Ultra-high Precision, Absolute, Earth Gravity Measurements

Ultra-Hochpräzisions Absolutschweremessungen

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus-9949
  • Within the framework of this thesis two apparatuses for an absolute measurement of gravity were designed, constructed, and tested for the purpose of detecting long-term variations of gravity, determining the absolute gravity value for metrological applications, and for research in fundamental physics. The work includes a stationary gravimeter, which functions as a highly accurate reference system and a portable gravimeter, which is aimed for field measurements. The principle these gravimeters use to determine the gravity value is based on the relation between the falling distance, the falling time, and the acceleration due to gravity. A Michelson interferometer measures the distance changeWithin the framework of this thesis two apparatuses for an absolute measurement of gravity were designed, constructed, and tested for the purpose of detecting long-term variations of gravity, determining the absolute gravity value for metrological applications, and for research in fundamental physics. The work includes a stationary gravimeter, which functions as a highly accurate reference system and a portable gravimeter, which is aimed for field measurements. The principle these gravimeters use to determine the gravity value is based on the relation between the falling distance, the falling time, and the acceleration due to gravity. A Michelson interferometer measures the distance change between a falling object mirror and an inertial reference mirror with a Helium-Neon laser (633 nm). The whole fringe signal is digitized by a high-speed ADC, which is disciplined by a rubidium frequency standard. This fringe recording is novel compared to common gravimeters, which use an analogue zero-crossing determination. Our portable gravimeter's mechanics also deviate from the standard type. Springs, preloaded by a small motor accelerate the carriage supporting the falling object. This reduces the shock vibrations on the system. Furthermore, a novel method was developed to reduce the uncertainty due to the falling body's rotation. The position of the optical centre is determined in order to subsequently superpose it with the falling object's centre of mass by means of a common balancing method. Resolutions of distance of less than 16 µm were reached in three dimensions, which reduces the uncertainty contribution to less than 0.7 µGal (7 nm/s²). A complete uncertainty budget is given for both gravimeters. The combined standard uncertainty for the portable gravimeter is estimated to give 38.4 µGal, and that for the stationary 16.6 µGal, whereas for the portable gravimeter a standard error of 1.6 µGal (statistical uncertainty for 24 hours of measurement), and for the stationary gravimeter 0.6 µGal (1 month of measurement) was reached. This is comparable to the resolution of the world's best absolute gravimeters. The portable gravimeter was brought to the European Comparison of Absolute Gravimeters (ECAG) 2007 in Luxembourg, and to another comparison with the German Federal Agency of Cartography and Geodesy (Bundesamtes für Kartographie und Geodäsie - BKG), where it showed an agreement of the measured values obtained with other gravimeters within the instrument's uncertainty.show moreshow less
  • Im Rahmen dieser Arbeit wurden ein stationäres und ein tragbares Gerät zur Absolutschweremessung entworfen, gebaut und getestet. Die Geräte sollen sowohl zur Messung von Langzeit-Schwereänderungen und zum Einsatz in der Metrologie, als auch in der Grundlagenforschung verwendet werden. Das stationäre Gravimeter soll hierbei als ein hochgenaues Referenzgerät dienen, wohingegen das tragbare Gravimeter für Feldmessungen ausgelegt ist. Das hier angewandte Messprinzip zur Bestimmung des absoluten Schwerewertes beruht auf der Beziehung zwischen Fallhöhe, Fallzeit und Schwerebeschleunigung. Mit Hilfe eines Michelson-Interferometers wird die Entfernungsänderung zwischen einem fallenden ObjektspiegelIm Rahmen dieser Arbeit wurden ein stationäres und ein tragbares Gerät zur Absolutschweremessung entworfen, gebaut und getestet. Die Geräte sollen sowohl zur Messung von Langzeit-Schwereänderungen und zum Einsatz in der Metrologie, als auch in der Grundlagenforschung verwendet werden. Das stationäre Gravimeter soll hierbei als ein hochgenaues Referenzgerät dienen, wohingegen das tragbare Gravimeter für Feldmessungen ausgelegt ist. Das hier angewandte Messprinzip zur Bestimmung des absoluten Schwerewertes beruht auf der Beziehung zwischen Fallhöhe, Fallzeit und Schwerebeschleunigung. Mit Hilfe eines Michelson-Interferometers wird die Entfernungsänderung zwischen einem fallenden Objektspiegel und dem inert gelagerten Referenzspiegel gemessen. Als Längenstandard dient hier ein Helium-Neon-Laser (633 nm). Das komplette Interferenzsignal wird mittels eines ultraschnellen Analog-Digital-Wandlers, der durch eine Rubidium-Uhr stabilisiert wird, digitalisiert. Der Schwerewert wird anschließend durch eine eigens entwickelte Software ermittelt. Diese Interferenzsignal-Erfassung ist eine Besonderheit im Vergleich zu herkömmlichen Gravimetern, die üblicherweise eine analoge Erfassung der Nulldurchgänge anwenden. Das tragbare Gravimeter hat außerdem eine spezielle Mechanik. Federn, die durch einen kleinen Motor vorgespannt werden, dienen dazu den Wagen, der den Fallkörper beinhaltet, nach unten zu beschleunigen. Dies reduziert die Schwingungen, die auf das System übertragen werden. Ferner wurde eine neuartige Methode entwickelt, die dazu dient, die Unsicherheit zu verringern, die entsteht, wenn der Fallköper während des Freifalls rotiert. Dazu wird die Position des optischen Zentrums des Fallkörpers ermittelt, um anschließend seinen Schwerpunkt zu diesem hin zu verschieben. Ein herkömmliches Auswuchtgerät übernimmt diese Aufgabe. Auflösungen in der Bestimmung der Entfernung im dreidimensionalen Raum von besser als 16 µm wurden hierbei erreicht. Dies entspricht einer Unsicherheit von weniger als 0.7 µGal (7 nm/s²). Eine vollständige Messunsicherheitsanalyse wurde für beide Gravimeter ermittelt. Für das tragbare Gravimeter beträgt diese 38.4 µGal. Für das stationäre Gravimeter sind 16.6 µGal anzugeben. Hierbei wurden für das tragbare Gerät ein Standardfehler von 1.6 µGal (Messdauer von 24 Stunden) und beim stationären Gerät von 0.6 µGal (Messdauer von 1 Monat) gemessen. Dies ist mit der Auflösung der besten Absolutgravimeter weltweit vergleichbar. Das tragbare Gravimeter nahm an einem europäischen Vergleich von Absolutegravimetern (ECAG), der 2007 in Luxemburg abgehalten wurde, teil und wurde mit dem Gravimeter des Deutschen Bundesamtes für Kartographie und Geodäsie (BKG) verglichen, wobei es eine gute Übereinstimmung innerhalb der ermittelten Messunsicherheit zeigte.show moreshow less

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Metadaten
Author:Christian Rothleitner
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-9949
Advisor:Lijun Wang
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2008
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2008/06/26
Release Date:2008/07/09
Tag:Absolutgravimeter; Auswuchten; Fallbeschleunigung; Freifall; Schweremessung
Acceleration due to gravity; Balancing; Free fall; Gravimetry
SWD-Keyword:Gravitation; Messgerät; Präzisionsmessung; Fallgesetz; Metrologie; Gravimetrische Geodäsie; Gravimetrie; Gravimeter; Gezeiten; Massen; Besch
Institutes:Naturwissenschaftliche Fakultät / Naturwissenschaftliche Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
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