Введение к работе
Актуальность работы. В общем комплексе изучения строения земной коры и поиска полезных ископаемых на ее поверхности, около 70 % площади которой занято акваториями Мирового океана, основная роль принадлежит геофизическим методам разведки, составной частью которой является грави-разведка. Для решения современных задач гравиразведки требуется высокая точность измерений ускорения силы тяжести - порядка 10 ...10 Гал . В зависимости от решаемых задач и места измерения применяют различные типы гравиметров и методы измерения. Для измерений на море используют гироста-билизированный статический гравиметр, состоящий из кварцевого датчика крутильного типа, гиростабилизированной платформы и регистрирующей аппаратуры.
Большой вклад в развитие теории и практики наблюдений, разработку гравиметрической аппаратуры и повышение её инструментальной точности внесли коллективы геофизических организаций, в том числе ИФЗ им. О.Ю. Шмидта РАН, ВНИИГеофизики, ГАИШ им. П.К. Штейнберга МГУ, ЦНИИГА-иК, ТулГУ. Этому также способствовали работы ведущих российских и зарубежных ученых и инженеров В.О. Баграмянца, В.Г. Буданова, Ю.Д. Буланже, Гаррисона, И. Графа, В.А. Кузиванова, B.C. Кутепова, Ла-Коста Ромберга, В. А. Романюка, В.А. Тулина, и многих других.
Точность измерений с помощью гравиметра зависит от многих факторов, в том числе от обеспечения стабильности: температуры, давления, свойств упругого элемента и т.д. Большинство этих задач на сегодняшний день успешно решаются конструкторскими методами, что позволило обеспечить высокую точность измерения ускорения силы тяжести с неподвижного основания.
Особенностью морских гравиметрических работ является то, что они проводятся на фоне значительных инерциальных возмущений , которые могут в 10І..104 раз превышать полезный сигнал. Сигнал, снимаемый с гравиметра в этом случае, представляет собой суммарную реакцию чувствительного элемента на полезный сигнал - ускорение силы тяжести и дополнительные возмущения, определяемые ускорениями платформы, на которой установлен гравиметр. Для выделения полезного сигнала используются автоматизированные системы, в состав которых входят гравиметр, установленный на гиростабилизированной платформе, а также датчики горизонтальных и вертикальных ускорений и наклонов. Электронная вычислительная машина в реальном времени рассчитывает реакцию чувствительного элемента на дополнительные возмущения, что позволяет выделить полезный сигнал.
Точность расчета реакции системы на возмущения, а, следовательно, и точность выделения полезного сигнала, определяются используемой при этом
,1Гал = 0,01м/с3=10-3&1мГал=10'6Е.
2 В реальных условиях на корабль воздействуют различные колебания, которые представляются в виде высокочастотных (частота 1 Гц), низкочастотных (частота 0,05-1 Гц) и инфранизкочастотных (частота менее. 0,05 Гц).
математической моделью гравиметра. Используемая в настоящее время математическая модель, построенная на приближенной расчетной модели чувствительного элемента с одной степенью свободы, не позволяет проводить обработку результатов исследования с требуемой степенью точности.
Поэтому разработка уточненной математической модели датчика на основе расчетной модели с пятью степенями свободы, адекватно описывающей динамические процессы, протекающие в чувствительном элементе гравиметра, является актуальной научно-технической задачей.
Цель работы: повышение точности обработки выходного сигнала морского гиростабилизированного гравиметра при гравиметрических наблюдениях, проводимых в условиях инерциальных возмущений за счет использования уточненной математической модели датчика на основе расчетной модели с пятью степенями свободы.
Задачи исследования:
-
Анализ используемых математических моделей датчиков морского гиростабилизированного гравиметра.
-
Определение деформации кварцевых нитей подвеса пробной массы датчика морского гиростабилизированного гравиметра в условиях инерциальных возмущений от качки корабля.
-
Разработка уточненной математической модели датчика гравиметра на основе расчетной модели с пятью степенями свободы.
-
Анализ и сравнительная оценка влияния членов системы уточненных дифференциальных уравнений движения датчика гравиметра на полезный сигнал гравиметра.
-
Сравнительная оценка результатов натурных и стендовых испытаний морского гиростабилизированного гравиметра при применении уточненной математической модели.
Объектом исследования является морской гиростабилизированный гравиметр с датчиком в виде кварцевой упругой системы крутильного типа, установленный на подвижном основании и работающий в поле инерциальных возмущений сложного спектра. Такой гравиметр представляет собой информационную машину, преобразующую механические движения маятника в полезный сигнал.
Предметом исследования являются динамические процессы, происходящие в датчике морского гиростабилизированного гравиметра.
Методы исследования. Использованы методы теоретической механики, теории колебаний, математического моделирования, численного решения дифференциальных уравнений. Для моделирования деформаций кварцевой нити использовался пакет ANSYS. Обработка экспериментальных данных проведена в программном продукте MAPLE.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Расчетные зависимости для определения деформации нитей подвеса датчика морского гиростабилизированного гравиметра в условиях инерциальных возмущений от качки корабля.
-
Уточненные расчетная и математическая модели датчика морского ги-ростабилизированного гравиметра с пятью степенями свободы.
-
Результаты оценки влияния членов системы уточненных дифференциальных уравнений движения пробной массы чувствительного элемента гравиметра на точность определения его полезного сигнала.
-
Результаты сравнительной оценки натурных и стендовых испытаний морского гиростабилизированного гравиметра при использовании уточненной математической модели датчика.
Научная новизна. Впервые предложены и исследованы расчетная и математическая модели датчика морского гиростабилизированного гравиметра с учетом пяти степеней свободы, что позволяет повысить на порядок точность морских гравиметрических измерений при определении приращения силы тяжести в поле инерциальных возмущений.
Практическая значимость работы. На основе проведенных исследований разработаны методика и алгоритмы расчета реакции датчика морского гиростабилизированного гравиметра на дополнительные возмущения при проведении измерений с палубы корабля, что позволяет вьщелить полезный сигнал с точностью до 10~7 Гал. Разработанная на основе этого алгоритма программа, использующая метод Адамса, позволяет сократить время обработки выходного сигнала в экспедиционных условиях.
Достоверность полученных результатов обеспечена корректностью постановки задачи, обоснованностью используемых теоретических зависимостей и принятых допущений, применением известных апробированных методов решения систем дифференциальных уравнений и подтверждается хорошим согласованием теоретических и практических результатов исследований, расхождение между которыми составляет 2...7%.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения (общих выводов), библиографического списка из 76 наименований, 6 приложений на 31 странице. Общий объем диссертации 141 страница машинописного текста, 8 таблиц, 30 рисунков.
