Гравиметр - Gravimeter

Гравиметр Autograv CG-5 в работе
Для более широкого освещения этой темы см. Гравиметрия § Измерение силы тяжести.

А гравиметр инструмент, используемый для измерения гравитационное ускорение. С каждой массой связан гравитационный потенциал. Градиент этого потенциала - это сила. Гравиметр измеряет эту гравитационную силу.

Первые гравиметры были вертикальными акселерометры, специализированный для измерения постоянной нисходящей ускорение свободного падения на поверхности земли. Вертикальная гравитация Земли меняется от места к месту над поверхностью Земли примерно на ± 0,5%. Он варьируется примерно на ±1000 нм/s2 (нанометров в секунду в квадрате) в любом месте из-за изменения положения Солнца и Луны относительно Земли.

Переход от названия устройства "акселерометр" к названию его "гравиметром" происходит примерно в той точке, где оно должно вносить поправки на земные приливы.

Хотя гравиметры похожи по конструкции на другие акселерометры, они обычно гораздо более чувствительны. Их первое использование состояло в том, чтобы измерить изменения силы тяжести от различной плотности и распределения масс внутри Земли, от временного "приливный «вариации формы и распределения массы в океанах, атмосфере и на Земле.

Гравиметры могут обнаруживать вибрации и гравитационные изменения в результате деятельности человека. В зависимости от интересов исследователя или оператора этому может противодействовать встроенная виброизоляция и обработка сигнала.

Разрешение гравиметров можно увеличить за счет усреднения образцов за более длительные периоды. Основными характеристиками гравиметров являются точность единичного измерения (единичный «образец») и частота дискретизации (отсчетов в секунду).

Например:

Гравиметры отображают свои измерения в единицах девушки (см / с2), нанометров на секунду в квадрате и частей на миллион, частей на миллиард или частей на триллион среднего вертикального ускорения относительно Земли. Некоторые более новые единицы - pm / s2 (пикометров на секунду в квадрате), фм / с2 (фемто), ам / с2 (atto) для очень чувствительных инструментов.

Гравиметры используются для нефти и минерального сырья. разведка, сейсмология, геодезия, геофизические исследования и другие геофизический исследования, и для метрология. Их основная цель - нанести на карту гравитационное поле в пространстве и времени.

Большинство текущих работ основаны на Земле, с несколькими спутниками вокруг Земли, но гравиметры также применимы к Луне, Солнцу, планетам, астероидам, звездам, галактикам и другим телам. Гравитационная волна Эксперименты отслеживают изменения во времени самого гравитационного потенциала, а не градиента потенциала, который отслеживает гравиметр. Это различие несколько произвольно. Подсистемы экспериментов по гравитационному излучению очень чувствительны к изменениям градиента потенциала. Местные гравитационные сигналы на Земле, которые мешают экспериментам с гравитационными волнами, пренебрежительно называются «ньютоновским шумом», поскольку расчетов ньютоновской гравитации достаточно для характеристики многих местных (наземных) сигналов.

Период, термин абсолютный гравиметр чаще всего используется для маркировки гравиметров, которые сообщают о местном вертикальном ускорении, создаваемом землей. Относительный гравиметр обычно относятся к дифференциальным сравнениям силы тяжести от одного места к другому. Они предназначены для автоматического вычитания средней вертикальной силы тяжести. Они могут быть откалиброваны в месте, где сила тяжести точно известна, а затем транспортированы к месту измерения силы тяжести. Или они могут откалиброваться в абсолютных единицах на своем рабочем месте.

Существует множество методов отображения полей ускорения, также называемых гравитационные поля. Сюда входят традиционные 2D-карты, но все больше и больше 3D-видео. Поскольку сила тяжести и ускорение одинаковы, «поле ускорения» может быть предпочтительнее, поскольку «гравитация» часто используется неправильно.

Коммерческие абсолютные гравиметры

Иллюстрация влияния различных подземных геологических особенностей на местное гравитационное поле. Объем низкой плотности, 2, уменьшает г, в то время как материал высокой плотности 3 увеличивает г.

Гравиметры для максимально точного измерения силы тяжести Земли становятся все меньше и портативнее. Обычный тип измеряет ускорение свободного падения малых масс в вакуум, когда акселерометр прочно прикреплен к земле. Масса включает световозвращатель и завершает одно плечо Интерферометр Майкельсона. Подсчитывая и синхронизируя интерференционные полосы, можно измерить ускорение массы.[1] Более поздняя разработка - это версия «подъем и падение», которая подбрасывает массу вверх и измеряет как восходящее, так и нисходящее движение.[2] Это позволяет отменить некоторые погрешности измерения однако гравиметры типа "подъем и падение" пока еще не получили широкого распространения. Абсолютные гравиметры используются при калибровке относительных гравиметров, при съемке аномалий силы тяжести (пустот) и для определения вертикального положения. сеть управления.

Методы атомного интерферометра и атомного фонтана используются для точного измерения силы тяжести Земли, а атомные часы и специализированные инструменты могут использовать измерения замедления времени (также называемые общерелятивистскими) для отслеживания изменений гравитационного потенциала и ускорения свободного падения на Земле.

Термин «абсолютный» не передает стабильность, чувствительность, точность, простоту использования и полосу пропускания прибора. Таким образом, это слово и слово «относительный» не следует использовать, когда можно дать более конкретные характеристики.

Относительные гравиметры

Самые распространенные гравиметры: весна -на основании. Они используются при гравиметрических съемках на больших площадях для установления фигуры геоид над этими областями. По сути, они представляют собой груз на пружине, и, измеряя величину, на которую груз растягивает пружину, можно измерить местную силу тяжести. Однако сила пружины должна быть откалиброванный поместив инструмент в место с известным ускорением свободного падения.[3]

Действующим стандартом для чувствительных гравиметров являются сверхпроводящие гравиметры, которые работают за счет приостановки сверхпроводящего ниобий сфера в чрезвычайно стабильной магнитное поле; ток, необходимый для создания магнитного поля, которое подвешивает ниобиевую сферу, пропорционален силе гравитационного ускорения Земли.[4] В сверхпроводящий гравиметр достигает чувствительности 10–11 РС−2 (один наногал ), примерно одна триллионная (10−12) силы тяжести земной поверхности. В демонстрации чувствительности сверхпроводящего гравиметра Виртанен (2006),[5] описывает, как прибор в Метсахови, Финляндия, обнаружил постепенное увеличение поверхностной силы тяжести, когда рабочие убирали снег с крыши лаборатории.

Самая большая составляющая сигнала, регистрируемого сверхпроводящим гравиметром, - это действующая на станцию ​​приливная гравитация Солнца и Луны. Это примерно ±1000 нм/s2 (нанометров в секунду в квадрате) в большинстве мест. «SG», как их называют, могут обнаруживать и характеризовать земные приливы, изменение плотности атмосферы, влияние изменения формы поверхности океана, влияние давления атмосферы на землю, изменение скорости вращения Земли, колебания земного ядра, далекие близлежащие сейсмические события и многое другое.

Многие широко используемые широкополосные трехосевые сейсмометры достаточно чувствительны, чтобы отслеживать солнце и луну. При работе с сообщением об ускорении они полезны в качестве гравиметров. Поскольку они имеют три оси, их положение и ориентацию можно определить, отслеживая время прихода и характер сейсмических волн от землетрясений, или связывая их с приливной гравитацией Солнца и Луны.

Недавно SG и широкополосные трехосевые сейсмометры, работающие в гравиметрическом режиме, начали обнаруживать и характеризовать слабые гравитационные сигналы от землетрясений. Эти сигналы поступают на гравиметр на скорость света, поэтому есть потенциал для улучшения методов раннего предупреждения землетрясений. В настоящее время ведется работа по разработке специализированных гравиметров с достаточной чувствительностью и шириной полосы для обнаружения этих быстрых гравитационных сигналов от землетрясений. Не только события с магнитудой 7+, но и более мелкие, гораздо более частые события.

Новее МЭМС-гравиметры, атомные гравиметры - Гравиметры MEMS предлагают возможность для недорогих массивов датчиков. МЭМС-гравиметры в настоящее время представляют собой разновидности акселерометров пружинного типа, в которых движения крошечного кантилевера или массы отслеживаются для определения ускорения. Большая часть исследований сосредоточена на различных методах определения положения и движений этих небольших масс. В атомных гравиметрах масса - это совокупность атомов.

Для данной восстанавливающей силы центральная частота инструмента часто определяется выражением

(в радианах в секунду)

Термин «силовая постоянная» меняется, если восстанавливающая сила является электростатической, магнитостатической, электромагнитной, оптической, микроволновой, акустической или любым из десятков различных способов удержания массы в неподвижном состоянии. «Силовая постоянная» - это всего лишь коэффициент члена смещения в уравнении движения:

м а + б v + k Икс + константа = F(Икс,т)
м масса, а ускорение б вязкость, v скорость, k силовая постоянная, Икс смещение
F внешняя сила как функция места / положения и времени.

F измеряемая сила, и F/м это ускорение.

г(Икс,т) = а + б v/м + k Икс/м + постоянный/м + высшие производные возвращающей силы

Точные GPS-станции можно использовать как гравиметры, поскольку они все чаще измеряют положения трех осей с течением времени, которые при двукратном дифференцировании дают сигнал ускорения.

Спутниковые гравиметры GOCE, ГРЕЙС, в основном работают в гравитационный градиентометр Режим. Они дают подробную информацию о переменном во времени гравитационном поле Земли. Модели сферического гармонического гравитационного потенциала постепенно улучшаются как в пространственном, так и во временном разрешении. Определение градиента потенциалов дает оценку локального ускорения, которое измеряется массивами гравиметров. Сеть сверхпроводящего гравиметра использовалась для наземная правда спутниковые потенциалы. В конечном итоге это должно улучшить как спутниковые, так и наземные методы и взаимные сравнения.

Существуют также переносные относительные гравиметры; они используют чрезвычайно стабильный инерционная платформа компенсировать маскирующие эффекты движения и вибрации - сложный инженерный подвиг. Как сообщается, первые переносные относительные гравиметры были секретной военной технологией, разработанной в 1950–1960-х годах в качестве средства навигации для атомные подводные лодки. Впоследствии, в 1980-х годах, переносные относительные гравиметры были реконструированный гражданским сектором для использования на кораблях, затем в воздухе и, наконец, для гравиметрических съемок со спутников.[6]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Micro-g LaCoste, Inc
  2. ^ Дж. М. Браун; Т. М. Нибауэр; Б. Рихтер; Ф. Дж. Клоппинг; Дж. Г. Валентайн; У. К. Бакстон (1999-08-10). «Миниатюрный гравиметр может значительно улучшить измерения». Eos, Transactions, Американский геофизический союз, электронное приложение.
  3. ^ «Профессор Роберт Б. Лафлин, факультет физики Стэнфордского университета». large.stanford.edu. Получено 2016-03-15.
  4. ^ «Принципы работы сверхпроводящего гравиметра» (PDF). принципы работы. gwrinstruments. 2011 г.
  5. ^ Виртанен, Х. (2006). Исследования динамики Земли с помощью сверхпроводящего гравиметра (PDF). Академическая диссертация в Хельсинкском университете, Институт геодезии. Получено 21 сентября, 2009.
  6. ^ Стелкенс-Кобш, Тим (2006). «Дальнейшее развитие высокоточной двухкамерной инерциальной навигационной системы для применения в бортовой гравиметрии». Наблюдение за системой Земля из космоса. С. 479–494. Дои:10.1007/3-540-29522-4_31. ISBN  978-3-540-29520-4.