Способ возбуждения крутильных колебаний и устройство для его осуществления Советский патент 1980 года по МПК H04R15/00 G01N9/10 

1

: Изобретение относится к технической.акустике и может найти применение 6 области измерительной техники для возбуждения крутильных колебаний магнитострикционнаго стержня в вибрационно-частотных измерительных приборах.

Известен способ возбуждения крутильных колебаний магнитострикционного стержня 1 путем намагничивания его переменным геликоидальным магнитным потоком, заключающийся в скручивании магнитоупругого стержня, по которому течет постоянный электрический ток при наличии внешнего, направленного вдоль оси стержня продольного магнитного поля. При сложении продольного магнитного поля и кругового магнитного пбля, создаваемого током в стержне, получается результирующее поле в форме круговой спирали - геликоиды, которая вследствие наличия у стержня магнитострикционных сйойств создает упругие силы, вызывающие закручивание стержня. При модуляции одного из магнитных полей результирующий геликоидально-направленный в пространстве и периодически изменяющийся во времени магнитный поток вызывает крутильные колебания стержня. Таким образом, стержень периодически закручивается по линиям намагниченности. Направление закручивания определяется знаком линейной магнитострикции материала. Простой сдвиг, осуществляемый касательными напряй ениямн при магнитострикционном закручивании стержня, эквивалентен главным напряжениям растяжения и сжатия. При этом главные напряжения в стержне пропорциональны расстоянию до его оси и направлены по винтовым поверхностям-геликоидам, составляющим угол (л/4) с любым осевым и поперечным сечением стержня в зависимости от направления скручивания. Максимальное закручивание стержня осуществляется при совпадении угла наклона

результирующего геликоидального магнитного поля с направлением действия напряжений в стержне. Однако этот способ требует значительных величин токов для получения необходимых величин магнитных потоков.

Известны устройства для осуществления известного способа, в которых возбуждение крутильных колебаний магнитоупругого стержня осуществляется намагничиванием его перемейным геликоидальным магнитным поTOKmvi 2. --у------ -- -Т- ; Однако эти устройства сложны и неэконом ичны.-.,. si--,.-- .... Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ 3, основанный на намагничивании магнитострикционного стержня круговым и продоль н6Ш ма;гНитнаМи пбтгбКами, оДйНйЗ которых йзменйют во времени синусоидальное Известно устройство для его реализаЦИМ, содержащее консольно закрепленный магнитострикционный трубчатый стержень, охваченный взаимно перпендикулярными обмотками возбуждения - тороидальной, навитой на трубчатый стержень, и аксиальной, пр(ЬхЬдящей внутрии сйаружи его, частотомер, подключенный к одной из обмоток возбужденияи 1с выходу усилителя, вход которого подключен к противоположным торцам трубчатого стержня. Однако, этот способ и реализующее его устройство не дают высокой fS4ffffCTHiBbcnpo изведрния крутильных колебаний и требуют значительной мощности на их возбуждение. Указанные недостатки обусловлёнЫ тем, что при постоянном поперечном (продольном) иагнйтном потоке и переменном синусоидальном продольнс|М (поперечном) магнитном потоке результирующий геликоидаль нь1Й магнитный поток может бЙ1Т6 1Т;ртёд став Л1Гн-да7йГв3 аШнб1Тер 1ёйдйКулярййМй составляющими с углом подъема л/4 к продольной оси стержня.. Обесбставяятащйе имеют ярко выраженный несинусоидальный р акте р в вйд е пул бСйру ющи х пот оков н а фоне постоянной составляющей. Вследствие этого в стрежне возникают магнитострик. цибнные напряжения, совпадающие с направлением двух взаимно перпендикуляр, ных составляющих результирующего геликоидального магнитного потока, сложный спектральный состав которых способствует возбуждению колебаний стержНя На частотах высщих порядков. Ослабление частот высших гармоник колебаний может быть достигнуто применением автоматической регулировки усиления (АРУ) или усилителей с амплитудными ограничителями и последующей фильтрацией, что в крневдом итоге снижает точность воспроизведёния колебаний. Наличие С0(:тявляющ,ей резуЖтйрующего геликоидального магнитного потока, направлейного в сторону, противоположную действию переменного потока и несинуСоидальность составляющих результирующего гелккойДаЛ1Е нс1Гр;; м;а гнитно.гр потока приводят к несинусоидальным колебаниям стержня с малой амплитудой, для возбуждения которых необходима значительная мощность. Увеличение амплитуды колебаний стержня соггровождается увеличением подводимой мЪщноСТй,что приводит к проявлению нелинейных свойсТв 8 ШДё зави

.3)..-: - f-y f - L-симости частоты крутильных колебаний стержни от амплитуды его колебаний. Целью изобретения является повыщение точности измерений воспроизведения круильных колебаний и снижейие мощности, атрачиваемой на их возбуждение. Поставленная цель в способе достигается благодаря тому, что другой магнитный йЬток применяют по закону модуля синусоиды той жечастоты с нулевым начальным фазовым сдвигом относительно первого магйитного потока. В устройстве поставленная цель достигается за счет того, что в него введены Последовательно соединенные между собой фазовращатель и двухполупериодный выпрямитель,:выход которого подключен к другой обмотке возбуждения, а вход фазовращателя соединен с выходом усилителя. Указанная совокупность признаков сцособствует установлению одночастотного режима колебаний матнитоупругого стержня за счет того, что эпюра интенсивности возбуждающих сил повторяет форму механических колебаний стержня. В предлагаемом способе возбуждения результирующая геликоидальная намагниченность в течение всего периода действия возбуждающих потоков направления под углом л/4 к продольным и осевым сечениям стержня, совпадая с направлением действия механических напряжений, возникающих при кручейии стержня. Амплитуда же колебаний стержня соответствует величине результирующего геликоидального магнитного потока в каждый моментвремени. Использование при возбуждении крутильйых колебаний магнитострикционной Силы, изменяющейся по гармоническому закону, приводит к снижению мощности, затрачиваемой на возбуждение этих колебаний. Изобретение поясняется чертежом, где представлена схема, устройства. Магнитострикционный трубчатый стержень 1 консольно жестко закреплен в основании 2. Стержень 1 охвачен взаимно перпендикулярными обмотками возбуждения: коаксиальной обмоткой возбуждения 3, установленной соосно, с трубчатым стержнем 1, и тороидальной обмоткой возбуждения 4, проходящей через стержейь 1. К концам трубчатого Стержня 1 подключен вход усилителя 5, выход которого подсоединен к коаксиальной обмотке возбуждения 3, частотомеру 6 и к Входу фазовращателя 7, последовательно соединенного с входом двухполупериодного выпрямителя 8. Выход двухполуперйодного вь1Прямителя 8 подключен к тороидальной обмотке возбуждения 4. Работа предлагаемого устройства происходит следующим образом. При включений напряжения питания коаксиальная обмотка возбуждения 3 создает продольный синусоидальный магнитный поток Фгрод., Помимо магнитного потока ФпроА- е- стержне 1 действует круговой пульсирующий магнитный поток Ф«р, создаваемый током тороидальной обмотки возбуждения 4. Пульсирующий круговой магнитный поток изменяется по закону модуля синусоиды н имеет вид полувол.ны сийусоиды с двойной частотой синоусидального продольного магнитного потока. В результате взаимодействия кругового и продольного магнитных потоков в стержне 1 создается результирующий геликоидаль ный магнитный поток и, как следствие, появляются крутильные механические колебания, совпадающие по форме с интенсивностью возбуждающих сил.

При скручивании стержня 1, помещенного в переменное магнитное продольное поле, на его концах возникает периодический электрический сигнал в виде электродвижущей силы (ЭДС) Видемана, полярность которой зависит от направления скручивания стержня, а величина определяется углом его закручивания. Периодический электрический сигнал усиливается усилителем 5. Усилен-, ный электрический сигнал в виде синусоиды с выхода усилителя 5 подается на коаксиальную обмотку возбуждения 3 и частотомер 6. С выхода усилителя 5, который может быть выполнен тран сформаторным, синусоидальный сигнал, находящийся в фазе с сигналом, подаваемым на коаксиальную обмотку возбуждения 3, сдвигается по фазе в фазовращателе 7 и после выпрямления в выпрямителе 8, в виде пульсирующих полуволн тока синусоиды одного знака с двойной частотой синусоидального продольного магнитного потока подается в тороидальную обмотку возбуждения 4. Фазовращатель 7 необходим, чтобы обеспечить нулевой начальный фазовый сдвиг между круговым магнитным потоком и продольным магнитным потоком при неравных между собой индуктивностях тороидальной и коаксиальной обмоток возбуждения. Таким образом, в стержне поддерживаются незатухающие механические колебания на частоте его собственных колебаний, фиксируемой частотомером 6. Аналогичная картина будет происходить, если тороидальную обмотку возбуждения 4 запитать Ьинусоидальным троком, а коаксиальную обмотку возбуждения 3 - пульсирующим током в виде полуволн синусоиды одного знака с двойной частотой тока тороидальной обмотки возбуждения 4 и с нулевым начальным фазовым сдвигом относительно последнего. В этом случае тороидальную обмотку возбуждения 4 необходимо подключить непосредственно к выходу усилителя 5, а. коаксиальную обмотку возбуждения 3 - через последовательно соединенные фазовращатель 7 и выпрямитель 8.

При этом в течение полупериода одновременного действия с нулевым фазовым

сдвигом волны модуля синусоиды кругового (продольного) магнитного потока и положительной полуволны продольного (кругового) магни ного потока стержень намагничивается по круговой спирали-геликоиде с углом подъема л/4, совпадающей по направлению с механическими напряжениями в стержне. В соответствии с величиной синусоидально изменяющегося во времени результирующего магнитного потока происходит магнитострикционное механическое закручивание стержня. В следующий полупериод, когда полярность волны модуля синусоиды кругового (продольного) магнитного потока и полуволны, продольного (кругового) магнитного потока противоположны, стержень намагничивается по круговой спирали-геликоиде с углом подъема п/4, но в направлении перпендикулярном намагниченности в течение первого полупериода. При этом стержень,.в, соответствии с величиной синусоидально изменяющегося результирующего магнитного потока закручивается в другую сторону. Таким образом, механические напряжения совпадают по направлению с результирующей намагниченностью в течение всего периода действия возбуждающих сил . Амплитуда же механических колебаний соответствует величине результирующего геликоидального магнитного потока.

Формула изобретения

1.Способ возбуждения крутильных колебаний, основанный на намагничивании магнитострикционного стержня круговым и продольным магнитными потоками, один из которых применяют во времени синусоидально, отличающийся тем, что, с целью повышения точности воспроиведения колебаний и снижения мощности, затрачиваемой на их возбуждение, второй магнитный поток изменяют по закону модуля синусоиды той же частоты, с нулевым начальным фазовым сдвигом относительно первого магнитного потока.

2.Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее консольдо закрепленный магнитострикционный трубчатый стержень, охваченный взаимно перпендикулярными обмотками возбуждения - тороидальной, навитой на трубчатый стержень и аксиальной, проходящей внутри и снаружи его, частотомер, подключенный к одной из обмоток возбуждения и к выходу -усилителя, вход которого подключен к противоположным концам трубчатого стержня, отличающегся тем, что в устройство введены последовательно соединенные между собой фазовращатель и двухполупериодный выпрямитель, выход которого подключен к другой обмотке возбуждения, а вход фазовращателя соединен с выходом усилителя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Большая Советская энциклопедия, т. 5, изд. третье, М., «Сов. энциклопедия, 1971, с. 30.

2.Авторское свидетельство, СССР № 480293, кл. G 01 N 9/12, 1973.

3.Авторское свидетельство СССР № 365520, кл. G 01 N 9/0, 1969.