Безвесильная Е.Н., д.т.н., профессор; Ткачук А.Г., аспирант

Национальный технический университет Украины "КПИ";

Житомирский государственный технологический университет, Украина

АВИАЦИОННЫЙ ПЬЕЗОГРАВИМЕТР

Изучения гравитационного поля Земли - интересная и быстро развивающаяся область геодезии, геофизики и геодинамики. Успехи теоретических разделов геодезии и геофизики, усовершенствование методов изучения гравитационного поля Земли и обработка измерений, новые виды гравиметрической аппаратуры привели к резкому повышению точности гравиметрических данных и значительно расширили области практического применения гравиметрии. На сегодняшний день информация о гравитационном поле Земли необходима в авиационной и космической технике (коррекция систем инерциальной навигации ракет, самолетов, орбит космических летательных аппаратов), для исследования геодинамических явлений, для реализации целей инженерной геологии, археологии, прогноза землетрясений и т.д. Для определения характеристик гравитационного поля Земли удобнее использовать авиационные гравиметрические системы (АГС), чувствительным элементом которых является гравиметр. С помощью именно АГС можно получить гравиметрическую информацию в труднодоступных районах земного шара гораздо быстрее и с меньшими затратами, чем с помощью других гравиметрических средств или систем.

Эффективность работы АГС в значительной степени обеспечивается выбором гравиметра. Однако результаты измерений ускорения силы тяжести g_z, полученные с помощью существующих на сегодняшний день гравиметров, содержат большие погрешности. Реально достижимая точность авиационных гравиметрических измерений (3...10) мГал. Но для высокоточных измерений гравитационного поля Земли данная точность авиационных гравиметрических измерений является недостаточной, поскольку другие виды гравиметрических измерений (морские, наземные) способны обеспечить точность в пределах (0,01...1) мГал [1]. Кроме того, быстродействие существующих гравиметров также недостаточно. Большинство из них неавтоматизированны. Обработка результатов измерений выполняется на земле после полета в течение нескольких месяцев.

Поэтому в качестве чувствительного элемента АГС перспективным является использование пьезоэлектрического гравиметра (ПГ) [2], что позволяет повысить точность измерения ускорения силы тяжести до 1 мГал и увеличить быстродействие.

На рис. 1 изображена предлагаемая для последующей разработки конструкция ПГ АГС. Чувствительный элемент (ЧЭ) ПГ АГС состоит из пьезоэлектрического элемента 1, работающего на деформации сжатия-растяжения с изоляторами 2 на торцах, и инерционной массы 3. С целью повышения надежности и прочности конструкции, ЧЭ упруго поджат к основанию 5 винтом 6. ПГ с помощью кабеля 7 соединен с операционным усилителем.

Рис. 2. Конструкция ПГ АГС: 1 – пьезоэлемент; 2 – изоляторы; 3 – инерционная масса; 4 – основание; 5 – крышка; 6 – винт; 7 - кабель

Пьезоэлектрический элемент представляет собой многослойную конструкцию (пьезопакет), состоящую из слоев кристаллического ниобата лития с антипараллельной поляризацией и электродами, разделенными соединительными слоями. Это могут быть сварочные швы, клеевые слои или другие контактные соединения. Слои пьезоэлектрического элемента соединены электрически параллельно. Инерционная масса ПГ АГС выполнена из вольфрамового слава, основание – из стали, изоляторы – из неполяризованной керамики. Принцип работы ПГ АГС основан на физическом явлении прямого пьезоэффекта [2-3].

В предложенном ПГ АГС за счет подбора необходимых геометрических параметров и материала пьезоэлемента можно установить собственную частоту 0.1 рад/с и избежать необходимости использовать фильтр низких частот как отдельного блока АГС [4].

Выводы

Рассмотрен авиационный пьезогравиметр для измерений ускорения силы тяжести. Описаны его конструкционные особенности и основные параметры, обоснован принцип работы. Показано, что точность измерений g_z ПГ АГС можно повысить путем подбора его частоты собственных колебаний 0.1 рад/с. Это исключает необходимость применения дополнительного фильтра.

Литература:

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

2. Безвесільна О.М. П’єзоелектричний гравіметр авіаційної гравіметричної системи: монографія / О.М. Безвесільна, А.Г. Ткачук. – Житомир : ЖДТУ, 2013. – 240 с.

3. Безвесільна О.М. Структурна схема перетворення вхідного сигналу чутливим елементом п’єзоелектричного гравіметра авіаційної гравіметричної системи / О. М. Безвесільна, А.Г. Ткачук // Міжнар. наук. журнал «Технологічні комплекси». – 2013. – № 1(7). – С. 43–50.

4. Безвесільна О.М. Фільтрація вихідного сигналу п’єзогравіметра авіаційної гравіметричної системи / О. М. Безвесільна, А.Г. Ткачук // Вісник Інженерної академії України. – 2012. – № 3-4. – С. 91–94.