Способ подстройки частоты источника питания магнитострикционного электроакустического преобразователя Советский патент 1992 года по МПК B06B1/08 

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано для автоподстройки частоты в системах с магни- тострикционными электроакустическими преобразователями.

Известен способ автоподстройки частоты источника питания нагруженного на электроакустический преобразователь, заключающийся в сравнении фаз сигнала, снимаемого с датчика механических колебаний преобразователя и напряжения питания преобразователя, и воздействии сигналом рассогласования, пропорциональным разности фаз, на задающий генератор.

Недостатком данного способа является необходимость установки на электроакустический преобразователь специального датчика колебаний, что усложняет конструкцию. При этом датчики резонансного типа имеют собственную резонансную частоту, отличную от резонансной частоты преобразователя, что вносит погрешность.

Известен также способ автоподстройки частоты, заключающийся в выделении сигнала, пропорционального механическим колебаниям преобразователя с помощью трансформатора с компенсационной обмоткой и компенсирующего элемента, сравнении фазы этого сигнала с фазой напряжения, питающего преобразователя, и воздействии сигналом рассогласования, пропорциональным разности фэз на задающий генератор источника питания.

Недостатком этого способа является невысокая точность, объясняемая следующими причинами:

во-первых, электрические параметры магнитострикционного преобразователя имеют нелинейную зависимость как по величине питающего напряжения, так и по его частоте, и поэтому компенсирующий элемент, выполненный в виде двухполюсника, не может точно компенсировать электрические параметры преобразователя при изменении частоты и питающего напряжения;

t/J

С

х| СЛ О Ј. СО

во-вторых, изменение температуры электроакустического преобразователя также приводит к изменению его электрических параметров, что ведет к возникновению погрешности автоподст- оойки частоты.

Наиболее близким по технической сущ- ,-,-- предлагаемому является способ ав- л.сдстройки частоты, при котором измеряют пропорциональный колеб ель- i.oiw имещению сигнал тока свободных затухающих колебаний электроакустического преобразователя при закорачивании его входа и поэтому сигналу используя экстремальный регулятор перестраивают частоту источника питания.

Недостатками этого способа являются: уменьшение амплитуды механических копебаний при закорачивании входа элект- 1 пакустического преобразователя приво- ,т к нарушению стабильности . алогического процесса, особенно при ;г ельной акустической нагрузке, на- при электроискровом легировании, 1 штываются каждое колебание;

определение резонансной частоты ос- 1 |. на представлении электроакустиче- о преобразователя в виде эквивалентной схемы, но в реальных условиях частота механического резонанса не совпадает с частотой электрического резонанса в контуре обмотки магнитостриктора, и максимум тока находится на частоте не- гтолько отличной от резонансной, что при- ьодит к снижению точности автоподстройки

1Ы

Целою изобретения является повыше- iHt точности подстройки частоты при непрерывной работе магнитострикционного электроакустического преобразователя.

Поставленная цель достигается тем, что при непрерывной работе преобразователя в качестве сигнала, пропорционального амплитуде колебаний преобразователя, используют результат деления сигнала входного тока преобразователя на сигнал электродвижущей силы измерительной обмотки преобразователя.

Способ основан на том, что амплитуда механических колебаний преобразователя на резонансной частоте максимальна; внутренние напряжения в материале магнитостриктора прямопропорциональны амплитуде механических колебаний. Магнитная проницаемость материал магнито- стриктора обратно пропорциональна внутренним напряжениям в материале магнитостриктора. Таким образом, величина, обратно пропорциональная магнитной проницаемости, прямопропорциональна амплитуде механических колебаний и имеет максимальное значение на частоте механического резонанса преобразователя.

Электродвижущую силу, наводимую в измерительной обмотке, можно определить по формуле

Е2 4,44 - f W2 Ф,

где Е2 электродвижущая сила измерительной обмотки;

f-частота источника питания;

Л/2 - число витков измерительной обмотки;

Ф - магнитный поток в материале магнитостриктора.

После несложных преобразований, известных из электротехники, получим;

E2 4,44-f W2 -| Wi -И -//а,

где S - площадь сечения магнитостриктора;

Ј- длина средней магнитной линии в магнитострикторе;

Wi - число витков силовой обмотки магнитостриктора;

И - ток на входе преобразователя;

Ua абсолютная магнитная проницаемость.

Отсюда

иЕ2-Е

а 4,44 f Л/2 S Wi И но, учитывая, что нас интересует не абсолютное значение абсолютной магнитной проницаемости, а характер ее изменения, то для упрощения технической реализации все постоянные величины и частоту из-за малости ее изменения приравняем к единице, тогда

Еа

а величина, пропорциональная амплитуде механических колебаний преобразователя, будет

)-Ј

где Ј- амплитуда механических колебаний.

На чертеже приведена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

В табл. 1 приведены значения сигналов измеряемых величин при изменении частоты источника питания; в табл. 2-6 показано влияние внешних факторов на резонансную частоту преобразователя и точность определения этой частоты по предлагаемому способу.

Устройство, реализующее данный способ, содержит источник 1 питания, датчик 2 тока, измерительную обмотку 3, магнито- стрикционный преобразователь 4, амплитудный детектор 5 тока, амплитудный

детектор б электродвижущей силы, устройство 7 деления, ключ 8, элемент 9 памяти, экстремальный регулятор 10, генератор 11 импульсов.

Способ осуществляют следующим образом.

Источник 1 питания подключен к входу преобразователя 4, генератор 11 импульсов обеспечивает срабатывание ключа 8, осуществляющего выделение сигнала. Входной ток электроакустического преобразователя измеряется датчиком 2 тока и поступает на вход амплитудного детектора 5. При работе электроакустического преобразователя в измерительной обмотке 3 наводится электродвижущая сила и поступает на вход амп- литудного детектора 6. С выходов амплитудных детекторов сигналы тока и электродвижущей силы поступают на входы устройства 7 деления, причем сигнал тока поступает на вход делимого, а сигнал электродвижущей силы поступает на вход делителя. На входе устройства 7 деления получаем сигнал, пропорциональный амплитуде механических колебаний. При замыкании ключа 8 сигнал, пропорциональный амплитуде механических колебаний, поступает на элемент 9 памяти и запоминается. Выход элемента 9 памяти подключен к входу экстремального регулятора 10, который изменяет частоту источника 1 питания таким образом, чтобы она соответствовала максимуму его входного сигнала, т.е. максимуму амплитуды механических колебаний.

В табл. 1 приведены значения сигналов входного тока И, электродвижущей силы измерительной обмотки Е2, функции, пропорциональной амплитуде механических колебаний F(Јj), амплитуды механических колебаний Ј и расчетные значения функции D(Ј)pac. в диапазоне частот, прилегающих к резонансной частоте преобразователя. Измерения проводили на устройстве, собранном согласно структурной схемы, представленной на чертеже. Результаты испытаний устройства, реализующего предлагаемый способ, приведены в табл. 2-6.

При проведении испытаний проводили одновременный замер значения F(Ј) и амплитуды механических колебаний преобразователя. Амплитуду механических колебаний замеряли прибором типа УБВ-2.

В табл. 2 показано влияние температуры волновода-инструмента на резонансную частоту преобразователя и точность определения этой частоты по предлагаемому способу.

В табл. 3 показано влияние напряжения питания преобразователя на его резонансную частоту и точность определения этой частоты по предлагаемому способу.

В табл, 4 показано влияние изменения длины волновода-инструмента на резонан- сную частоту преобразователя и точность определения этой частоты по предлагаемому способу.

В табл. 5 показано влияние на резонансную частоту преобразователя усилия при- 0 жатия волновода-инструмента к обрабатываемой поверхности и точность определения этой частоты по предлагаемому способу.

В табл. 6 показано влияние изменения 5 тока подмагничивания на резонансную частоту преобразователя и точность определения этой частоты по предлагаемому способу.

Измерения проводились при I подмаг- 0 ничивания 5,5 А и U питания 150 В и температуре волновода 293 К, при этом f резонансная 22185 Гц.

При всех измерениях базовым являлся режим: 51подм. 5,5 А

Кпит. 150В

Т 293 К

Длина волновода постоянна.

Резонансная частота определялась по 0 максимуму функции F(|) и по максимуму амплитуды механических колебаний Ј.

Положительный эффект заявляемого способа заключается в осуществлении более точной автоподстройки частоты источ- 5 ника питания под резонансную для любого преобразователя, так как на определение значений резонансной частоты не влияют параметры электрической стороны электроакустического преобразователя, которые 0 изменяются в процессе работы в зависимости от температуры, питающего напряжения, частоты, длины ультразвукового инструмента, усилия прижатия и при этом источник питания работает в номинальном 5 режиме.

Формула изобретения

Способ подстройки частоты источника питания магнитострикционного электроакустического преобразователя, заключаю- 0 щийся в измерении входного тока преобразователя, выборе сигнала, пропорционального амплитуде колебаний преобразователя, и изменении частоты источника питания до достижения максимума сигнала, 5 пропорционального амплитуде колебаний преобразователя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности подстройки частоты, входной ток преобразователя измеряют при непрерывной работе преобрззователя, одновременно дополнительно измеряют электродвижущую силу в его измерительной обмотке, а в качестве сигнала, пропорционального амплитуде колебаний

преобразователя, используют результат деления величины тока преобразователя на величину электродвижущей силы в измерительной обмотке преобразователя.

Использование: область ультразвуковой техники. Сущность изобретения: измеряют входной ток преобразователя при его непрерывной работе, при этом измеряют дополнительно электродвижущую силу в измерительной обмотке этого преобразователя, выбирают сигнал, пропорциональный амплитуде колебаний преобразователя, используя в качестве него результат деления величины входного тока преобразователя на величину электродвижующей силы в измерительной обмотке преобразователя, измеряют частоту источника питания до достижения максимума этого сигнала. 1 ил., 6 табл.

- экстремумы функций; все величины сигналов выражены в вольтах и являются относительными, они показывают характер изменения функций в окрестностях резонансной частоты;

Таблица 1

Таблица 2

Таблица 3

Таблица 4

Таблица 5

Таблица 6

s

8