Пип с механическими и механическими упругими чувствительными элементами

На погрешность  измерения маятниковых приборов влияют различные факторы: температура, плотность и влажность воздуха, колебание штатива, электрические и магнитные поля, изменение длины маятника и др., эффекты от которых учитывают либо с помощью введения соответствующих поправок, либо путем применения специальных методических приемов наблюдений. Например, с течением времени изменяются внутренние характеристики маятниковых приборов, что приводит к дрейфу или смещению нуля прибора, т. е. изменению показаний со временем. Отличительной чертой маятниковых приборов является относительно малое и плавное сползание нуля, достигающее нескольких миллигал в месяц. Поэтому, несмотря на громоздкость конструкции и длительность наблюдения в каждой точке (несколько часов), маятниковые приборы применяют при гравиметрических съемках для создания опорных морских гравиметрических сетей, организации полигонов для эталонирования гравиметров и т. д.

Погрешность абсолютных измерений силы тяжести с помощью  маятниковых приборов на обсерваториях  может быть доведена до 1—3 мГал, при наземных относительных исследованиях — до 0,1 мГал, при работах на подводных лодках — до 1—3 мГал, при съемках на поверхности моря — до 5—10мГал.

 

9.1 Вариометры и градиентометры

 

Для измерения  вторых производных гравитационного потенциала служат гравитационные вариометры 1 рода и градиентометры. Основным чувствительным элементом вариометров и градиентометров служат крутильные весы, представляющие собой коромысло с равными грузами на концах, подвешенное на упругой нити (рис.29). Под воздействием неравномерного поля тяготения, обусловленного наличием близко расположенных аномальных по плотности геологических объектов, на них действуют различные по величине составляющие поля силы тяжести. Вследствие этого коромысло поворачивается на угол, пропорциональный степени изменения силы тяжести вдоль направления этих составляющих. Для определения различных вторых производных гравитационного потенциала чувствительную систему устанавливают по нескольким (трем — пяти) азимутам.

В градиентометрах  отсчеты проводят визуально, и они длятся на каждой точке не более 15 мин. В вариометрах отклонение коромысла автоматически фиксируется для дальнейшей обработки, а замеры в разных азимутах выполняются в течение 30— 60 мин на каждой точке.

Рисунок 29

Чувствительная система вариометра:

1 — корпус  прибора; 2 — упругая нить; 3 — коромысло: 4 — грузики

 

9.3 Инерционные  вибропреобразователи

 

Для правильного  воспроизведения вибрации необходимо, чтобы виброметр воспроизводил  без искажений все ее гармоники. Основными характеристиками виброметра являются амплитудно-частотная, фазо-частотная и амплитудная. Идеальными являются линейная, параллельная оси абсцисс амплитудно-частотная характеристика А( ), фазо-частотная характеристика со сдвигом каждой гармоники по фазе, равным нулю или пропорциональным частоте. Ф( )=b и линейная амплитудная характеристика у=mх. Первые две характеристики могут быть названы   динамическими,   а   последняя — статической   характеристикой виброметра.

Отклонения динамических характеристик от идеальных приводят к искажениям формы вибрации из-за изменения значений составляющих спектра и фазового сдвига между отдельными гармониками.

Нелинейность  амплитудной характеристики нарушает пропорциональность между показаниями прибора и амплитудой вибрации. Нелинейность амплитудной характеристики приводит к искажению осциллограммы из-за появления новых гармонических составляющих, которых нет в спектре измеряемой вибрации. При рациональной конструкции прибора амплитудная характеристика его может быть сделана достаточно линейной в необходимом диапазоне амплитуд виброперемещения, в то время как получение необходимых частотных характеристик часто связано со значительными трудностями.

Основным элементом  прибора для измерения виброперемещений является виброизмерительный преобразователь. Простейшие схемы инерционных вибропреобразователей показаны на рис. 30.

Рисунок 30

Простейшие вибропреобразователи

Первый (рис.30,а), который можно назвать линейным, содержит сейсмическую массу m, подвешенную на пружине к основанию, установленному на вибрирующем объекте. Второй (рис. 30,б) — маятниковый, выполнен в виде физического маятника, шарнирно связанного с основанием и поддерживаемого в горизонтальном положении цилиндрической пружиной.

Инерционный вибропреобразователь преобразует абсолютную вибрацию объекта  в его вибрацию относительно сейсмической массы, которая за счет своей инерционности  остается почти в покое. Однако это  имеет место, когда частота измеряемой вибрации значительно превышает собственную частоту вибропреобразователя. Тогда можно считать, что измеренная вибрация не отличается от вибрации объекта относительно неподвижной системы координат (абсолютной вибрации). Основное отличие маятникового вибропреобразователя от линейного заключается в том, что маятник отклоняется от положения равновесия, поворачиваясь на некоторый угол , не только при линейных перемещениях основания х, но и при его крутильных колебаниях .

Чувствительность  маятникового вибропреобразователя зависит от приведенной длины маятника и расстояния от оси вращения маятника до преобразователя на нем, служащего для преобразования механических колебаний в электрические.

Рисунок 31

Примеры маятниковых вибропреобразователей

На рис. 31,б изображен низкочастотный маятник с дополнительными упругими связями, служащий для измерения горизонтальных составляющих вибрации. Он называется астатическим маятником; собственная частота его может достигать десятых долей герца. Отрицательной жесткостью обладает сам маятник, центр тяжести которого расположен выше оси вращения.

Маятники подобного  типа и другие, рассмотренные далее, обычно подвешивают к основанию с помощью расположенных крестообразно тонких плоских стальных или бронзовых пластин, которые служат упругой осью вращения маятника, как показано на рис. 31,в. Подвесы подобного типа не имеют трения и люфтов, которые особенно опасны для низкочастотных вибропреобразователей, развивающих малый восстанавливающий момент.

На рис. 31,г показан горизонтальный маятник, ось вращения которого расположена вертикально. Восстанавливающий момент создается пружинами крестообразного подвеса; дополнительная цилиндрическая растянутая пружина, расположенная вдоль оси маятника и закрепленная за осью вращения, развивает отрицательную жесткость, что приводит к уменьшению собственной частоты. Момент, создаваемый этой пружиной при отклонении маятника от положения равновесия, вычитается из момента, создаваемого пружинами подвеса.

Для измерения  вертикальных составляющих виброперемещения обычно применяется маятник, показанный на рис. 31,д. В горизонтальном положении он удерживается цилиндрической пружиной.

По схеме  на рис. 31,е построены сейсмографы для регистрации колебаний большой амплитуды.

 

9.4 Акселерометры

 

Акселеро́метр (лат. accelero — ускоряю и греч. metréō — измеряю) — прибор, измеряющий проекцию кажущегося ускорения (разность между абсолютным ускорением объекта и гравитационным ускорением (ускорением силы тяготения)). Существуют трёхкомпонентные (трёхосевые) акселерометры, которые позволяют измерять ускорение сразу по трем осям. В трёхмерном измерении ( 3-D ). Некоторые акселерометры также имеют встроенные системы сбора и обработки данных. Это позволяет создавать завершенные системы для измерения ускорения и вибрации со всеми необходимыми элементами.

Рисунок 32

Схема простейшего акселерометра

Груз закреплён на пружине. Демпфер подавляет колебания  груза. Чем больше кажущееся ускорение, тем сильнее деформируется пружина, изменяя показания прибора. Де́мпфер (нем. Dämpfer — глушитель, от dämpfen — заглушать) — устройство для гашения (демпфирования) колебаний или предотвращения механических колебаний, возникающих в машинах и приборах при их работе.

Акселерометр может  применяться как для измерения  проекций абсолютного линейного  ускорения, так и для косвенных измерений проекции гравитационного ускорения. Последнее свойство используется для создания инклинометров. Акселерометры входят в состав инерциальных навигационных систем, где полученные с их помощью измерения интегрируют, получая инерциальную скорость и координаты носителя, при регистрации амплитуд выше собственной резонансной частоты можно измерять непосредственно собственную скорость акселерометра .

Электронные акселерометры  часто встраиваются в мобильные  устройства (в частности, в телефоны) и применяются в качестве шагомеров, датчиков для определения положения в пространстве, автоматического поворота дисплея и других целей. Например в iPhone есть акселерометр. В игровых приставках акселерометры используются для управления без использования кнопок — путем поворотов в пространстве, встряхиваний и т. д. Например в контролерах Wii Remote и Playstation Move присутсвует акселерометр.

Акселерометры используют в жестких дисках для защиты от повреждений полученных в результате ударов, встрясок и падений. В случае встряски, удара или падения головки работающего накопителя могут поцарапать рабочую поверхность, что приведет к потере данных. Акселерометр реагирует на внезапное изменение положения устройства и паркует головки жесткого диска. Такая технология защиты используется в основном в ноутбуках, нетбуках и на внешних накопителях. Акселерометр в промышленной вибродиагностике является вибропреобразователем, измеряющим виброускорение в системах неразрушающего контроля и защиты.

На (Рис33) показан акселерометр маятникового типа, работающий по принципу «электрической пружины». Отклонение маятника, вызванное появлением ускорения, регистрируется электрическим датчиком положения. Возникающий при этом ток усиливается и поступает в обмотку барабана акселерометра, где возникает электромагнитное усилие, стремящееся вернуть маятник в первоначальное положение. В роли пружины здесь выступает электромагнитное поле. Ток в обмотке пропорционален действующему ускорению. Он направляется в первый интегратор для определения скорости.

 

Рисунок 33

Акселерометр маятникового типа