кварцевый гравиметр

Формула изобретения

Кварцевый гравиметр, содержащий корпус, заполненный демпфирующей жидкостью, в верхнем основании которого установлено защитное стекло с бипризмой, имеющей отражательные покрытия на верхних гранях, упругую систему крутильного типа с горизонтальным маятником и укрепленном на нем зеркалом, помещенную в демпфирующую жидкость, и фотоэлектрический преобразователь, включающий в себя источник излучения, объектив, содержащий два склеенных компонента, светоделительный блок, щелевую диафрагму, установленную в фокальной плоскости объектива, и фотоэлектрический приемник, установленный в сопряженной фокальной плоскости объектива, отличающийся тем, что склеенные компоненты объектива выполнены из отрицательного и положительного менисков, обращенных выпуклостью к изображению, объектив дополнительно снабжен последовательно установленными за названными менисками положительной линзой и положительным компонентом, склеенным из двояковыпуклой и двояковогнутой линз и установленным под углом не более 4 угловых градусов к оптической оси объектива, светоделительный блок выполнен в виде плоскопараллельной пластинки, фотоэлектрический приемник выполнен в виде ПЗС матрицы, строки которой направлены вдоль оси маятника, а размер щелевой диафрагмы позволяет одновременно охватить множество строк матрицы, на верхней поверхности защитного стекла над зеркалом маятника установлена пара оптических клиньев с возможностью поворота вокруг оси, параллельной оптической оси объектива.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к геофизике, в частности к устройствам для определения ускорения силы тяжести.

Известен кварцевый гравиметр, см. Морской торстабилизированный гравиметр. Сборник статей под редакцией Попова Е.Л., М.: "Наука", 1972, содержащий корпус, заполненный демпфирующей жидкостью, в верхнем основании которого установлено защитное стекло, двойную упругую систему крутильного типа, помещенную в демпфирующую жидкость и включающую два маятника с укрепленными на них развернутыми зеркалами, фотоэлектрический преобразователь с устройством сканирования, выполненным в виде вращающегося полого цилиндрического барабана.

Недостатками известного устройства являются достижение заданной точности в ограниченном измерительном диапазоне и наличие ошибки, связанной с изменением масштаба преобразования угла поворота зеркала маятника во временной интервал.

Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является кварцевый гравиметр по авторскому свидетельству СССР N 953609, МПК G 02 V 07/02, Б.И. N 31, 1982 г., содержащий корпус, заполненный демпфирующей жидкостью, внутри которого установлена двойная упругая система крутильного типа с горизонтальными маятниками, к которым приварены плоские зеркала. В верхней части корпуса расположено защитное стекло, нижняя поверхность которого соприкасается с жидкостью. На нем укреплена бипризма с отражающим покрытием на верхних гранях, образующих совместно с нижней поверхностью защитного стекла два жидкостных клина. Верхние грани биопризмы повернуты в противоположные стороны относительно осей симметрии маятников, так же как и зеркала, и, одновременно относительно осей поворота маятников на величину, соответствующую диапазону измерения. Над корпусом упругой системы расположен фотоэлектрический преобразователь, включающий в себя источник излучения, щелевую диафрагму, автоколлимационную оптическую систему, фотоэлектрический приемник и сканирующее устройство, состоящее из двигателя с укрепленным на его оси полым цилиндрическим барабаном, на боковой поверхности которого имеются две анализирующие щели.

Известный гравиметр имеет инструментальную погрешность не более 0,5 мГал в широком диапазоне измерения, что обеспечивает выполнение морской гравиметрической съемки во всей акватории Мирового океана. Однако, этот гравиметр не обеспечивает необходимой точности измерения в наземных условиях, что является следствием погрешности электромеханического сканирующего устройства.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание кварцевого гравиметра, позволяющего повысить точность измерения с одновременным уменьшением его весогабаритных характеристик.

Указанная задача достигается тем, что в кварцевом гравиметре, содержащем корпус, заполненный демпфирующей жидкостью, в верхнем основании которого установлено защитное стекло с бипризмой, имеющей отражательные покрытия на верхних гранях, упругую систему крутильного типа с горизонтальным маятником и укрепленным на нем зеркалом, помещенную в демпфирующую жидкость, и фотоэлектрический преобразователь, включающий в себя источник излучения, объектив, содержащий два склеенных компонента, светоделительный блок, щелевую диафрагму, установленную в фокальной плоскости объектива, и фотоэлектрический приемник, установленный в сопряженной фокальной плоскости объектива, склеенные компоненты объектива выполнены из отрицательного и положительного менисков, обращенных выпуклостью к изображению, объектив дополнительно снабжен последовательно установленными за названными менисками положительной линзой и положительным компонентом, склеенным из двояковыпуклой и двояковогнутой линз и установленным под углом не более 4 угловых градусов к оптической оси объектива, светоделительный блок выполнен в виде плоскопараллельной пластинки, фотоэлектрический приемник выполнен в виде ПЗС матрицы, строки которой направлены вдоль оси маятника, а размер щелевой диафрагмы позволяет одновременно охватить множество строк матрицы, на верхней поверхности защитного стекла над зеркалом маятника установлена пара оптических клиньев с возможностью поворота вокруг оси, параллельной оптической оси объектива.

Объектив выполнен из отрицательного и положительного склеенных менисков, обращенных выпуклостью к изображению и расположенных за ними положительной линзы и положительного компонента, склеенного из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, который установлен под углом не более 4 угловых градусов к оптической оси объектива, а светоделительный блок выполнен в виде плоскопараллельной пластинки, расположенной под углом 45 градусов к оптической оси объектива, только такое их исполнение позволяет одновременно повысить точность измерения и снизить весогабаритные характеристики, поскольку при этом появляется возможность взаимной компенсации аберраций объектива и наклонной пластинки с одновременным уменьшением фокусного расстояния объектива. Усложненная конструкция объектива позволяет выполнить его с большим угловым и, соответственно, линейным полями, что дает возможность увеличить размер щелевой диафрагмы и одновременно охватить множество строк матрицы ПЗС, в виде которой выполнен фотоэлектрический приемник кварцевого гравиметра. Пара оптических клиньев, установленных на верхней поверхности защитного стекла над зеркалом маятника, установленных с возможностью поворота вокруг оси, параллельной оптической оси объектива. Клинья являются составляющей частью оптической схемы кварцевого гравиметра, их аберрации также скомпенсированы в единой системе объектив - светоделительный блок. Это позволяет проводить юстировку всей системы с помощью клиньев для повышения точности измерений, не внося аберрационных искажений в оптическую систему уменьшенных габаритов кварцевого гравиметра. Угол наклона последнего компонента объектива, не превышающий 4 угловых градусов, является достаточным для коррекции нецентрированных аберраций, возникающих в системе вследствие наличия клиньев и наклоненного светоделительного блока, стоящего после объектива в сходящемся пучке лучей.

Качество изображения, обеспечиваемое объективом при наличии указанного исполнения компонентов, подтверждается графиками остаточных аберраций всей оптической системы кварцевого гравиметра.

Исходя из изложенного, заявленная совокупность признаков позволяет получить необходимую и достаточную совокупность элементов и параметров схемы кварцевого гравиметра, позволяющих повысить точность измерения с одновременным уменьшением его весогабаритных характеристик.

Совокупность всех признаков позволяет решить поставленную задачу, исключение любого из них ведет к невозможности реализации кварцевого гравиметра с повышенной точностью измерения и уменьшенными весогабаритными характеристиками.

Сущность изобретения поясняется чертежами фиг. 1-5, где на фиг. 1 изображен общий вид кварцевого гравиметра в плоскости основного сечения, на фиг. 2 - сечение А-А, на фиг. 3 - вид Б-Б, на фиг. 4 - корпус гравиметра, на фиг. 5 - графики остаточных аберраций, характеризующие качество изображения оптической системы гравиметра.

Кварцевый гравиметр содержит корпус 1, заполненный демпфирующей жидкостью 2. Внутри корпуса установлена упругая система 3 крутильного типа с горизонтальным маятником 4, к которому приварено зеркало 5. В верхней части корпуса установлено защитное стекло 6, на котором укреплена бипризма 7 с отражающим покрытием на верхних гранях, образующих совместно с нижней поверхностью защитного стекла 6 два жидкостных клина. Верхние грани бипризмы 7 развернуты относительно оси поворота маятника так, что нормали к обеим граням бипризмы и к поверхности зеркала маятника параллельны плоскости, перпендикулярной оси поворота маятника. Кроме того, на верхней поверхности защитного стекла установлена пара оптических клиньев 8. Над корпусом упругой системы расположен фотоэлектрический преобразователь, включающий в себя источник получения 9, щелевую диафрагму 10, установленную в фокальной плоскости объектива 11, состоящий из следующих компонентов: отрицательного 12 и положительного 13 менисков, обращенных выпуклостью к изображению, положительной линзы 14, положительного компонента, склеенного из двояковыпуклой 15 и двояковогнутой 16 линз, склеенных между собой и установленных под углом не менее 4 угловых градусов к оптической оси объектива 11, светоделительный элемент 17, приемник излучения 18, роль которого выполняет прибор с зарядовой связью (ПЗС), выполненный в виде матрицы и размещенный в сопряженной фокальной плоскости объектива 11, см. фиг. 1, 2, 4.

Кварцевый гравиметр работает следующим образом: поток световых лучей от источника излучения 9, освещающего щель 10, проходит через объектив 11 и светоделительное устройство 17, отражается от граней бипризмы 7 и зеркала 3 маятника 4, делящих его на три части, снова попадает в объектив 11 и направляется на светочувствительную площадку ПЗС-матрицы 18, в плоскости которой формируются автоколлимационные изображения 19, 20, 21, 22 щели. При этом, строки ПЗС-матрицы направлены вдоль траектории перемещения автоколлимационного изображения 19 щелевой диафрагмы, сформированного пучком, отраженным от зеркала маятника, причем длина щели охватывает множество строк матрицы, см. фиг.1-4.

Расстояние L1 между изображениями 19 и 20 (фиг. 3) пропорционально углу А1 между зеркалом маятника и одной из граней бипризмы (фиг. 4) в соответствии с формулой:

L1 = 2nfxA1,

где n - коэффициент преломления демпфирующей жидкости;

f - фокусное расстояние объектива.

Расстояние L2 между изображениями 21 и 22 (фиг. 3) пропорционально углу A2 между зеркалом маятника и другой гранью бипризмы (фиг. 4):

L2 = 2nfxA2.

Расстояние L между изображениями 20 и 22 (фиг. 3) пропорционально постоянному углу А между гранями бипризмы (фиг. 4).

При изменении силы тяжести на величину бg, угол закручивания кварцевой упругой нити изменяется на величину бА. При этом величины L1 и L2 (фиг. 3) изменяются в противоположные стороны. Поэтому изменение разности

бL=L2-L1,

являющейся мерой изменения силы тяжести, пропорционально удвоенной величине бА.

Посредством электронного сканирования изображений на выходе ПЗС-матрицы возникает видеосигнал, поступающий на персональный компьютер для последующей обработки. Благодаря тому, что длина щели охватывает множество строк матрицы, значение бL вырабатывается как среднее арифметическое из данных, измеренных по каждой из строк. Кроме того, на определенном интервале времени осуществляется фильтрация текущих значений бL. При измерении силы тяжести на неподвижном основании этот временный интервал составляет 2-3 минуты. Если число строк матрицы, охватываемых изображением щелевой диафрагмы, выбрать не менее 100, а частоту кадровой развертки не менее 5 Гц, окончательная оценка силы тяжести вырабатывается по результатам свыше 5000 измерений, т.е. достигается отсчетная точность в 0,001 пикселя.

Наличие бипризмы, грани которой образуют жидкостные клинья с постоянными преломляющими углами, обеспечивает контроль и при необходимости коррекцию масштабного коэффициента фотоэлектрического преобразователя.

Введение в устройство пары оптических клиньев, устанавливаемых на верхней поверхности защитного стекла над зеркалом маятника, позволяет посредством их поворота вокруг оси, параллельной оптической оси объектива, произвести начальную выставку изображения от зеркала маятника вблизи оптической оси. Необходимость этой операции обусловлена сравнительно большим допуском на непараллельность плоскости зеркала относительно оси маятника в процессе приваривания зеркала, что позволяет одновременно с повышением точности измерений дополнительно повысить технологичность кварцевого гравиметра.

Примером конкретной реализации является изготовленный опытный образец кварцевого гравиметра, в фотоэлектрическом преобразователе которого использовалась ПЗС-матрица MTV161, с диагональю светочувствительного элемента - 6 мм, что соответствует размеру щелевой диафрагмы.

Фокусное расстояние объектива 40 мм, его конструктивные параметры представлены в таблице, а графики остаточных аберраций оптической системы кварцевого гравиметра, включающей объектив, как составную часть, представлены на фиг. 5, откуда видно, что диаметр кружка рассеяния от остаточных аберраций всей оптической системы в целом, определяющий качество изображения, не превышает величины в 0,01 мм, что меньше размеров пиксела ПЗС - матрицы и является важным фактором, позволяющим повысить точность измерений кварцевого гравиметра.

Обработка выполнялась на персональном IBM PC совместимом компьютере, с использованием платы Frame Grabber, которая формирует матрицу размерностью 768 x 512 пикселей. Относительная погрешность измерений составила менее 0,00001, что при диапазоне измерений 1 Гал соответствует 0,01 мГал.