DE1472360A1 - Elektromechanischer Schwingungserzeuger - Google Patents

Description

• Elektromechanischer Schwingungserzeuger Es gibt zanlreiche Geräte, mit denen bestimmte physikalische Grossen durch die @ufrechterhaltung und Analyse von mechanischen Schwingungen in einem geeigneten Aufbau untersucht werden können. Hierzu gehören insbesondere die dynamischen Versuche im Bereich der Festigkeitslchre, die Bestimmung von kritischen mechanischen Resonanzfrequenzen, die @rtung von Strukturrnangeln und die Messung des gyroskopischen Effekts. Bei allen diesen Messverfahren wird eine Struktur in einen Schwingungszustand versetzt, und entsprechend angeordnete elektromechanische Abtas ter Liefern SignaLe, deren Kreisfrequen gleich derjenigen der @chwingung ist.
• Angesichts angesichts der Kleinheit der abgetasteten Amplituden und der Empfindlichkeit der Abtaster ist es wesentLich, die Erregungskreise und die Detektorkreise gut voneinander zu entkoppeln. Eine solche Kopplung ist insbesondere dann schwierig, wenn durch diese preise elektrische signale der gleichen Kreisfrequenz gehen. Die meisten bekannten wandler setzen die mechanischen Grössen in elektrische Grössen bzw. umgekehrt unter Aufrechterhaltung der Kreisfrequenz der Erscheinungen um. Dies führt zu einem Nebensprechen, das besonders dann störend ist, wenn der Abtastpegel sehNniedrig ist. Zur \ferringerung des Nebensprechens zwischen den Erregeranordnungen und den Abtastvorrichtungen sind elektronische Neu-tralisierungsverfahren und Frequenzumsetzungsverfahren bekannt, die beträchtliche Schwierigkeiten aufweisen und ziemlich kritisch durchzuführen sind.
• Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung zur selbsttätigen Aufrechterhaltung von mechanischen Schwingungen, die im wesentlichen dadurch gekennzeichnet ist, dass ein mit der schwingenden Struktur gekoppelter nicht linearer elektromagnetischer Wandler und eine Aufrechterhaltungsschleife für die Schwingungen vorgesehen sind, wobei es der WandLer ermöglicht, die Struktur mit einer Kreisfrequenz schwingen zu lassen, die doppelt so gross wie die elektrische elektrische Kreisfrequenz der aufrechterhaltenen ochwingungen in der Aufrechterhaltungsschleife ist.
• Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielshalber beschrieben. Darin zeigen: Fig. 1 ein Schema eines magnetischen elektromechanischen Wandlers, der ein BestandteiL der erfindungsgemässen Anordnung bildet, Fig.2 das elektrische Ersatzschaltbild des Wandlers von Fig. 1, Fig.3 ein Prinzipschema der erfindungsgemässen Anordnung, Fig. 4 das Prinzipschema einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemässen Anordnung und Fig.5 das Prinzipschema einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemässen Anordnung.
• Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• Fig. 1 Pig.1 zeigt einen Elektromagnet 1, der von einem Generator 5 gespeist wird. Bin Strom i mit der Kreisfrequenz Le) strömt über die n Windungen der Erregerwicklung. Dieser Elektromagnet übt eine Anziehungskraft mit der Grundkreisfrequenz 2 # auf eine ferromagnetische Schicht 4 aus, die den beweglichen Anker des Elektromagnets bildet. Diese Schicht haftet an einem mechanischen System, das mit einem Preiheitsgrad schwingt und aus einer Platte 2 mit der Masse m besteht, die über zinke Feder 5 mit der Federkonstante k elastisch aufgehängt ist. Die Eigenresonanzkreisfrequenz des mechanischen Systems beträgt 2#, und die mechanische Dämpfung ist so klein, dass die Resonanz spitz ist.
• Diese elektromechanische Anordnung bildet einen Wandler, der eine zweiseitige. Zuordnung zwischen den mechanischen und den elektrischen Grössen herstellen kann. Seine Verwendung als Erreger ist alLgemein bekannt. Die Anziehungskraft ist dem Quadrat des Stroms proportional. Die Grundkreisfrequenz 2 ta> stimmt mit der Eigenresonanzkreisfrequenz tberein, so dass der Anker eine praktisch sinusförmige Schwingungsbewegung ausführt.
• Fig.2 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild, das die Eigenschaften des Wandlers von Fig.1 bei Verwendung als Abtaster erläutert, d.h., wenn dieser die mechanischen Schwingungen in elektrische Signale umwandelt. Er dient dabei dabei natürlich gleichseitig als Erreger, d.h., dass er Schwingungen erzeugt, während er gleichseitig als Abtaster dient. Diese Ersatzschaltung enthält in Serie die Ruheinduktivität X des Wandlers und den Ruhewideretand R (Eigeninduktivität und Eigenwiderstand der Wicklung).
• Es enthält ierner eine Wechseletromquelle, welche den Einfluss der Schwingung auf den vom Strom i erzeugten Magnetfluse ausdrückt.
• Es iet zu bemerken, dass das Vorhandensein der Kreisfrequenz um im Spektrum der Bewegunsspannung ß festzustellen ist, obgleich diese Kreisfrequenz halb so gross wie die Kreisfrequenz der mechanischen Schwingung des Systeme ist.
• Es sind ferner Mittel vorgesehen, mit denen die Komponente # der Bewegungespannung ~ von den anderen Gliedern abgetrennt werden kann, welche die Spannung bilden, die zwischen aen Klemmen A und B der Wicklung des Wandlers besteht.
• In Fig.3 ist eine schwingende Platte oder Rute 8 dargestellt, die mit Hilfe eines Wandlers 6 der zuvor angegebenen Art erregt wird, und an der eine Gesohwindigkeitsmessung mit Hilfe eine bekannten Wandler 7 mit veränderlichem magnetischem Widerstand durchgeführt wird.Aus der Zeichnung ist zu erkonnen, dass dass zwischen den beiden Wandlern 6 und 7 der wesentliche Unterschied besteht, dass bei dem bekannten Wandler 7 ein Magnetkreis mit Permanentmagnet verwendet wird, während die erfindungsemässe Anordnung 6 einfach einen Magnetkreis aue verlustarmen Magnetblechen enthält. Der Wandler 6 dient gleichzeitig alsErreger und als Abtaster, wie unter Bezugnahme auf Fig.1 erläutert worden ist, und er wird somit ntsprechend der Darstellung von Fig.1 zur Erzeugung der aufrechterhaltenen Schwingungen der schwingenden Platte 8 verwendet. Zu diesem Zweck bildet der Wandler mit den Impedanzen Zig Z2, Z0 eine Wheatstone'sche Brücke, die zwischen den Klemmen 1 und O (Masse) abgeglichen ist, wenn sich die Platte in Ruhe befindet. Wenn die Platte schwingt, erscheint die Spannung EM zwischen den Klemmen 1 und O, während der Erregungsstrom i infolge der Speisung der Brücke über den Anpassungstransformator 10 fliesst.
• Die Bewegungsspannung enthält Oberwellen von #, die ohne Schwierigkeit mit Hilfe eines Filters 12 abgetrennt werden kann, das beispielsweise ein auf die Frequens # abgestimmter Banapass ist. Die verbleibende Spannung mit der Frequens # geht über einen Amplitudenbegrenzer 11, der die Aufgabe hat, die Schwingungsamplitude der Platte auf den erwünschten Wert zu stabilisieren. Die ausgefilterte und amplitudenbegrenzte Spannung wird dem Eingang eines Verstärkers 9 Verstärkers 9 augeführt, au dessen Ausgang die Primärwicklung d.s Transformators 10 angeschlossen ist. Die eo gebildete Schleife führt zu einer Schwingungserregung, wenn die Phase und Amplitude des Signals die Rückkopplungsbedingung erfüllen. Durch dieses Abgleichverfahren wird der Spannungsabfall kompensiert, welcher der Wicklung des Wandlers zuzuschreiben iet.
• Dieees neuartige System sur Aufrechterhaltung der Schwingung einer schwingenden Platte ergibt den Vorteil, dass über den elektrischen Kreis Erregungssignale fliessen, welche die Kreisfrequenz 2 t4> der Schwingung der Platte nicht. enthalten. Der Abtaster 7 mit veränderlichem magnetischem Widerstand, der in der NWho der Platte angeordnet iet, tastet in an sich bekannter Weise ein Signal mit der Kreisfrequenz 2# ab. Er kann ausserdem durch Gegeninduktion eine Störspannung mit der Kreisfrequenz # auffangen, welche von der Störstrahlung des Oszillators stammt. Deshalb ist an den Ausgang dieses Abtasters ein Pilter 13 angeschlossen, das so eingestellt ist, dass es die Stbrepannung eperrt.
• Dieses Filter besteht beispielsweise aus einem Bandpass, der auf die Lreisfrequenz 2 0 abgestimmt ist.
• Durch Durch die Anordnung von Fig.3 ist das Nebensprechen zwischen einem Abtaster und einem Erreger mit selbsttätiger Schwingungserzeugung beträchtlich verringert. Mit bekannten Mitteln könnte dies nur unter Verwendung von sehr viel komplizierteren Schaltungen erreicht werden, mit denen eine Frequenzumsetzung vorgenommen wird.
• Die an Hand von Pig.i bis 3 erläuterte Anordnung dient nur als Beispiel; sie stellt keine Einschränktung für den Anwendungsbereich der Erfindung dar, die sich auf jede System erstreckt, bei welchem der Wandlereffekt beim Fehlen einer anfänglichen Vorspannung dem quadratischen Gesetz folgt.
• Fig.4 zeigt eine Schaltung mit einem elektrostatischen Wandler zwischen den Klemmen A und B der Wheatstone'schen Brücke. Die schwingende Platte 8 ist in Stirnansicht dargestellt, und ihre Unterseite ist leitend gemacht. Dieser Platte liegen zwei Gegenelektroden 14 gegenüber, die mit der leitenden Schicht der schwingenden Platte ein Par Kapazitäten bilden, die in Serie in dem Zweig AB der Brücke eingeschaltet sind.
• Die dadurch gebildete Wandleranordnung ist von einer Abschirmung 15 umgeben, die mit Masse so verbunden ist, dass das Austreten von elektrischen Feldern verhindert wird. Diese Anordnung arbeitet arbeitet in analoger Weise wie der magnetische Wandler mit dem Unterschied, dass sich die erregung der Platte aus der Spannung e ergibt, die zwischen den Klemmen A und B angelegt wird, und dass der Innenwiderstand sehr vieL grösser ist. t'ine andere Selbsterregungsschaltung mit einem elektrostatischen WandLer ist in Fig.5 dargestellt. In diesem Fall tat ein Impedanz-Abwärtstransformator 16 zwischen den Wandler und den Zweig A-B der Wheatstonetschen Brücke eingefügt, damit der Spannungsabgleich mit hilfe von wesentLich kleineren Impedanzen erhalten werden kann.
• Patentansprüche

Claims (4)

1. Patentansprüche 1. Anordnung zur selbsttätigen Aufrechtrhaltung von Schwingungen einer mechanischen Struktur bei deren Eigenfrequenz mit einem elektromechanischen Wandler, der mit der Struktur gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler eine mechanische erregung erzeugt, deren AmpLitude sich als Funktion der elektrischen Erregung quadratisch ändert, dass der Wandler mit dem einen Zweig einer Brücke gekoppelt ist, dass die Brücke ein eLektrisches Signal abgibt, das die halbe Frequenz der Resonanzfrequenz der Struktur hat und im Ruhezustand der Struktur abgeglichen ist, und dass Sinrichtungen vorgesehen sind, die eine Speisung auf Grund dieses Signals derart bewirken, dass die mechanische Schwingung bei der Reschanzfrequenz aufrechterhalten wird.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler ein Elektromagnet ist, der einen Weicheisen-Magnetkreis und eine Erregungswicklung enttjält.
3. 5. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen linearen Schwingungsabtaster, dem ein Bandfilter zugeordnet ist, das auf die Resonanzfrequenz abgest ist.
4. 4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung zur Speisung der Brücke in Kaskade ein auf die halbe Frequenz abgestimmtes Bandfilter, einen Amplitudenbegrenzer und einen Verstärker enthält.

   5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler ein nicht polarisierter elektrostatischer Wandler ist.

   6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrostatische Wandler ein Paar- feststehende Elektroden enthält, die mit der Struktur so gekoppelt sind, dass dadurch zwei in Serie geschaltete Kondensatoren gebildet werden.

   7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden mit der Brücke über einen Impedanz-Abwärtstransformator gekoppelt sind.