Раскрыт гравитационный градиентометр, который имеет датчик в форме брусков (41 и 42), которые установлены на установочном устройстве (5), который имеет первую установочную секцию (10) и вторую установочную секцию (20). Первая гибкая перемычка (33) шарнирно соединяет первую и вторую установочные секции вокруг первой оси. Второй установочный узел имеет первую часть (25), вторую часть (26) и третью часть (27). Части (25 и 26) соединены второй гибкой перемычкой (37), и части (26 и 27) соединены третьей гибкой перемычкой (35). Бруски (41 и 42) установлены в корпусах (45 и 47) и формируют монолитную структуру с корпусами (45 и 47) соответственно. Корпуса (45 и 47) соединены с противоположными сторонами второй установочной секции 20. Бруски (41 и 42) соединены со своими соответствующими корпусами с помощью гибких перемычек (59).

[0001] Гравитационный градиентометр, предназначенный для измерения компонентов тензора гравитационного градиента, содержащий

[0002] Гравитационный градиентометр по п.1, в котором каждое плечо имеет первый плоский участок на поверхности плеча и второй плоский участок на противоположной поверхности плеча, причем плоскости, содержащие вторые плоские участки, пересекают или расположены смежно к гибкой перемычке и описывают тупой прилежащий угол.

[0003] Гравитационный градиентометр по п.2, в котором первая масса дополнительно содержит дугообразную поверхность, находящуюся между первыми плоскими участками плеч.

[0004] Гравитационный градиентометр по п.2 или 3, в котором первый и второй плоские участки плеч простираются поперечно оси вращения первой массы вокруг гибкой перемычки.

[0005] Гравитационный градиентометр по любому из пп.2-4, в котором плоскости, содержащие первые плоские участки плеч, описывают тупой прилежащий угол.

[0006] Гравитационный градиентометр по любому из пп.1-5, дополнительно содержащий преобразователи для детектирования движения первой массы и формирования сигналов.

[0007] Гравитационный градиентометр по п.6, в котором преобразователи расположены смежно к первому и второму плоским участкам.

[0008] Гравитационный градиентометр по любому из пп.1-7, дополнительно содержащий второй корпус, вторую массу, формирующую другую массу из пары масс, расположенную внутри второго корпуса, и вторую гибкую перемычку, предназначенную для соединения второй массы внутри второго корпуса с возможностью движения в ответ на разницу гравитационного поля для формирования сигналов, обозначающих компоненты тензора гравитационного градиента, причем вторая масса имеет ненулевой квадрупольный момент с центром масс, расположенным на гибкой перемычке, и при этом вторая масса имеет форму шеврона с первым и вторым плечами, исходящими из центра масс, и при этом первая масса и вторая масса размещены поперечно относительно друг друга.

[0009] Гравитационный градиентометр по п.8, в котором первая масса и вторая масса расположены ортогонально относительно друг друга.

[0010] Гравитационный градиентометр по п.8 или 9, дополнительно содержащий преобразователи, предназначенные для детектирования движения второй массы и формирования сигналов.

[0011] Гравитационный градиентометр по любому из пп.1-10, в котором первая масса и вторая масса содержат бруски, расположенные ортогонально относительно друг друга.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к гравитационному градиентометру и, в частности, но не исключительно, к гравитационному градиентометру, предназначенному для использования на воздушных судах. В частности, изобретение можно применять для измерения диагонального и внедиагонального компонентов тензора гравитационного градиента.

Уровень техники

Гравиметры широко используются в геологической разведке для измерения первых производных гравитационного поля земли. Хотя некоторый прогресс был достигнут при разработке гравиметров, которые могут измерять первые производные гравитационного поля земли, из-за трудностей с характеризацией пространственных вариаций этого поля, из-за временных флуктуаций ускорения движущегося транспортного средства такие измерения обычно могут выполняться с достаточной точностью для применения в геологической разведке только при использовании установленных на земле стационарных инструментов.

Гравитационные градиентометры (в отличие от гравиметров) используются для измерения второй производной гравитационного поля, и в них применяется сенсор, который требуется для измерения разности между гравитационными силами вплоть до одной 10 ¹² -й нормальной гравитации.

Обычно такие устройства используются при попытке определения залежей полезных ископаемых, таких как месторождения руды, включая железную руду, и геологических структур, несущих углеводороды.

В международной публикации WO 90/07131, которая частично принадлежит компании, ассоциированной авторами настоящей заявки, раскрывается гравитационный градиентометр.

Градиентометр включает в себя компоновку из карданного подвеса, содержащую три концентрических кольца, в которых установлено чувствительное оборудование. Чувствительное оборудование обычно содержит два расположенных на некотором расстоянии друг от друга бруска, соответственно, установленных в экранированных корпусах, и каждый из которых установлен на держателе в виде перемычки. Инструмент, раскрытый в этой заявке, является относительно сложным, поскольку включает в себя большое количество деталей, и относительно тяжелым, что является недостатком, в частности, при применении на борту летательных аппаратов.

Сущность изобретения

В соответствии с изобретением предусматривается гравитационный градиентометр, предназначенный для измерения компонентов тензора градиента гравитации, содержащий

корпус;

массу, предназначенную для формирования одной части пары масс, и

четвертую гибкую перемычку, предназначенную для шарнирного соединения массы в корпусе с возможностью движения в ответ на разницу гравитационного поля так, чтобы можно было формировать сигналы, обозначающие компоненты тензора гравитационного градиента; и

в котором корпус, масса и гибкая перемычка представляют собой единую монолитную структуру.

Благодаря изготовлению такого корпуса, который включает в себя массу единой монолитной структуры, количество компонентов, требуемых для изготовления градиентометра, может быть сведено к минимуму, что, таким образом, позволяет уменьшить вес и сложность инструмента.

Предпочтительно градиентометр содержит второй корпус, вторую массу, формирующую другую пару масс, и пятую гибкую перемычку, предназначенную для соединения второй массы во втором корпусе с возможностью движения в ответ на разницу гравитационного поля так, чтобы можно было формировать сигналы, обозначающие компоненты тензора гравитационного градиента, и в котором второй корпус, второй диполь массы и пятая гибкая перемычка представляют собой единую монолитную структуру, и в котором первая масса и вторая масса размещены поперечно относительно друг друга.

Наиболее предпочтительно первая масса и вторая масса расположены ортогонально относительно друг друга.

Предпочтительно градиентометр дополнительно содержит преобразователи, предназначенные для детектирования движения масс и формирования сигналов.

Предпочтительно массы содержат бруски, расположенные размещенными ортогонально относительно друг друга.

Краткое описание чертежей

Предпочтительные варианты выполнения изобретения будут описаны в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых

на фиг. 1 схематично представлен градиентометр в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения.

на фиг. 2 показан вид в перспективе первого установочного узла, формирующего часть компоновки градиентометра в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения;

на фиг. 3 показан второй установочный узел компоновки;

на фиг. 4 показан вид снизу установочного узла по фиг. 3;

на фиг. 5 показан вид в разрезе вдоль линии IV-IV, обозначенной на фиг. 3;

на фиг. 6 показан вид в разрезе вдоль линии V-V, обозначенной на фиг. 3;

на фиг. 7 показан вид собранной структуры;

на фиг. 8 показан вид, представляющий датчик, установленный на структуре карданного подвеса;

на фиг. 9 показан вид в плане бруска в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения;

на фиг. 10 показана схема, представляющая управление исполнительным механизмом;

на фиг. 11 показана блок-схема, представляющая работу системы вращающегося держателя;

на фиг. 12 показан вид градиентометра в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения;

на фиг. 13 показан вид первого установочного узла в соответствии со вторым вариантом выполнения;

на фиг. 14 показан вид части установочного узла по фиг. 13, который иллюстрирует расположение и протяженность гибкой перемычки первого установочного узла;

на фиг. 15 показан вид снизу установочного узла по фиг. 13;

на фиг. 16 показан вид установочного узла по фиг. 13, включающий второй установочный узел в соответствии со вторым вариантом выполнения;

на фиг. 17 показан вид в разрезе узла, показанного на фиг. 16;

на фиг. 18 показан вид снизу в разрезе фиг. 17;

на фиг. 19 показан вид снизу второго установочного узла в соответствии со вторым вариантом выполнения;

на фиг. 20 показан вид сверху второго установочного узла по фиг. 19;

на фиг. 21 показан вид с покомпонентным представлением деталей второго установочного узла в соответствии со вторым вариантом выполнения;

на фиг. 22 показан вид собранного установочного узла и датчиков в соответствии со вторым вариантом выполнения;

на фиг. 23 показан вид в перспективе градиентометра с удаленной частью вакуумного контейнера;

на фиг. 24 показан вид в плане корпуса для установки бруска в соответствии с дополнительным вариантом выполнения изобретения;

на фиг. 25 более подробно показан вид части корпуса по фиг. 24;

на фиг. 26 показан вид преобразователя, используемого в предпочтительном варианте выполнения;

на фиг. 27 показан вид, аналогичный фиг. 25, но представляющий преобразователь по фиг. 26, установленный на место;

на фиг. 28 показана схема, поясняющая цепи, показанные на фиг. 29 и 30;

на фиг. 29 показана принципиальная схема, относящаяся к предпочтительному варианту выполнения изобретения, в частности, представляющая использование одного из датчиков в качестве углового акселерометра;

на фиг. 30 показана цепь настройки частоты;

на фиг. 31 показан вид в разрезе исполнительного устройства в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения;

на фиг. 32 показан вид части исполнительного устройства по фиг. 31;

на фиг. 33 показана схема, иллюстрирующая балансировку датчиков градиентометра в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения; и

на фиг. 34 показана принципиальная схема датчика калибровки, используемого при балансировке градиентометра.

Подробное описание изобретения

На фиг. 1 схематично показан вид гравитационного градиентометра в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения изобретения.

Градиентометр, показанный на фиг. 1, содержит сосуд 1 Дьюара с двойными стенками, который установлен на внешней платформе 2. Внешняя платформа 2 выполнена с возможностью регулировки сосуда Дьюара и, таким образом, содержания сосуда Дьюара вокруг трех ортогональных осей. Внешняя платформа 2 представляет собой общеизвестный элемент, и ее регулировка с помощью соответствующих двигателей или тому подобное также известна. Таким образом, подробное ее описание здесь не будет приведено.

Внутри сосуда Дьюара предусмотрен вакуумный контейнер 3 и в сосуд Дьюара помещен жидкий газ, такой как жидкий гелий Не, что обеспечивает возможность работы градиентометра при криогенной температуре. Сосуд 1 Дьюара закрыт торцевой пластиной 4, которая включает в себя соединители 5а, предназначенные для соединения электрических выводов (не показаны) с внешними компонентами (не показаны).

Контейнер 3 закрыт торцевой пластиной 9, которая включает в себя соединители 5b, предназначенные для соединения электрических выводов (не показаны) с соединителями 5а. Градиентометр имеет основной корпус 61, сформированный из двенадцатигранных колец 62 и полусферических куполов 63 (см. фиг. 12). Внутреннее установочное устройство 5 соединено с кольцом 62. На кольце 62 установлен держатель 65, к которому подведено питание через фланец 9. Укупорка 11 горлышка, сформированная из перегородок 11а, между которыми размещена пена 11b, расположена над контейнером 3. Перегородки 11а установлены на полом стержне 93, который продолжается внутрь контейнера 3 и который также используется для откачки воздуха из контейнера 3.

На фиг. 2 показан первый установочный узел 10 вращающегося установочного устройства 5 (фиг. 7) градиентометра, который содержит основание 12 и вертикальную периферийную стенку 14. Периферийная стенка 14 выполнена с множеством вырезов 16. На основании 12 установлена втулка 18.

На фиг. 3 и 4 показан второй установочный узел 20, который содержит периферийную стенку 22 и верхнюю стенку 24. Периферийная стенка 22 выполнена с четырьмя выступами 13, предназначенными для соединения установочного узла с кожухом 61. Верхняя стенка 24 и периферийная стенка 22 образуют отверстие 28. Периферийная стенка 22 имеет первую часть 25, вторую часть 26 и третью часть 27. Второй установочный узел 20 имеет монолитную цельную структуру, и первая часть 25 сформирована путем формирования разреза 19 вдоль окружности через периферийную стенку, за исключением гибких перемычек, как будет описано ниже. Третья часть 27 сформирована путем формирования второго разреза 29 вдоль окружности через периферийную стенку 22, за исключением гибких перемычек, которые также будут описаны ниже. Второй установочный узел 20 установлен на первом установочном узле 10 путем установки втулки 18 в отверстие 28 и выступов 13 через соответствующие вырезы 16, как показано на фиг. 7.

Первый установочный узел 10 соединен со вторым установочным узлом 20. Первая гибкая перемычка 31 сформирована в первом установочном узле 10 так, что первичный установочный участок установочного узла 10 может поворачиваться вокруг перемычки 31 относительно вторичного установочного участка установочного узла 10. Это будет более подробно описано со ссылкой на второй вариант выполнения, показанный на фиг. 13-21.

Выступы 13 соединяют установочное устройство 5 в контейнере 3, который, в свою очередь, установлен в сосуде 1 Дьюара для криогенной работы градиентометра.

Сосуд Дьюара, в свою очередь, установлен на первой внешней платформе для управления поворотом по курсу градиентометра вокруг трех ортогональных осей х, у, х. На установочном устройстве 5 установлен датчик 40 (который будет более подробно описан ниже и который предпочтительно выполнен в форме массивного четырехугольника) для более точной регулировки вращения вокруг осей х, у и z для стабилизации градиентометра во время выполнения измерений, в частности когда градиентометр установлен на борту летательного аппарата.

Первая гибкая перемычка 31 обеспечивает возможность движения первого установочного узла 10 относительно второго установочного узла 20 вокруг оси z, как показано на фиг. 7.

На фиг. 5 и 6 показаны виды вдоль линий IV и V соответственно, которые, в свою очередь, проведены вдоль разрезов 19 и 29, представленных на фиг. 3. Периферийная стенка 22 может быть разрезана с использованием любого соответствующего режущего инструмента, такого как проволочная пила или тому подобное. На фиг. 5 показана нижняя поверхность 19а, сформированная по разрезу 27. Как можно видеть на фиг. 3 и 5, разрез 27 имеет два перевернутых V-образных пика 34. Вершина пиков 34 не прорезана и поэтому формирует вторую гибкую перемычку 33, которая соединяет первую часть 25 со второй частью 26. Таким образом, вторая часть 26 выполнена с возможностью шарнирного поворота относительно первой части 25 вокруг оси х, как показано на фиг. 7. Второй разрез 29 показан на фиг. 6, и снова здесь представлена нижняя поверхность 29а, сформированная по лини разреза 29. И снова второй разрез 29 формирует два V-образных пика 35, и вершины пиков 35 не прорезаны, и поэтому формируют третью гибкую перемычку 37, которая соединяет вторую часть 26 с третьей частью 27. Таким образом, третья часть 27 выполнена с возможностью шарнирного поворота вокруг оси у, показанной на фиг. 7.

На фиг. 8 показан датчик 40, установленный на установочном узле. Датчик 40 представляет собой датчик типа ортогонального квадрупольного ответчика OQR (ОКО), сформированного из первой массы и второй массы в форме первого бруска 41 и второго бруска 42 (не показаны на фиг. 8), который установлен ортогонально бруску 41, который имеет такую же форму, что и брусок 41.

Брусок 41 сформирован в первом корпусе 45, и брусок 42 сформирован во втором корпусе 47. Брусок 41 и корпус 45 выполнены такими же, как и брусок 42 и корпус 47, за исключением того, что один из них повернут на 90 ° относительно другого так, что бруски установлены ортогонально. Таким образом, будет описан только корпус 45.

Корпус 45 имеет торцевую стенку 51 и периферийную боковую стенку 52а. Торцевая стенка 51 соединена с кромкой 75 (фиг. 2 и 7) стенки 14 первого установочного узла 10 с помощью винтов или тому подобного (не показаны). Брусок 41 сформирован в результате выреза 57 в стенке 51, за исключением четвертой гибкой перемычки 59, которая соединяет брусок 41 со стенкой 51. Гибкая перемычка показана в виде сверху с увеличением бруска 41 на фиг. 9. Таким образом, брусок 41 выполнен с возможностью поворота относительно корпуса 45 в соответствии с изменениями гравитационного поля. Брусок 42 установлен таким же образом, как описано выше, и также может поворачиваться относительно своего корпуса 47 вокруг пятой гибкой перемычки 59 в соответствии с изменениями гравитационного поля. Корпус 4 7 соединен с основанием 12 (фиг. 2) первого установочного узла 10.

Брусок 41 и корпус 45 вместе с гибкой перемычкой 59 составляют интегральную монолитную структуру.

Преобразователи 71 (не показаны на фиг. 2-6) предусмотрены для измерения движения брусков и для формирования выходных сигналов, обозначающих величину движения, и, следовательно, измеряют разность гравитационного поля, которую воспринимают бруски.

На фиг. 10 показана блок-схема, представляющая управление исполнительным механизмом для стабилизации градиентометра, при повороте установочного устройства 5 вокруг трех ортогональных осей (х, у, z). Контроллер 50, который может представлять собой компьютер, микропроцессор или тому подобное, выводит сигналы в исполнительные устройства 52, 53, 54 и 55. Исполнительное устройство 52 может поворачивать установочное устройство 5 вокруг оси х, исполнительное устройство 54 может поворачивать установочное устройство 5 вокруг оси у и исполнительное устройство 54 может поворачивать установочное устройство 5 вокруг оси z. Однако в предпочтительном варианте выполнения два из этих четырех исполнительных устройств 52, 53, 54 и 55 используются для поворота установочных узлов вокруг каждой из осей так, что поворот вокруг каждой из осей обеспечивается с помощью комбинации двух линейных движений, обеспечиваемых двумя исполнительными устройствами. Линейное движение, создаваемое каждым из исполнительных устройств, будет описано со ссылкой на фиг. 31 и 32. Положение установочного устройства 5 отслеживается так, что соответствующая обратная связь может быть предусмотрена для контроллера 50, и соответствующие сигналы управления подают в исполнительное устройство для поворота установочного узла 10 в соответствии с требованиями стабилизации установочного узла во время движения через воздух внутри самолета или на буксире позади самолета.

Предпочтительный вариант выполнения также включает в себя угловые акселерометры, которые имеют форму, аналогичную брускам 41 и 42, но их форма отрегулирована так, чтобы был получен нулевой квадрупольный момент. Линейные акселерометры представляют собой простые подвесные устройства с одиночным микрошарниром, который действует как гибкая петля.

На фиг. 11 показан вид схемы управления с обратной связью, используемой в предпочтительном варианте выполнения.

На фиг. 12 показан вид с вырезом градиентометра, готового для установки в сосуд Дьюара 1 для работы в криогенных условиях, который, в свою очередь, установлен на внешней платформе. Хотя на фиг. 2-8 показан градиентометр с брусками 41 и 42, установленными сверху и снизу, инструмент фактически повернут набок (на 90 °) так, что бруски 41 и 42 располагаются по торцам, как показано на фиг. 12.

На фиг. 12 представлено установочное устройство 5, установленное внутри кожуха 61, сформированного кольцом 62 и прозрачными полусферическими торцами 63. Кольцо 22 имеет соединитель 69, предназначенный для соединения внутренних проводов разводки от преобразователей 71 (см. фиг. 8) и электронных компонентов SQuID (СКИУ, сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство), установленных в кожухе 61 с соединителями 5b (фиг. 1).

Преобразователи 71 измеряют угол смещения брусков 41 и 42, и схема управления (не показана) выполнена с возможностью измерения разности между ними.

Коррекция ошибки может выполняться в цифровом виде на основе преобразованных в цифровую форму сигналов от акселерометров и датчика температуры.

Преобразователи 71 представляют собой преобразователи на основе СКИУ, и коррекция ошибки становится возможной благодаря большому динамическому диапазону и линейности преобразователей на основе СКИУ.

На фиг. 13-21 показан второй вариант выполнения, в котором аналогичные части обозначают те же компоненты, которые были описаны выше.

В данном варианте выполнения первый установочный узел 10 выполнен с вырезами 80, которые фактически формируют пазы для установки выступов (не показаны), которые соединены с установочным узлом 10 внутри вырезов 80 и также со вторым установочным узлом 20, показанным на фиг. 19-21. В этом варианте выполнения выступы выполнены как отдельные компоненты так, что они могут быть сделаны меньшими по размеру и более просто, которые затем отрезают от второй установочной секции 20, которая формирует вторую гибкую перемычку 33 и третью гибкую перемычку 37.

На фиг. 13 разрез 87 выполнен так, что он образует часть 18а втулки 18. Разрез 87 затем продолжается радиально внутрь в позиции 88 и затем вокруг центральной секции 18с, как показано по разрезу 101. Разрез 101 затем входит в центральную секцию 18с вдоль линий 18d и 18е разреза, образуя сердцевину 18f. Сердцевина 18f соединена с центральной секцией 18с с помощью гибкой перемычки 31, которая представляет собой не прорезанную часть между линиями 18е и 18d разреза. Часть 10а таким образом формирует первичный установочный участок установочного узла 10, который отделен от вторичного установочного участка 10а установочного узла 10, за исключением места, в котором участок 18а соединяется с участком 10а гибкой перемычкой 31. Часть 18а эффективно формирует ось, которая обеспечивает возможность вращения части 18а относительно части 10а в направлении z вокруг гибкой перемычки 31.

Как показано на фиг. 14, линия 88 разреза расширяется наружу от верхнего торца, показанного на фиг. 14, до нижнего торца, и сердечник 18с расширяется наружу с соответствующей формой, как лучше всего показано на фиг. 17.

Как можно видеть на фиг. 13-18, первый установочный узел 10 выполнен восьмиугольным по форме, а не круглым, как в предыдущем варианте выполнения.

На фиг. 19-21 показан второй установочный узел 20. На фиг. 16 показан второй установочный узел 20, установленный внутри первого установочного узла 10. Как лучше всего показано на фиг. 19 и 20, второй установочный узел 20 выполнен с вырезами 120, которые совмещаются с вырезами 80 для установки в них выступов (не показаны). Выступы могут быть привинчены болтами ко второму установочному узлу 20, которые пропущены через выступы и в отверстия 121 для болтов. Выступы (не показаны) устанавливают на установочном узле 20 прежде, чем установочный узел 20 будет закреплен на первом установочном узле 10.

В варианте выполнения, показанном на фиг. 19 и 20, пики 34 и перевернутые пики 35 выполнены скорее сглаженными, чем V-образными, как в предыдущем варианте выполнения.

В данном варианте выполнения на верхней стенке 24 предусмотрены центральное отверстие 137 и два соединительных отверстия 138а. Три меньших отверстия 139а предусмотрены для облегчения выталкивания корпуса 45 из части 18а, в случае, если требуется разборка. Когда второй установочный узел 20 расположен внутри первого установочного узла 10, верхняя часть центральной секции 18с выступает через отверстие 137, как лучше всего показано на фиг. 16. Установочный узел 20 может быть затем соединен с установочным узлом 10 с помощью креплений, которые проходят через отверстия 138 и соединяются в отверстиях 139b (см. фиг. 13) в части 18а.

Таким образом, когда первый корпус 45 и ассоциированный с ним брусок 41 соединены с кромкой 75 корпуса 10 и второй корпус 47 соединен с основанием 12, корпуса 45 и 47 и ассоциированные с ними бруски 41 и 42 таким образом могут двигаться вокруг трех ортогональных осей, определенных гибкой перемычкой 31, гибкой перемычкой 33 и гибкой перемычкой 37.

Как лучше всего видно на фиг. 21, на которой представлен вид с покомпонентным изображением деталей трех частей 25, 26 и 27, которые составляют второй установочный узел 20, отверстие продолжается через установочный узел 20, который сформирован с отверстием 137, отверстием 138 и отверстием 139. Следует понимать, что установочный узел 20, показанный на фиг. 21, имеет монолитную структуру и показан с покомпонентным представлением деталей только для того, чтобы ясно иллюстрировать расположение гибких перемычек 33 и 35.

Очевидно, что гибкая перемычка 33, показанная на фиг. 21, соединяется с частью 26, и гибкая перемычка 35, показанная на фиг. 21, соединяется с частью 27. Отверстия 137, 138 и 139 образуют проход, через который может продолжаться ось первого участка 18а первого установочного узла 10, когда второй установочный узел 20 установлен внутри первого установочного узла 10.

Таким образом, когда второй установочный узел 20 закреплен на части 18а, второй установочный узел 20 может поворачиваться вместе с первой частью 10а первого установочного узла 10 вокруг оси z, определенной гибкой перемычкой 31, в то время как второй участок, сформированный частью 18а, остается неподвижным. Движение вокруг осей х и у обеспечивается благодаря поворотному движению второго установочного узла 20 вокруг гибких перемычек 33 и 35, как описано выше.

На фиг. 22 показаны линейный и кольцевой акселерометры 90, закрепленные на корпусах 45 и 47.

Гравитационный градиент прикладывает крутящий момент к жесткому телу и с любым распределением массы, при условии, что он имеет ненулевой квадрупольный момент. Для плоского тела, установленного в плоскости х-у с возможностью поворота вокруг оси z, квадруполь представляет собой разность между моментами инерции в направлениях х и у. Таким образом, квадрат или круг имеет нулевой квадрупольный момент, в то время как прямоугольник имеет ненулевое значение.

Образующийся крутящий момент представляет собой то, что составляет сигнал, измеряемый градиентометром.

Существуют два динамических возмущения, которые также могут формировать крутящие моменты и, следовательно, представляют собой источники ошибки.

Первый представляет собой линейное ускорение.

Он образует крутящий момент, если центр инерции не точно расположен в центре вращения, то есть брусок является "несбалансированным". Бруски 41 и 42 сбалансированы, насколько это возможно, (используя установочные винты для регулировки положения центра массы), но этого не достаточно, поэтому остается остаточная ошибка. Эта ошибка может быть скорректирована путем измерения линейного ускорения с использованием его для цифрового вычитания части ошибки сигнала.

Второй представляет собой угловое движение.

Существуют два аспекта углового движения, каждый из которых образует разную ошибку.

Первый аспект представляет собой угловое ускорение.

Угловое ускорение образует крутящий момент в распределенной массе через ее момент инерции (даже если квадрупольный момент равен нулю). Он составляет чрезвычайно большую ошибку, и для противодействия ему используются две предпочтительные методики.

Первая состоит в использовании внутренней стабилизации вращения. Она представлена в блок-схеме, показанной на фиг. 10. Здесь Ho(s) представляет узел датчика, вращающийся вокруг установочного устройства 5 (как на фиг. 9). Блок A(s) представляет собой исполнительное устройство, которое обеспечивает обратный крутящий момент для обеспечения стабилизации в результате компенсации прикладываемых возмущений. T(s) представляет датчик (или преобразователь), который измеряет эффект приложенного возмущения. Он представляет собой угловой акселерометр. Использование угловых акселерометров для управления вращением является необычным - обычно используют гиродатчики и/или сильно демпфированные измерители наклона, но в данном случае угловые акселерометры работают лучше, поскольку ошибка пропорциональна возмущению углового ускорения.

Во-вторых, используют подавление синфазной помехи CMRR (КПСП, коэффициент подавления синфазной помехи), по этой причине требуется использовать два ортогональных бруска. Для двух брусков крутящий момент ошибки, образующейся при угловом ускорении, направлен в одном направлении, но сигнальный крутящий момент, образующийся под действием гравитационного градиента, направлен в противоположном направлении.

Поэтому путем измерения разности отклонения между двумя брусками обеспечивается измерение градиента, а не углового ускорения.

Таким образом, предусмотрены два отдельных угловых акселерометра 90 (обозначены 90  на фиг. 22 для простоты идентификации). От двух пар OKO брусков 41 и 42 получают два независимых выходных сигнала. Первый пропорционален разности отклонения, на основе которого получают сигнал градиента, и второй пропорционален сумме их отклонений, которая пропорциональна угловому ускорению, и образует датчик для управления вращением вокруг оси z.

Для осей х и у требуются отдельные угловые акселерометры. Стабилизация вращения вокруг этих осей требуется, поскольку оси поворота двух брусков не являются точно параллельными и также позволяют противодействовать второй форме ошибке, образующейся в результате углового возмущения, описанного ниже.

Второй аспект составляет угловая скорость.

Угловая скорость образует центробежные силы, которые также представляют источник ошибки. Внутренняя стабилизация вращения, обеспечиваемая исполнительными устройствами, уменьшает угловое движение так, что ошибка становится меньше 1 Этвеш.

На фиг. 23 показан основной корпус 61 и соединитель 69 с удаленными полусферическими торцами.

На фиг. 24 показан вид в плане корпуса 45 в соответствии с еще одним дополнительным вариантом выполнения изобретения. Как можно видеть на фиг. 24, корпус 45 выполнен скорее круглым, чем не восьмиугольным, как в случае варианта выполнения по фиг. 8.

В корпусе 45 установлен брусок 41 так же, как описано выше, через гибкую перемычку 59, которая расположена в центре инерции бруска 41. Брусок 41 имеет форму шеврона, хотя в данном случае форма шеврона несколько отличается от формы, используемой в более ранних вариантах выполнения, и имеет более закругленную кромку 41e, расположенную напротив гибкой перемычки 59, и сформованную насквозь секцию 41f, 41g и 41h стенки рядом с гибкой перемычкой 59. На торцах бруска 41 выполнены резьбовые отверстия 300 для винтов, в которые установлены винтовые резьбовые элементы 301, которые могут быть выполнены в форме пробок, такие как регулировочные винты или тому подобное. Отверстия 300 совмещены с отверстиями 302 на периферийной стенке 52а корпуса 45. Отверстия 302 обеспечивают доступ к пробкам 301 при использовании отвертки или другого инструмента, что позволяет завинчивать и вывинчивать пробки 301 в отверстии 300 для регулировки их положения в отверстии, для балансировки массы 41 так, чтобы центр тяжести находился на гибкой перемычке 59.

Как показано на фиг. 24, отверстия 300 расположены под углом 45 ° к горизонтали и вертикали. Таким образом, два отверстия 302, показанные на фиг. 24, расположены под прямыми углами относительно друг друга.

На фиг. 24 также показаны отверстия 305, предназначенные для установки в них преобразователя 71, который требуется для отслеживания движения бруска 41 и формирования сигналов, которые передают в СКИУ. Обычно преобразователь выполнен в форме катушки и, когда брусок 41 немного перемещается под действием разности сил тяжести на концах бруска, возникает изменение емкости, которое изменяет ток, протекающий через катушку, в результате чего формируется сигнал, обозначающий движения бруска 41.

На фиг. 25 показан более подробный вид части корпуса по фиг. 24, представляющий отверстия 305. Как можно видеть на фиг. 25, отверстия 305 выполнены с буртиками 401, которые формируют канавки 402. Пружина 403 установлена рядом с поверхностью 406.

На фиг. 26 показан преобразователь 71. Преобразователь 71 сформирован из, в общем, прямоугольной пластины 410 из макора (механически обрабатываемая стеклокерамика), в которой выполнено круглое утолщение 407. Обмотка 408 намотана вокруг утолщения 407 и может удерживаться на месте с помощью полимерного материала или тому подобного. Обмотка 408 может представлять собой многослойную или однослойную обмотку.

На фиг. 27 показано расположение пластины 410 в отверстии 305, в котором пластина устанавливается в канавки 402 и прижимается с помощью пружины 403 к буртикам 401 так, что пластина 410 удерживается на месте, и обмотка 408 располагается рядом со стороной поверхности 41а кромки бруска 41.

Таким образом, обмотка 408 и брусок 41 формируют LC цепь, в результате чего при движении бруска 41 ток, протекающий через обмотку 408, изменяется.

Как можно видеть на фиг. 24, четыре преобразователя 71 расположены рядом с торцами бруска 41. В другом корпусе 47 также установлены четыре преобразователя, расположенные рядом с бруском 42. Таким образом, в градиентометре предусмотрены восемь преобразователей 71.

На фиг. 28 показана схема брусков 41 и 42, представляющая их в конфигурации "во время использования". Преобразователи, которые расположены в отверстиях 305, обозначены ссылочными позициями 71а-71e так же, как и на схемах, показанных на фиг. 29 и 30.

Как показано на фиг. 29 и 30, преобразователи 71а и 71b, ассоциированные с бруском 41, и преобразователи 71g и 71e, ассоциированные с бруском 42, используются для обеспечения измерения гравитационного градиента.

На выходные выводы 361 подают входной ток в сверхпроводящие схемы, показанные на фиг. 29. Тепловые переключатели, которые могут быть выполнены в форме резисторов 362, предусмотрены и используются для исходной установки сверхпроводящего тока в цепи. Тепловые переключатели 362 первоначально включаются в течение очень короткого периода времени для нагрева тех частей цепи, в которых расположены резисторы 362, для вывода этих частей цепи из сверхпроводящего состояния. Ток затем может быть пропущен по сверхпроводящей цепи, и когда тепловые переключатели, сформированные резисторами 362, выключают, соответствующие части цепи снова становятся сверхпроводящими, в результате чего ток может циркулировать через цепи, и при этом на них влияет любое изменение, связанное с движением брусков 41 и 42 под действием градиента гравитации и углового ускорения, как будет описано ниже.

Преобразователи 71а, 71b, 71g и 71е соединены параллельно с линией 365 цепи и линией 366 цепи, которые соединены со СКИУ 367.

Таким образом, когда бруски 41 и 42 вращаются вокруг своих соответствующих гибких перемычек, бруски 41 и 42, например, приближаются ближе к преобразователю 71а и поэтому удаляются дальше от преобразователя 71b и ближе к преобразователю 71h и также дальше от преобразователя 71g соответственно. В результате изменяется ток, протекающий через преобразователи, и эти токи эффективно вычитают друг из друга для получения сигналов, обеспечивающих измерение градиента гравитации.

Как показано на фиг. 31, преобразователи 71с и 71d формируют отдельную цепь, и их используют для настройки частоты бруска 41 и преобразователей 71а и 71b. Аналогично, преобразователи 71е и 71f используют для настройки частоты бруска 42 и преобразователей 71g и 71h. Настройка частоты брусков является важной, поскольку бруски должны быть идентичны, с тем, чтобы компенсировать угловые ускорения. Схемы настройки частоты поэтому обеспечивают возможность электронной настройки брусков для согласования их резонансных частот и для достижения режима режекции так, чтобы каждый из брусков функционировал идентично.

Преобразователи 71а, 71b, 71g и 71h также используются для формирования угловых акселерометров для измерения углового отклонения установочного устройства 5, в результате чего могут быть получены сигналы обратной связи для компенсации углового отклонения.

С этой целью линия 366 соединена с преобразователем 370. Полярность сигналов от преобразователей 71а, и 71b, и 71g, и 71h реверсируют, в результате чего выходной сигнал преобразователя 370 в линиях 371 и 372 представляет собой сумму сигналов, а не их разность, как в случае, когда измеряют градиент, в результате чего сумма сигналов обеспечивает меру углового движения брусков. Выходы 371 и 372 соединены с устройством 375 СКИУ, которое обеспечивает меру углового ускорения, которое можно использовать в цепи по фиг. 10, для получения сигналов компенсации для стабилизации установочного устройства 5.

Таким образом, в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения изобретения, угловые акселерометры 90' обеспечивают измерение углового ускорения, например, вокруг осей х и у, и угловые акселерометры, сформированные брусками 41 и 42 и преобразователями 71а, 71b, 71g и 71h, обеспечивают измерение углового ускорения вокруг, например, оси z.

На фиг. 31 и 32 показано исполнительное устройство, предназначенное для приема сигналов управления, для регулирования установочного устройства в соответствии с угловым движением установочного устройства 5.

Исполнительное устройство, показанное на фиг. 31 и 32, схематично представлено на фиг. 10 и обозначено ссылочными позициями 52, 53, 54 и 55. Все исполнительные устройства выполнены одинаково, и фиг. 31 и 32 будут описаны со ссылкой на исполнительное устройство 52, которое обеспечивает регулировку вокруг оси х, показанной на фиг. 10.

Исполнительное устройство 52, показанное на фиг. 31, имеет корпус 310 в виде полого диска, который имеет установочную скобу 311, предназначенную для соединения корпуса 310 в форме диска с установочным устройством 5. Корпус 310 в виде полого диска, таким образом, образует внутреннюю камеру 312, в которой установлена пластина установки катушки в форме диска 313. Диск 313 имеет широкую секцию 314 ступицы и две кольцевые поверхности 315 и 316, на которых вокруг ступицы 314 намотаны обмотки W1 и W2.

В диске 313 также предусмотрены радиальное отверстие 319 и отверстие 320 во внешней кромке диска 313, которое соединено с отверстием 319. Отверстие 321 предусмотрено на ступице 314 и соединено с отверстием 319, и продолжается до полого стержня 328, который расположен в трубке 330. Стержень 330 закреплен на диске 313, а также на раме 340 держателя, которая закреплена на основном корпусе 61 (не показан на фиг. 31).

Трубка 330 соединена с корпусом 310 диска для движения с корпусом 310 диска относительно диска 313, стержня 328 и рамы 340.

Обмотка W1, предусмотренная на стороне 315, имеет вывод 331, который пропущен через отверстие 320 и затем через отверстие 319 в отверстие 321, и затем через трубку 328 вправо, как показано на фиг. 31. Вывод 332 другого конца обмотки W1 прощен через отверстие 321 и через полый стержень 328 также вправо, так что ток можно подавать в обмотку W1 через выводы 331 и 332.

Вторая обмотка W2, установленная на стороне 316, имеет вывод 333, который пропущен через радиальное отверстие 334 и отверстие 345 в диске 313 и затем через отверстие 337 в трубку 328 и влево на фиг. 31. Другой конец обмотки W2 имеет вывод 338, который пропущен через отверстие 337 в трубку 328 и влево по фиг. 31. Таким образом, ток может протекать через обмотку W2 по выводам 333 и 338.

Когда к обмоткам W1 и W2 подключают питание или ток, протекающий через обмотки, изменяется, корпус 310 диска движется относительно диска 313 и рамы 340 и, поскольку корпус 310 диска соединен с установочным устройством 5 с помощью скобы 311, в случае исполнительного устройства 52 обеспечивается регулировка установочного устройства 5. Движение корпуса 310 диска обычно представляет собой продольное движение (то есть линейное движение) в направлении оси трубки 330 и стержня 328. Для облегчения такого движения между концами стержня 330 и рамой 340 вокруг диска 313 предусмотрен зазор. Скоба 311 смещена относительно гибкой перемычки (такой как гибкая перемычка 37), в результате чего движение корпуса 310 прикладывает крутящий момент к первой части 25 установочного устройства 5, что обеспечивает вращение части 25 вокруг гибкой перемычки 37.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения четыре исполнительных устройства предусмотрены для обеспечения фактической регулировки вокруг различных осей, и гибкие перемычки, и исполнительные устройства работают в комбинации в соответствии с сигналами, принимаемыми от угловых акселерометров, для поддержания стабильности установочного устройства 5 при использовании градиентометра.

Для работы градиентометра в криогенных условиях установочное устройство 5, корпуса 45 и 47, бруски 41 и 42, корпус 310 в виде полого диска, обмотки и электрические выводы, указанные выше, изготовлены из сверхпроводящего материала, такого как ниобий.

В вариантах выполнения изобретения, в случае, когда градиентометр не работает в криогенных условиях, компоненты могут быть изготовлены из других материалов, таких как алюминий.

Угловые акселерометры 90  имеют нулевой квадрупольный момент, что означает, что центр инерции совпадает с гибкой перемычкой и что, следовательно, они являются не чувствительными ни к градиенту гравитации, ни к центробежной силе. Линейные акселерометры 90" (фиг. 22) также могут быть предусмотрены. Линейные акселерометры 90" не обеспечивают активную компенсацию, но они могут использоваться для коррекции конечных измеренных данных градиента. Таким образом, данные, получаемые при измерении линейного ускорения, могут быть записаны и могут использоваться при последующей обработке.

Один или оба бруска 41 и 42 также можно использовать как угловой акселерометр для получения измерения углового движения установочного устройства 5, что позволяет генерировать соответствующие сигналы обратной связи для компенсации такого движения под управлением с помощью исполнительных устройств, описанных выше.

В предпочтительном варианте выполнения предусмотрены четыре угловых акселерометра, при этом два угловых акселерометра сформированы с брусками 41 и 42. Использование четырех акселерометров, установленных под углами 45 ° относительно друг друга, обеспечивает возможность регулировки вокруг осей х, у и z в любой момент времени, используя крутящий момент, передаваемый от двух или больше исполнительных устройств.

Диск 310 предотвращает выход потока от обмоток W1 и W2 из исполнительного устройства, возможность выхода потока за пределы исполнительного устройства также существенно ограничивается благодаря тому, что выводы 331, и 332, и 333, и 338 выведены из исполнительного устройства через удлиненную трубку 330.

Таким образом, паразитные магнитные поля, которые могут отрицательно повлиять на работу инструмента, не генерируются исполнительным устройством и поэтому не влияют на чувствительность или работу инструмента.

Трубка 330 предпочтительно имеет отношение длины к диаметру по меньшей мере 10:1.

Пластина 316 в форме диска предпочтительно изготовлена из макора, и корпус 310 в виде полого диска сформирован из двух частей 310а и 310b. Часть 310b формует панель крышки, которая обеспечивает возможность устанавливать диск 313 в камере 312, и затем корпус 310 диска закрывается путем установки пластины 310b на место.

Способ обеспечения баланса брусков 41 и 42 будет описан со ссылкой на фиг. 33 и 34. Пара датчиков смещения, сформированных конденсаторами 400 и 401, предусмотрена с двумя основными целями:

1) измерения остаточной чувствительности к линейному ускорению для каждого из брусков 41 (и 42), что позволяет механически балансировать бруски, используя установочные винты 301, описанные со ссылкой на фиг. 24, перед работой при низких температурах и

2) измерения индуцированной чувствительности к линейному ускорению каждого из брусков 41 и 42.

Бруски 41 и 42 в своих соответствующих корпусах поворачивают на 360 ° в настроечном приспособлении (не показано). Это обеспечивает диапазон ускорений 2 g _E , которые обычно в 100 раз больше, чем ускорения, обычно прикладываемые при низких температурах. Типичное требование состоит в том, чтобы конденсаторы 400 и 401 обеспечивали возможность детектировать 0,1 нм в течение периода 1-20 мин. Пара конденсаторов 400 и 401 требуется для каждого бруска для обеспечения возможности различать некоторый дрейф датчиков, поскольку поворот бруска 41 приводит к тому, что один конденсатор 400 увеличивается и другой конденсатор 401 уменьшается на одну и ту же величину, как показано на фиг. 33, в то время как тепловое расширение приводит к увеличению выходных сигналов обоих конденсаторов 400 и 401. Конденсаторы 400 и 401 остаются на месте, даже при том, что они не используются при низких температурах, и поэтому их компоненты должны быть немагнитными, чтобы они не создавали помеху работе градиентометра и, в частности, расположенным рядом с ними сверхпроводящим цепям.

На фиг. 33 показано, что при повороте бруска 41 зазор конденсатора 400 уменьшается и зазор конденсатора 401 увеличивается.

Конденсаторы 400 и 401 сформированы стороной 41а бруска 41 (и соответствующей стороной другого бруска 42) и вторыми пластинами 405, которые расположены на некотором расстоянии от стороны 41а. Зазор между пластинами соответствующих конденсаторов 400 и 401 обычно должен быть установлен равным приблизительно 1 часть на тысячу.

На фиг. 34 показана калибровочная схема, применяемая для конденсатора 400. Схема для другого конденсатора 401 выполнена идентично.

Конденсатор 400 вместе с индуктивностью 410 формируют резонансный контур с большой добротностью Q. Индуктивность 410 и конденсатор 400 подключены параллельно конденсаторам 411 и 412 и соединены через конденсатор 413 с усилителем 414. Выход усилителя 414 подключен к частотомеру 415 и также соединен через цепь обратной связи к точке соединения конденсаторов 412 и 411 с помощью линии 416. Конденсатор 400 поэтому определяет рабочую частоту усилителя 414, которую можно считывать с высокой точностью.

Если брусок 41 не сбалансирован, частотомер 415 проявляет тенденцию дрейфа показаний из-за несбалансированности бруска. Брусок можно балансировать путем перемещения настроечных винтов 301 внутрь и наружу из массы, как описано выше, пока не будет обеспечен баланс. Усилитель 414 затем может быть отсоединен от частотомера 415, в результате чего градиентометр может быть установлен внутри сосуда 1 Дьюара вместе с другими деталями схемы, показанными на фиг. 34, на место.

Поскольку модификации в пределах сущности и объема изобретения могут быть непосредственно выполнены специалистами в данной области техники, следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается конкретным вариантом выполнения, описанным выше в качестве примера.

В формуле изобретения, которая следует далее, и в предыдущем описании изобретения, за исключением случаев, когда контекст требует другого, в описании и в соответствии с необходимым смыслом слово "содержать" или его вариации, такие как "содержит" или "содержащий", используются во включающем смысле, то есть обозначают присутствие указанных свойств, но не исключают присутствие или возможность добавления других свойств в различных вариантах выполнения изобретения.