Ткачук А.Г.¹, д.т.н., проф. Безвесильная Е.Н.²

¹Житомирский государственный технологический университет, Украина

²Национальный технический университет Украины "КПИ", Украина

АВИАЦИОННЫЙ ГРАВИМЕТРИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АНОМАЛИЙ УСКОРЕНИЯ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ

Для определения характеристик гравитационного поля Земли можно построить авиационный гравиметрический комплекс (АГК), чувствительным элементом которого является гравиметр. С помощью АГК можно получить гравиметрическую информацию в труднодоступных районах земного шара гораздо быстрее и с меньшими затратами, чем при помощи наземных морских или сухопутных гравиметрических средств. Данные о гравитационном поле Земли, введены в память бортовой цифровой вычислительной машины (БЦВМ) АГК, существенно способствуют повышению, как точности определения навигационных параметров, так и эффективности всей гравиметрической разведки.

Эффективность работы АГК в основном обеспечивается выбором чувствительного элемента системы - гравиметра. На сегодняшний день наиболее известны такие авиационные гравиметры, как струнный, кварцевый и гироскопический. Результаты измерений ускорения силы тяжести, полученные с помощью вышеуказанных гравиметров, содержат большие погрешности. Они вызваны влиянием перекрестных угловых скоростей основы и угловой скорости вращения Земли, изменениями температуры, атмосферного давления, появления шумов различного происхождения и вибраций в месте установки прибора. Для высокоточных измерений гравитационного поля Земли наличие указанных выше погрешностей недопустимо. Поэтому проблема их компенсации или ликвидации и, как следствие, повышения точности авиационных гравиметрических измерений является актуальной [1].

Предлагается использовать для измерения аномалий ускорения силы тяжести авиационный гравиметрический комплекс, который имеет выше точность и быстродействие, чем известные, и содержит в своем составе чувствительный элемент в виде закрепленного на стержне пьезоэлемента, расположенного в герметичном корпусе. На свободном конце пьезоэлемента размещена инерционная масса, а сам принцип работы гравиметра основан на явлении прямого пьезоэффекта. То есть, под действием ускорения силы тяжести на инерционную массу гравиметра возникает сила притяжения, вследствие действия которой пьезоэлемент изгибается (деформируется) на некоторый угол. В результате такого деформирования на поверхности пьезоэлемента образуется электрический заряд, который прямо пропорционален ускорению силы тяжести.

Пьезоэлемент, который используется в качестве чувствительного элемента гравиметра, работает на основе деформации изгиба. Это значительно повышает коэффициент преобразования сигнала по заряду и уменьшает чувствительность пьезоэлемента к поперечным колебаниям.

Самым оптимальным пьезоматериалом для чувствительного элемента является кварц. Особенностью и преимуществом кварца для применения непосредственно в конструкции гравиметра предложенного АГК является отсутствие чувствительности к деформации сдвига и объемной деформации. То есть, кварц обеспечивает измерение только в одном направлении - вдоль измерительной оси гравиметра.

Рассмотрев принцип действия гравиметра АГК, можно назвать его пьезоэлектрическим (ПГ), а среди преимуществ выделить: устойчивость к поперечным колебаниям и перекрестным скоростям; стабильность показаний при изменениях температуры, атмосферного давления, влажности воздуха и т.д.

За счет выбора длины, толщины и материала пьезоэлемента можно регулировать собственную частоту ПГ [2]:

, (1)

где f₀ – собственная частота ПГ; Q – коэффициент пропорциональности кварца; D_і – толщина i-й пьезопластины; n – количество пластин в пьезопакете.

Данный метод изменения конструкционных параметров пьезоэлемента ПГ для достижения необходимой собственной частоты позволяет использовать его как в качестве чувствительного элемента ПГ, так и в качестве фильтра низких частот с целью отделения высокоточных помех от полезного сигнала.

В реальных условиях работы ось чувствительности ПГ АГК может отклоняться на некоторый угол от вертикального направления и, вследствие этого, ПГ не измеряет истинное значение полного вектора ускорения силы тяжести. Поэтому гравиметр устанавливается на горизонтальной стабилизированной платформе, которая имеет в своем составе по два линейных акселерометра и двигателя, подключенных к входам и выходам БЦВМ соответственно.

Также в состав АГК входят подсистемы, которые выполняют следующие функции: определяют координаты местонахождения и скорости, измеряют высоту.

Таким образом, предложенный АГК обеспечивает существенное повышение точности измерения аномалий ускорения силы тяжести.

Литература:

1. Безвесільна О. М. Вимірювання прискорень / Безвесільна О. М. – К. : Либідь, 2001.– 261с.

2. П'єзогравіметр: Патент України на винахід 99084, МПК G 01 V 7/00 / О.М. Безвесільна, Ю.О. Подчашинський, А.Г. Ткачук - № а201113894; Заявл. 25.11.2011; Опубл. - 10.07.2012. - Бюл. № 13.