ ГРАВИМЕТР

Определение характеристик гравитационного поля Земли (ускорения g и аномалий ∆g) широко используется во многих отраслях науки и техники – в авиационной и космической технике, в геологии, геодезии и геофизике. Авиационная гравиметрическая система (АГС) применяется для определения характеристик гравитационного поля Земли [1].

Проведенный анализ гравиметров АГС показал, что на сегодняшний день достижимой есть точность авиационных гравиметрических измерений 3…10 мГл. Однако, для решения задач поисковой гравиметрии и коррекции инерциальных навигационных систем (ИНС) аэрогравиметрическая съемка требует существенного повышения точности та быстродействия авиационных гравиметрических измерений до 1 мГл. Это связано, прежде всего, с необходимостью повышения точности гравиметра, развитием методов автоматической компенсации ошибок измерения Δg, с усовершенствованием математической модели АГС, решением проблем фильтрации возмущающих воздействий в выходном сигнале гравиметра АГС [1].

Всем известным гравиметрам АГС присущи как преимущества, так и существенные недостатки, среди которых основными являются: низкая точность измерения (3-10 мГл); обязательная необходимость применения процедуры фильтрации выходного сигнала гравиметра АГС; нестабильность статического передаточного коэффициента гравиметра АГС, вызванная изменениями свойств конструктивных элементов; невысокое быстродействие и отсутствие возможности оперативной обработки информации.

Большинство из указанных недостатков можно преодолеть, если в качестве гравиметра АГС применить автоматизированный струнный гравиметр, что позволяет повысить точность измерения ускорения силы тяжести до 1 мГал и увеличить быстродействие процесса обработки результатов измерений [1].

Струнные гравиметры имеют высокую точность измерения, высокую вибрационную и ударную прочность, надежность, частотно-модулированный выходной сигнал, большую мощность выходного сигнала, а также малые габариты и вес. Они позволяют выполнять быструю и точную цифровую регистрацию ускорений g. К преимуществам также следует отнести малую постоянную времени, что важно при измерениях на самолете, и почти неограниченный диапазон измерения входных величин без перестройки прибора.

Рассмотрим принцип работы СГ. Схематично струнный гравиметр представлен на рис. 1 [2]. Масса 2 подвешена на струне 1. Под действием g образуется сила инерции mg. Под влиянием силы инерции струна будет колебаться с определенной частотой. Эта частота будет зависеть от массы m, длины l и плотности материала струны r. Как следствие, измерение g сведется к измерению частоты колебаний струны. Однако, частоту можно измерять только в том случае, если колебания будут незатухающими. Поэтому струна помещается между полюсами постоянного магнита 3. Если на концы струны подать переменное напряжение, то она начнет вибрировать. Поскольку струна включена в резонансный контур, её колебания поддерживаются за счет применения усилителя в положительной обратной связи. Изменение g в этом случае регистрируется как изменение частоты генератора. Изменение частоты определяется путем сравнения с частотой эталонного генератора.

Чтобы обеспечить необходимое демпфирование массы 2, её изготавливают из меди и помещают между полюсами демпферных магнитов 4. При движении в меди образуются токи Фуко, образуя необходимое затухание. От движения в горизонтальной плоскости масса 2 удерживается тонкими горизонтальными лентами, упругие силы которых малы по сравнению с массой 2.

Рис. 1. Струнный гравиметр: 1 – струна, 2 – масса, 3 – магнит, 4 – демпферный магнит

Частота колебаний струны связана с g уравнением [2]:

,

где m - масса; l - длина струны; r - плотность материала струны.

Чтобы определять Dg с точностью в 1 мГл, частоту необходимо определять с относительной точностью не ниже 0,5.10^-3 Гц. Современные кварцевые генераторы полностью обеспечивают такую и более высокую точность измерения частоты.

Выводы

Рассмотрен авиационный струнный гравиметр для измерений ускорения силы тяжести. Описаны его особенности и обоснован принцип работы

Литература:

1. Безвесільна О.М. Авіаційні гравіметричні системи та гравіметри: монографія / О.М. Безвесільна. – Житомир : ЖДТУ, 2007. – 604 с.

2. Лозинская А. М. Измерения силы тяжести на борту самолета .Сер. Региональная, разведочная и промысловая геофизика. / А.М. Лозинская. – : Изд. ВИЭМС. 1978. – 113 с.