Разработка баллистического гравиметра для абсолютных измерений ускорений силы тяжести тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.12 ВАК РФ

Введение ^ СТ

Глава I. Теоретические основы работы баллистического гравиметра. б

Глава 2. Краткий обзор баллистических гравиметров.

Глава 3. Анализ источников ошибок. %Ь

3.1 Структурная схема гравиметра. ZЪ

3.2 Анализ рабочей формулы. &3

3.3 Ошибки измерения интервалов времени. 26

3.4 Ошибки измерения отрезков пути. 30

3.5 Влияние сопротивления воздуха. 31

3.6 Влияние вибраций. 36

3.7 Влияние электромагнитных полей.

Глава 4. Конструкция баллистического гравиметра ИФЗ. 39

4.1 Устройство гравиметра 39

4.2 Баллистический блок. 40

4.3 Оптический блок гравиметра. 45

4.4 Электронная регистрирующая часть. 50

4.5 Вакуумная система. 4;6 Размещение гравиметра. 58

Глава 5. Основные юстировки и исследования.

5Л Юстировки. 62

5.1.1 Отклонение падающего на уголковый светоотражатель пучка лучей света от вертикали и расходимость этого пучка лучей не должны быть более 20". 63

5.1.2 Горизонтальное смещение уголкового светоотражателя во время его свободного падения не должно быть более 1-1,5 мм $

5.1.3 Длина волны излучения оптического квантового .генератора должна быть стабилизирована по провалу Лэмба.

5.1.4 Ход кварцевого генератора должен быть известен с 9 ошибкой не более 5»10 . эд

5.2 Исследования. 70

5.2Д Исследования уровня вибрационных помех и отдачи. 72

5.2.2 Исследование стабильности положения вершины траектории уголкового светоотражателя. ${

5.2.3 Исследования влияния плотности воздуха.

5.2.4 Исследование ошибки измерения силы тяжести за счет ошибки воспроизведения длины волны излучения оптического квантового генератора.

§3

5'.2;5 Усовершенствование уголкового светоотражателя. 5.2.6 Исследование надежности макета гравиметра. 90

Глава 6. Наблюдения, обработка и результаты. Si

6.1 Наблюдения. сц

6.2 Обработка gz

6.3 Результаты наблюдений. ¿4 Оценка результатов. ¿ОТ

При решении ряда задач геофизики, геологии и геодезии широко используются результаты измерений ускорения силы тяжести. В частности, с их помощью выявляютктурные неоднородности земной коры,мятся получить информацию о пе-ремещениях масс, вызванных геодинамическими явлениями. Делаются попытки использовать результаты измерений силы тяжести в комплексе данных для предсказания землетрясений и извержения вулканов. Результаты измерений силы тяжести используют для изучения процессов эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, а также подземных газохранилищ.

Очевидно, что rió мере повышения точности и детальности изучения гравитационного пойя Земли, число задач, решаемых с помощью гравиметрии будет расширяться. Поэтому актуальной является задача создания гравиметрических приборов с помощью которых возможно повысить точность и детальность изучения гравитационного поля Земли. В настоящее время гравиметрические съмки выполняют, главным образом, относительными гравиметрами. Несмотря на высокую точность измерения относительными гравиметрами, передача значений ускорения силы тяжести с их помощью привела к возникновению больших систематических погрешностей даже в опорных гравиметрических сетяхi

Успехи в развитии электронных счетных приборов и оптических квантовых генераторов ( ОКГ ), имевшие место в 60х годах, позволили в ряде стран приступить к разработке баллистических гравиметров для измерения абсолютного значения силы тяжести с относительной ошибкой в 1(Г8 - кг9- Широкое применение баллистических гравиметров позво-лило-бы:

- повысите точность гравиметрических съемок за счет отказа от многоступенчатости построения опорных сетей;

- снизить затраты на создание высокоточных гравиметрических сетей, так как отпадает необходимость в частых контрольных наблюдениях на исходном пункте;

- наиболее уверенно решать вопросы,связанные с регистрацией изменения силы тяжести во времени;

- иметь равноточную сеть гравиметрических пунктов, в которых ошибки определений не зависят от расстояний между пунктами;

- применить результаты измерений силы тяжести для решения новых научных и народно-хозяйственных задач, в том числе и задач, которые не могут быть решены при относительных измерениях силы тяжести. К таким научным задачам можно отнести, например, изучение движения центра масс Земли во времени, проверку гипотезы Дирака об уменьшении гравитационной постоянной во времени, проверку гипотезы об изменении радиуса Земли.

Поэтому разработка баллистического гравиметра является актуальной задачей. Единичные экземпляры современных баллистических гравиметров созданы во Франции, США, Японии и Китае. Приборы работают на одном из двух различных способах наблюдений свободного движения уголкового светоотражателя, симметричном и несимметричном. Член корр. АН СССР Ю.Д. Буланже замечает, что сравнение между собой абсолютных гравиметров различных конструкций позволяет более или менее уверенно решать вопрос оценки точности абсолютных измерений силы тяжести до тех пор, пока мы не распологаем должными знаниями в этой области.

В СССР, с 1972 года проводятся наблюдения баллистическим гравиметром Института автоматики и электрометрии ( ИАиЭ ) СО АН СССР, построенном на несимметричном способе. В этоже время в Институте физики Земли АН СССР начата бала работа по созданию баллистического гравиметра^построенного на другом методе - наблюдение симметричного падения уголкового светоотражателя. В 1975 году в ОКБ ИФЗ был изготовлен баллистический блок, где на высоту около 120 см вертикально вверх подбрасывался уголковый светоотражатель. В этом же ОКБ был изготовлен сам уголковый светоотражатель, сейсмометр и лазерный интерферометр. Оптическая схема интерферометра позволяла получать одну интерференционную полосу при перемещении уголкового светоотрадателя на расстояние, равное /4, где Л - длина волны излучения источника света интерферометра.

В связи с этим, перед диссертантом были поставлены следующие задачи:

- разработать методику юстировок и провести исследования баллистического гравиметра;

- доработать гравиметр по результатам исследований ;

- разработать методику работы с этим гравиметром;

- выполнить экспериментальные наблюдения абсолютного значения силы тяжести гравиметром;

- определить пути дальнейшего совершенствования гравиметра.

Решению этих задач и посвящена данная работа. Её актуальность и элементы новизны состоят в том, что впервые в стране создан баллистический гравиметр, построенный на наблюдении симметричного падения уголкового светоотражателя, выполнены его исследования и разработана методика работы с ним, обеспечившие измерение абсолютного значения силы тяжести на испытательной станции Института с погрешностью ± 5 мкГал ( по внутренней сходимости ). Полная ошибка результата с учетом систематических ошибок составила + 30 мкГал. Доминирующей в полной ошибке является ошибка, связанная с нестабильностью и воспроизводимостью длины волны излучения используемого серийного оптического квантового генератора.

Измеренное гравиметром абсолютное значение сил;ы тяжести является начальной гравиметрической датой в пункте наблюдения для изучения изменений силы тяжести во времени.

Приведенные в работе результаты наблюдений силы тяжести с гравиметром ИФЗ, в течение двух лет,даны редуцированными к Международному гравиметрическому пункту №5035 п Ледово Редукция сделана по результатам гравиметрических связей, выполненных относительными гравиметрами \х/ &ос(1п. Достоверность измеренного значения подтверждается повторяемостью результатов измерений в течении двух лет наблюдений, а также согласием теоретических и экспериментальных исследований. Было выполнено также сравнение редуцированного значения силы тяжести с многократными абсолютными измерениями силы тяжести на Международном пункте №5035 " Ледово выполненными в период 1975 - 1983 гг., баллистическим гравиметром ИАиЭ. Это сравнение может рассматриваться как независимый, внешний контроль измеренного значения силы тяжести. Сравнение показало хорошее согласие результатов наблюдений, выполненных приборами ИФЗ и ИАиЭ. Расхождение составило 16 - 4-3 мкГал. Эти величины одного порядка с величинами ошибок измерений сопоставляемых величин.

Установлены возможности дальнейшего повышения точности измерений значений силы тяжести гравиметром ИФЗ.

При этих работах автором был выполнен теоретический анализ оптимальных соотношений измеряемых интервалов времени и пути и анализ ошибок измерений. При экспериментальных исследованиях были выявлены причины,по которым пришлось отказаться от использования интерферометра, у которого одна интерференционная полоса соответствует перемещению уголкового светоотражателя на расстояние -Я/4-. Харьковский Государственный научно-исследовательский институт метрологии передал нам интерферометр Майкельсона. Оптическая схема этого интерферометра позволяла получать прохождение одной интерференционной полосы при перемещении уголкового светоотражателя на расстояние^равное В этом институте был изготовлен также блок измерения пути и времени свободного падения уголкового светоотражателя, наблюдаемого симметричным способом двух станций. На всех этапах работ, связанных с обеспечением возможности использования указанных приборов в гравиметре Института физики Земли автор принимал непосредственное , ведущее участие. Лазерный интерферометр был модифицирован с учетом использования серийного оптического квантового генератора ЛГ-77, в качестве источника света. Для него специально были разработаны и использованы коллимирующая система и оптическая схема юстировки лазерного луча в вертикальном направлении с требуемой точностью. В оптическую схему интерферометра был включен второй уголковый светоотражатель, закрепленный в центре качания маятника длиннопериодного вертикального сейсмометра. Это позволило уменьшить влияние вибраций на показания интерферометра. При участии автора были модифицированы также уголковый светоотражатель и основные узлы баллистического блока. Это:

- механические узлы, обеспечивающие установку, подбрасывание и захват уголкового светоотражателя;

-система вакуумирования?

- разработана схема для определения вершины траектории падения уголкового светоотражателя относительно корпуса прибора и др.

Большую помощь в работе оказали ст. инж. Машин И.А., вед. конструктор Певзнер Б.Н., сотрудники и руководство отдела 1100 ИФЗ и к. г.-м. наук Файтельсон А.Ш. Работа выполнялась в отделе 800 ИФЗ. Результаты работы докладывались на 1,11 Всесоюзных научно-технических конференциях " Метрология в гравиметрии " г. Харьков 1980 и1984 годы? 8,9,10 Совещаниях Комиссии по изучению неприливных изменений силы тяжести Межведомственного геофизического комитета при Президиуме АН СССР, г. Москва 1982,1983 и 1984 гг., Общемосковском гравиметрическом се шнаре 1983 год и научной конференции отдела 800 ИФЗ АН СССР 1982 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В результате настоящей работы создан и исследован баллистический гравиметр, основанный на методе наблюдения симметричного падения уголкового светоотражателя, с которым выполнены измерения абсолютного значения силы тяжести. С этой целью, при участии автора было сделано следующее :

1. Разработан и создан новый баллистический гравиметр на основе симметричного метода наблюдений падения уголкового светоотражателя по способу двух станций.

2. Выполенены теоретический анализ, позволивший установить оптимальные соотношения измеряемых интервалов пути и времени, и анализ ошибок измерений.

3. Разработана методика юстировок этого гравиметра и созданы приборы для их выполнения.

4. Выполнены исследования баллистического гравиметра, позволившие найти новые конструктивные решения для уменьшения инструментальных ошибок и повышения надежности прибора.

5. Создана методика работы с гравиметром.

6. С прибором в 1982 - 1983 гг. выполнены экспериментальные измерения абсолютного значения силы тяжести, которые характерезуются: ошибка единичного измерения ± 200-250 мкГал; ошибка серии ( 10-20 единичных измерений в течение I часа ) + 40-70 мкГал; ошибка массива ( 100-200 единичных измерений проводимых в течение суток ), по внутренней сходимости ± 13-20 мкГал.

7. По результатам экспериментальных измерений, для пункта наблюдения, вычислено абсолютное значение силы тяжести. Средняя квадра-тическая ошибка полученного значения, вычисленная по внутренней сходимости, составила ± 5 мкГал. Полная ошибка среднего измеренного значения с учетом случайных и систематических ошибок принята ± 30 мкГал.

Этим измерением заложена начальная гравиметрическая дата для изучения изменения силы тяжести в пункте наблюдения,

8, Полученное с баллистическим гравиметром Института физики Земли абсолютное значение ускорения силы тяжести было редуцировано в пункт Ледово ( Международный гравиметрический пункт №5035 ). Это позволило сравнить данное значение с многократными измерениями силы тяжести выполненными в пункте " Ледово " баллистическим гравиметром Института автоматики и электрометрии. Сравнение показало, что результат полученный с баллистическим гравиметром Института физики Земли совпадает с результатами измеренными прибором Института автоматики и электрометрии в пределах 16 - 58 мкГал, в зависимости от времени измерения последним. Если сравнивать результаты измерений выполненные обоими гравиметрами в одни и теже годы, то расхождение составит 16-43 мкГал, при погрешности редуцирования ± 14 мкГал и ошибки с которой принято измеренное гравиметром Института физики Земли значение ускорения силы тяжести в ± 30 мкГал.

9. По результатам экспериментальных и теоретических исследований установлены возможности повышения точности измерений силы тяжести до 3-5 мкГал за счет реализации следующих резервов: а) использование лазера с стабильностью длины волны излучения и вос9 производимостью ее в единицах 10 . ( Возможно использование лазера с йодной ячейкой поглощения. ); б) проводить измерения на большей части траектории уголкового свето-отражателя, увеличивая измеряемый интервал пути с 12 см до 100 см; в) увеличить частоту меток времени при измерении интервалов времени с 100 мГц до 200-500 мГц.

- ш

10, По результатам выполненной работы составлено Техническое задание на разработку баллистического гравиметра с проектной погрешностью измерения абсолютного значения ускоренш силы тяжести в 3-5 мкГал, по которому в настоящее время проводится модификация гравиметра,

В заключение, я благодарю доктора физ.-мат. наук В,А, Романюка за научное руководство и внимание к работе.

1. Романюк В,А. Измерение абсолютного значения ускорения силы тяжести ( теория ). 1974.

2. СовЬЛЦ. Тк ^аа^Лъа&ж с&гг & . /шА ш Ангаре Умят? /с А// /Щ.1.Ш, /М

3. Бренер В.Н., Бондарев С.С. и др. Инструкция по эксплуатации опытных образцов ГБ-2Т. Харьков 1976. ( рукопись ).

4. Марциняк А.И. Определение абсолютной величины по падению жезла в вакууме. Измерительная техника №5 1956.

5. Марциняк А.И. Некоторые вопросы определения п£п методом свободного падения. Труды ВНИИМ вып. 37/97 1959.

6. Агалецкий П.Н., Егоров К.Н. Результаты абсолютных определений ускорения силы тяжести в пункте ВНИИМ. Измерительная техника №6 1956.

7. Агалецкий П.Н., Егоров К.Н., Марциняк А.И. Абсолютные определения ускорения силы тяжести в пункте ВНИИМ. Труды ВНИИМ, вып. 32/97 м., Стандартгиз, 1958.

8. РЫНекХК Аг ¿л^^ещ^гге е^Ш^/га^г

9. Ргее1£сс/г /неаМ^елг&гё $Ме е/- 117 13. f/mmond/AjfiaMet /¿f. ZaSet-Jfyszt&vf&ffiittm г^- >// /emv/tt, tfffy/, SM.ad a tftm&t: Ж rf GyApU&z/htfc л/М, Ш ЯМ*15. /ftä/uld gt) ¿¿¿idш?с/. ¿¿¿¿¿г ¿а /ncdik/mftotffeß&f okt

10. Аи&габе. pwd, V/m №,/>/> 7.

11. JäActe Mutado. A faatttyezdaM. Cffiafa

12. Измерение абсолютного значения гравитационного ускорения. Сб. научных статей под ред. чл. корр. АН СССР Ю.Е. Нестерихина. Новосибирск 1972.

13. Арнаутов Г.П., Гик Л.Д., Калиш E.H., Коронкевич Б.П., Малышев

14. И.С., Нестерихин Ю.Е., Стусь Ю.Ф;, Тарасов Г.Г. Высокоточны^ ла- IIB зерный гравиметр. АН СССР СО Автометрия №5. 1972.

15. Арнаутов Г.П., Калиш E.H., Кокаулин Ф.И., Коронкевич В.П. и др. Измерение абсолютного значения ускорения силы тяжести лазерным баллистическим гравиметром. Препринт №89. Института автоматики и электрометрии СО АН СССР, Новосибирск, 1978.

16. Буланже Ю.Д., Арнаутов Г.П., Калиш E.H., Стусъ Ю.Ф., Тарасюк В.Г. Харниш Г. Новое определение абсолютной величины ускорения силы тяжести в Потсдаме, (те^шс/^ Xejb-ztp- $t(/SWX26. /Л Cetlkt/z e>f a/U&tfeftM . Мг1. M, /SfS, ¿¿-¿6.

17. Измерение ускорения силы тяжести и гравитационной посюянной. Труды метрологических институтов. Выпуск 8 Харьковский Государственный научно-исследовательский институт метрологии. Харьков, 1972.

18. Измерение ускорения силы тяжести и гравитационной постоянной. Труды метрологических институтов СССР. Выпуск 227/287/. Всесоюзный научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева. Ленинград, 1977.

19. Романюк В.А., Генкин И.С., Машин И.А. О результатах испытаний опытных образцов гравиметра ГБ-2Т. Научно-технический отчет ЦНИИГАиК №8827, 1978.

20. Романюк В.А., Генкин И.С., Машин И.А. Временный руководящий технический материал на работу с гравиметром ГБ-2Т. Научно-технический отчет ЦНИИГАиК, 1978.

21. Коронкевич В.П., Ханов B.A. Исследование промышленных гелий неоновых лазеров, предназначенных для интерференционных измерений. Препринт №121. Институт автоматики и электрометрии СО АН СССР. Новосибирск 1980.

22. Прибор типа ЛГ-77. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

23. Прилепин М.Т., Голубев А.Н. Оптические квантовые генераторы в геодезических измерениях. Недра М. 1972.

24. Романюк В.А., Генкин И.О., Певзнер Б.Н. и др. О результатах испытаний высокоточного абсолютного гравиметра. Научно-технический отчет ЦНИИГАиК №8826, 1978.

25. Кудряшова Д.Ф., Рабинович С.Г., Резник К «А»; Рекомендация по методам обработки результатов наблюдений при прямых измерениях. Труды метрологических институтов СССР. Выпуск 134/194. Издательство стандартов, 1972.

26. Кудсон Д. Статистика для физиков. Мир,Ц.1967.

27. Юзефович А.П., Огородова Л.В. Гравиметрия. Недра, М. 1980.

28. Генкин И.С., Романюк В.А. Научно-технический отчет ИФЗ №831 мп 0163, 1983.

29. Генкин И.С. Измерение вибраций на фундаменте гравиметрической лаборатории ЦНИИГАиК. Труды ЦНИИГАиК вып. 221 ОНТИ ЦНИИГАиК, М. 1979.