Двухкоординатный наклометр с емкостным преобразователем перемещений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.12, кандидат физико-математических наук Гусев, Георгий Александрович

• Гусев, Георгий Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 1984

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Гусев, Георгий Александрович

ВВЕДЕНИЕ.2

ГЛАВА I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МОДЕЛИ

НАКЛОНОМЕРА.10

ГЛАВА 11. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ И ДАТЧИКА НАКЛОНОВ.36

ГЛАВА Ш. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.55

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Двухкоординатный наклометр с емкостным преобразователем перемещений»

Изучение геофизических явлений с помощью наклономеров, т.е. приборов, измеряющих наклон корпуса, связанного с объектом наблюдения, относительно местной гравитационной вертикали, занимает значительное место в экспериментальной геофизике.

Явления, изучаемые с помощью наклономеров, можно разделить на два класса: приливные и неприливные. Приливные явления возникают в упруго-вязкой Земле при гравитационном взаимодействии с Луной и Солнцем. В этом случае мы очень точно знаем амплитуду, частоту и фазу прйливообразующих сил, а по реакции Земли на эти силы можем судить о ее строении. Количественными характеристиками наблюдаемых наклонов служат обычно величины "6"= и = » где ^Н и ^Н " определяемые в результате гармонического анализа наблюдаемых приливов амплитуда и фаза различных типов приливных волн (лунных, солнечных и их комбинаций), а Ку и - рассчитанные теоретические амплитуды и фазы соответствующих волн в предположении абсолютно упругой Земли.

Используя наклономерные наблюдения приливных явлений, можно в принципе решать задачу определения "континентальных", а затем и "глобальных" значений величин "б" и для подтверждения правильности выбора модели Земли по другим данным (сейсмическим, гравиметрическим, астрономическим и др.) /I/. При этом для определения по Х числа Лява с точностью 1% требуется точность определения не менее 0,20,3% /2/. Однако, как показывают многочисленные наблюдения, сделанные разными авторами, значения ^ и св- варьируются даже в пределах одной штольни, причем разброс значений существенно превышает требуемую точность. Кроме того, существуют временные вариации этих величин. На приливные наклоны оказывают влияние большое число факторов, учесть которые с достаточной точностью, по-видимому, не представляется возможным. К ним относятся эффекты, связанные с горизонтальными неоднородное тями места наблюдения: "полости", "топографии", "геологии" /3/, косвенными эффектами океанских приливов (притяжение, изменение потенциала, прогиб земной коры) /4/, нагрузочными эффектами, связанными с изменением атмосферного давления /5/, локальным влиянием температурной суточной волны /6, 7/ и т.п. Поэтому связывать измеренные значения Т и , даже усредненные по многолетним рядам наблюдений с "континентальным", а тем более с "глобальным" строением Земли нельзя, поскольку эти значения целиком определяются локальными особенностями места наблюдения. Последнее обстоятельство указывает на иной подход к приливным наклономерным наблюдениям. Изучая аномалии в наблюдаемых приливах, связать эти аномалии со строением земной коры /9, 10, II/. Влияние структурных нарушений земной коры на приливные наклоны уже доказано, например, /10, 12/, однако для перехода к количественным оценкам необходимо поднять представительность наблюдений наклонов путем создания сетей, профилей станций в изучаемых районах. Для отработки методики измерений подобные сети целесообразно оборудовать и в местах с хорошо изученным строением, известными структурными нарушениями.

В случае неприливных явлений мы не можем вычислить действующие силы и их вариации во времени и пространстве, что сильно затрудняет интерпретацию наблюдений. Изучение неприливных наклонов ведется по следующим основным направлениям. I) Изучение медленных наклонов, особенно в тектонически-активных районах. Решение проблемы осложняется чрезвычайно малыми скоростями изменения наклонов вплоть до 0,04"/год /7/. Единственным путем увеличения точности в этом случае является измерение наклонов большим числом наклономеров. Ю.С. Доброхотов по этому поводу замечает: ". в изучаемом тектоническом районе должно быть размещено возможно большее число наклоно-мерных станций. Тогда наклоны, измеренные в многих точках, вместе с геодезическими данными позволят составить подробное представление о развитии движений во времени" /13/. 2) Проблема изучения связи деформаций земной коры с скрытым перемещением вещества внутри (жидкости, магма) /I/. 3) Проблема выявления связи наклонов с землетрясениями и использование аномального хода наклонов перед землетрясениями как прогностического признака /I/. Замечательно, что в некоторых случаях обнаружен аномальный ход наклона, зарегистрированный на значительных эпицентральных расстояниях /14/. Увеличение представительности наблюдений наклонов для повышения достоверности в равной мере относится и к этим двум проблемам.

В последние годы возрастает интерес к прикладным наклоно-мерным наблюдениям. Он обусловлен необходимостью изучать не только малые наклоны в специально оборудованных штольнях, но и относительно большие наклоны за продолжительное время. Сюда относится решение жизненно важных задач при наблюдениях за деформационными процессами больших инженерных сооружений -дамб, плотин, АЭС и др. подобных объектов, наблюдение и изучение наклонов, связанных с оползневыми и деформационными явлениями, возникающими из-за существенных нарушений структуры земной поверхности при больших объемах горных работ - разработка полезных ископаемых, сопровождаемая образованием пустот, перемещением значительных масс и т.д.

Самостоятельное значение имеет проведение наклономерных наблюдений на фундаментах с установленной на них прецезионной аппаратурой, на показания которой могут повлиять наклоны. Наклономеры в этом случае должны являться составной частью аппаратуры, предназначенной для геофизического контроля движений и деформаций таких фундаментов.

Решение перечисленных задач, т.е. получение достоверной информации о наклонах изучаемого объекта и построение адекватной геофизической картины возможно только с помощью сети наклономеров, покрывающей значительную площадь. Сбор информации от датчиков наклонов должен быть автоматизирован.

В период рекогносцировочных наблюдений может появиться необходимость сгущения или расширения сети наклономеров в различных местах в зависимости от необходимости получения заданной точности. Однако повышение точности идостоверности может быть осуществлено практически только путем увеличения числа датчиков наклона, т.е. расширением сети.

История развития наклономерных наблюдений связана с созданием приборов с механической системой в виде несимметричного горизонтального маятника. Именно таким и был первый маятник, изобретенный Хенглером 150 лет назад /15/. Горизонтальный маятник имеет большую приведенную длину по сравнению с вертикальным и позволяет простыми средствами регистрировать перемещения подвижной части при наклонах. В настоящее время основным прибором при изучении малых наклонов являются горизонтальные маятники самых различных конструкций /I, 16/ и изготовленные из самых разных материалов. У нас в стране такие наблюдения ведутся сейчас в основном горизонтальным металлическим маятником конструкции А. Островского /17/. Кроме различных горизонтальных маятников имеется небольшой класс приборов, в которых используется принцип жидкостного уровня. Это двухкоординатный пузырьковый следящий наклономер ТМ-3 /18/, обладающий разрешением около 0,0002", электролитические уровни /19/ (разрешение 0,001") и высокоточные обычные уровни /13/ (разрешение 0,1"). Прогресс в технике измерения малых механических перемещений позволяет сейчас регистрировать с высокой точностью перемещения массы вертикального маятника-отвеса. К этому немногочисленному пока классу приборов относится скважинный наклономер А. Графа "Аскания" /20/ и вертикальный маятник М. Шнайдера /21/.

Построение сетей наклономеров с привлечением имеющегося парка приборов практически невозможно. Малый динамический диапазон высокоточных наклономеров не позволяет вести наблюдения длительное время при относительно больших значениях наклонов. Большие габариты затрудняют установку приборов в скважину, для установки требуются специальные дорогостоящие штольни. Система преобразования перемещений массы маятника в электрический сигнал не позволяет простыми методами организовать передачу информации на значительные расстояния, ее машинную обработку и хранение. Кроме этого, существующие приборы требуют сложного технологического цикла при изготовлении, что является препятствием при тиражировании датчиков.

Для преодоления перечисленных недостатков необходимо создать новый компактный датчик наклонов с высокой чувствительностью, большим динамическим диапазоном, с малым собственным дрейфом, при возможно большей "технологичности"и простоте изготовления. Выходной сигнал от датчика наклонов должен быть удобным для передачи и ввода в ЭВМ.

Создание прибора, удовлетворяющего перечисленным требованиям, означало бы не только решение частной технической задачи, а решение большой, имеющей важное научное и хозяйственное значение, задачи осуществления массовых региональных нак-лономерных наблюдений. В этом случае количественное наращивание числа приборов переходит в качественное, принципиальное изменение характера получаемой информации о наклонах большого региона♦

Настоящая работа посвящена разработке и созданию компактного датчика наклонов, состоящего из механической системы и преобразователя перемещений. Система управления и регистрации на первом этапе отработки конструкции датчика и длительных пробных записей должна автономно обслуживать представительную группу датчиков, а в дальнейшем должна трансформироваться в устройство-контроллер для подключения к ЭВМ.

Неотъемлемой частью любого наклономера является преобразователь механических перемещений пробной массы в электрический сигнал. При анализе различных преобразователей перемещений оказалось, что ни один из них не обладает сразу всеми необходимыми качествами, а именно, высоким коэффициентом преобразования при широком динамическом диапазоне, малым собственным дрейфом, видом выходной информации, удобным для цифровой обработки, простотой, надежностью, компактностью и малым энергопотреблением. Поэтому был разработан новый преобразователь перемещений в частоту, обладающий качествами, приближающимися в перечисленным выше. Схема построения преобразователя позволила легко модифицировать ее для измерения перемещений пробной массы в двух направлениях.

При разработке механической системы учитывались следующие соображения. Всякая конструкция содержит напряженные соединения, являющиеся источниками деформационной ползучести при релаксации или аккумуляции напряжений в них. Наклономеры, в которых для получения большого механического усиления используются различные способы увеличения эффективной длины, содержат большее количество напряженных узлов, чем обычный вертикальный маятник-отвес, все напряжения в котором сосредоточены в нити и местах закрепления ее. При этом, если нить подвеса является осью цилиндрической симметрии маятника и совпадает с направлением отвеса, то релаксация напряжений в напряженных узлах, не должна, вообще говоря, приводить к горизонтальным перемещениям массы маятника. Таким образом, можно положить в основу конструирования механической системы принцип цилиндрической симметрии. Кроме этого, число напряженных соединений вообще должно быть сведено к минимуму, т.е. базовая деталь, в которой подвешена пробная масса, должна быть, по возможности, целой и свободной от релаксирующих напряжений, т.е. соответствующим образом "состарена".

Представляется целесообразным вынести отдельно элементы, относящиеся к соединению датчика наклонов с объектом, наклоны которого изучаются. Такими элементами могут быть, например, основание для установки на фундаменте в штольне, устройства установки в скважине. Содержащиеся в них напряженные узлы могут и являются дополнительными к датчику наклонов источниками деформационной ползучести.

С учетом перечисленных соображений, не вдаваясь в детали, можно описать новый датчик наклонов следующим образом: цилиндрически симметричный простой маятник-отвес, подвешенный в целой базовой детали и оснащенный широкодиапазонным двухкоординатным преобразователем перемещений массы маятника относительно базовой детали.

Общие требования, предъявляемые к системе регистрации сигнала, поступающего от преобразователя перемещений, на этапе испытаний датчика наклонов, можно сформулировать так: измерение и автоматическая запись сигнала от преобразователя при возможности выбора частоты опроса и времени усреднения каждого измерения. Для сравнительных испытаний система должна измерять сигналы, поступающие от представительной группы приборов (не менее 3-х). Кроме этого, система должна быть достаточно надежной при проведении длительных наблюдений.

Перечисленные выше проблемы создания массового наклономера и явились основным содержанием настоящей работы, в результате которой разработан, исследован и доведен до стадии малосерийного производства новый двухкоординатный маятниковый наклономер с цифровым выходом.

ГЛШ I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МОДЕЛИ НАКЛОНОМЕРА

Механическая система датчика наклонов составляет неразрывное целое с преобразователем перемещений пробной массы. Представляется целесообразным вначале рассмотреть преобразователь перемещений."

Емкостные преобразователи нашли широкое применение для измерения малых механических перемещений /22, 23/. Существуют преобразователи с рекордной чувствительностью -1,5.1СР^см /24/» но измерения такого рода проводятся на относительно высокой механической частоте 1-10 кГц и в узкой полосе частот Д,-^ ^ I Гц. При наблюдении же квазистатических процессов, каковыми являются наклоны, дрейфовые характеристики преобразователя являются одной из основных причин ограничения чувствительности, поскольку в этом случае "шум" ("дрейф") и "сигнал" имеют одинаковые характерные частоты. В обзоре /25/ основных типов преобразователей, применяемых в геофизике, проведен сравнительный анализ различных способов преобразования сигнала, из которого следует, что дифференциальный емкостный датчик с частотным преобразователем является предпочтительным по ряду признаков (диапазона, крутизна, относительно ма- . лый дрейф). Основной метод борьбы с дрейфом преобразователя состоит в выборе высокостабильных радиоэлементов, входящих в его электронную схему. За основу предлагаемого преобразователя был взят частотный емкостный преобразователь, представляющий собой 1С - генератор, в частотозадающий контур которого входят измерительная (рабочая) емкость. В таком преобразователе чрезвычайно высокие требования предъявляются прежде всего к стабильности индуктивности контура генератора. Такие стабильные индуктивности обычно изготавляются по специальной технологии /26/.

Известен также способ компенсации дрейфа, для чего создаются два генератора с возможно более близкими параметрами, и, главное, дрейфовыми характеристиками, в контуры которых включены рабочие емкости дифференциального емкостного датчика. Разность частот этих генераторов пропорциональна величине механического перемещения подвижной пластины дифференциального конденсатора датчика, а частотный дрейф компенсируется. С помощью этого метода из-за сложности подбора радиоэлементов в схемах с одинаковыми дрейфовыми характеристиками практически трудно получить величину компенсации менее 10"^. Обойти эту трудность удалось с помощью модуляционного метода /27/, суть которого, применительно к частотному емкостному преобразователю, состоит в следующем. В контур одного генератора с помощью переключателя (ключа) попеременно включаются одна из рабочих емкостей дифференциального датчика: Со + АС или С0-аС , которым соответствуют частоты генератора ^ч и . Одно измерение сводится к вычислению разности Д^ = = • Поскольку время одного измерения может быть сделано малым по сравнению с характерными временами дрейфа, вычисляя , мы одновременно вычитаем медленный дрейф частоты. Действительно, пусть ^ и ~ частоты, соответствующие одному измерению, причем (в 1-м приближении)

Повторив измерение через времяТ (Т»а1), где

- интервал времени между измерениями и » получим гДе о о ~ средняя частота генератора, изменившая свое значение по сравнению с ^о вследствие дрейфа. При этом относительное изменение величины Д^" будет

3)

4о "30 ^

Первый сомножитель в правой части есть относительный дрейф средней частоты генератора. Второй сомножитель , характеризующий уменьшение влияния этого дрейфа, назовем коэффициентом компенсации ^т . Используя (3) и (I), можно записать: а . ДО. ^ л,

Ввиду того, что реальный емкостный преобразователь перемещений, построенный на основе описанной схемы, содержит переключающее устройство и собственно дифференциальный конденсатор, то коэффициент компенсации такого преобразователя может отличаться от теоретического (4) и будет определяться также неодинаковостью дрейфовых характеристик плеч переключающего устройства и дифференциального конденсатора.

Рассмотренный датчик позволяет с помощью одного генератора измерять и более 2-х "рабочих" емкостей, например четырех, путем включения в схему еще одного переключающего устройства.

Для учета взаимодействия преобразователя с механической системой дальнейший анализ целесообразно вести для преобразователя в совокупности с маятником наклономера.

Модель наклономера, с учетом требований, сформулированных во введении, и воплотившаяся в реально существующий прибор, выглядит следующим образом: (см. рис. I): цилиндрический корпус I, в котором на нити 2 подвешена цилиндрическая масса 3, окруженная четырьмя пластинами емкостного преобразователя. Эти пластины и масса маятника образуют 4- емкости, которые с помощью двух ключей К1 и К2 включаются попарно в последовательный 1-С - контур. Например, при положении ключей на рис. I в контур включены параллельно две емкости, образованные пластинами I и 2 и массой маятника. Пусть в результате наклона корпуса на угол N центр массы маятника сместился относительно центра пластин на расстояние у (при азимутальном угле 9 ). Тогда гЛн-|

Считая смещение ^^Г' , получим из (5)

К-Н ~ г +]>сх*(б-о0 (6)

Зазор между массой и пластинами

Пусть Я,-Г= с10 - зазор при центральном (соосном) положении массы относительно пластин. Тогда

I = 10(\ - ОД>(9-°0) (8)

Ао

5)

РисЛ. Схема модели датчика наклонов.

Величину емкости между пластинами и массой в интервале между углами ol\ и 0(2. можно оценить, пользуясь формулой для вычисления емкости плоского конденсатора:

L+K oh.

R.IW0I

4S

4X<L (9) L

Подставляя (8) и (9) и проинтегрировав по 0( , получим: L+И

1 (Ю) где . w — г / о

Vb=j>/d<

Емкости между парами пластин и массой вычисляются подстановкой в (10) соответствующих пар значений углов и 0Í2.

0 иХ)

L+H er^ÍH? V 2- <3 nríTT 1 L и+Н (II) и*

Величина смещения ^ - связана с наклоном корпуса N следующим образом: р = где расстояние от точки подвеса до выбранного сечения. Если выбрать эсрор , где Ьэсрср'^+Ц » то можно записать: ко ¿0 &0

Тогда

Си,> = Д- т=М|- ±^

ГГОТу аз)

Линейное (по У1 ) приближение (II) будет записываться следующим образом:

Подставляя Чг = Уъ в (14) и вычисляя интегралы,

АО подучим с«.» *

15)

Т.е. в этом случае эффективная длина, естественно, равна: I -I д. И П

I—^срср - ь + ~2 и а = —^—

Для полноты описания необходимо учесть еще паразитные емкости между массой и нитью и корпусом, между пластинами и корпусом, емкости в переключателях и т.д.

В результате емкости, определяющие частоту генератора в каждом из 4-х возможных вариантов положения ключей, будут иметь вид:

С-5 = £2.$ + ^п + Сп2>

С4 = С^^+Сп +СП4 где Сп - емкость, одинаково входящая во все частоты, Сг\1, I = {1 т 4) - емкости, определяющие несимметрию пластин и подходящих к ним проводов.

Частоты, соответствующие этим емкостям, запишутся в виде:

1 = ^4 (17)

В линейном приближении, подставляя (15) в (17), и полагая Сгк^-Со » где = получим где

1 0-1 рг . Ь <

Зо - ¿-Ча:со ' * = иа с;

18) о

Вычисляя соответствующие разности, получим

Из (19) видно, что разность частот Р содержит информацию о наклоне в направлении а разность частот С| содержит информацию о наклоне в направлении ^ Величину, обратную величине "^о ^ к/СЬ естественно назвать коэффициентом преобразования наклономера К

Зк Л.

К = 4- ^г

6о 1 Ьй, " 2. (20) или при о\ЛГА 1 1° мГц, | + 2 =1° сы> К- = 1»5 см, Ц = 4 см. Сп = 25 пф, ¿о = 2.10~2 см. К = 0,1 угл.сек/кГц. Выражения для Г и й (19), используя соотношение (20), можно записать в виде: р - — к] ■■ (. 1 Сгц-Сгц ~ к^ с^--(21)

Г I к! I 1 Сп1-Сп4

Разности частот удобно отсчитывать от нуля, поэтому, полагая в (21) Р = О, G = 0, вычислим соответствующие наклоны:

1Ми 1 1 СП2.-СП4 0 или

-о

Например, при Сгц-Сп&-0,1 пф, С0= ЮО пф, = Ю4 кГц, К = 0,1 1/кГц, 0»5 угл.сек.

Окончательно, формулы преобразования разностей частот в наклоны запишутся в виде:

N<¡=-№-^0 (23)

Для оценки нелинейности воспользуемся разложением (II) в ряд, ограничившись членами 8-го порядка

1+Н / 9 \ с = $ аь. ¿^(1+

Соответствующие разности частот запишутся в виде

25 )

Введем величину р , определяющую нелинейность двухкоорди-натного прибора следующим образом: И

26) г л

I к! О 1 где = 5

Не учитывая для простоты начальное отклонение ? , и подставляя (25) в (26), получим х 1 а* М!Ч 4 - 7и ^^ (27,

При 6=0 или ^/<1

Ь = -|-а2Н2 где а =» 1-усР (28)

16 do

Допустим 1ЭСрср - Ю см, а0 = 2 Л О"2 см, N1 = ю"= 5.10~5.

При этом

Р ^ 4Л0~4 = 0,04 %. Для N = з', рк 0,13 = 13 %.

Это означает, что для наклономера с выбранными параметрами на краю диапазона в +10" ошибка из-за нелинейности может достигать 0,004 угл.сек.

На рис. 2 показана зависимость величины, характеризующей нелинейность р от угла N . На том же графике отмечены величины нелинейности в диапазоне +10 угл.сек при различных начальных отклонениях I, 2 и 3 угл.мин.

Для иллюстрации приведенных рассуждений и для наглядности при последующем конструировании была разработана математическая модель датчика наклономера, отвечающая формулам преобразования (II) без приближений. При этом параметрами модели являлись: эффективная длина нити, Ьэсрс^зазор (1о , радиус обкладок К. , высота цилиндра массы Н , паразитные едкости С^ , Срь , частота 4о » начальный сдвиг Ыхо , . На рис. 3 приводятся результаты машинного анализа модели датчика наклономера со следующими параметрами = 12 см, сЦ = 0,02 см, = 1,5 см, Н = 4 см, Сп = 30 пф, Ср1 = О, ч- Рис.16. Зависимость коэффициента компенсации от начальной разности

4 частот.

Рис.3. Результат машинного анализа модели датчика наклонов (прямоугольная система координат). 10 мГц, » N^0 = На "вход" модели подавались величины Мое , N1^ в виде равномерной сетки с шагом в I угл.мин. При этом на "выходе" модели получались пары величин разностей частот р и (5 . Для сравнения на том же рис. 3 приведена сетка для линейной модели, соответствующей формулам (23) с К = 0,1 ^гл,сек/кГц. На рис. 4 показаны результаты машинного анализа той же модели, но с начальным сдвигом ^Хо= N^0= I угл.мин, причем на "вход" модели подавались величины наклонов в полярных координатах ( Н =1, 2, 3, 4 угл.мин, 0= 0°, 15°, 45°, 75°, 90° .). Как будет показано ниже, (см. гл. Ш) такое задание может быть более удобно в некоторых практических случаях, чем прямоугольная координатная сетка. Из рис. 3 и 4 видно, что -^Ю^-ная нелинейность достигается в диапазоне —3 угл.мин.

Влияние геометрических несовершенств маятника оценивалось для следующих случаев:

1) Точка выхода нити из груза не совпадает с геометрическим центром груза.

2) Форма маятника отличается от цилиндрической (верхний и нижний диаметры различны).

3) Сечение маятника отличается от кругового.

4) Нижнее и (или) верхние плоскости груза неперпендикулярны оси.

Расчеты при этом аналогичны приведенным выше и несущественно усложняются зависимостью Г от 9 , и к, в формулах (5 - 7), так как сечение массы для этих случаев представляет собой эллипс с эксцентриситетом, определяемом геометрическими несовершенствами. Анализ показал, что при всех отступлениях от симметрии, не превышающих величины 10 см, заметнее всего влияние смещения точки подвеса. Проявляется это

Рис.4. Результат машинного анализа модели датчика наклонов (полярная система координат).

29) во взаимном "проникновении" наклона в направлении ОС и ^ в выходных разностях 6 и Р , т.е. формулы (21), без учета начальных отклонений, выглядят следующим образом:

Р = - ^ - М а = Х Н А ' 12 и<рср с1о где - коэффициент, определяющий "поперечную" чувствительность, т.е. степень перекрестного влияния наклонов в направлении ОС и ^ на компоненты 5 и F соответственно, Д - смещение точки подвеса массы, % - Угол между осью ОС. и проекцией оси цилиндра массы на плоскость ОС ,^ . При 1Эфср = см» Н = 4 см, Д = Ю-3 см, с(0 = 2 Л (Г2 см, 5.10""3 = 0,5 %. Среди эффектов, не связанных непосредственно с наклонами и проявляющихся независимо от них, наиболее значительным оказался комбинированный: смещение точки подвеса массы и различие в диаметрах массы сверху и снизу ("конусность" массы). Это проявляется как появление в выходных разностях частот р и С таких дополнительных членов: - а гм иоз

30) дР ^дЫсо^о д!\1 = где Д - смещение точки подвеса массы, 0 - разность диаметров. При I— Зорср = Ю см, с(0 = 2.10~2, Д = 10~3 см, V = Ю~3 см, дМ ^ 5 Л О"6 — I угл.сек.

Оценка влияния температуры. Оценим влияние линейного теплового расширения массы и окружающих пластин при изготовлении их из различных материалов, т.е. в формуле (7) будем считать

31) г = г0 (4 + <*г ЛТ) где - коэффициент теплового расширения материала пластин, - коэффициент теплового расширения металла массы,

ДТ - изменение температуры. Соотношение (8) запишется в виде:

До (л0 (32) где б(о^о"Го

Обратная величина

4- «Л-О+^-^Св-^О-з-тК-^лт-гыгйО (зз)

Л (Ао (АО

После аналогичных преобразований получим вместо (21) а (34)

При ненулевых начальных наклонах и М^о р-р и , изменяющиеся из-за температуры, будут выглядеть следующим образом:

К 0 \ (До (35)

Если обкладки и масса сделаны из одного и того же материала, то

Рт я И* ^Т

ГТ |< Г ^

Выбирая Ызс0 = I утл.сек, о(латунь = 2.10~5, о(пл#кварц = 4- Л О7, <Ло= 4.10"5 утл. сек

При изготовлении, например, обкладок из плавленного кварца, а массы из латуни, воспользовавшись (35), получим:

РТ'К = ЗЛО"3 угл.сек • ДТ На границе диапазона +10 угл.сек Гу'К = ЗЛО""2 угл.сек *АТ Для оценки влияния явлений, происходящих с нитью подвеса, рассмотрим узел выхода нити с грузом массы 'УУЬ из верхнего зажима. Пусть между нитью и вертикалью из-за неточности изготовления деталей корпуса и зажима имеется малый угол <с « I. Пользуясь /28/, можно получить следующую формулу: ос = ар(4 - е /а) (37) где % т - г . радиус нити, Е - модуль Юнга материала нити, Ч, - длина вдоль нити, отсчитываемая от верхнего конца нити, ОС- - отклонение формы нити от вертикали. Для бронзовой нити с Гц = 0,75.10"^ см, и = 10 см,

Е = 1,2Л012 — , & - 0,12 см - характерный размер, см2 на котором происходит в основном изгиб. При этом масса отклонится от вертикали на расстояние дза« ау> С38)

Для получения численных оценок величину & можно выбрать -Ч равной 10 , что соответствует неточности изготовления детали зажима нити в 10 см при характерном размере детали порядка I см. При этом

ДХ ^ 1,2 Л О-4 см. При изменении модуля Юнга Е. с температурой будет изменяться ДОС/ \ аЕ.

ДОС-г = ДХ^ т ¿Е- (39) при Д£/Е = 4.10""^ 1/град (бронза Б2)

Д£т = 2,4Л0"8 см/град. Соответствующая этому смещению угловая величина при длине нити = 10 см составит

ДГ^Т = 2,4.Ю~9 1/град = 5.10"^ угл. сек/град, т.е. эффект достаточно мал по сравнению с тепловым расширением (36).

Оценим величину напряжения в нити подвеса. Расчет показывает, что эта величина максимальна в месте выхода нити из зажима и может быть оценена из формулы

Гн а при взятых ранее параметрах

Е (40) ^ 6.Ю"5

Это отношение необходимо учитывать при выборе материала нити, чтобы напряжение в нити не превысило так называемый предел пропорциональности или упругости (т.е. соответствие закону Гука). При превышении этого предела в материале нити начнется процесс необратимой релаксации напряжения, что будет проявляться как собственный дрейф наклономера. Максимальная величина, на которую сместится масса в результате релаксации Д'ЗЗ^ > соответствующая полной релаксации напряжения и "выпрямлению" нити (38)

ДЭеп^ 1,2.10^ см или 1,2.10~5 = 2,4 утл. сек. Следует учесть, что процесс релаксации напряжений происходит как правило экспоненциально, и может быть достаточно продолжителен (вплоть до нескольких лет).

Другим механизмом, который может быть вызван как изменением температуры, так и собственным дрейфом, является зависимость напряжений от температуры и релаксации их в нити, приводящие к вращению массы. Такие напряжения определяются технологией изготовления нити (волочение, термообработка и др.). Вращение массы приводит к различным эффектам, оценки для которых приведены в формулах (29), (30). Величина такого вращения может быть определена экспериментально в каждом конкретном случае. Кроме этих эффектов следует упомянуть ряд эффектов, теоретический анализ для которых с количественной стороны вряд ли имел бы практическое значение, но качественно был бы необходим для конструирования датчика наклонов. Это прежде всего относится к обеспечению постоянства геометрии базовой детали как самой по себе, так и крепления верхнего зажима нити и 4-х пластин емкостного датчика к ней. Необходимо также обеспечить постоянство и небольшую по сравнению с С0 величину паразитных емкостей Сп1 > т.к. они непосредственно входят в дифференциальный конденсатор, т.е. нужно постоянство геометрии проводов, соединяющих пластины датчика и реле. Всем этим требованиям удовлетворила бы конструкция в виде целой детали из изолирующего материала с высокой стабильностью геометрии, например керамики или кварцевого стекла, причем пластины и подводящие провода датчика могут быть сделаны путем непосредственной металлизации этого материала. Однако с точки зрения технологии такая конструкция может оказаться более трудоемкой по сравнению с металлической конструкцией. Представляются вероятными и смешанные конструкции: например, базовая деталь металлическая, а пластины датчика - металлизация на внутренней поверхности изолирующего цилиндра, закрепляемого на базовой детали и т.п.

Оценка погрешностей отдельных измерений и предельная чувствительность. Для оценки погрешности отдельных измерений рассмотрим модель механической системы в виде маятника, на который действует флуктуационная сила. Перемещения массы маятника измеряются частотным датчиком. Линейные уравнения для компоненты наклона в направлении ОС- , соответствующие этим 2-м процессам, запишутся в виде:

Югое. + 1гэ& =

М^ъ/Ьэсрср ч^о-^*; -ЬЧо+^к М* (41) где Чуь - масса маятника, Уи- коэффициент, определяющий затухание, ^^^/¡^^гравитационная" жесткость.

Уравнение для компоненты наклона в направлении - аналогичны, Для определенности допустим, что измерение частот и производится традиционным методом, т.е. подсчетом числа импульсов за определенное время Т , т.е. выходной величиной является

Т -ь (42) +Т -ЬТ "ЫТ к, =1- [Ь №й 4 ^ (4*-=^«Л т ^ 1 г * (43)

Аналогично,

•Ъ+Р+2Т где Р - время паузы между измерением частот и

Дисперсия величины

А+Т 1игР-+!2Т ч акТч ± "Ь+Р+Т и определяют погрешность измерения. Запишем Е в следующем виде, используя (41)

45)

А+Т -ЬР+2Т ч аКЦирТЛ I / (46)

Среднее значение величины 2 :

I" = -г——=г( ^ + ^ Эсф<Ш =0

К^ср* \ t ЪР+Т / т т.к. £(+)= 0.

Среднеквадратичное о тклонение: -Ь+Т -Ы"

I [2 [ $х(и)хОдАиАт)- + I—^срср V Ъ -Ь

-ЬТ -ЫР+2Т \ 1 (48)

Считая процесс ЭС ("Ь) стационарным и делая замену переменных Х = Ц-ЯТ, Ц = получим

Т,р Р+2Т т ^ (т-р)ЬхСс)<Ь + ^(2.т+р-т)бх(х)атг р Т+Р где Ь^С^) ~ ОС Си) ОС (и) - корреляционная функция процесса X ( ).

Будем считать, что спектр вынуждающей инерционной силы порождаемой микросейсмическими колебаниями -6 ("Ь ) можно записать в виде

2Аб

СаЗ* (50)

Такое представление, с одной стороны, позволяет как-то описать реальный спектр, например, /29/ а, с другой стороны, не слишком усложняет вычисления. При этом спектр силы оказывается просто равным . Кроме этого, полученными результатами можно пользоваться для оценки влияния собственных тепловых шумов, определяющих теоретическую предельную погрешность наклономера, спектр которых, как известно /30/ имеет вид

Бт = 4к,е>ТаН, =4©Н, © = Ь^Та, (51) где - постоянная Больцмана, Та- температура, К/ - коэффициент затухания маятника, просто заменяя Аб на

Ат=2©^ (52)

Спектр процесса X (-Ъ) при действии вынуждающей силы со спектром тМ* можно записать в виде:

О 2А*

О/л

53) где Сл)^ - собственная частота маятника,

ИЪ - коэффициент затухания. Соответствующая этому спектру корреляционная функция будет выглядеть следующим образом: оО

При затухании, близком к критическому (и)0 - ), корреляционная функция

55)

При сильном затухании ( ^»00о ), соответствующему, например, маятнику, залитому жидкостью, корреляционная функция имеет вид:

56) где =

Подставляя в формулу (49) корреляционные функции вида (55) и (56), и вычисляя интегралы, получим формулы для вычисления погрешностей измерений наклонов ^ К . Результаты сведены в табл. I.

Анализ показывает, что в случае сейсмических шумов, для уменьшения погрешности необходимо демпфировать механическую систему, а в случае тепловых шумов погрешность меньше в случае критически демпфированный механической системы, и от постоянной времени не зависит (табл. I). Это противоречие означает, что для данного уровня микросейсмики существует такая а величина % , при которой погрешность из-за микросейсмики уменьшается до уровня погрешности из-за тепловых шумов. Дальнейшее увеличение демпфирования не имеет смысла. Эта критическая постоянная времени равна

Таблица I Среднеквадратичная погрешность

КРИТИЧЕСКОЕ ДЕМПФИРОВАНИЕ СИЛЬНОЕ ДЕМПФИРОВАНИЕ

00о (X30<<T<<T:*

СЕЙСМИЧЕСКИЙ ШУМ о 2А* Д 10-(10т12) см2 Осе) секБ

2М *

СА)*Т ЬЭФФ при 00о = 10 с"1, 1еор<р= 10 см, т = Ю с,Х*= 200 с

10" ^^ утл. сек. = 2Л0""^5)угл.сек.

ТЕПЛОВОЙ ШУМ

29 1 .0 п ® ^ (не зависит от^С* ! ) при №,= 200 г, © = ^.Ю"1^ эрг, Т = 10 с

8 Л О"6 утл. сек \| Ж2" = 6 Л О""5 угл.сек

Для уменьшения "сейсмической" погрешности надо увеличивать X*, но до тех пор, пока погрешность от тепловых шумов не станет такой же. Это будет при 1ц=25 * 2500 сек. Дальнейшее увеличение не имеет смысла.

К = 2<4® (57) г{

Приведенные в настоящей главе оценки и расчеты позволяют сделать выводы об отсутствии принципиальных преград на пути создания датчика наклонов, удовлетворяющего большинству перечисленных требований, т.е. компактности и высокоточности (в широком смысле).

ГЛАВА П. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ И ДАТЧИКА НАКЛОНОВ

При практической реализации преобразователя перемещений, основные принципы построения которого описаны в главе I, оказалось, что основная задача состоит в выборе переключающего устройства, осуществляющего попеременное включение емкостей дифференциального конденсатора в контур генератора. Переключающее устройство должно удовлетворять целому ряду требований: малая величина паразитных и межконтактных емкостей по сравнению с рабочей и их стабильность, малая величина сопротивления в замкнутом состоянии по сравнению с сопротивлением, определяющем добротность контура, постоянство этих величин от переключения к переключению. Электронные ключи, например, переключающие СВЧ-диоды, не удовлетворяют, к сожалению, сразу всем этим требованиям.

В качестве такого переключающего устройства могут быть использованы высокочастотные реле типа РПВ (РПА). В нашей схеме первоначально было применено реле РПВ 2/7 (PCA.52I.955) (сопротивление в замкнутом состоянии не более 0,1 Ом, емкость между контактами в разомкнутом состоянии не более 0,1 пф). Впоследствие это реле было заменено аналогичным, но нейтральным реле типа РПВ 2/4, не требующем поддержания напряжения для удержания в каком-либо устойчивом состоянии, что, кроме уменьшения энергопотребления, уменьшает тепловыделение вблизи дифференциального конденсатора.

Как отмечалось, в схеме преобразователя перемещений с переключениями, требования к стабильности величины индуктивности контура и частотозадающих параметров самого генератора снижаются, поэтому была выбрана простейшая схема транзисторного генератора с частичной емкостной связью ("емкостная трехточка") (рис. 5). Собственно генератор выполнен на транзисторе VI . Выбор транзистора типа КТ325В обусловлен его высокой крутизной на частотах около 10 МГц. Питание генератора осуществляется от стабилизатора на пониженным напряжением (3,3 В) с целью уменьшения амплитуды напряжения на рабочих емкостях. На транзисторах УЗ и У4- выполнен буферный каскодный усилитель ("общий эмиттер - общая база"). Выходной эмиттерный повторитель обеспечивает низкоомный выход. Катушка индуктивности намотана медным изолированным проводом на тороидальном тефлоновом каркасе диаметром 25 мм и имеет величину индуктивности около 5 мкГн ( 10 мГц при Со = 50 пФ).

Генератор с индуктивностью ©С собран на печатной плате размерами 40x50 мм2. На отдельной плате таких же размеров собран буферный усилитель и повторитель. Такое разделение оказалось необходимым для предотвращения паразитного возбуждения схемы.

Компоновка преобразователя в датчике наклонов показана на рис. 6. Разработанная схема преобразователя с малой величиной дрейфа и частотным выходом оказалась настолько простой и надежной, что была применена в целой серии геофизических приборов: гидростатическом наклономере /31/, датчике давления /32/, гравиметре ГГМ-1 /33/, авиадесантном гравиметреГАД /34/, датчике температуры, деформометре. На рис. 7 показана реализация схемы преобразователя в гравиметре типа ГГМ-1.

Дальнейшее совершенствование преобразователя позволило сконструировать его в виде модуля, который может быть встроен в различные геофизические приборы. Устройство модуля покаI со

00 1

Рис.5. Принципиальная схема преобразователя перемещений в частоту.

Рис.б. Компоновка преобразователя в датчике наклонов.

Рис.7. Компоновка преобразователя в гравиметре типа ГГМ-1. зано на фото рис. 8.

Отработка конструкции датчика наклонов производилась в основном на 3-х вариантах макетов, схема и фото внешнего вида которых показаны на рис. 9, 10, II. Приведем краткое описание 3-х вариантов макетов и основных причин, потребовавших изменения конструкции.

Первый вариант датчика наклонов имел массу в виде пустотелого конуса, внутри которого располагались 4 обкладки емкостного преобразователя. Масса подвешивалась на вольфрамовой нити, причем верхний зажим мог перемещаться в вертикальном направлении, что позволяло изменять зазор между массой и обкладками, тем самым выбирать различную крутизну преобразования преобразователя перемещений. Масса маятника электрически изолирована от корпуса датчика наклонов. При таком включении коммутация обкладок рабочего конденсатора производится в "горячей" точке колебательного контура генератора ("горячей" в электронике называют ту точку колебательного контура, где максимальна амплитуда ВЧ-напряжения). Исследования макета позволили выявить следующие недостатки. Несовершенство зажимов. вольфрамовой нити приводит к постепенному "выскальзыванию" нити из них, опусканию массы, уменьшению зазора и увеличению крутизны преобразования (за год наблюдений крутизна изменялась монотонно и за это время увеличилась в среднем по 3-м датчикам, на 20%). Как показал анализ, электрическая схема, в которой переключения производятся в "горячей" точке -контура и своеобразное включение паразитных емкостей не позволяет получить значение поперечной чувствительности менее 0,15, что усложняет обработку данных. Эти же особенности схемы включения при вращении слегка асимметричной массы

Рис.8. Преобразователь в виде унифицированного модуля.

Рис.9. Общий вид и конструкция 1-го варианта датчика наклонов.

Рис.11. Общий вид 3-го варианта датчика наклонов. на вольфрамовой нити могут вызывать значительный собственный дрейф датчика наклонов (поворот массы на 180° приводит к изменению выходных разностей частот, соответствующих 10 утл. сек).

Конструкция второго варианта макета датчика наклонов была разработана с учетом недостатков, присущих 1-му варианту. Цилиндрическая масса, подвешенная на медной нити помещалась внутрь обкладок конденсатора преобразователя перемещений. Переключение обкладок осуществлялось в "холодной" точке LC -контура генератора. Это сразу сильно понизило поперечную чувствительность, влияние вращения массы и влияние вытягивания нити на величину крутизны преобразования. Однако были, выявляены другие недостатки. Непрочная медная нить при отсутствии арретира требует чрезвычайно осторожного обращения при переноске и установке датчика наклонов. Конструкция, в которой все детали генератора и внешний кожух последовательно закрепляются друг к другу в верхней части базовой детали (см. рис. 10) была не свободна от асимметричных механических напряжений в базовой детали.

Указанные недостатки были учтены при разработке 3-го, на настоящий момент последнего, варианта датчика наклонов. Общий вид этого варианта показан на рис. II, а разрез - на рис. 12. Основой датчика является базовая деталь I, изготовленная из латуни. В верхней части базовой детали находится узел крепления нити 2. Нить проходит через центрирующую втулку 3 и наматывается на валик 4, после чего валик опаивается. В нижней части находятся четыре обкладки 5 емкостного преобразователя перемещений. Эти обкладки изолированы от базовой детали. Таким образом, между массой б и обкладками 5 образуются 4 емкости. Кроме этого разработан и изготовлен

16

II : .1\ в п ■ ш.

Рис.12. Конструкция 3-го варианта датчика наклонов.

---—„ .:.. , вариант с обкладками, изготовленными методом вжигания серебра Ъ целую керамическую трубку с фланцем для крепления, полностью заменяющую наборные обкладки. Обкладки и масса маятника снизу закрываются кожухом 7. Кожух имеет герметичное уплотнение 8. В нижней части кожуха находится арретирующее устройство. Арретирование массы происходит следующим образом. При вращении маховичка 9 стержень 10 поднимается без вращения, попадает в конусное отверстие в нижней части массы, поднимает ее и прижимает к вставке II базовой детали. Стержень арретира герметизирован сальниковым уплотнением 12.

Две платы емкостного преобразователя и два реле закреплены на стойках 13. Напряжение питания и управляющие сигналы для реле подводятся через разъем 14. Место соединения закрыто герметичной крышкой 15.

В штольневом варианте наклономера датчик наклонов устанавливается опорной поверхностью базовой детали на поверхность 16 латунного основания с тремя опорными винтами (рис. 12), расположенными под углом 120° друг другу. Опорные винты аналогичны по материалам и конструкции подобным винтам датчика НФ-М НСО-наклономерной станции Островского. Датчик наклонов устанавливается на фундаменте в штольне и соединяется двумя кабелями с системой регистрации, устанавливаемой в лабораторном помещении.

Разработанная система регистрации на базе /35/ представляет собой измерительный комплекс, предназначенный для последовательного опроса и записи показаний 15-ти датчиков наклона. Блок-схема системы показана на рис. 13. Система состоит из четырех основных устройств: полностью оригинального блока управления и стандартных частотомера Ф504-1, транскриптора Ф5033 и перфоратора ПЛ-80. В дальнейшем оказалось, что

БЛОК УПРАВЛЕНИЯ г о о со о ее

ТРАНСКРИПТОР I

ТАЙМЕР I до 15 шт. т 1

ЧАСТОТОМЕР $-5041

ПЕРФОРАТОР ПЛ-80

9пЙ ///Т/й / //77

777

ШП

77

Рис.13. Блок-схема системы автоматической регистрации, транскриптор Ф5033 избыточно универсален в нашем случае и малонадежен. Поэтому был разработан специализированный транскриптор в виде отдельной дополнительной платы в блоке управления.

В исходном состоянии частотомер, транскриптор и перфоратор отключены от сети -^220 В, напряжение питания на датчики наклонов не подано. Работа системы задается таймером блока управления, синхронизируемым термостатируемым кварцевым генератором "Гиацинт" с частотой 5 МГц. Через интервал времени, который может быть выбран равным 10 мин, I час или вручную кнопкой "Пуск", происходит включение частотомера, транскриптора и двигателя перфоратора, т.е. комплекс приводится в состояние готовности измерения и записи (перфорирования) кода значений частот, поступающих от датчиков наклонов. Система допускает подключение 15-ти датчиков наклона при общем числе каналов 16. К первому каналу подключен преобразователь код времени - частота для привязки каждой записи к реальному времени. После опроса 1-го (временного) канала подается питание на датчик наклонов, подключенный ко П-му каналу, производится измерение и запись частот, соответствующих четырем состояниям 2-х реле датчика. Время измерения одной частоты выбирается переключателем частотомера и обычно составляет либо I сек, либо 10 сек. При этом время, затрачиваемое на опрос одного датчика составляет 8 или 48 сек соответственно (пауза I и 2 сек). Затем напряжение питания подается на датчик № 2 и процесс повторяется. После окончания опроса последнего датчика частотомер, транскриптор и перфоратор отключаются от сети. Для исключения работы частотомера при большом "выбеге" частоты собственного генератора при включении, частотомер синхронизируется внешним для него генератором "Гиацинт" 5 МГц. Выбор первого и последнего для опроса датчика наклонов производится с помощью кнопочного переключателя.

Все нестандартные электронные узлы блока управления собраны на микросхемах 155 серии. Коммутаторы К1 и К2 выполнены на реле типа РЭС-55 и РЭС-44 соответственно. Узел питания особенностей не имеет. Блок управления собран в стандартном корпусе АСЭТ высотой 160 мм.

В режиме ожидания комплекс потребляет около 30 Вт, во время опроса около 160 Вт. Общий вид системы показан на рис. 14.

Настоящий вариант системы регистрации был разработан и изготовлен , как уже отмечалось в главе I, для проверки основных принципов измерения и исследования небольшой группы датчиков наклонов с целью отработки их конструкции. Регистрация на перфоленту и обработка на ЭВМ функционально разделены, что не позволяет оперативно получать информацию о наклонах.

Дальнейшим шагом на пути полной автоматизации процесса получения информации о наклонах &ло пробное включение датчика наклонов в комплексную станцию, ориентированную на прогноз землетрясений. Блок-схема наклономерного канала станции показана на рис. 15. Датчик наклонов, установленный в штольне, соединен кабелями с двоичным счетчиком и схемой управления реле. Канал управляется таймером станции, который осуществляет управление работой счетчика и схемы управления реле датчика. При этом переключение реле происходит после счета импульсов частоты, поступающей с датчика наклонов. Цикл измерения заключается фактически в преобразовании частот, соответствующих четырем парам обкладок емкостного преобразователя, в - . . . . . - - --- - • - - —^

Рис.15. Блок-схема наклономерного канала геофизического автоматического комплекса. |

1'

Т-----—-—-=-——-----.-.двоичный код, поступающий в телеметрический передатчик вместе с кодами других датчиков. Далее коды принимаются телеметрическим приемником центра, включающем мини-ЭВМ, работающую в реальном времени.

В дальнейшем планируется изготовление таймера, счетчика и схемы управления реле на основе микросхем высокой степени интеграции с малым энергопотреблением. Этот измерительно-управляющий модуль будет иметь автономное питание и выдавать в телеметрию связи с ЭВМ-центром уже соответствующие наклонам разности частот в виде кода.

Кроме того, как показал опыт работы с наклономером, для оперативного контроля необходимо получение информации о работе выбранного датчика в аналоговом виде. Схема такого канала может быть выполнена в виде цифро-аналогового преобразователя, работающего, например, на самописец. Один из опытных вариантов такой схемы уже опробован.

С учетом перспектив внедрения разработанного наклономера следует иметь в виду, что схема наклономерного канала должна быть достаточно гибкой по структуре и универсальной по выходу для подключения различных систем передачи данных с учетом особенностей, связанных с конкретной геофизической обстановкой в месте измерения.

Заключение диссертации по теме «Геофизика», Гусев, Георгий Александрович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В результате настоящей работы, на основе применения современных радиофизических методов измерения малых механических перемещений маятника и анализа математических и физических моделей образующейся в результате этого электромеханической системы, создан и исследован широкодиапазонный двухкоординатный наклономер с цифровым выходом для проведения массовых синхронных региональных наблюдений.

1. Разработана теория емкостного преобразователя перемещений нового типа.

2. Разработаны теоретические основы построения двухкоор-динатного компактного датчика наклонов. Получен прогноз характеристик по математической модели.'

3. Разработана схема и конструкция нового преобразователя перемещений.

Разработана конструкция нового датчика наклонов.' Разработка доведена до стадии мелкосерийного производства.'

5." Разработана и создана автоматическая система регистрации информации, поступающей от 15-ти датчиков наклона.

6. Получены экспериментально характеристики нового преобразователя перемещений.

7. Получены экспериментально характеристики нового датчика наклонов. Разработанный наклономер по своим характеристикам не уступает существующим, а по целому ряду и превосходит (диапазон, температурный коэффициент, габариты).

8.' Проведена опытная эксплуатация группы датчиков наклона в условиях подвала ст. "Мосрентген", штольни ст. "Душанбе", штольни ст. "Обнинск".

9. Для обработки данных, получаемых от группы датчиков разработан набор программ для ЭВМ серии СМ. Для получения оценок приливных параметров разработана программа гармонического анализа по трехсуточной схеме Матвеева.

10. По непрерывному ряду наблюдений в течение 6-ти месяцев 4-мя датчиками наклонов, установленными на одном фундаменте (ст. "Обнинск"), получены оценки приливных параметров, оценен собственный "дрейф".

11. Новый наклономер имеет целый ряд преимуществ по сравнению с существующими приборами. Эти преимущества позволяют осуществлять массовые наблюдения на больших регионах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результатом настоящей работы явилось создание нового прибора для измерения наклонов. Новизна основных принципов, положенных в основу наклономера, защищена авторским свидетельством. Прибор качественно отличается от существующих наклономеров. В его состав входят: механическая система, преобразователь перемещений в частоту, автоматическая система управления и регистрации.

Механическая система наклономера представляет собой отвес-цилиндрическую массу, подвешенную на тонкой нити и окруженную четырьмя пластинами емкостного преобразователя, имеющего высокий коэффициент преобразования величины перемещений массы в частоту. Это позволило сделать габариты и массу механической системы и преобразователя следующими: диаметр, высота и масса не более 90 мм, 260 мм и 2 кг, соответственно. Применение емкостного частотного преобразователя этого типа позволило сделать прибор двухкоординатным.:

Новый преобразователь перемещений имеет следующие характеристики, подтвержденные экспериментально: коэффициент преобразования - 25 кГц/мкм (при зазоре в рабочей емкости 0,2 мм), чувствительность (как при однократном измерении, так и при квазистатических длительных измерениях) не хуже 4.10""^мкм.

Датчик наклонов, представляющий собой механическую систему, оснащенную преобразователем перемещений, преобразует информацию о наклоне в разность частот, что обеспечивает высокую помехозащищенность канала передачи от преобразователя к системе регистрации или ЭВМ и позволяет увеличить длину соединяющего кабеля до нескольких сотен метров.

Для управления, обработки и записи на перфоленту информации о наклонах, получаемую группой из 15-ти датчиков наклонов, разработана информационно-измерительная управляющая система, состоящая из блока управления датчиками наклонов, таймера, частотомера, транскриптора и перфоратора. Опыт эксплуатации системы в течение 4-х лет показал ее эффективность и надежность.

Для обработки информации, получаемой от датчиков наклонов, был создан набор программ для ЭВМ серии СМ. При этом обрабатывались как результаты эталонирования, так и результаты длительных записей группой приборов. Для получения приливных параметров была реализована трехсуточная схема Матвеева. На настоящем этапе записи на перфоленте вводились в память ЭВМ, т.е. запись и обработка были функционально разделены.

Таким образом, в результате проделанной работы создан комплекс аппаратуры и математическое обеспечение для измерения наклонов группой приборов. Исследование разработанного комплекса проводилось в штоленном варианте, когда датчик наклонов мог устанавливаться на постаменте с помощью штатива, оснащенного регулировочными винтами. В результате длительных исследований, проведенных.:в подвальных помещениях Испытательной станции ИФЗ "Мосрентген" в штольнях на станциях "Душанбе", "Боровое", "Обнинск", представилось возможным получить экспериментально следующие технические характеристики, характеризующие наклономер.

1. Коэффициент преобразования - 8-10 кГц/утл.сек. Точное значение коэффициента преобразования зависит от выбранной "рабочей точки", т.е. от начальных разностей частот.

2. Диапазон и нелинейность. а) При выборе рабочей точки вблизи "нуля" (по разностям частот не более +10 кГц) нелинейность не превышает 0,05% в диапазоне +10 угл.сек; б) при выборе рабочей точки в диапазоне +3 угл.мин (У500 кГц по разностям частот), нелинейность не превышает 2% в диапазоне +10 угл.сек в окрестности рабочей точки.

Величины,самого коэффициента преобразования могут быть заданы в диапазоне +3 угл.мин в виде функциональной зависимости или таблицы и изменяются не более чем на 15% от значения в центре диапазона (вблизи нуля).

3. Предельное разрешение. а) Предельное разрешение, определяемое датчиком перемещений - Ю"^ угл.сек; б) предельное разрешение при наблюдении кратковременных процессов (в течение нескольких часов) определяется сейсмическим шумом в месте измерения. В условиях штольни ("Боровое", "Душанбе", "Обнинск") - (1-3).10~^ угл.сек, в подвале вблизи индустриальных объектов ("Моерентген") - 2.10"^угл.сек. Ошибка Леколазе отдельных значений наклонов не более 7.10""^ угл.сек ("Обнинск"); в) предельное разрешение при наблюдении длительных процессов (недели, месяцы) определяемое собственным дрейфом датчика наклонов - 0,05 угл.сек/мес, штативом штолеиного варианта - 0,11 угл.сек/мес, при измерениях на фундаменте - 0,18 угл.сек/мес (приведенные величины определены по "расхождению" группы датчиков и относятся к полному вектору наклона).

4. Влияние температуры. Теоретическая оценка, полученная из анализа линейного расширения только деталей механической системы наклономера, при выборе рабочей точки на границе диапазона +3 угл.мин получилась равной ЗЛО"2 угл.сек/°С. Оценка по величине "расхождения" группы приборов, установленных на одном основании при изменении температуры окружающего воздуха не более 8.Ю"2 угл.сек/°С (при выборе рабочей точки в "нуле").

5. Влияние давления. Не обнаружено связи изменений атмосферного давления с "расхождением" между тремя приборами за все периоды наблюдений на уровне 2.10""2 угл.сек.

6. Энергопотребление. а) Датчик наклонов. В период ожидания - отсутствует, во время опроса - 240 мвт; б) система регистрации - 30 Вт (непрерывно), во время опроса - 160 Вт (опрос одного канала занимает 48 сек).

Разработанный преобразователь перемещений уже используется в целом ряде приборов: морском и авиадесантном гравиметрах, водотрубном наклономере, деформометре, датчиках давления и температуры. Маятниковый двухкоординатный наклономер, оснащенный таким преобразователем, в штоленном варианте может использоваться для приливных и неприливных наблюдений, для. контроля за наклонами инженерно-технических сооружений, преце-.зионных фундаментов. При длительных наблюдениях за наклонами имеется возможность увеличить точность измерений применением большего числа датчиков.

В настоящее время продолжаются работы по совершенствованию как датчика наклонов и системы регистрации, так и ме-тодрти наблюдений группой новых приборов. Предполагается изготовление механической системы целиком из керамики или кварцевого стекла, что позволит уменьшить габариты, исключить причины, вызывающие собственный дрейф датчика наклонов и сосредоточить все внимание на соединении датчика с объектом, наклоны которого изучаются. В штольневом варианте прибора, а особенно в скваженном, соединение с объектом может являться причиыой неконтролируемого дрейфа, поэтому ведутся работы по поиску физических и технических основ для соединения датчика наклонов и объекта. Опробованы несколько вариантов установки датчика непосредственно на фундамент без опорных винтов.

При совершенствовании и развитии системы регистрации намечается перевести ее вместо питания от 220 В на автономное питание. Для этого имеется в виду перевод разработанных схем на элементную базу с малым энергопотреблением.

Кроме этого, предполагается, что система регистрации должна стать в конце концов управляющим и передающим звеном в цепи - датчик наклонов - ЭВМ. При этом ЭВМ ведет сбор и обработку информации о сети датчиков, установленных на большом регионе. Именно для решения подобных задач и разрабатывался настоящий комплекс наклономера.

В заключение я благодарю доктора технических наук Е.И. Попова за научное руководство и внимание к работе. Я глубоко благодарен кандидату физико-математических наук А.Б. Манукину за научное руководство, постоянную помощь в работе и большое внимание. Выражаю искреннюю признательность механику Э.Г. Ушакову за неоценимую помощь в работе. Благодарю начальника ОКБ ИФЗ Б.Т. Воробьева за постоянное содействие на всех этапах разработки нового прибора и обсуждения, В.И. Челышева, конструктора опытного образца наклономера, за плодотворные обсуждения. Благодарю Ю.Я. Дорошенко за изготовление фотографий для настоящей диссертации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Гусев, Георгий Александрович, 1984 год

1. Мельхиор П. Земные приливы. 1. , "Мир", 1968.

2. Молоденский М.С. Приливы в упруго вращающейся Земле с жидким ядром. В кн.: Земные приливы и внутреннее строение Земли. М., "Наука", 1967, с.3-9.

3. S.Harrison I.C., Cavity and Topographic Effects and Tilt and Strain Measurement .-Journal of Geopfiysycal Research, v.81, Ho 2, January 10, 1976, p.319.

4. Перцев Б.П. 0 влиянии косвенного эффекта на результаты наклоно-мерных наблюдений (доклад). Симпозиум по обмену опытом какло-номерных наблюдений и критическому рассмотрению их физического смысла. г/1., 1969, с. 182-186.

5. Buchheim W., Simon D., Systematic Errors of Earth-Tides Results due to Block Tilts Induced by Atmospheric Prossure.-Paper 1IKGG of the DDR, presented at the XIV General

6. Assembly IUGG, Jhizern, 1 967.

7. Широков И.А., Анохина.К.М. Локальные температурные наклоны земной поверхности'. В кн.: Вращение и приливные деформации Земли. вып.7, Киев, "Наукова думка", 1975, с.32-38.

8. Миронова Л. 14., Охоцимская ¡VLB., Хоромский А.В. Результаты обработки приливных наклонов в ЦСО "Обнинск".-В кн.: Комплексные геофизические наблюдения в Обнинске. Обнинск, 1974, с.89-103.

9. Островский А.Е. Деформации земной коры по наблюдениям наклонов. М., "Наука", 1978.

10. Tomaschek R., Groten Е. Die Residualbewegungen in den Registrierungen der horizontalen Gezeitenkomponenten.- Geofis. pura e appl., 1963, v56, p.1-15.

11. Матвеев И.С. 0 возможности использования результатов наклономер ных наблюдений для исследования особенностей строения земной кс- IOÖ ры. В кн.: Вращение и приливные деформации Земли, вып.1, Киев, "Наукова думка", с.72-86.

12. Молоденский С.М. Приливы в сферически-несимметричной Земле. -В кн.: Изучение земных приливов. М. "Наука", 1980, с.5-21.

13. Островский А.Е., Старков В.14., Старкова Э.Я. Аномалия в амплитудах и фазах приливных наклонов. В кн.: Изучение земных приливов. 1;!., "Наука, 1980, с.182-187.

14. Доброхотов Ю.С. Уровенный наклономер. В кн.: Измерение силы тяжести. М., 1981, с.22-29.

15. Uishimura Е, On some destructive earthquakes observed withthe titlmeter at a great distance, Disaster. Prev. Res. Inst., Kyoto Univ. Bull., Я6, 1953.

16. Hengler L., Astronomische Pendelwaage, nebsteiner neuen ITivellirwaage, erfunden und dargestellt, Dingler's polyt. Journ., 43, 1832, p.81-92.

17. Методическое руководство по приливным наблюдениям с наклономерами. КАПГ, Прага, 1982.

18. Островский А.Е. Наклономер с фотоэлектрической регистрацией.

19. В кн.: Изучение земных приливов. № 2, М., 1961, с.41-75. Iö. Hansen S,, А highly stable geophysical tiltmeter (abstract)

20. EOS Trans. AGU,49, 1968, p.664.

21. Дубовской В.Б. и др. Возможности регистрации микроускоренийна борту космических аппаратов. В кн.: Измерение силы тяжести. LA., 1981, с.84-92.

22. Graf А. Das Vertikalpendel anstelle des Horizontal pendelsfür die Registrierung der Gezeiten und v. kleinsten Neigungen.

23. B.I.M., 34, S, 1963, р.1069-1075.

24. Schneider M., Messung der LotSchwankungen mit Vertikalpendelnin Freiberg/Sa.DGK,R.С.-Diss. Hr.79, München, 1965.

25. Ацюковский В.А. Емкостные преобразователи. М., "Энергия", 1966.

26. Брагинский В.Б., Манукин А.Б. Измерение малых сил в физических экспериментах. М., "Паука", 1974.

27. Брагинский В.Б., Панов В.И., Петников В.Г. Измерение малых механических колебаний с помощью емкостного датчика со сверхпроводящим резонатором. ПТЭ, № I, 1977.

28. Колесников 10.А., Мациевский С.А. Применение емкостных преобразователей перемещений в сейсмометрии. В сб. "Вычислительная сейсмология", вып. II, М., "Наука", 1978, с.142-179.

29. Шитиков Г.Т. Стабильные диапазонные автогенераторы. М.,"Сов. радио", 1965.

30. Гусев Г.А., Манукин А.Б. Емкостный преобразователь квазистатических перемещений. Изв. АН СССР, Физика Земли, I960, F 7, с.91-94.

31. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика Т.7. Теория упругости. М., "Наука", 1965.

32. Fix J.E. Ambient Earth motion in the period range from01 to 2560 sec. Bull.Seismol. Soc. Amer. v.62, U6,p.1753-1760.

33. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика Т.о. Статистическая физика. М., "Наука", 1964.

34. Манукин А.Б., Ребров В.И. Гидростатический наклономер с емкостным преобразователем. В кн.: Физико-техническая гравиметрия. М., "Наука", 1982, с.6.

35. Головина Т.П., Манукин А.Б., Малугин В.А., Попов Е.И. Универсальный емкостный датчик давления. В кн.: Физико-техническая гравиметрия. М., "Наука", 1982, с.15.

36. Казанцева О.С., Конешов В.Н. О возможности выполнения крупномасштабных морских гравиметрических съемок гравиметрами ГГМ-1. В кн.: Гравиинерциальные исследования. М., "Наука", 1983, с.56.

37. Кочетков Б.М., Манукин А.Б., Матюнин В.П., Попов Е.И. Гравиметр для сухопутной и авиадесантной съемок типа ГАД. В кн.: Гравиинерциальные исследования, М., "Наука", 1983, с.43.

38. Гусев Г.А., Манукин А.Б. Специализированная измерительная система для обслу?кивания группы геофизических приборов с частотным выходом. В кн.: Разработка и исследование гравиинерциаль ной аппаратуры. М., "Наука", 1980, с.58-60.

39. Lecolazet R. Sur la reconstitution des observations par interpolation. Conmi.Ohs. Royal de Belgique No 188, Ser. Geop. No 58, Bruxelles," -1961, p.267-272.

40. Lecolazet R. Sur l'estimation des erreurs internes affectant les résultats d'une analyse harmonique mensuelle,1. B.I.M. Nol7, 1959, p.269.

41. Крамер Ы.В. Автоматизация обработки наблюдений за приливными деформациями Земли. В кн.: Изучение земных приливов. М., "Наука", 1980, с.54-64.

42. Перцев Б.П. Определение и А^ полусуточных волн по двухдневным наблюдениям земных приливов. Сб. Изучение земных при ливов, }* 3, 1,1., Изд-во АН СССР, 1963, с.83-87.

43. Матвеев П.С. Гармонический анализ трехсуточной серии наблюдений земных приливов. В сб. Земные приливы, Киев, "Наукова думка", 1966, с.80-93.

44. Arsenault H.H., Marmet P., Comparison of Techniques for Extracting Signais from a Strong Background. Rev. Sci. Instrum. v.48, No 5, 1977, p. 512-516.