КОМАРОВ С.Г. МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ


КОМАРОВ С.Г. МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ


Библиографическая ссылка на статью:
// Современная техника и технологии. 2012. № 4 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2012/04/503 (дата обращения: 01.10.2017).


Комаров С. Г., независимый исследователь, электромеханик

 

Предложен «Магнитострикционный измерительный преобразователь», который может быть применён для преобразования механического, магнитного или же электрического воздействия в электрический сигнал.

 

На рис. представлена блок-схема магнитострикционного измерительного преобразователя.

 

 


Магнитострикционный измерительный преобразователь содержит протяжённый стержень 1 (чувствительный элемент) из магнитострикционного материала, например, положительной магнитострикции, закреплённый за свою середину в жёстком неэлектропроводном корпусе 2. Торцы 3, 4 стержня 1 пришлифованы и образуют собой первые обкладки пластинчатых конденсаторов, вторые обкладки которых 5, 6 прикреплены к электропроводным винтам 7, 8 для установки щелей между пластинами 3, 5 и 4, 6 и тем самым задания исходной ёмкости каждого из конденсаторов.

 

Ферромагнитный материал чувствительного элемента – стержня 1 близок по своим свойствам к керамике, обладает высокой магнитострикцией и вместе с тем высоким удельным сопротивлением, из-за чего возникают очень малые потери энергии, и в то же время этот ферромагнитный материал сильно намагничивается под действием даже очень слабого магнитного поля.

 

Первые обкладки 3, 4 конденсаторов на торцах неэлектропроводного стержня 1 возможно создать путём электрохимического покрытия (вспомним, например, школьные уроки по гальванотехнике – гальваностегии) или же с применением более высоких промышленных технологий – весьма тонкие покрытия электропроводным резистивным материалом, в том числе, и для образования электропроводной полоски на теле стержня 1 для электрической связи с обкладками 3, 4 конденсаторов.

 

Стержень 1 слабо подмагничен (поляризован) керамическими магнитными шайбами 9 таким образом, чтобы напряжённость магнитного поля в нём соответствовала рабочей точке на наиболее крутом участке зависимости линейной деформации стержня 1 от относительно малой напряжённости внешнего (измеряемого) магнитного поля. Из-за подмагничивания стержень 1 положительной магнитострикции всё время длиннее, чем был бы в своём естественном состоянии.

 

При наложении на стержень 1 измеряемого переменного магнитного поля он станет изменять свои размеры по длине синфазно с изменением напряжённости измеряемого магнитного поля. Т. е., если напряжённость принимаемого магнитного поля по мгновенному значению направлена против постоянного поля исходной поляризации стержня 1, то он станет укорачиваться, вызывая увеличение щели (расстояния) между пластинами 3, 5 и 4, 6 конденсаторов и уменьшение ёмкости конденсаторов. И наоборот, если напряжённость принимаемого магнитного поля направлена в сторону поля поляризации стержня 1, то он станет удлиняться, сдвигая обкладки 3, 5 и 4, 6 конденсаторов и тем самым увеличивая ёмкость конденсаторов.

 

На стержне 1 размещены катушки L1, L2, образующие две секции на бумажных каркасах, включенные последовательно между собой и с переменным конденсатором С3, который вынесен за пределы корпуса 2. Катушки L1, L2 и конденсатор С3 образуют электрический колебательный контур, настроенный на основную собственную частоту или одну из её гармоник стержня 1. Чем самым колебательный контур стремится поддержать возникающие в стержне 1 звуковые колебания и переменные магнитные поля.

 

Колебания в стержне 1 – чувствительном элементе возможно ударно возбуждать короткими импульсами магнитного поля электромагнитной волны или магнита, движущегося одновремённо с контролируемым объектом относительно чувствительного элемента, или же короткими электрическими импульсами, подаваемыми в электрический колебательный контур, или же механическим воздействием на всю конструкцию магнитострикционного измерительного преобразователя.

 

Непосредственно после ударного возбуждения чувствительного элемента, амплитуда колебаний обкладок 3, 4 конденсаторов (торцов стержня 1) наибольшая и пропорциональна величине воздействия. Но она постепенно затухает и принимает наименьшее значение в момент, предшествующий очередному воздействию. Таким образом, колебания торцов стержня 1 имеют изменяющуюся амплитуду, т. е. являются модулированными. Информация о воздействиях, а значит и об их частоте и амплитуде, содержится в изменении амплитуды огибающей, воспринимаемой и обрабатываемой измерительной системой.

 

Для исследования чувствительности и эффективности преобразований полезных сигналов в электрические сигналы полезно измерительную систему преобразователя построить в виде радиоприёмника с выходом как на динамик – громкоговоритель, так и на узел регистрации информации, например, осциллограф.

 

Конденсаторы, образованные обкладками 3, 5 и 4, 6, по выходу включены параллельно друг другу, образуя общую ёмкость, подключенную через высокочастотный повышающий трансформатор Тр к источнику U1 постоянного напряжения, выбранного в пределе 10 – 300 В (в зависимости от исходного расстояния между обкладками конденсаторов). Выход трансформатора Тр подключен через конденсатор С4, отсекающий низкочастотные составляющие электрического сигнала, на первый каскад усилителя высокой частоты на транзисторе КП 305 И. С нагрузки R1 первого каскада сигнал высокой частоты поступает через конденсатор С 0,01 мкф на второй каскад усилителя высокой частоты (этот и некоторые другие узлы и детали приёмника на рис. не показаны, но в совокупности они обозначены буквой П).

 

Далее, как обычно, в приёмнике П следует детектор, например, собранный по известной схеме удвоения напряжения. Нагрузка детектора выбирается сравнительно большого сопротивления (порядка 600 ком). Не меньшим сопротивлением должен обладать и каскад предварительного усиления сигнала низкой частоты, подключаемый к детектору. Поэтому он может быть собран на полевом транзисторе, например, КП 103 Л.

 

За этим усилительным транзистором КП 103 Л следует, например, трёхкаскадный усилитель (первые два каскада – усилители напряжения, третий каскад – двухтактный усилитель мощности), нагруженный на динамическую головку ДГ, например, типа 0,1 ГД – 3 со звуковой катушкой с сопротивлением 10 ом. Параллельно динамической головке ДГ может быть включен осциллограф. В качестве источника U2 питания приёмника П может быть использована аккумуляторная батарея 7Д – 01 с напряжением 9 В.

 

Между величиной заряда q конденсаторов, образованных обкладками 3, 5 и 4, 6, с их общей ёмкостью С и прилагаемым к их обкладкам напряжением U1, существует известная зависимость: q = C · U1. Если с течением времени изменять общую ёмкость С этих конденсаторов, то для сохранения равенства в приведенном соотношении должен изменяться и заряд q. Величина зарядного (разрядного) тока I при этом может быть определена из следующего выражения: I = U1 · dC / dt.

Величина отношения dC / dt характеризует собой скорость изменения общей ёмкости С конденсаторов. Таким образом, зарядно-разрядный ток I оказывается пропорциональным скорости изменения общей ёмкости С конденсаторов.

Исходная ёмкость конденсатора, образованная обкладками 3, 5 или 4, 6, определяется выражением: C = 1,1 S / 4 π d. Где: С – ёмкость конденсатора в пФ, S – площадь каждой из обкладок конденсатора в см2, d – расстояние между обкладками в см, заполненное воздухом.

.

Чтобы избежать в общем-то часто нежелательного применения в приёмнике источника U1 питания (к тому же довольно высокого напряжения), возможно применить прикрепляемые к винтам 7 , 8 (с образованием электрического контакта) во внутренней полости корпуса 2 электретные пластины, имеющие постоянную поляризацию, способные сохранять на своих пластинчатых поверхностях электрические заряды в течение многих лет.

В таком случае отпадает необходимость в применении источника U1 питания, а вместо высокочастотного трансформатора Тр может быть использован обычный активный резистор в несколько ком.

Особо большие перспективы в практическом использовании стержневых ферромагнетиков для приёма магнитных (в том числе, электромагнитных) и акустических (в том числе, ультразвуковых) волн будут иметь так называемые интерметаллические соединения редкоземельных элементов с металлами группы никеля, обладающие так называемой гигантской магнитострикцией, а также металлокерамические вещества, в которых частицы одного интерметаллического соединения «склеены» с другим.

Изготавливать такие материалы возможно будет требуемой формы методом порошковой металлургии (как и ферриты). При этом могут быть использованы соединения с такой кристаллической решёткой, которая позволит получить максимальное удлинение или укорочение магнитострикционного стержня при возможно меньших напряжённостях магнитного поля, например, поступающих к избирательному контуру на стержне 1 в виде электромагнитных волн.

Источники информации:

1. Комаров С. Г. «Устройство для приёма упругих и электромагнитных волн», technology.snauka.ru/2012/03/369.

2. Комаров С. Г. «Электронно-магнитострикционный измерительный преобразователь», technology.snauka.ru/2012/03/372.

3. Комаров С. Г. «Прибор для измерения электромагнитных всплесков», technology.snauka.ru/2012/02/242.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    



Все статьи автора «Комаров Станислав Григорьевич»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: