Главная » 2014»Июль»27 » Скачать Методы и способы повышения точности гравиинерциальной аппаратуры. Леонтьев, Владимир Иванович бесплатно
20:56
Скачать Методы и способы повышения точности гравиинерциальной аппаратуры. Леонтьев, Владимир Иванович бесплатно
Методы и способы повышения точности гравиинерциальной аппаратуры
Диссертация
Автор: Леонтьев, Владимир Иванович
Название: Методы и способы повышения точности гравиинерциальной аппаратуры
Справка: Леонтьев, Владимир Иванович. Методы и способы повышения точности гравиинерциальной аппаратуры : диссертация кандидата физико-математических наук : 25.00.10 Москва, 2003 169 c. : 61 04-1/169-5
Объем: 169 стр.
Информация: Москва, 2003
Содержание:
Глава I Датчики температуры и методы её измерения
§1 Датчики температуры
§2 Опорные резисторы
§3 Возможности мостового метода измерения температуры29 L31 Двухпроводнаясхема L32 Трехпроводнаясхема
133 Четырехпроводная схема
§Измерение предельно малых напряжений разбаланса мостовых схем на постоянном токе
Выводы
Глава II Пассивное термостатирование
§1 Требования к выбору конструкции и материала тепловой защиты
§2 Влияние информационных каналов
§Жесткость конструкции термостата I §4 Границы применения пассивного термостатирования , ' '
Выводы *" Глава III Активное термостатирование
§1 Обзор активных термостатов
§2 Анализ систем активного термостатирования
§3 Конструктивные погрешности термостата ^ §4 Конструкция термостата
§5 Методика расчета термостата
Выводы * *
Глава IV Экспериментальные исследования гравиметра
§Конструкция термостата гравиметра ГАГ-
§Лабораторные исследования термостата гравиметра ГАГ-
§Исследование конструктивных погрешностей гравиметра
IV31 Погрешности регистрирующего устройства
IV32 Нелинейность отсчетного устройства
IV33 Нелинейность смещения нульпункта
IV34 Уход места горизонта гравиметра
IV35 Кросс-каплинг эффект и акустическое возмущение IV36 Микросейсмическое воздействие
IV37 Барометрический эффект
IV38 Адиабатический эффект
IV39 Произвольные скачки отсчетов
IV310 Тепловые удары
IV311 Упругое последействие кварцевой системы
IV312 Неточность осреднения положения маятника
IV313 Броуновские шумы
§Опыт работы с гравиметром ГАГ-3М
Выводы
Введение:
••' Развитие высоких технологий в области конструкционных материалов и микроэлектроники за последнее десятилетие привело к быстрому совершенствованию измерительной техники. Внедряются новые методы обработки и хранения информации, разрешение регистрирующей аппаратуры повысилось, по крайней мере, на порядок. Применение современных аналоговых и цифровых микросхем позволило за счет введения обратных связей существенно расширить динамический диапазон * и линейность различных датчиков.Однако, прогресс в повышении точности измерительной аппаратуры не столь очевиден. Это связано с тем, что погрешности измерений обусловлены действием на датчики возмущающих факторов. Из многих факторов, дестабилизирующих работу чувствительной системы любого прецизионного датчика, влияние вариаций внешней температуры является наиболее значительным. Действительно, до настоящего времени не существует материала, у которого в широком диапазоне изменения внешней температуры физические параметры не имеют температурной зависимости.Вопросом тепловой защиты занимались многие специалисты в области гравиинерциальной аппаратуры. Например, в начале 1970-х годов всеобщее признание получили исследования В.А.Тулина и А.А.Савченко.Однако в современных условиях требования к точности гравиинерциальных измерений и соответственно к качеству тепловой защиты приборов повысились на один-два порядка.4» > Существует два метода борьбы с температурными возмущениями: термокомпенсация и термостатирование чувствительной системы.Увеличение постоянной времени тепловой защиты упругой кварцевой системы не исключает влияния на неё вариаций внешней температуры и приводит к неопределенности при введении температурных поправок в показания прибора. При производстве полевых работ для получения удовлетворительных результатов стремятся использовать известный методичес1шй приём. Суть его заключается в организации для гравиметра таких температурных условий работы, при которых, во-первых, изменение внешней температуры было бы минимально, во-вторых, в течение рейса изменение температуры происходило бы монотонно и с одним знаком.Реализовать такой методический приём удаётся далеко не всегда.Эффективное снижение влияния внешней температуры на упругую систему гравиметра обеспечивается с помощью активной системы термостатирования. Прецизионный термостат представляет собой гармоничное сочетание оптимальной теплофизической конструкции прибора и системы автоматического регулирования, принцип действия которого вносит минимальные искажения в процесс терморегулирования.При термостатировании кварцевых гравиметров особое значение имеет решение проблемы обеспечения однородного температурного поля в объёме, занимаемом упругой системой, при вариации внешней температуры.Проблема защиты от внешних воздействий стоит не только при создании кварцевых приборов. Она актуальна и для аппаратуры с чувствительной системой из металла специального сплава, термоупругий коэффициент которого на два порядка меньше, чем у кварца. Этим объясняется тот факт, что все современные зарубежные гравиметры имеют активную систему термостабилизации. в зарубежной литературе, особенно в последние годы, имеются весьма скудные сведения о температурных исследованиях гравиметров.Информация о теплофизической конструкции гравиметра и типе применяемого термостата является секретом фирмы.Быстрое развитие науки и техники за последнее десятилетие привело к появлению новой элементной базы в электронике. Разрешающая способность регистрирующей аппаратуры повысилась, по крайней мере, на порядок, поэтому несовершенство тепловой защиты чувствительной системы гравиметра становится сдерживающим моментом в процессе повышения точности гравиметрических определений.Организация оптимальной тепловой защиты датчика гравиинерциальной аппаратуры является необходимым, но не достаточным условием повышения её точности. Каждый тип датчика ускорений имеет свои индивидуальные особенности. Однако существует ряд общих конструктивных погрешностей, минимизация которых, в итоге, приводит к совершенствованию приборов. Прогресс в области повышения точности гравиинерциальной аппаратуры невозможен без учета все более тонких возмущающих воздействий на чувствительную систему, как в процессе её исследования, так и в процессе эксплуатации. Такими возмущениями могут являться барометрический и адиабатический эффекты, сейсмоакустическое воздействие, упругое последействие чувствительной системы, уход места горизонта прибора в процессе наблюдений и т.д. Кроме того, важно знать предельные возможности конкретной конструкции прибора. Расширение ассортимента современных электронных компонентов позволяет модернизировать устройства регистрации и обработки полезного сигнала, существенно улучшая характеристики прибора.Исследование возможности повышения точности гравиинерциальной аппаратуры выполнены на примере кварцевого гравиметра. Уровень полезного сигнала, который необходимо регистрировать с помощью о i n гравиметра, находится на уровне 10" ч-Ю отн. ед. Каждое гравиметрическое определение представляет собой тонкий физический эксперимент, в котором необходимо учитывать или исключать все возможные источники погрешностей. В то же время конструкция гравиметра включает в себя все основные узлы, характерные для гравиинерциальной аппаратуры.Целью настоящей работы были теоретические и экспериментальные исследования, направленные на повышение точности работы гравиметрической аппаратуры, и модернизация некоторых её узлов, в том числе термостата, для повышения эффективности гравиметрических определений.Основные задачи диссертации. • Изучение элементной базы для создания датчика температуры с высокой долговременной стабильностью, выбор оптимальной схемы измерения температуры, разработка системы регистрации температуры с предельным разрешением. • Анализ систем терморегулирования и выбор оптимальной системы терморегулирования для организации эффективной тепловой защиты гравиметра. • Изучение конструктивных погрешностей кварцевого гравиметра и определение способов борьбы с ними. • Исследование возмущающих факторов, дестабилизирующих работу гравиметра, и определение методов их минимизации. • Реализация разработанных подходов решения проблемы повышения качества термостатирования в конструкции термостата полевого гравиметра ГАГ-3 и оценка его эффективности по результатам лабораторных и полевых испытаний. • Модернизация гравиметра ГАГ-3 для исследования возможности повышения его точности.Используемые материалы.В диссертации использовались материалы лабораторных и полевых исследований, полученные в лаборатории экспериментальной гравиметрии ИФЗ АН СССР и лаборатории медленных геофизических процессов ИФЗ РАН в период с 1976 и по настоящее время при непосредственном участии автора.Научная новизна. • Разработан и внедрен в серийном приборе прецизионный термостат с коэффициентом термостатирования 1/20000. • Разработан оптический датчик перемещения на базе инжекционного лазера, обеспечивающий разрешение полезного сигнала в гравиинерциальной аппаратуре на уровне броуновских шумов. • Предложены способы минимизации действия возмущающих факторов на чувствительную систему гравиметра и улучшения параметров серийного гравиметра ГАГ-3, которые обеспечили создание макета нового прибора ГАГ-ЗМ, технические характеристики которого находятся на уровне лучших зарубежных полевых гравиметров.Основные положения, выносимые на защиту.2. Наиболее совершенной системой терморегулирования является система пропорционального терморегулирования с объединенным измерительнонагревательным мостом.3. Предложенный подход к выбору материалов для тепловой защиты гравиинерциальной аппаратуры, позволяет оптимально согласовать жесткость конструкции датчика с его тепловой изоляцией.4. Разработанная конструкция экономичного термостата и методика его настройки обеспечивает коэффициент термостатирования термостата серийного гравиметра менее 1/20000.5. Реализация в гравиметре ГАГ-ЗМ предлагаемых в работе методов и способов снижения конструктивных погрешностей и влияния ряда возмущающих факторов обеспечили его технические характеристики на уровне лучших зарубежных гравиметров.Практическая значимость работы.Разработанный и реализованный в серийно выпускаемом гравиметре ГАГ-3 принцип экономичного термостатирования позволяет значительно уменьшить влияние вариаций внешней температуры на показания прибора.При этом существенно упрощается методика гравиметрических определений, повышается производительность геофизических работ и качество получаемой информации.Разработанные и реализованные в модернизированном гравиметре ГАГ-ЗМ способы уменьшения конструктивных погрешностей гравиметра и снижения влияния ряда возмущающих факторов на его чувствительную систему представляют собой практические пути повышения точности гравиметрических определений на уровне нескольких микрогалов.Реализация работы.Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при проектировании и производстве серийного геодезического астазированного гравиметра ГАГ-3. В создании прибора принимали участие ИФЗ АН СССР (Москва) - ведущая организация, НПО «Рудгеофизика» (Ленинград) и в/ч 44656.С помощью гравиметров ГАГ-3 выполнены гравиметрические определения в Болгарии и странах СНГ с целью изучения неприливных вариаций силы тяжести. Модернизированные гравиметры ГАГ-ЗМ используются в ИФЗ РАН для гравиметрического мониторинга сложных объектов в Москве и Ленинграде (ЛАЭС) при изучении плотностных неоднородностей верхних слоев Земли.Технические решения, полученные при выполнении настоящей работы, нашли применение при конструировании и исследовании спутниковых акселерометров, которые использовались на орбитальных космических станциях «Салют», «Союз», «Прогресс», «Мир», а в настоящее время являются штатным оборудованием Международной Космической Станции (МКС), в скважинных и наземных инклинометрах, в наземной и спутниковой градиентометрии.Обсуждения и публикации.Основные положения диссертации докладывались и получили одобрение на Совещаниях Комиссии по изучению неприливных изменений силы тяжести Межведомственного геофизического комитета при Президиуме АН СССР (1986 и 1988гг., г. Москва), на Общемосковском гравиметрическом семинаре (1989г.), на расширенном семинаре лабораторий ИФЗ РАН (2002г.), на чтениях им.Ю.Д.Буланже (2002г.) По теме диссертации опубликовано 11 статей и получено три авторских свидетельств на изобретение.Структура объём диссертации.Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения. Она содержит 169 страниц машинописного текста, в том числе 28 рисунков, 10 таблиц.Список литературы включает 118 наименований.Краткое содержание работы.Во введении диссертации показана актуальность проблемы, сформулированы цели и задачи работы, её научная новизна, отражена практическая значимость результатов работы.Во второй главе обсуждаются возможности пассивной тепловой защиты гравиметра. Предлагается принцип выбора материала для датчика ускорений, обеспечивающий при максимальной жесткости конструкции датчика максимальную тепловую развязку от внешней среды.В третьей главе приводится обзор активных термостатов для гравиметров, анализируются погрешности различных систем терморегулирования, а также конструктивные погрешности активных термостатов и предлагаются методы их минимизации. Приводятся общие рекомендации по конструированию термостата.Четвертая глава содержит экспериментальный материал по исследованиям гравиметра ГАГ-3. Рассматриваются конструктивные погрешности гравиметра и методы их снижения. Анализируется ряд возмущающих факторов, дестабилизирующих работу чувствительной системы, и предлагаются способы их минимизации. Приводятся описание модернизированного гравиметра ГАГ-ЗМ и результаты его лабораторных и полевых испытаний.В заключении подводятся итоги выполненной работы.Формулируются основные выводы по результатам исследований.Подчеркивается, что результаты исследований, выполненные в ИФЗ РАН и изложенные в настоящей работе, нашли применение при серийном выпуске гравиметра ГАГ-3, а также при создании макета модернизированного гравиметра ГАГ-ЗМ. Характеристики гравиметра ГАГ-ЗМ находятся на уровне лучших зарубежных аналогов.Благодарности.Автор глубоко благодарен научному руководителю к.ф.-м.н.Дубовскому В.Б. за огромную помощь в постановке экспериментальных работ и обсуждении их результатов, коллективу лаборатории «Медленных геофизических процессов» ИФЗ РАН за помощь в проведении лабораторных и полевых экспериментов, член-корр. АН СССР Ю.Д.Буланже, д.ф.-м.н. А.С.Алешину, д.ф.-м.н. Буданову В.Г., д.т.н. В.А.Тулину, д.ф.-м.н. В.Д.Гладкову, д.ф.-м.н. М.Г.Когану, д.т.н. В.В.Савичеву, к.т.н. Э.А.Боярскому, к.ф.-м.н. В.Г.Галстяну, к.ф.-м.н.А.П.Бажулину, к.ф.-м.н. А.Ю.Марченкову, к.ф.-м.н. С.Обыденникову, к.ф.-м.н. Б.В.Грану за ценные замечания и рекомендации во время обсуждения отдельных частей и глав диссертации, а также всем тем, кто помогал на различных этапах выполнения работы и всем, кто был внимателен и доброжелателен к автору.
