Методы и средства изучения дестабилизирующих и диссипативных факторов в измерительных устройствах на основе высокочувствительных механических осцилляторов

• Автор: Измайлов, Валерий Петрович
• Шифр специальности: 05.11.16
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 128 с. : ил.

Содержание
Перечень обозначений и символов
Введение
Научные положения, выносимые на защиту
1. Измерительные устройства на основе высокочувствительных механических осцилляторов
1.1. Решение проблем, связанных с измерением малых сил
1.2. Методы измерения гравитационных
взаимодействий и пондеромоторных эффектов
1.3. Датчики и измерительные устройства,
используемые при измерении малых сил
1.3.1. Применение маятников и баллистических гравиметров
при абсолютных измерениях параметров гравитационного поля
1.3.2. Использование гравиметров и струнных датчиков
при относительных измерениях
1.3.3. Применение крутильных весов как наиболее чувствительного механического осциллятора
Выводы
2. Исследование диссипативных и дестабилизирующих факторов, ограничивающих стабильность работы механических осцилляторов
2.1. Изучение диссипативных процессов при качении
шаровых и цилиндрических опор
2.2. Исследование диссипативных и дестабилизирующих факторов
при струнных колебаниях
2.3. Исследование диссипативных и дестабилизирующих
факторов при крутильных колебаниях
2.3.1. Измерение гистерезисных потерь в нити подвеса
2.3.2. Исследование стабильности работы крутильных весов
2.3.3. Исследование влияния качаний на движение весов
2.3.4. Изучение воздействия микровибраций
2.3.5. Регистрация влияния потоков разреженного газа
на параметры движения весов
2.3.6. Оценка погрешностей измерений,
обусловленных системой индикации
2.3.7. Разработка системы регистрации на базе компьютера
Выводы

3. Использование добротных высокостабильных механических
осцилляторов в физических экспериментах
3.1. Разработка маятникового метода измерения
коэффициента трения качения
3.2. Измерение физических параметров
струнными датчиками
3.2.1. Использование датчика в качестве акселерометра
3.2.2. Применение датчика в качестве весов
3.2.3. Измерение температуры и давления газа
3.3. Определение гравитационной постоянной с использованием вакуумированных крутильных весов
3.3.1. Методы расчёта гравитационной постоянной
3.3.2. Установка для измерения гравитационной постоянной
3.3.3. Результаты измерения при трёхпозиционной схеме
3.3.4. Измерения гравитационной постоянной
при искусственных вибрациях
3.3.5. Проверка гипотез, предсказывающих
отклонение от закона обратных квадратов
3.3.6. Анализ основных дестабилизирующих факторов
3.4. Измерение пондеромоторного действия
светового излучения
3.4.1. Разработка установки на базе крутильных весов
3.4.2. Исследование основных дестабилизирующих факторов
3.4.3. Методы измерения пондеромоторного действия
светового излучения
3.4.4. Разработка частотного метода измерения
потока светового излучения
3.5. Исследование пятой силы на базе неподвижных крутильных весов и шаровой вращающейся массы
с вырезанной в ней шаровой полостью
3.5.1. Методика проведения эксперимента
3.5.2. Оценка порога чувствительности установки
3.5.3. Оптимизация параметров крутильных весов
Выводы
Основные результаты работы
Список литературы
Приложения

Перечень обозначений и символов а - радиус пятна контакта;
С) - коэффициент, корректирующий период при изменении амплитуды; с2 - константа, определяющая схему расположения фотоприёмников; с3 - константа оптической системы; с - скорость света;
С - коэффициент гистерезисных потерь;
С0 -коэффициент потерь при нагрузочно-разгрузочном цикле;
(1 - диаметр струны;
сії - диаметр нити подвеса;
62 - диаметр вспомогательной нити подвеса;
63 - диаметр грузов коромысла; сЦ - диаметр коромысла;
Е - модуль Юнга;
Ї - частота поперечных колебаний струны; ґк - коэффициент трения качения;
Е- сила натяжения струны; g - ускорение силы тяжести;
Є - гравитационная постоянная; к - постоянная экранирования;
И - смещение притягивающей массы по вертикали; к - постоянная Больцмана; кс - продольная жёсткость струны; кп -жёсткость поперечной пружины;
1 - длина струны;
/ - расстояние от оси вращения рабочего тела до центра пятна излучения;
/о - длина стержня или пластины;
/і - расстояние от торца стержня до центра масс груза на его другом торце; її - расстояние от нижней точки подвеса до центра масс рабочего тела;
12 - длина нити подвеса;
13 - расстояние между верхними точками крепления основной и вспомога-
тельной нитей;
Ц - длина вспомогательной нити подвеса;
15 - расстояние от точки крепления вспомогательной нити до оси коромысла;
16 - длина стержня, понижающего частоту качаний;
Ь2, Ь3 - расстояния от оси вращения до центра масс шаров;
расположенных, соответственно, на 1-й, 2-й и 3-й позициях;
Ь5 - расстояние от оси вращения до центра масс груза коромысла;
Ь6 - длина плеча коромысла; тч - масса лёгкой частицы;

На рис.2.1.12 приведена связь между р и о при безразмерном отношении а/7?=0,175. Масса колеблющегося тела составляла 608 г, шаровые опоры диаметром 23 мм создавали на резине в центре пятна контакта давление 0,358 МПа. При малых р логарифмический декремент затухания и превышал величину коэффициента гистерезисных потерь, а при больших р он заметно уменьшался в связи с ростом величины запасённой в осцилляторе энергии за счёт подъёма центра масс колеблющегося тела маятника. При определённом значении р величины Сии совпадают, в этом случае осциллятор запасает энергию только за счёт упругой деформации материала в пятне контакта.
На рис.2.1.13 приведена кривая затухания амплитуд маятника с цилиндрической опорой качения радиусом 5 мм по вакуумной резине при периоде колебаний Т=11,77 с, М—668 г, р=4,5 мм, а/7?='0,23, Ро~0,37 МПа. В диапазоне от 0,326 до 0,27 рад -0,00621, при этом С=0,127. В пятне контакта в диапазоне амплитуд от 0,1 до 0,054 рад логарифмический декремент затухания равен 0,135. По величине он практически совпадает с коэффициентом гистерезисных потерь при качении. Более подробно зависимость логарифмического декремента затухания о от р при качении цилиндра по резине показана на рис.2.1.14.
На рис.2.1.15 дана кривая затухания при наличии в нижнем плече маятника плоской вакуумной резины сечением 1,06x10,1 см, изгибные колебания которой вносили основной вклад в диссипацию энергии маятника. Резина имеет малую жёсткость на изгиб, поэтому в качестве нагрузки использовалась её собственная распределённая сила тяжести. Пластина массой Ма=652 г имела длину /0, равную 485 мм. Момент инерции колеблющегося

тела маятника массой 1,5 кг составлял 0,08062 кг-м , а момент инерции сечения резиновой пластины /с-91 см3. Расстояние р от оси вращения до центра масс колеблющегося тела составляло 1,13 см, максимальное давление в центре пятна контакта шаровых опор диаметром 10 мм достигало 0,836 МПа. Основная погрешность измерений С определялась точностью определения момента инерции J колеблющегося тела, имевшего достаточно сложную конфигурацию. Коэффициент С определялся по формуле: C=ШъJJcEI[QI2M2g\-Az2k/gT1)].
Подставив в данное соотношение <3=40, Т=4,372 с найдём, что С=0,14. Полученный результат удовлетворительно согласуется с данными, полученными на вакуумной резине при других видах деформирования. При этом следует учитывать, что в данном эксперименте могли присутствовать другие каналы диссипации энергии, которые привели к завышенному значению С. Сопоставляя данные, полученные при качении шаровых или цилиндрических опор маятника, а также результаты, полученные при наклонах пятна контакта или изгибах плеч маятника, можно прийти к выводу, что механизм диссипации энергии един, а параметр, характеризующий этот процесс, является одной из важнейших физических характеристик материала.