Устройство управления допплеровским модулятором мессбауэровского спектрометра Советский патент 1990 года по МПК G01N24/00 

Изобретение относится к аппаратуре для наблюдения ядерного гамма-резонанса, а именно к устройствам управления допплеровским модулятором мессбауэровского спектрометра.

Цель изобретения - увеличение точности отработки закона движения.

На фиг. 1 показана структурная схема устройства на фиг. 2 - диаграмма сигнала U, задающего генератора от времени tj на фиг. 3 - диаграмма выходного сигнала U фотоэлектрического преобразователя;на фиг.4 - диаграмма сигнала Un с интегрирующего усилителя, на фиг. Ь - диаграмма сигнала рассогласования U0.

Устройство управления допплеровс- ким модулятором мессбауэровского спектрометра (фиг.I.) содержит Доп- плеровский модулятор 1, задающий ге

нератор 2, соединенный через блок 3 сравнения, усилитель-4 сигнала рассогласования и усилитель 5 мощности с исполнительным механизмом допплерсв ского модулятора 1, включающего об- мотку 6 на каркасе 7, подключенную к выходу усилителя 5 мощности и помещенную в цилиндрическое поле магнитной системы, содержащей постоян- ный цилиндрический магнит 8 и цилиндрические магнитопроводы 9, причем каркас 7 укреплен на штоке 10, связанном с корпусом модулятора 1 через упругие элементы 11 в виде плоских пружин, центрирующих подвижную часть исполнительного механизма относительно магнитной системы и корпуса доп- плеровского модулятора, датчик скорости, содержащий лазер 12, интерферометр 13, фотоэлектрический преобразователь 14 и интегрирующий усилитель 15, вход которого подключен к выходу фотоэлектрического преобразователя, а выход - к второму входу блока 3 сравнения. Корпус 16 интерферометра 13 укреплен на исполнительном механизме, например на штоке 10, в месте крепления к нему каркаса 7. В корпусе 16 интерферометра 13 размещены его оптические элементы, включающие оптический блок 17 разведения луча лазера и сведения интерферирующих лучей, неподвижный отражатель 18, отклоняющую призму 19. Подвижный отражатель 20 установлен так, что луч, падающий и отраженный от него, параллелен направлению перемещения исполнительного механизма, причем подвижный отражатель соединен с корпусом 16 через упругий элемент 21 Ход лучей в интерферометре показан стрелками.

Устройство работает следующим образом.

Задающий генератор 2 вырабатывает электрический аналог сигнала скорости (фиг. 2, зависимость U,(t)). Для простоты понимания рассмотрен случай закона перемещения исполнительного механизма, обеспечивающего модуляцию энергии гамма-излучения в режиме постоянного ускорения. Сигнал скорости U3(t) сравнивается на блоке 3 сравнения с сигналом UH(t), поступаю щим на второй вход блока 3 сравнения с выхода интегрирующего усилителя 15 (фиг. 4), представляющим собой интеграл от выходного сигнала 11ф(1:)

5

0

Q 5

45

0 ,-с

0

5

0

(фиг.З) фотоэлектрического преобразователя 14, т.е. сигналом скорости, так как сигнал Urf,(t) является сигналом ускорения исполнительного механизма. Разность сигналов U3(t) - - UM(t) U0(t) - сигнал рассогласования - после усиления на усилителе

4и преобразования в ток в усилителе

5мощности поступает как регулирующее воздействие на обмотку 6 исполнительного механизма.

Под действием активной силы F, возникающей вследствие протекания тока i через обмотку 6 исполнительного механизма, исполнительный механизм и укрепленный на нем корпус 16 интерферометра 13 приводятся в движение. Упругий элемент 21, через который подвижный отражатель 20 массой т0 связан с корпусом интерферометра, деформируется на некоторую величину L. В результате возникает сила упругости Рупр, зависящая от L, т.е. F упр f(L). Эта сила действует на подвижный отражатель 20, обеспечивая его перемещение вместе с корпусом 16 интерферометра 13 и исполнительным механизмом. С другой стороны эта сила приложена к корпусу интерферометра и исполнительному механизму в противоположном направлении. Расстояние между подвижным отражателем и оптическим блоком 17 разделения луча лазера и сведения интерферирующих лучей при перемещении подвижного отражателя определяется соотношением

(1) о

где L 9 - начальное расстояние в

состоянии покоя подвижного отражателя

L - деформация упругого элемента, т.е. растяжение или сжатие его,

v(t) - скорость перемещения подвижного отражателя 20. Выходной сигнал фотоэлектрического преобразователя 14 может быть записан в виде

L0 + L j v(t) d t,

A,

,41

+ A cos

Ь

± ф I v(t)dt

(2)

где А0 - постоянная составляющая,

пропорциональная сумме интенсив ностей интерферирующих лучей}

- амплитуда переменной составляющей полезного сигналаj начальная разность фаз интерферирующих лучей в момент t 0; длина волны лазера.

Решение системы уравйений (6) водит к следующему выражению:

L + (1 + - HK.L + K,L) -a,

m m0 /

или в операторной форме:

Изобретение относится к аппаратуре для наблюдения ядерного гамма-резонанса, а именно к устройствам управления допплеровским модулятором мессбауэровского спектрометра. Целью изобретения является увеличение точности отработки закона движения исполнительным механизмом допплеровского модулятора. Для этого в устройстве управления, содержащем задающий генератор, соединенный через блок сравнения, усилитель сигнала рассогласования и усилитель мощности с исполнительным механизмом допплеровского модулятора, датчик скорости, при соединенный к второму входу блока сравнения, выполнен в виде лазерного интерферометра с подвижным отражателем и фотоэлектрическим преобразователем, соединенным с интегрирующим усилителем. Корпус интерферометра с расположенными внутри него оптическими элементами укреплен на исполнительном механизме, а подвижный отражатель выполнен в виде зеркала, соединенного с корпусом через упругий элемент и расположенного вдоль направляющей перемещения исполнительного механизма. Использование оптического датчика скорости ликвидирует влияние нелинейностей в зазоре катушек измерения скорости, влияние внешних магнитных полей, взаимоиндукции, а также позволяет снизить габариты вибратора. 5 ил.

Если подвижный отражатель 20 не движется (v(t) 0), то сигнал с вы- 10 хода фотоэлектрического преобразователя 14 будет

А0 + A cos( ifo + if) , (3)

разность фаз интерферирующих лучей, обусловленная деформацией L упругого элемента 21, которая может быть определена из выражения

Lf- t Л- Т, Вследствие того, что перемещение подвижного отражателя 20 является функцией ускорения, то изменение разности фаз интерферирующих лучей также есть функция ускорения а:

± f (а) .

Можно сказать, что деформация L упругого элемента 21, через который подвижный отражатель 20 связан с корпусом интерферометра и исполнительным механизмом, пропорциональна активной силе F, действующей на исполнительный механизм. Пренебрегая действием гравитационных сил, которые уравновешиваются пружинной подвеской исполнительного механизма, запишем уравнение динамики движения корпуса интерферометра и исполнительного механизма общей массой m и подвижного отражателя 20 массой т0 при действии активной силы F относительно неподвижного корпуса допплеровского модулятора 1:

тХ F - F

уПр 1

(6)

Flo Xa - FVnp i X 1 Х + L,

где X1S X Ј - смещение корпуса 16 интерферометра 13, подвижного отражателя 20 со- ответственно. Сила упругости F ynp (К.,1, + ) ,

где К1 - коэффициент упругости-, К коэффициент вязкого трения.

L (P) W(P)-a

(3)

где W(P)

1

Р2 + (1 + 1)(к + к р)

m mQ T i

- передаточная функция. Уравнение (8) определяет зависимость смещения подвижного отражателя 20 от ускорения исполнительного механизма под действием активной„ силы F, то есть можно записать

20

) ± 4г а Л

(9)

25

30

35

40

45

50

55

Таким образом, выходной сигнал фотоэлектрического преобразователя 14 будет косинусной функцией ускорения. Для обеспечения линейности выходного сигнала фотоэлектрического преобразователя от ускорения передаточную функцию W(P) подбирают такой, чтобы изменение разности фаз интерферирующих лучей в рабочем диапазоне измерений не превосходило + 31 или +0,05236 рад. При этом отклонения от линейности функции косинуса составляет 0,01%. В этом случае градун- ровочная характеристика может быть представлена зависимостью

U Ка , (10)

причем Е f(/0) и при jg 90°, К 1 , что выполняется путем юстировки неподвижного плеча (отражателя 18) интерферометра.

Так как выходной сигнал U фотоэлектрического преобразователя 14 является функцией ускорения исполнительного механизма, то выходной сигнал 11Ц с выхода интегрирующего усилителя после компенсации постоянной составляющей А0 и интегрирования будет функцией скорости.

В предлагаемом устройстве влияние внешних магнитных полей, нелинейности поля в зазоре на точность отработки закона движения исполнительного механизма, а также взаимоиндукции между двигательной катушкой исполнительного механизма и датчиковой исключается. Так как интерферометр 13

укрепляется на исполнительном механизме, а центры масс исполнительного механизма и подвилшого отражателя 20 конструктивно могут быть расположены на одной координате по направлению движения исполнительного механизма, то фазовые искажения, связанные с рассогласованием координат и запаздыванием между током в двигательной катушке и напряжением с фотоэлектрического преобразователя 14, отсутствуют. При этом само рассогласование через упругий элемент 21 является полезным сигналом, отражающим действие сил на исполнительный механизм.

Данное устройство за счет увеличения на порядок линейности датчика скорости на основе интерферометра по отношению к датчику скорости известного устройства позволяет увеличить точность отработки закона движения исполнительного механизма на порядок. Кроме того, малые фазовые искажения между задающим сигналом и сигналом скорости дают возможность поднять на порядок коэффициент усиления по петле обратной связи, без потери устойчивости системы управления, что также приводит к увеличению точности. Конст- рукция датчика скорости позволяет упростить конструкцию допплеровского

5

0

0

5

модулятора и минимизировать его размеры.

Формула изобретения Устройство управления допплеровс- ким модулятором мессбауэровского спектрометра, содержащее задающий генератор, соединенный через последовательно включенные блок сравнения, усилитель сигнала рассогласования и усилитель мощности с исполнительным механизмом модулятора, включающий датчик скорости, соединенный с вторым входом блока сравнения, отличающееся тем, что, с целью увеличения точности отработки закона движения, датчик скорости выполнен в виде лазерного интерферометра с подвижным отражателем, корпус интерферометра с расположенными внутри него оптическими элементами укреплен на исполнительном механизме, причем подвижный отражатель соединен с корпусом интерферометра через упругий элемент и расположен так, что направление луча лазера падающего на него и отраженного, совпадает с направлением перемещения исполнительного механизма, при этом интерферометр оптически соединен с фотоэлектрическим преобразователем, соединенным через интегрирующий усилитель с вторым входом блока сравнения.

698

././ /

-//

фиг,1

Редактор А.Маковская

Фиг.5

Составитель В.Филиппов

Техред М.Ходанич Корректор Т.Палий

Заказ 212

Тираж 484

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Фиг. I

Фие.З

Фи.Ц

Подписное