книги из ГПНТБ / Слабкий Л.И. Методы и приборы предельных измерений в экспериментальной физике

Г л а в а 1

ИЗМЕРЕНИЕ МАЛЫХ РАЗНОСТЕЙ СИЛ И МАСС

§1. Высокочувствительные дифференциальные весы

срадиотехнической регистрирующей системой

Для повышения чувствительности весов произвольной конст­ рукции до ее предельного значения, которое определяется тепло­ выми флуктуациями — броуновским движением молекул, необ­ ходимо:

1) максимально уменьшить «сухое» трение (трение покоя) в системе подвеса коромысла и груза (пробных масс),

2)снизить до минимального значения различного рода внешние помехи — вибрации, акустические шумы, воздушные конвекцион­ ные потоки и т. д., т. е. все «внешние», нетепловые шумы (помехи),

3)максимально повысить чувствительность системы регистра­ ции амплитуды смещения коромысла весов от их начального (нуле­ вого) положения;

4)использовать (по возможности) резонансьые методы измере­ ний путем «раскачки» весов в резонанс при строгом соблюдении необходимых фазовых соотношений, что позволит, во-первых, уве­ личить чувствительность в Q раз (Q — механическая добротность колеблющейся системы весов) и, во-вторых, снизить влияние не­ стабильности и «сползания нуля», которые имеют место в «статиче­ ских» измерениях.

Для выполнения первого из этих требований идеальным подве­ сом коромысла весов является так называемый свободный подвес — магнитный подвес со следящей системой, который будет описан

ниже.

Более простым способом является замена обычных опорных призм тонкими металлическими (например, вольфрамовыми) нитя­ ми, на которых крепится коромысло. При работе «на скручивание» в области очень малых изменений узлов сухое трение практически не обнаруживается вплоть до значений АF< ІО-11 Я, что при весе образцов порядка 0,1 Я составляет относительную величину AF/F~ ~ 1 0 -10.

Снижение внешних вибраций достигается тем, что весы ставят на специальные резиновые амортизаторы, укрепленные либо на независимом фундаменте подвального помещения, либо на капи­ тальной стене здания, по возможности ближе к его фундаменту. Уменьшение конвекционных потоков воздуха достигают путем по­ мещения весов в вакуум порядка 10-г—-ІО-3 НІм2 (это к тому же увеличивает механическую добротность весов Q). Повышение чув­ ствительности системы регистрации достигается путем применения специальных радиотехнических и оптических методов, о которых пойдет речь в следующих параграфах.

153

Рис. 55. Дифференциальные весы В. Б. Брагинского с радиотехнической систе­ мой регистрации отклонений коромысла

1 . 2 — грузы; 3 — вольфрамовая нить подвеса коромысла; 4 — коромысло; 5 — емкост­ ной датчик; 6 — градуировочный конденсатор; 7. 8 — окна

Ниже описаны высокочувствительные дифференциальные весы, предложенные В. Б. Брагинским [1].

Весы состоят из разборного коромысла 4 (рис. 55), которое стя­ гивается болтами и зажимает молибденовую проволоку 3, служа­ щую в качестве системы подвеса, и упругого элемента — возврат­ ной пружины.

154

Жесткость Такой системы равйа —6,4 • ІО-4 Н/сМ для йертикйлЬ1 но приложенной к грузу 2 силы F. Коромысло 4 и грузы 1 и 2 — медные или латунные. При массе груза т = 500 г период колебаний весов т равен 25 с. Достаточно высокая механическая добротность (Q=120) обусловлена тем, что вся механическая система весов по­ мещена в вакуум ~ 1,9-10° НІм2, создаваемый диффузионным на­ сосом, в разборном кожухе из латуни и бронзы с окошками 7 и 8.

Система регистрации смещений (колебаний коромысла весов) состоит из емкостного датчика (емкости конденсатора), образован­ ного между изолированной пластиной 6 и нижней гранью груза 2,

жения между пластинами для плоского конденсатора равна, как известно

где а — площадь пластины; d—расстояние между обкладками кон­ денсатора. Путем подачи серии последовательных импульсов извест­ ной амплитуды можно, например, «раскачать» весы и определить их динамическую и статическую чувствительности.

Емкостной датчик регистрации малых смещений работает сле­ дующим образом.

При изменении его емкости происходит расстройка колебатель­ ного контура LC (рис. 56), питаемого от генератора на лампе 2С14Б, в результате чего напряжение на контуре изменяется:

чая точка при этом выбрана на склоне резонансной кривой конту­

После детектирования (диоды D2E) и усиления (лампа 1П4Б) результирующий сигнал поступает на катодный повторитель (6Н1П)

Система калибровки весов проверяется по наличию квадратич­ ной зависимости выходного сигнала от величины калибровочного напряжения на конденсаторе 1—5. С целью уменьшения влияния паразитной индуктивности коромысла весов на калибровочные измерения используется делитель напряжения (рис. 56).

регулировки. Подстройка весов в дальнейшем может осуществлять-

\155

3

— J 300 c K -

if

Рис. 57. Отрезок записи колебании коромысла весов

а — амплитуда колебаний; б (о)р — изменение амплитуды, разрешимое с достоверностью р

ся простой подстройкой высокочастотного генератора емкостного датчика путем установки его частоты в пределах «склона» резонан­ сной кривой измерительного контура.

На рис. 57 [1] приведен отрезок записи колебаний весов (уча­ сток 1—3), «нулевые колебания» (участок 2—3) и отклик весов на импульсное воздействие системы калибровки при длительности импульса А ^ т 0 = 25 с.

Масштаб колебаний весов определяется вычислением по из­ вестному моменту инерции коромысла с грузами и импульсу силы.

Величина различимых колебаний составляет около 6-10“ 8 см\ с применением статистической обработки (t — критерий Стьюдента) эта величина может быть уменьшена. Так, при достоверности 0,95 и времени наблюдения т = 700 с разрешимая величина ампли­

Обнаруживаемая величина амплитуды колебаний весов б (а) = = 1,1 ■ІО-8 см может быть получена, например, путем воздействия на систему весов цуга периодически меняющейся (с периодом т 0 =

=25 с) силы, при длительности цуга 700 с и амплитуде AF0l95 =

=5,6 -ІО-12 Н (для уровня достоверности б0і999 величина AFQ>909 должна равняться —9,6-ІО-12 Я при той же длительности цуга). Практически воздействие на систему периодической силы удобно проводить по измерению амплитуды колебаний весов, записывая ее среднее значение для двух случаев — в отсутствие и при наличии цуга (см. гл. 1). Относительная чувствительность таких весов

156

теоремой Найквиста, то эта температура будет равна Т ~ (5- ІО5

пературы вообще характерно для лабораторных условий, когда измерительная система не отделена от фундамента специальным ус­ тройством гашения сейсмических воздействий, для которой спект­ ральная плотность шума в области частот порядка десятых долей герца составляет около ІО- 8—ІО-9 см*/гц.

Эти сейсмические колебания раскачивают измерительную си­ стему весов, обусловливая их «нулевые колебания», поскольку они действуют главным образом в вертикальном направлении. Что же касается крутильных весов, на которых измерения сил проводятся в горизонтальной плоскости, то там действие «сейсми­ ки» на несколько порядков меньше.

Так, в некоторых случаях удается достигнуть чувствительности до (АF/F)0>as ~ 2 -10-14 при времени наблюдения т = ІО5 с [2, 3].

§2. Высокочувствительные крутильные весы

смагнитным подвесом

Одним из способов уменьшения влияния функций на измери­ тельную систему типа крутильных весов является снижение коэф­ фициента диссипативных потерь Я системы подвеса, что непосред­ ственно следует из формулы Найквиста.

Применяемые обычно тонкие вольфрамовые нити в системе под­ веса коромысла являются источником флуктуаций, ограничиваю­ щих предельную добротность Q величиной —10“1, поэтому исполь­ зование магнитного подвеса коромысла, добротность которого QraaX может превышать 1010, является весьма перспективным.

Необходимую колебательную жесткость системы можно осуще­ ствить, например, с помощью электрического поля дифференциаль­ ного конденсатора; при этом, очевидно, электрическая схема не должна вносить диссипативные потери, заметно уменьшающие величину Qmax.

Прежде чем переходить к описанию системы магнитного под­ веса, проанализируем те предельные возможности, которые могут быть получены в условиях, близких к идеальным, а именно, при наличии предельного вакуума, отсутствии влияния сейсмических; воздействий, тепловой конвекции и различных. электромагнитных помех на систему свободного подвешенного ротора коромысла кру­ тильных весов, находящегося в массивном металлическом экране.

157

_ДА

Известно, что флуктуациойная сила (Fuex)'P, действующая на сферическую массу т в условиях весьма разреженного газа со

ствует времени наблюдения т ~ ІО6 с) величина флуктуационной силы будет равна всего 6-10-22 к.

Оценка флуктуационных сил, обусловленных электромагнит­ ными явлениями (квазиэлектрическое взаимодействие пробной массы и собственных электромагнитных колебаний низкой частоты

самого экрана при ^ ° бств- ~ а, где а — радиус пробной массы, и флуктуация давления теплового излучения от стенок экрана на пробную массу), дает

и Т — 300° К не обнаруживает какого-либо трения при враще­ нии коромысла (частный случай крутильных колебаний), т. е. при данных условиях основные потери происходят исключительно за счет остаточного давления газа. Поэтому, по крайнем мере, при этих значениях Т и Р магнитный подвес не будет вносить каких-либо заметных флуктуаций в крутильные колебания системы, что от­ крывает возможность создания весьма чувствительных крутиль­ ных весов. Что касается сейсмических воздействий, то принципиаль­ но их можно учесть, если известны амплитудный и фазовый спектры (при этом возможно просто вычесть помеху из результирующего сигнала), либо ослабить до нужных значений путем применения специальных антисейсмических устройств.

Перейдем теперь к описанию собственно магнитного подвеса. Принцип его действия заключается в том, что ток катушки-соле­ ноида, в поле которого находится подвес, изменяется в зависимо­ сти от сигнала датчика, который регистрирует положение (коорди­

нату х) подвеса и скорость ее изменения х (слежение по х и х). При этом результирующее изменение тока в соленоиде таково,

что оно направлено в сторону сведения к нулю «сигнала ошибки»

158

те /= 2 ,6 5 Мгц

«ü*-»

Рис. 59. Электронная схема магнитного подвеса с обратной связью по амплитуде в. ч. сигнала

Рис. 62. Типовая конструктивная схе­