DE1294577B

DE1294577B - Magnetostriktiver Wandler fuer eine fortschreitende Longitudinalwelle, insbesondere fuer eine Verzoegerungsleitung

Info

Publication number: DE1294577B
Application number: DEF44070A
Authority: DE
Inventors: Luttge Barrie; Wiseman Neil Lemar
Original assignee: Friden Inc
Current assignee: Friden Inc
Priority date: 1963-09-30
Filing date: 1964-09-25
Publication date: 1969-05-08
Also published as: US3265996A; NL6408542A; US3260970A; GB1048144A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen magneto- fläche der Spule zugewandt ist, in Längsrichtung der striktiven Wandler für eine fortschreitende Longitudi- Spule sowie auf die Spule zu und von der Spule weg nalwelle, insbesondere für eine Verzögerungsleitung, verstellbar ist.

mit einer sich längs der Fortpflanzungsrichtung Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung

der Welle erstreckenden und das magnetostriktive 5 ist dadurch gekennzeichnet, daß für η Nullstellen in Element umgebenden Spule. der Fortpflanzungsrichtung der Welle Permanent-

Die Longitudinalwellen, die zu übertragende magneten mit η—1 der Spule zugewandten Polen Signale darstellen, werden bei ihrem Fortschreiten gleicher Polarität im Abstand voneinander in Längslängs der Verzögerungsleitung verzerrt. Es ist daher richtung der Spule angeordnet sind, erwünscht, am Ausgangswandler Maßnahmen vor- xo Eine andere bevorzugte Ausführungsform der Erzusehen, um die Wellenform des Ausgangssignals zu findung ist dadurch gekennzeichnet, daß für η Nullverbessern. In anderen Worten ausgedrückt, ist es stellen in der Fortpflanzungsrichtung der Welle erwünscht, die Spule des Wandlers mit einem Emp- Permanentmagneten mit η der Spule zugewandten findlichkeitsprofil zu versehen, welches den Über- Polen abwechselnder Polarität in Längsrichtung der tragungscharakteristiken der Verzögerungsleitung 15 Spule im Abstand voneinander angeordnet sind, entspricht. Dies ist erwünscht, um ein Zusammen- Gemäß der Erfindung kann das Empfindlichkeitsziehen des Ausgangssignals zu bewirken und eine profil der Spule auf verhältnismäßig einfache Weise einzige schärfere Ausgangsspitze mit guter Auflösung in Übereinstimmung mit der Übertragungscharakte- und hohem Signal-zu-Geräusch-Verhältnis zu er- ristik der Verzögerungsleitung gebracht werden. Inshalten. 20 besondere kann auch eine Einstellung oder Änderung

Es ist bekannt, zur Erzeugung eines Vormagneti- des Empfindlichkeitsprofils während des Betriebs der sierungsfeldes nahe einer Spule einer Verzögerungs- Verzögerungsleitung bequem vorgenommen werden, leitung einen sich in Längsrichtung der Spule er- Damit ist gleichzeitig eine vergleichsweise einfache streckenden stabförmigen Permanentmagneten anzu- Anpassung an sich ändernde Betriebsbedingungen ordnen, dessen Länge zum Erzeugen eines im 35 möglich.

wesentlichen gleichförmigen Magnetfeldes an der Die Erfindung wird nachstehend an Hand der

Spule beträchtlich größer als die Länge der Spule ist Zeichnungen beispielsweise erläutert, und der in Längsrichtung der Spule in die Stellung Fig. 1 ist eine schaubildliche, teilweise gemaximaler Empfindlichkeit einstellbar ist (USA.- schnittene Ansicht eines an dem einen Ende einer Patentschrift 2 946 968). 30 elastischen Verzögerungsleitung angeordneten Wand-

Es ist auch bekannt, zur Verringerung der Breite lers;

der elektromagnetischen Kopplung an beiden Enden F i g. 2 ist ein Teilquerschnitt durch den Wandler

der Spule entweder je eine Scheibe großer Leit- gemäß Fig. 1;

fähigkeit, beispielsweise aus Kupfer oder Silber, oder Fig. 3 ist eine Teildraufsicht, die eine Abwand-

je eine Scheibe aus Ferrit mit großem Widerstand an- 35 lung des Wandlers gemäß F i g. 1 veranschaulicht; zuordnen (USA.-Patentschriften 3 016 498,3 034 077, F i g. 4, 5 und 6 sind graphische Darstellungen der

Abhandlung von Scarrott und R. Naylor in der Zeit- Feldintensität relativ zu den Spulenachsen und schrift »Proceedings of the Institution of Electrical Spulen gemäß Fig. 1 bis 3;

Engineers«, Vol. 103 [1956], Part B, Supplement- Fig. 7 bis 12 sind ähnliche graphische Dar-

Band Nr. 3, S. 497 bis 508). 40 Stellungen von Feldintensitäten, die sich auf Grund

Es ist schließlich auch bekannt, zur Verbesserung verschiedener Magnetanordnungen ergeben; der Wellenform des Ausgangssignals bei der Spule Fig. 13 ist eine schematische Darstellung, welche

die Windungszahl je Längeneinheit in Überein- die Anordnung mehrerer Magneten und das sich Stimmung mit einer Korrekturfunktion zu bringen ergebende Empfindlichkeitsprofil für eine lange (Scarrott und R. Naylor). Jedoch ist das Wickeln 45 Wandlerspule wiedergibt.

solcher Spulen vergleichsweise kompliziert, weil in Bei der in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungs-

Übereinstimmung mit der Korrekturfunktion mit sich form sind zwei Spulen 10 vorgesehen, die magnetoändernder Windungsdichte gewickelt werden muß. striktive Bänder 12 eines Wandlers einer elastischen Demgegenüber liegt der der Erfindung zugrunde- Verzögerungsleitung umgeben, wobei die Verzögeliegende Gedanke darin, zur Verbesserung des Aus- 50 rungsleitung ferner ein Torsionsübertragungsglied 14 gangssignals die Empfindlichkeit der Spule durch aufweist und allgemein von der Ausbildung sein kann, Profilieren des Vormagnetisierungsfeldes zu modifi- wie sie in Fig. 7 der USA.-Patentschrift3 011136 zieren. dargestellt ist.

Die Erfindung geht hierzu aus von einem magneto- Gemäß der Erfindung wird das magnetische Feld

striktiven Wandler für eine fortschreitende Longitudi- 55 zum Vormagnetisieren der magnetostriktiven Bänder nalwelle, insbesondere für eine Verzögerungsleitung, 12 von einem kleinen Permanentmagneten 16 ermit einer sich längs der Fortpflanzungsrichtung zeugt, der mit seinem einen Ende bzw. Pol den der Welle erstreckenden und das magnetostriktive Spulen 10 zugekehrt und mit Bezug auf die Spulen Element umgebenden Spule und einer nahe der Spule 10 einstellbar abgestützt ist.

in deren Längsrichtung einstellbar angeordneten 60 Der Magnet 16 ist in einem Block 18 gelagert, der Permanentmagneteinrichtung, die ein Vormagnetisie- in Längsrichtung der Spulen 10 und der magnetorungsfeld erzeugt. Gemäß der Erfindung ist ein striktiven Bänder 12 mittels zweier Stellschrauben 20 solcher Wandler dadurch gekennzeichnet, daß zum bewegt werden kann, die in Ansätzen eines Schlittens Erzeugen eines vorgegebenen inhomogenen Verlaufs 22 angeordnet sind, der auf einem Grundteil 24 verdes Feldes, dessen in der Fortpflanzungsrichtung der 65 schiebbar ist, welcher auch die Spulen 10 abstützt. Welle verlaufende Komponente im Innenraum der Durch Verschieben des Schlittens 22 wird der Spule an wenigstens einer Stelle den Wert Null hat, Magnet 16 auf die Spulen 10 und die Bänder 12 zu wenigstens ein Permanentmagnet, dessen eine Pol- oder von ihnen weg bewegt. Der Block 18, der

Schlitten 22 und der Grundteil 24 können aus einem zweckentsprechenden nichtmagnetischen Material, wie einem Kunststoff, z. B. einem Polyamid, hergestellt sein, und die Stellschrauben 20 bestehen vorzugsweise aus Messing oder einem anderen nichtmagnetischen Material.

Die Verstellung des Magneten 16 in Längsrichtung der Spulen 10 und der Bänder 12 mittels der Stellschrauben 20 gestattet, das magnetische Feld in der Nähe der Spulen 10 und insbesondere seine in Längsrichtung der Spulen 10 und der Bänder 12 verlaufende Komponente gemäß einem gewünschten Empfindlichkeitsmuster für die Spulen 10 und die Bänder 12 zu profilieren. Wie dies nachstehend erläutert wird, können mittels einer passenden Anordnungsweise des Magneten 16 zwei über die Größe der Feldintensität Aufschluß gebende Kurvenbuckel entgegengesetzter magnetischer Flußrichtung innerhalb des wirksamen Bereiches der Spulen 10 erhalten werden. Durch eine Bewegung des Magneten 16 gegen die Spulen 10 und die Bänder 12 und von von ihnen weg wird die Empfindlichkeit im ganzen geändert und außerdem eine zusätzliche Profilierung der Feldkurve durch Verbreitern ihrer Buckel ermöglicht. s5

Bei den Ausführungsformen gemäß den F i g. 1 und 2 können die Spulen 10 eine Länge von etwa 2,5 mm haben, und der Magnet 16 kann etwa 6,4 mm lang sein. Jedoch umfaßt die Erfindung, wie dies noch beschrieben werden wird, auch die Verwendung von Spulen viel größerer Länge, insbesondere von Spulen, die länger als der Magnet 16 sind, sowie die Verwendung von zwei oder mehreren solcher Magneten, um ein Vormagnetisierungsfeld von vollkommenerem Profil zu erzeugen.

F i g. 3 veranschaulicht eine abgewandelte Ausführungsform, bei welcher ein Magnet 27 unter einem Winkel von 45° gegen die Achsen der Spulen 10 und der Bänder 12 geneigt angeordnet ist. Der Magnet 27 ist in einem schräg abgeschnittenen Block 29 gelagert, der in der Vorrichtung gemäß F i g. 1 und 2 an die Stelle des Halteblocks 18 tritt, so daß der Magnet 27 sowohl gegen die Spulen 10 und von ihnen weg als auch in Achsenrichtung der Spulen 10 und in Längsrichtung der Bänder 12 einstellbar ist.

Die Erfindung zieht Nutzen aus dem divergierenden und gekrümmten Verlauf der Kraftlinien des magnetischen Feldes, welches den Magneten, wie den stabförmigen Magneten 16 bzw. 27 gemäß den F i g. 1 und 2 bzw. 3, umgibt.

F i g. 4 ist eine graphische Darstellung der Feldintensität relativ zur Spulenachse. Die Linie 56 gibt die Mittelachse der in der Stellung 34 befindlichen Spule wieder, und der Magnet 30 ist schräg zu dieser Linie dargestellt. In Fig. 4 gibt die Kurve 58 das Vorzeichen und die Intensität der Feldkomponente längs der Linie 56 wieder. Es ist ersichtlich, daß die Teile entgegengesetzten Vorzeichens der Kurve 58 ähnliche Kurvenbuckel 59 und 60 von verschiedener Größe darstellen und daß nahe der Nullstelle der Kurve ein Kurvenstück von großer Linearität an der in der Lage 34 befindlichen Spule vorhanden ist. Diese Linearität ist bereits an sich vorteilhaft, und aus den unterschiedlichen Größen der beiden Kurvenbuckel59 und 60 kann ein Vorteil in Verbindung mit einer langen Spule gezogen werden, wie sie in F i g. 4 durch die gestrichelte Linie 61 angedeutet ist.

F i g. 5 zeigt die Feldintensität 68 längs der Achse 66 der Spule 36 und das Empfindlichkeitsprofil 72 einer Anordnung, bei welcher ein Magnet 30 mit einem Pol der Spule zugewandt ist und mit Bezug auf die Mitte der Spule symmetrisch angeordnet ist.

F i g. 6 zeigt eine Anordnung eines mit einem Pol der Spule 36 zugewandten Magneten 30, der mit Bezug auf die Mitte der Spule 36 unsymmetrisch bzw. seitlich versetzt angeordnet ist. Es ist zu verstehen, daß der sich längs der Mittellinie des Magneten 30 erstreckende Feldvektor 64 rechtwinklig zur Spulenachse 66 verläuft und daß zu beiden Seiten dieses Vektors 64 die Feldlinien gegen den Vektor 64 konvergieren. Die sich ergebende Längskomponente des Feldes längs der Achse 66 der Spule 36 ist in Fig. 6 durch die Kurve68 wiedergegeben. Das sich ergebende Empfindlichkeitsprofil der gemäß F i g. 6 angeordneten Spule ist in F i g. 6 durch die Kurve 70 wiedergegeben. Es ist ersichtlich, daß in diesem Empfindlichkeitsprofil der Kurvenbuckel des einen Vorzeichens viel größer als der Buckel des anderen Vorzeichens ist, und zwar wegen der in bezug auf die Spule 36 nicht zentralen Lage desjenigen Teils des Feldes, der in Richtung der Achse 66 der Spule 36 bzw. in Richtung der Mittellinie des Bandes 12 (Fig. 1) eine Komponente vom Wert Null hat.

Wie bereits eingangs erwähnt, ist es erwünscht, die Spule eines magnetostriktiven Wandlers einer akustischen Verzögerungsleitung mit einem Empfindlichkeitsprofil zu versehen, welches den Übertragungscharakteristiken der Verzögerungsleitung entspricht. Dies ist erwünscht, um ein Zusammenziehen des Ausgangssignals zu bewirken und eine einzige scharfe Ausgangsspitze mit guter Auflösung und hohem Signal-zu-Geräusch-Verhältnis zu erhalten. Es ist gefunden worden, daß ein hoher Grad der Korrektur des Ausgangssignals durch Annäherung an das theoretisch ideale Empfindlichkeitsprofil erzielbar ist, daß ferner eine solche gute Annäherung mit den Magnetausbildungen und -an-Ordnungen gemäß den F i g. 1 bis 6 erhalten werden kann und daß gute Ergebnisse durch eine einfache empirische Versuchsmethode, d. h. dadurch erreicht werden können, daß die Lage der Magneten eingestellt wird, während sich die Verzögerungsleitung im Betrieb befindet, und das Ausgangssignal an einem Oszilloskop beobachtet wird.

Es sei bemerkt, daß die in den F i g. 5 und 6 dargestellten Empfindlichkeitsprofile lediglich als Beispiele für die vielseitige Verwendbarkeit der Erfindung gegeben sind. Weitere Profile können erhalten werden, wenn bei der Ausführungsform gemaß F i g. 1 der Magnet 16 mittels der Stellschrauben ²O in Richtung der Bänder 12 bewegt wird, um das Empfindlichkeitsprofil 70 gemäß F i g. 6 zu erhalten, oder wenn der Magnet 30 mit Bezug auf die Spule 36 gemäß F i g. 6 weiter nach rechts bewegt wird.

Bei einer elastischen Verzögerungsleitung, bei welcher die drahtförmige Übertragungsbahn 14 (F i g. 1) aus einer Nickel-Eisen-Legierung bestand und einen Durchmesser von 0,76 mm und eine Länge von etwa 12 m hatte und die Bänder 12 aus Nickel bestanden und einen Querschnitt von 0,05 X 0,5 mm hatten, wurden beste Ergebnisse mit der in Fig. 1 dargestellten Anordnung erhalten, bei welcher der Magnet 16 mit seinem einen Ende den Spulen 10 zugekehrt ist.

Die Fig. 7 bis 12 veranschaulichen weiterhin die vielseitige Verwendbarkeit der Erfindung.

In Fig,7 gibt die Kurve78 die Feldintensitätskomponente längs der Achse 80 einer Spule wieder, der die Enden zweier Magneten 82 und 83 zugekehrt sind, die mit gleichen Polen aneinander liegen. Die Kurve 78 weist zwei ähnliche Buckel von entgegengesetzten Vorzeichen auf. Bei der Anordnung gemäß Fig. 7 sind die beiden gleichpolig aneinanderliegenden Magneten 82 und 83 einem einzigen breiten Magneten äquivalent. Wenn diese beiden Magneten etwas voneinander getrennt werden, hat ihre Feldintensität längs der Linie 80 den in F i g. 8 wiedergegebenen Verlauf. Die Empfindlichkeitskurve hat zusätzliche Nulldurchgänge, so daß die Kurve vier Buckel 84, 85,86 und 87 von abwechselnden Vorzeichen aufweist. Werden die gleichsinnig gepolten Magneten 82 und 83 weiter voneinander getrennt, wie dies in F i g. 9 wiedergegeben ist, dann erhalten die vier Buckel der Kurve eine gleichförmigere Größe.

Fig. 10, die der Fig. 7 ähnlich ist, zeigt das Feld eines einzigen Magneten für einen besseren Vergleich mit den Fig. 11 und 12. In Fig. 11 stellt die Kurve 88 die Feldintensitätskomponente längs einer Spulenachse 90 dar, der zwei Magneten 92 und 93 mit ihren Enden ungleicher Polarität zugekehrt sind. In Fig. 12 stellt die Kurve 89 die Feldintensitätskomponente längs der Spulenachse 90 dar; sie ist mit drei Magneten 91, 92 und 93 erhalten, die der Spulenachse 90 mit ihren Enden abwechselnder Polarität zugekehrt sind, wie dies durch die eingezeichneten Symbole »N« und »S« angedeutet ist. Die drei Fig. 10, 11 und 12 zeigen, daß mit einem Magneten in dieser Konfiguration zwei Kurvenbuckel von entgegengesetzten Vorzeichen, mit zwei Magneten drei Kurvenbuckel von abwechselnd entgegengesetzten Vorzeichen und mit drei Magneten vier Kurvenbuckel von abwechselnd entgegengesetzten Vorzeichen erzeugt werden können. Es ist einleuchtend, daß dieses Kurvenmuster erweitert werden kann und daß jede beliebige Anzahl ähnlicher Kurvenbuckel mittels zusätzlicher Magnetpole abwechselnder Polarität erzeugt werden kann, um ein gewünschtes Feldintensitätsprofil zu erhalten.

Fig. 13 veranschaulicht eine einfache, aber sehr zufriedenstellende Annäherung an die Spulenempfindlichkeitskurve, die der Übertragungscharakteristik einer Verzögerungsleitung entspricht, bei welcher z. B. die Ausgangsspule so ausgebildet ist, daß ihre Länge im wesentlichen gleich der Länge der elastischen Welle in dem Ausgangswandler ist (ungefähr 50 mm) und daß sie ein Empfindlichkeitsprofil hat, welches der Wellenform der elastischen Welle an dieser Spule ähnlich ist. Das gewünschte Empfindlichkeitsprofil einer solchen etwa 50 mm langen Spule wird dadurch erhalten, daß die Intensität des magnetischen Feldes geändert wird, welches das magnetostriktive Band innerhalb der Spule vormagnetisiert.

Fig. 13 zeigt eine Anordnung von vier Vormagnetisierungsmagneten 101, 102, 103 und 104, deren relative magnetische Intensität den Werten V2 bzw. IV3 und ¹Iz entsprechen, wie dies in Fig. 13 an den betreffenden Magneten angegeben ist, wobei die Magneten abwechselnde Polarität haben und in den angedeuteten Abständen voneinander entfernt sind. Die Magneten sind mit ihren Enden bzw. Polen der Spulenachse 106, d.h. der Mittellinie der magnetostriktiven Bänder, zugekehrt.

Die Kurve 110 stellt die magnetische Feldkomponente längs und in Richtung der Spulenachse dar. Eine Wandlerspule 112 von der in F i g. 13 wiedergegebenen Länge und Lage hat eine Empfindlichkeitsfunktion, die im wesentlichen der Kurve 110 der Feldkomponente entspricht. Diese Kurve 110 ist der gewünschten Ausgangskurve ausreichend ähnlich, um einen hohen Grad der Korrektur des Signals zu erhalten. Die Ausführung gemäß der Erfindung hat den Vorteil, daß die Magneten in ihrer Lage eingestellt werden können, um ihre Wirkung bei in Betrieb befindlichen Anlagen weiter zu verbessern.

Eine Spule mit gemäß der Erfindung profilierter Empfindlichkeit kann mit gleichem Ergebnis als Ausgangsspule oder als Eingangsspule verwendet werden. Gegebenenfalls können sowohl die Eingangsais auch die Ausgangswandler profilierte Empfindlichkeitsmuster aufweisen.

Claims

Patentansprüche:

1. Magnetostriktiver Wandler für eine fortschreitende Longitudinalwelle, insbesondere für eine Verzögerungsleitung, mit einer sich längs der Fortpflanzungsrichtung der Welle erstreckenden und das magnetostriktive Element umgebenden Spule und einer nahe der Spule in deren Längsrichtung einstellbar angeordneten Permanentmagneteinrichtung, die ein Vormagnetisierungsfeld erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen eines vorgegebenen inhomogenen Verlaufs des Feldes, dessen in der Fortpflanzungsrichtung der Welle verlaufende Komponente im Innenraum der Spule (10 bzw. 36 bzw. 61) an wenigstens einer Stelle den Wert Null hat, wenigstens ein Permanentmagnet (16 bzw. 27 bzw. 30 bzw. 82, 83 bzw. 92, 93 bzw. 91, 92, 93 bzw. 101, 102, 103, 104), dessen eine Polfläche der Spule zugewandt ist, in Längsrichtung der Spule sowie auf die Spule zu und von der Spule weg verstellbar ist.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für «Nullstellen in der Fortpflanzungsrichtung der Welle wenigstens zwei Permanentmagnetten (82, 83) mit n-1 der Spule zugewandten Polen gleicher Polarität im Abstand voneinander in Längsrichtung der Spule angeordnet sind (F i g. 8, 9).

3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für π Nullstellen in der Fortpflanzungsrichtung der Welle Permanentmagneten (92, 93 bzw. 91, 92, 93 bzw. 101, 102, 103, 104) mit η der Spule zugewandten Polen abwechselnder Polarität in Längsrichtung der Spule im Abstand voneinander angeordnet sind (Fig. 11,12,13).

4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens drei Permanentmagneten in Längsrichtung der Spule im Abstand voneinander vorgesehen sind.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen