ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Краткое содержание технического решения.

Измерительный преобразователь содержит электрический колебательный контур ударного возбуждения с обмоткой возбуждения, размещённой на протяжённом магнитострикционном стержне, который в свою очередь закреплён за свою середину в узле крепления из магнитного или же наоборот – немагнитного материала, и подстроечного конденсатора, размещённого вне корпуса узла крепления стержня и образующего вход измерительного преобразователя; два пьезоэлектрических трансформатора, каждый из которых размещён вблизи своего конца стержня, при этом каждый из трансформаторов выполнен из пьезорезонатора – возбудителя, установленного на пути магнитной цепи от торцов стержня, и соединённого с ним пьезорезонатора – генератора для преобразования ультразвуковых колебаний в переменное электрическое напряжение.

Выходы генераторов (как выходы пьезоэлектрических трансформаторов) включены последовательно для сложения электрических напряжений и подключены к входу усилителя высокой частоты, а выход этого усилителя образует выход измерительного преобразователя (для подключения его к блоку обработки и регистрации информации).

Установленный на входе измерительного преобразователя первичный усилитель – формирователь коротких электрических импульсов может быть выполнен в виде электрического усилителя высокочастотного сигнала, содержащего на входе избирательный электрический колебательный контур, затем каскады усиления электрического сигнала, фильтрации сигнала (для устранения помех), детектирования и укорачивания импульсов с применением дифференцирующей RS-цепи.

Установленный на выходе измерительного преобразователя блок обработки и регистрации информации может быть выполнен в виде детектора электрического сигнала, усилителя сигнала детектора и двухканального амплитудного анализатора с запоминанием и отображением информации, первый канал которого подключен к первому выходу усилителя сигнала детектора, а второй выход этого усилителя через укорачивающую дифференцирующую RS-цепь соединён с входом счётной схемы для подсчёта числа импульсов в выбранный промежуток времени.

Детальное описание измерительного преобразователя.

На рис. 1 представлена структурная схема измерительного преобразователя.

Измерительный преобразователь содержит протяжённый сердечник – стержень 1 из магнитострикционного материала, например, феррита; узел крепления стержня 1 за его середину с элементами 2 крепления в корпусе 3 из магнитного материала, например литой стали для образования магнитной цепи, или же наоборот – из немагнитного материала, например, твёрдой пластмассы; электрический колебательный контур ударного возбуждения, образованный последовательно соединёнными обмотками 4, 5 возбуждения, размещёнными на полудлинах стержня 1 через картонную гильзу, и конденсатором С переменной ёмкости, размещённым вне корпуса 3; два пьезоэлектрических трансформатора (на рис.1 не обозначены), каждый из которых содержит две, например, пьезокерамические пластины 6, 7, склеенные друг с другом.

Пластины 6 (возбудители) – пьезорезонаторы предназначены для возбуждения ультразвуковых, в том числе, механических колебаний магнитным полем от торца стержня 1, а пластины 7 (генераторы) – для преобразования поступающих от пластин 6 ультразвуковых колебаний в переменное электрическое напряжение. Пластины 6, 7 в совокупности образуют собой пьезоэлектрические трансформаторы.

Пластины 6, 7 в примере должны быть выполнены из пьезокерамики различного состава, поскольку в возбудителях (пластины 6) электрическое поле в результате прямого пьезоэффекта оказывается направленным поперёк – по толщине пластин 6, а в генераторах (пластины 7) образующееся электрическое поле направлено вдоль – по длине пластин 7. Исходная толщина пластин 6 определяет их собственную резонансную частоту механических колебаний.

Пластины 6 имеют выводные электроды 8, через которые пластины 6 могут склеиваться с пластинами 7, а также крепиться (например, приклеиваться) к корпусу 3, образуя тем самым крепление пьезоэлектрических трансформаторов. Кроме того, пластины 6 имеют нанесённые на их другие плоские поверхности электропроводный магнитный материал, образующий электроды 9, например, с применением высоких технологий – электрохимическим способом или же методом вакуумного напыления, или же просто с применением затвердевающего со временем клеевого ферромагнитного материала. Слой магнитного материала электродов 9 выбирается тонким, поскольку с увеличением его массы собственная частота пластин 6 – пьезорезонаторов понижается.

Пластины 6 пьезоэлектрических трансформаторов установлены относительно торцов стержня 1 таким образом, чтобы поверхности пластин 6 с магнитным материалом электродов 9 оказывались параллельными поверхностям торцов стержня 1 и на минимально возможном от них расстоянии.

Пластины 7 имеют электроды 10, которые совместно с общими для пластин 6, 7 электродами 8 образуют выходы пьезоэлектрических трансформаторов, которые в свою очередь включены последовательно между собой и соединены через конденсатор См малой ёмкости (несколько пф) с входом усилителя 11 высокой частоты, обладающего высокими входным сопротивлением и коэффициентом усиления высокочастотного электрического сигнала, а выход усилителя 11 является выходом измерительного преобразователя.

Ферромагнитный материал стержня 1 замечателен тем, что если поместить стержень 1 в магнитное поле обмоток 4, 5 возбуждения, образующих в результате последовательного включения единую обмотку, то внутри его создаётся магнитное поле гораздо более сильное, чем в единой обмотке возбуждения. Таким образом, если в этом переменном магнитном поле находится ферромагнитный стержень 1, то переменное магнитное поле внутри него будет во много раз усилено. Поэтому естественно, что стержень 1 может обеспечивать достаточные переменные магнитные потоки, направленные от торцов стержня 1 на магнитные материалы электродов 9 (электроды 9 – это своего рода неподключаемые электроды из магнитного материала) пластин 6 пьезоэлектрических трансформаторов, образующие механические колебания пластин 6 по толщине и переменное электрическое поле на плоскостных гранях этих пластин 6 – на электродах 8, 9.

Магнитные материалы электродов 9 пластин 6 пьезоэлектрических трансформаторов притягиваются к полюсам магнита – на торцах стержня 1 вне зависимости от того, это его северный или же южный полюс (от чего частота возбуждения пьезорезонсторов – пластин 6 увеличивается в два раза по сравнению с собственной частотой акустических колебаний в стержне 1), а магнитная цепь замыкается через малые промежутки между торцами стержня 1 и пластины 6 (возбудители) на корпус 3, если он выполнен из магнитного материала. При этом возбуждения пьезорезонаторов 6 возникают только в том случае, если расстояния от электродов 9 до торцов стержня 1 меньше, чем до корпуса 3.

Если переменные магнитные потоки от торцов стержня 1 обеспечивают частоту притягивания электродов 9, равную частоте пьезорезонаторов – пластин 6, то при данном резонансе амплитуда механических колебаний пластин 6 по толщине будет максимальной.

Магнитные воздействия стержня 1 создают в пластинах 6 деформации растяжения – сжатия, т. е. в телах пластин 6 образуются колебания сдвига по толщине. Т. к. амплитуда механических колебаний пластин 6 при резонансе наибольшая, то и энергия акустических колебаний в них наибольшая, которая также распространяется по направлению к генераторам – пластинам 7 пьезоэлектрических трансформаторов, преобразующим энергию механических колебаний пластин 6 в электрическую энергию. Именно на резонансных частотах коэффициент трансформации напряжения пьезоэлектрических трансформаторов, равный отношению вторичного напряжения (на выводах электродов 8, 10) к первичному (на электродах 8, 9), будет максимальным, и может составлять многие десятки тысяч, в зависимости от исходно взятых материалов для пластин 6, 7 и соотношения размеров пластин 6, 7. Очень малая переходная ёмкость конденсатора См и очень высокое входное сопротивление потенциального усилителя 11 практически обеспечивают пьезоэлектрическим трансформаторам в рабочем состоянии режим холостого хода (при отсутствии проводимости для постоянной составляющей тока).

Если пластины 6 изготовлены из кварца, то добротность таких кварцевых резонаторов, т. е. отношение запасённой реактивной энергии к энергии потерь, может составлять порядка 10 в 4-й степени. Добротность пьезорезонаторов – пластин 6 из пьезокерамики того же порядка. Добротность электрического колебательного контура ударного возбуждения порядка 10 во 2-й степени.

В принципе применяемые в измерительном преобразователе пьезоэлектрические трансформаторы могут быть как узкополосными, т. е. работающими на частотах, близких к одной из резонансных частот пьезорезонаторов – пластин 6, так и широкополосными, в зависимости от собственной частоты акустических колебаний в стержне 1 и частоты тока в электрическом колебательном контуре.

Электромагнитные колебания в ударно возбуждаемом колебательном контуре являются затухающими. И чем интенсивнее электрический импульс возбуждения в колебательном контуре, тем будет больше амплитуда сигнала на выходе усилителя 11 – на выходе измерительного преобразователя. С другой стороны, чем чаще происходят удары – возбуждения колебательного контура, тем меньше глубина модуляции, а значит и амплитуда сигнала после детектирования, и амплитуда короткого импульса после прохождения его через укорачивающую дифференцирующую цепь в блоке обработки и регистрации информации. При этом частота регистрируемых импульсов равна частоте следования коротких электрических импульсов, поступающих от первичного усилителя – формирователя коротких электрических импульсов на вход измерительного преобразователя, из-за чего эти импульсы могут быть измерены по амплитуде и сосчитаны в выбранный промежуток времени счётной схемой в блоке обработки и регистрации информации.

Конструктивные параметры элементов измерительного преобразователя полезно показать в электротехнических расчётах.

Собственная основная частота свободного магнитострикционного ферритового стержня 1 определяется формулой / 2L, т. е. как отношение скорости C звуковой волны в стержне к двойной длине L стержня. Скорость 500 000 см/с. Длину L стержня 1 выбираем в значении 5 см. Тогда собственная основная частота стержня = 500 000 / 2·5 = 50 000 (гц).

Действующий магнитострикционный эффект стержня 1 очень невелик – относительное изменение длины стержня (определяется как отношение приращения длины стержня при положительной магнитострикции к исходной длине стержня) не превышает 10^-6.

Для обмотки возбуждения (из двух половин) выбираем медный провод диаметром 0, 2 мм с числом витков W = 240 (по 120 витков на каждую половину обмотки возбуждения). Индуктивность L обмотки возбуждения (без стержня 1) определяется по формуле L = π² · / l₀ · d² · 10^-7.

L – индуктивность обмотки возбуждения, м.

d – диаметр самой обмотки, м. (d = 1 см = 0, 01 м).

l₀– длина обмотки, м. (l₀ = 45 мм = 4, 5 см = 0, 045 м).

W – число витков обмотки (W = 240).

π² = 9,87. /l = 240² / 0, 045 = 1280 000. d² = 0, 01² = 0, 0001 (м² ).

Тогда индуктивность L = 9, 87 · 1280 000 · 0, 0001 · 10^-7 = 12, 63 · 10^-5 (гн).

Индуктивное сопротивление X_L обмотки возбуждения без стержня 1 определится по формуле X_L= 2 π f L. X_L = 2 · 3, 14 · 50 000 · 12, 63 ·10^-5 = 39, 68 (ом).

Относительную магнитную проницаемость μ_r стержня 1 исходно выбираем в значении 400 гн/м. Тогда индуктивное сопротивление X_Lc обмотки со стержнем 1 составит:

X_Lc = X_L · 400 = 39, 68 · 400 = 15 871, 3 (ом). А индуктивность Lc обмотки определится из формулы X_Lc = 2 π f Lc. Отсюда Lc = X_Lc / 2 π f = 15 871, 3 / 2 · 3, 14 · 50 000 = 0, 0505 (гн).

Ёмкостное сопротивление Х_с = 1 / 2 π f C.

В электрическом колебательном контуре, если индуктивное и ёмкостное сопротивления равны, напряжения, возникающие на этих сопротивлениях, взаимно уничтожаются, а всё напряжение источника приходится на активное сопротивление обмотки контура, и ток в контуре будет максимальным. Таким образом, Х_l = Х_c.

X_Lc · 2 πfC = 1. Отсюда С = 1 / X_Lc 2 π f = 1 / 15 871, 3 · 2 · 3, 14 · 50 000 = 2 · 10^-10 (ф) = 200 пф.

Каждая цепь, состоящая из последовательно соединённых активного, индуктивного и ёмкостного сопротивлений, имеет свою собственную частоту

f = 1 / 2 π c · C = 1 / 2 · 3, 14 0, 0505 · 2 · 10^-10 = 50 000 (гц). (Чем самым проверилась правильность расчётных значений индуктивного и ёмкостного сопротивлений).

При W = 240 витков обмотки возбуждения и её диаметре 1 см = 0, 01 м (радиусR = 0, 0, 01 / 2 = 0, 005 м) длина l медного провода для обмотки составит: 2 π R W = 2 · 3, 14 ·0, 005 · 240 = 7, 54 (м).

Активное сопротивление r обмотки определится из формулы: r = / s.

= 0, 01754 для медного провода. Диаметр провода 0, 2 мм. Его радиус 0, 1 мм. Квадрат этого радиуса 0, 01 мм². Тогда сечение провода s = 3, 14 · 0, 01 = 0, 0314159 (мм²).

А активное сопротивление обмотки возбуждения составит: r = 0, 01754 · 7, 54 / 0, 0314159 = 4, 2 (ом). Отсюда, начальный ток I в колебательном контуре, когда на конденсатор С = 200 пф подаётся короткий импульс напряжения, например, 0, 5 в, составит: I = U / r = 0, 5 / 4, 2 = 0, 12 (а).

Т. к. длина l₀ самой обмотки составляет 4, 5 см, то возможно определить напряжённость Н магнитного поля в стержне 1 из формулы I W = Н l₀.

0, 12 · 240 = Н · 4, 5. Н = 0, 12 · 240 / 4, 5 = 6, 35 (а/см) = 635 а/м.

Напряжённость магнитного поля 635 а/м вызывает в материале стержня 1, относительная магнитная проницаемость которого μ_r = 400 гн/м, магнитную индукцию В = μ₀ μ_r Н. Где μ₀ – магнитная проницаемость вакуума, равная 12, 57 · 10^-7 гн/м. Тогда В = 12, 57 · 10^-7 · 400 · 635 = 0, 32 (тл).

Такое значение магнитной индукции (635 а/м) в стержне 1 фактически является пределом, при котором ещё действует режим обратимого смещения границ и укрупнения доменов ферромагнетиков (явление намагничивания в слабых полях), т. е. в стержне 1 ещё не происходит необратимого смещения границ доменов – не возникает остаточное магнитное поле. Поэтому выходное напряжение 0, 5 в первичного усилителя – формирователя коротких электрических импульсов из полезного сигнала (в ходе его избирания по частоте, усиления, тщательной фильтрации – устранения помех, детектирования, укорачивания до дельта-импульса и последующего усиления перед подачей на вход измерительного преобразователя) также является предельным. Измерительный преобразователь далее при своей работе устраняет «шумовые» высокочастотные помехи низкого уровня, действующие, в том числе, в период межипульсных пауз.

Высокая амплитуда напряжения короткого импульса (0, 5 в) от формирователя импульсов необходима при применении корпуса 3 из магнитного материала, поскольку в этом случае магнитная цепь от стержня 1 замыкается через два промежутка (зазора) с пьезорезонаторами с общим зазором, например, 0, 5 см, во многом аналогичным воздушному зазору, через ферромагнитный корпус 3. Тогда на электроды 9 из магнитного материала пьезорезонаторов действует с одной стороны магнитное поле от торцов стержня 1, а с другой – магнитное поле от точек присоединения пьезорезонаторов к ферромагнитному корпусу 3. Но поскольку плоскость электрода 9 оказывается ближе к торцу стержня 1, чем к точке присоединения пьезорезонатора к корпусу 3, то на эту плоскость действует большая сила притяжения. Эта сила в своём значении зависит от соотношения расстояний в месте размещения пьезорезонатора до полюсов магнитного поля.

При выполнении корпуса 3 из немагнитного материала, например, твёрдой пластмассы, воздействие на электрод 9 магнитного поля со стороны торца стержня 1 оказывается более значительным, и его возможно изменять перемещением пластины пьезорезонатора 6 с электродом 9 относительно торца стержня 1 – полюса магнита.

В данном примере намагничивающая сила I W = 0, 12 · 240 = 28, 8 (ав). Площадь S сечения магнита при диаметре стержня 1 см составит 0, 79 см² = 0, 000079 м².

Определим приблизительно силу притяжения электрода 9 магнитным полюсом торца стержня 1, если воздушный зазор q между ними составляет 0, 5 мм = 0, 05 см.

Магнитную индукцию В определим путём последовательных приближений.

Пусть намагничивающая сила составляет 20% I W. 0, 2 · 28, 8 = 5, 8 (ав). Тогда напряжённость Н_в в воздушном зазоре q (от торца стержня 1 и до электрода 9) определим из выражения: 28, 8 – 5, 8 = Н_в · q. Отсюда Н_в= 23 / 0, 05 = 460 (а/см) = 46000 а/м.

Отсюда находим магнитную индукцию В: Н_в = 8 · 10⁵ В. В = Н_в / 8 ·10⁵ = = 46 000 / 8 · 10⁵ = 0, 0575 (тл). После подстановки значения В в формулу

F = 40 550 В² S получим: F = 40 550 · 0, 0575² · 0, 000079 = 0, 0106 (кг) = 10, 6 г = 0, 1 н.

1. И. П. Жеребцов «Основы электроники», 5-е издание, Ленинград, Энергоатомиздат, 1989, с. 164 – 166.
2. А. П. Цитович «Ядерная радиоэлектроника», Издательство «Наука», Москва, 1967, с. 23 – 27, 374 – 375, 380 – 382, 388 – 389, 428 – 438.
3. В. В. Майер «Простые опыты с ультразвуком», Москва, «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, 1978, с. 16, 18,21 – 23.

Все статьи автора «Комаров Станислав Григорьевич»