Вертикальный градиентометр

щпнте 1,)в чщ 651283 г ОП ИСАНИЕизовеитенияК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Своз Соввтскин Социалистических Республик(23) ПриоритетГвсударстввннне кемнтвт СССР нв двлам нзвбрвтеннй н втнритнйЭпубликовано 05 О 3.79,Бюллетень9 Дата опубликования описания 08.03.79 А, А. Голован, А, И. Сорока, В. ф. Лесков, Л. В, Урселов, В. А. Золотухин, В. Г. Рыженин и Б. П. Бодунов.(54) ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ГРАДИЕНЧОМЕТР Вертикальный градиентометр применяется в инерциальной навигации и гравиметрии.Известно устройство для измерения вертикальной составляющей градиента силы тяжести, содержашее закрепленное на торсионе коромысло с массами на концах 11Практически оказывается очень трудно с высокой точностью совместить центр тяжести системы с осью врашения, поэтому устройство реагирует не ччлько на вертикальную составляющую градиента силы тяжести А, но и на силу тяжести Д . Никакой методикой измерения и конструкций весов разделить влияние Л и ф не удается, Кроме того, центр тяжести смещается иэ-за колебаний температуры, внешних вибраций, электростатических сил, конвекционных потоков н других внешних условий.Указанные недостатки не позволяют спользовать рассмотренное устройство для измерений А с высокой точноЦель предлагаемого иэобретенияповышение точности измерений.Это достигается эа счет того, что 5 в вертикальный градиентометр введенывторое коромысло и двигатель с горизонтально расположенным валом, на котором закреплены оба коромысла, наконцах каждого из коромысел закреп- О лена пара акселерометров, при этом осьчувствительности одного акселерометранаправлена вдоль оси коромысла, а другого перепендикулярно этой осирричем выходы каждой пары акселеромет ров с одинаково направленными осямичувствительности, но принадлежащих разным коромыслам, подключены на входысравнивающих устройств 1 выходы которых подключены к сумматорам.20 На фиг. 1 изображен предлагаемыйградиентометр; на фиг. 2 - график, поясняющий принцип действия предлагаемого градиентометра.Г радиентометр состоит из корпуса 1,коромысла 2, акселерометров 3, 4, 5, 6,7, 8, 9 10, дополнительного коромысла11, оси 12 врацения, электродвигателя13 сравнивающих устройств 14, 15, 16, 517, суммируюших устройств 18, 19,О.1 Од Ц Ц - выходные сигналы сравниваюших устройств;О,д,О- выходные сигналы суммиРуюших устройств, 1 ОВ корпусе 1 горизонтально установленвал 12, Вал через посредство редуктора(или без него) соединен с ротором электродвигателя 13, статор которого жесткозакреплен в корпусе 1, На валу в точке 15О жестко закреплены коромысло 2 и дополнительное коромысло 1 1, перпендикулярные друг другу и расположенные вплоскости, перпендикулярной оси врашения.На концах коромысла расположено по паре )Оакселерометров 3 и 4, 6 и 5, 8 и 71 1 0и 9 (например струнные), причем оси чув.ствительности одного из каждой пары акселерометров(З, 6, 8, 10 ) направленывдоль соответствуюшего коромысла, а осичувствительности второго из каждой ларыакселерометров (4, 5, 7, 9) перпендикулярны соответствуюшему коромыслу 1 1Выходные сигналы акселерометров 3 и10, 6 и 8 попарно подаются на первую ЗОпару сравниваюших устройств 17 и 15,соответственно, а выходные сигналы акселерометров 4 и 9, 5 и 7 - на вторуюпару сравнивающих устройств 16 и 14,соответственно. Выходные сигналы О,и Ц, сравнивающих устройств 14 и 16,соответственно, подаются на суммирующее устройство 18, выходные сигналыКи И сравнивающих устройств 15 и17, соответственно, подаются на сумми 40руюшее устройство 19. Выходные сигналы суммирующих устройств 18 и 19О.вм и ИИ 1 а,содержат информацию овеличине вертикальной составляющейградиента силы тяжести ЛПринцип действия предлагаемого гра- диентометра поясняется фиг. 2,гдеприняты следуюшие обозначения;Хо Го - оси инерциальной системыкоодинатс ДХ 1 Х, Е - оси связанной соответствуюшей парой акселерометров системыкоординат (для акселерометров расолЬженин;х на верхних концах коромысел);- ускорение силы тяжести,5- расстояние от точки крелления коромысел до центров подвеса чувствительных масс акселерометров,При равномерном повороте вала 12 со скоростью на оси чувствительности Х и с. акселерометров 7 и 8 проектируются ускоренияС 1) =со 5 Е-;, л )о) Я=- Ъ 1 ИУ+ЕуПоскольку сила тяжести (У может быть выражена через величину силы тяжести Д в точке крепления коромысел и вер тикальную составляющую градиента силы тяжести Яв данной точке следуюшим образомф = Е Л 51 иУ Я о,то вражения (1) принимают вид с 1)о=о; о 5-+ - ЛЕ 51 и -Е-; (2),г б) ,=-д,51 и у- - Л Е+ - , ЛЕсо 52 +ЕПолагая, что в выражении (1) 1у+ -пол чаем уравнения для пары акселерометров 5, 6с 1)д -д 5 и- ЛЮ 51 и 2 г-Е у о) Я г-Д СОЬ 2 ЛЕ 2 Есо 52 у Е 3В выходных сигналах акселерометров, измеряющих проекции ускорений по формулам (2 Ь и (ЗЬ, содержится как полезный сигнал, изменяющийся с двой ной частотой врашения 2 утак и помехи. Вычитая из выражения (2 а) выражение (За) с помощью сравнивающего устройства 14, и аналогично выражение (Зб) из выражения (2 б) с помошью сравнивающего устройства 15, получаем пропорциональныеЬД и дд сигналы, в которых отсутствует постоянная составляюшая помехи Яф и Ц о) ь(т=д со 5.+51 и. 3 фЯ 6 ми 2 у;4)Ю) ,:-,М т-со 5+ЛЕсоьгДалее для исключения из выходных сигналов сравнивающих устройств 14и 15, пропорциональных Ь и дьХ б 7. сигнала пэмехи, изменяюшегэся с частотой вращенияиспользуется информация с акселерометров 3, 4, 9, 10, преобразованная с помошью сравниваю щих устройств 16 и 17 и имеющая вид О)ьт = У .со 53 ми 2 Л 6 в 1 и 2 У -,/О)ЬД =Д 51 ПУ-СОЬ 3 ф Л 6 СО 5 2 У,Уравнения (5 Ь получаются аналогично уравнениям ( 4 Ь .Обрабатывая сигналы, пропорциональные Г и Ьд 1 ,ау иди спомощью суммируюших устройств 18 и 10, соответственно, получаем ца вьпсоде устройства сигналыВЫх Л 6 ваап 23;0 ьых 2 Лбсов 2 у.Таким образом, обеспечивается возможность . отстройки полезного сигнала от помех и связанных с неидентичцостью приборов и различием 5 для разных коромысел. Кроме того, практически це влияют помехи, связанные с медленными процессами (влияние температуры, релаксации материала струн и др.).Предлагаемый градиентометр позволяет достигнуть высокой точности измере- ний вертикальной составляющей градиента силы тяжести Л . Например, при применении струнных кселерометов с крутнзцой к - 50 а 300 -Ы(выходцой сигнал акселерометра - 50 Гц при лейстиш ускорения 1) для измерения Лс точностью Ь Л =1 ртвеш ==10 , выбрав период модуляции Т=- 100 сок, необходимо измерить накопленный за период Т электрический угол, равныйЮ =Тк ь Л =3 10 рад-"0,15 угя.м.ин. Такой угол может быть измерен, например, при работе датчика угла в режиме покачивания.Предлагаемый градиентометр нечувст вителен к ускооециям при принудительнол поворачивации оси вращения со скочостыо ., а также к переносным уссорениям, возникающим при движении основания, ца котором устройство установлено (это следует из анализа уравцеццй, описывающих движение прибора),Это позволяет создать вертикаль, цевозмущаелсую ускорениями, для чего необходимо в прибор ввести дополнитель цо систему регулирования, следящуюза минимумом вертикальной составляющейградиента силы тяжести. Такая невозмушаемая вертикаль является чрезвычайно необходимой в автономной нави- О гации, поскольку такой прибор не имеет накапливающейся погрещности и обладает большой помехоустойчивостью квнешним воздействиям.Формула изобретенияВертикальный градиентометр, содержащий закрепленное на торсионе коромысло, о т л и ч а ю ш и й с я тем,что, с целью повышения точности измерений, в него дополнительно введены ф второе коромысло и двигатель с горизонтально расположенным валом на котором закреплены оба коромысла, наконцах каждого из коромысел закреплена пара акселерометровпри этом ось 25 чувствительности одного акселерометранаправлена вдоль оси коромысла, а другого перпендикулярно этой оси, причемвыходы каждой пары акселеролюетров содинаково направленными осями чувст- ЗО вцтельцости цо принадлежащих разнымкоромыслам, подключены на входы сравнивающих устройств, выходы которыхподключены к сумматорам.Источники информации, принятые во З внимание при экспертизе1. Веселов К. Е., Сагитов М. У.Гравцметрическая разведка", М., "Недра"196 Ь,с. 212.