КОМАРОВ С.Г. ЭЛЕКТРОННО-МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ


КОМАРОВ С.Г. ЭЛЕКТРОННО-МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ


Библиографическая ссылка на статью:
// Современная техника и технологии. 2012. № 3 [Электронный ресурс]. URL: https://technology.snauka.ru/2012/03/372 (дата обращения: 14.05.2024).

Комаров С.Г., независимый исследователь, электромеханик

  

Предложен «Электронно – магнитострикционный измерительный преобразователь», который может быть применён для преобразования механического (например, сейсмического), магнитного или же электромагнитного воздействия на чувствительный элемент преобразователя в электрический сигнал, передаваемый в узел обработки и регистрации информации.

На черт. представлена блок-схема электронно – магнитострикционного измерительного преобразователя.

Электронно-магнитострикционный измерительный преобразователь содержит протяжённый стержень 1 из магнитострикционного материала, например, положительной магнитострикции, газонаполненный, например, гелием или просто сухим атмосферным воздухом, корпус 2, в том числе, для крепления в его внутренней полости за середину длины магнитострикционного стержня 1; электрический колебательный контур электромагнитного возбуждения стержня 1, образованный соединёнными последовательно катушками 3, 4 индуктивности на концах стержня 1 и конденсатором Сп переменной ёмкости, размещённым вне корпуса 2, при этом электрический колебательный контур снабжён антенной А и конденсатором Сс связи контура с антенной А; пара электродов – холодные катоды 5 (для эмиссии электронов), размещённые на торцах стержня 1, прикреплённые к корпусу 2 по оси стержня 1 пара анодов 6 и пара электропроводных, например, металлических, сеток 7; внешне управляемые по величине выходного напряжения источники 8, 9 тока; два нагрузочных элемента – резисторы 10, 11, каждый из которых с общим для них источником 8 тока включен в последовательную цепь с соответствующим катодом 5 (через тонко напылённые на теле стержня 1 электропроводные полоски «п») с одной стороны и сеткой 7 с другой стороны, с образованием газонаполненных промежутков между катодами 5 и сетками 7; два усилителя 12, 13 переменного напряжения, подключенные входами к выводам (клеммам) соответствующих им резисторов 10, 11; мостовую измерительную цепь 14 с двумя переменными сопротивлениями (на черт. не показаны) в смежных плечах, управляемых по своему значению (величине сопротивления) выходными напряжениями соответствующих усилителей 12, 13; усилитель 15 тока, подключенный входом к выходу мостовой измерительной цепи 14; и узел 16 обработки и регистрации информации, подключенный к выходу усилителя 15 тока, который, кроме того, может быть подключен выходом к входу автоматического управления выходным напряжением источника 9 тока.

Стержень 1 может быть выполнен из материала с заданными магнитострикционными свойствами, например, с наибольшим удлинением при возможно малых магнитных полях, и поляризован, т. е. слабо подмагничен, например, магнитными керамическими шайбами (на черт. не показаны).

Аноды 6 установлены относительно сеток 7 и катодов 5 на расстояниях, при которых между анодами 6 и катодами 5 могут устанавливаться стоячие ультразвуковые волны, в пучность смещений которых оказываются помещёнными катоды 5 и сетки 7, с расстоянием между электродам порядка 0,5 мм. Чем самым обеспечивается возможность применить источники 8, 9 тока с заданными напряжениями в несколько сот вольт.

Работает электронно – магнитострикционный измерительный преобразователь следующим образом.

Поскольку стержень 1 закреплён за свою середину длины в корпусе 2, что не приводит к перераспределению в стержне 1 механических напряжений и утечке из него звуковой энергии через элементы крепления, то, таким образом, стержень 1 оказывается как бы свободным, что необходимо для образования в нём колебаний на гармониках собственной (основной) частоты. Если стержень 1 внешне возбуждается на гармониках собственной частоты, то в середине длины стержня 1 образуется узел смещений стоячей волны (что и позволяет крепить стержень 1 за его середину длины, не образуя при этом утечки звуковой энергии), а по краям (торцам) стержня 1 образуются пучности смещений, вызывающие колебательные движения торцов стержня 1. В пучностях смещений уже газовой среды размещены катоды 5 и сетки 7.

Поскольку стержень 1 (положительной магнитострикции) исходно поляризован – подмагничен постоянным магнитным полем, напряжённость которого имеет вполне определённую величину, то стержень 1 при увеличении напряжённости внешнего магнитного поля (например, магнитного поля, входящего в состав электромагнитной волны) будет удлиняться, а при уменьшении – укорачиваться. Частота колебаний торцов стержня 1 будет совпадать с частотой вызывающего эти колебания внешнего переменного магнитного поля.

Колебания в стержне 1 возможно ударно возбуждать короткими импульсами магнитного поля, воспринимаемого стержнем 1 (чувствительным элементом), или же короткими электрическими импульсами, подаваемыми в электрический колебательный контур через антенну А и конденсатор Сс связи, или же механическим воздействием на всю конструкцию измерительного преобразователя. Колебательный контур может быть настроен при помощи конденсатора Сп переменной ёмкости на частоту принимаемой электромагнитной волны или же на частоту одной из гармоник собственных колебаний в магнитострикционном стержне 1.

При падении звуковой волны, распространяющейся в возбуждённом стержне 1 на границу твёрдой среды – торца стержня 1 и газа, например гелия, более 99,99 % её энергии отражается, образуя при этом колебания торцов стержня 1, и примерно 0,01 % этой энергии проходит внутрь газа, образуя в нём ультразвуковую волну, интенсивность которой находится в зависимости от собственной частоты колебаний возбуждённого стержня 1, площади торца стержня 1 и давления газа во внутренней полости корпуса 2.

Катоды 5, размещённые на торцах стержня 1, в примере могут быть выполнены с применением известных технологий, согласно которым в материале на торцах стержня 1 оказывается растворённым газообразный тритий, при этом, кроме того, торцы стержня 1 могут быть покрыты слоем алюминия заданной толщины. При распаде трития испускаются бета-частицы – быстрые электроны, энергия которых находится в зависимости от толщины слоя алюминия на торцах стержня 1. Эмиссию электронов возможно также образовать с применением тонкой титановой подложки, в которой растворён газообразный тритий, одна плоскость которой покрыта тонким слоем алюминия. Титановая подложка может быть прикреплена к торцу стержня 1 с применением клеющей ферромагнитной пасты, пропускающей через себя звуковые волны без отражения.

В объёме между катодом 5 и анодом 6 бета-частицы сталкиваются с атомами, например, гелия (или воздуха). Т. к. энергия бета-частиц зависит и от электрического поля, обеспечиваемого источниками 8, 9 тока между катодами 5 и анодами 6, и может превышать энергию ионизации атомов гелия (или воздуха), то при столкновениях атомов с бета-частицами они разбиваются на электроны и положительные ионы гелия. В другом случае, бета-частицы, вылетающие с катода 5, соединяются с молекулами воздуха, образуя отрицательные ионы. Одна бета-частица может успеть создать несколько таких пар электронов и ионов. Разлетающиеся электроны и ионы притягиваются друг к другу, рекомбинируют – вновь создают атомы. Но так как бета-частицы вылетают с катода 5 непрерывно, то в объёмах между катодом 5 и сеткой 7, между сеткой 7 и анодом 6 будет существовать колеблющееся облако электронов и ионов.

Быстрота, с которой заряженные частицы передвигаются по направлению к своим электродам, зависит прежде всего от напряженности электрических полей, создаваемых источниками 8, 9 тока, чем самым обеспечивается свободный пробег электронов и ионов, достаточный для того, чтобы они достигли своих электродов до рекомбинации.

В исходном состоянии, когда стержень 1 не возбуждается полезным сигналом, в электрических цепях с источником 8 и резисторами 10, 11 существует слабый электрический ток. От клемм резисторов 10, 11 произведена подводка напряжения к усилителям 12, 13 переменного тока. Однако слабый ток этих электрических цепей не усиливается усилителями 12, 13, поскольку он не является переменным.

Если стержень 1 каким-то образом возбуждается (полезным сигналом, подлежащим измерению и регистрации), то в ионизованном промежутке газа между электродами – катодом 5 и сеткой 7 возникают звуковые волны. Поскольку катоды 5 и сетки 7 находятся в пучности смещений этих волн, то сила тока в цепи электродов 5, 7, резисторов 10, 11 и источника 8 тока, и напряжения, подводимые от резисторов 10, 11 к усилителям 12, 13 переменного тока с заданной полосовой фильтрацией входного сигнала, меняются в ритме звуковых колебаний, обеспечиваемых колеблющимися торцами стержня 1.

Усиленные усилителями 12, 13 сигналы от обоих торцов стержня 1 далее не только суммируются мостовой измерительной цепью 14, но и многократно усиливаются ею и усилителем 15 тока, выходом которого в ритме звуковых колебаний может управляться источник 9 тока, обеспечивая тем самым усиленное колебательное движение ионов в ионизованном промежутке между электродами 5, 6, совпадающее с направлением звуковых волн, исходящих от торцов стержня 1.

Непосредственно после, например, импульсного магнитного воздействия на стержень 1 или же воздействия электрического импульса на электрический колебательный контур (катушки 3, 4 которого размещены на концах стержня 1) амплитуда колебаний торцов стержня 1, являющегося осциллятором, 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 узлом 16 обработки и регистрации информации.

Выходное напряжение в ритме звуковых колебаний от источника 9 тока может быть подано на управляющие электроды 5, 6 не только в прямой, но и в обратной полярности, образуя при этом из катодов 5, анодов 6 и сеток 7 обращённые триоды – усилители мощности с очень высоким коэффициентом усиления.

Источники информации:

  1. Комаров С. Г., Измерительный преобразователь, https://web.snauka.ru, 25. 02. 2012 г.
  2. В. В. Майер, Простые опыты с ультразвуком, М.- «Наука», 1978, с. 16, 18, 21 – 23.



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: