-
Amplitudenstabilisierter mechanischer Schwinger Die Erfindung betrifft
einen mechanischen Schwinger, dessen Amplitude, stetig veründerbar von einigen Hundertstel
Hillimetern, bis zu mehreren Millimetern, stabilisiert ist, insbes@ndere zur Beeinflussung
von Bichtstrahlenbändeln verwandt werden kann und dessen Funktionstrüger nur Schwingungen
in einer Koordinatenrichtung ausführt.
-
Es sind mechunische Schwinger als Stimmgabeanordnungen bekannt, an
deren Zungen Permanentmagnete angebracht sind, mit denen in Verbindung mit Erregerspulen
die Stimmgabel elektromagnetisch sur mechanischen Schwingung angeregt wird. Die
Stimmgabelamplitude nird dabei so stabilisiert, daß in einem zweiten Spulensystem,
Permanentmagnet an der Gabel, eine Spannung induziert wird, dir ihrerseits einen
Transistor im Schalterbetrieb steuert, wodurch dem Erregerspulensystem impulsartig
so lange Energie zugefänrt wird, bis die Amplitude den festgelegen Wert erreicht.
-
Es wurde bereits ein dämpfungsarmer, als zweiarriger Hebel (Doppelzunge)
ausgebildeter mechanischer Schwinger für selbsterregete, frequenzkonetante elektromagnetische
Summer vorgeschlagen, wobei die Boppelzunge in der Llitte zei seitliche Befestigungslappen
aufweiat, die in einem Stück mit der Dopplzunge aus Stahlblech hergestellt und durch
zwei wechselseitig erregte Elektromagnete zur Schwingung anWeregt werden.
-
Des weiteren wurden bereits mechanische Schwinger als Frequenznormale
vorgeschlagen. bei denen als Schwinselemente Federn in der ist angeordnet sind,
daß entweder gerade Federzungen einseitig oder symmetrische, doppel-S-förmig gebogene
Federn im Symmetriepullkt fest einbespannt sind. Die freien Federenden -des Federpaares
werden über ein Verbindungsstück zu einem starr gekoppelten System vereinigt. In
dem Verbindungsstück ist in Iängsrichtung ein Permanentstabmagnet angeordnet, der
von einer Spule, die bei Zuführung elektrischer Energie das mechanische System zu
Schwingungen in einer Ebene anregt, umschlossen wird. Der Schwerpunkt des Verbindungsstückes
schwingt bei einseitig eingespannten
Federzungen auf einer kreisbogeniörmigen
Bahn, während bei dem System mit doppel-S-förmig gebogenen Federn der Schwerpunkt
nur in einer Koordinatonrichtung schwingt. Ls ist weiterhin bereits vorgeschlagen,
eine Stimmgabel als mechanischen Schwinger und Rückkoppelvierpol in einem Stimmgabelgenerator
zu verwenden. Die mechanische Schwingamplitude und die ineiner Rückkoppelspule an
der Gabel induzierte Spannung wird hierbei alt Ausgang eines elektrischen Verstärkers
mittels einer Kaltleiterbrückenanordnung, die aus Metallfadenlampen und Kohleschichtwiderständen
aufgebaut wurde und im Rückkoppelkreis liegt, konstant gehalten.
-
Mechanische Schwinger in form der Stimmgabel haben den Nachteil, daß
die stabilisierte mechanische Amplitude der Gabeln klein ist, da dieser Schwinger
lediglich als mechanischer Rückkoppelvierpol zur Erzeugung einer frequenz- und amplitudenstabilisierten
Ausgangsspannung eines Oszillators bzw. Generators oder eines Frequenznormales im
HF-Bereich dienen. Diese mechanischen Schwinger sind nicht geeignet, einen Funktionsträger,
der mit den Stimmgabelzinken mechanisch gekippelt ist, in Schwingungen in einer
Noordinatenrichtung bis zu einer Amplitude von 3,0 mm zu versetzen.
-
Des weiteren haben Stimmgabelanordnungen in Richtung der Gabelsymmetrieachse
große geometrische Abmessungen, die den Einbau eines solchen Schwingers bei begrenzten
Nutzraum nicht zulassen.
-
Andere mechanische Schwinger mit Pederanordnun£en, darunter auch solche
mit soppel-S-förmig gebogenen Federn und einem starren Verbindungsstück zwischen
den freien Federenden, die in einer Ebene schwingen, haben eine Querversetzung,
geringe Querstabilität ung erfordern eine aufwendige Technologie zur Herstellung
der Federn sowie bei der Montage und Justierung der Schwingsysteme.
-
Der Zweck der Erfindung, die sich auf einen amplitudenstabilis.ierten
mechanischen Schwinger bezieht, besteht insbesondere darin, zeitlich veränderliche
optische Eilder, die beispielst-eise physikalischen Vorgängen entsprechen, durch
geeignete Bestückung und konstruktive Ausbild.ung des Funktionsträgers, mit konstanter
mechanischer Amplitude und in zeitlich rascher Folge fortlaufend ab zu tasten und/oder
deren Ausmessung zu ermöglichen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mechanischen Schwinger
von kleinen geometrischen Abmessungen zu schaffen, dessen Funktionsträger mit einer
stetig einstellbaren, stabilisierten Amplitude von einigen Hundertstel Millimetern
bis zu mehreren Killimetern in einer Koordinatenrichtung schwingt.
-
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zwei Bügelfedern
beiderneitig und symmetrisch in eine Grundplatte aus unmagnetischem @aterial fest
eingespannt werden und zwischen den Federmitten ein Funktionsträger starr befestigt
wird. Auf dem Funktionsträger aus nichtmagnetiechem Material, der zur Erhöhung der
mechanischen Stabilität vorzugsweise U-f8rmigen Querschnitt aufweist, ist beiderseitig
und symmetrisch je ein in Richtung der Schwingungsebene radial polarisier der Permanentmagnet
fest angebracht. Über der Grundplatte sind in der Symmetrieachse der Permanentmagnete
senkrecht zur Schwingungsebene die Erreger- und die Rückkoppelspule mit einem Weicheisenkern
so angeordnet, daß die Kerne in der Ruhestellung des Schwingers auf der Mitte der
Magnete stehen. Die Federkonstante der Bügelfede wesentlich niedriger als in anderen
Richtungen. Durch die Federanordnung mit Bügelfedern tritt trotz eines großen Führungsweges
des Funktionsträgers in einer Koordinatenrichtung keine Querversetzung oder Drchschwingung
auf. Der mechanische Schwinger bildet den mechanischen Rückkoppelvierpol eines bekannten,
nach dem Rückkoppelprinzip aufgebauten Oszillators bzw. Generators. Die Rückkoppelspule
lie-t a1) Eingang des Verstärkers ; sie ist übertragungssymmetrisch zur Erregerspule.
-
Die mechanische Schwingamplitude des Funktionsträgers ist von einigen
Hundertstel Millimetarn bis zu mehreren Millimetern mit einem nachgeordneten steuerbaren
Widerstand, insiesondere einem Feldeffekttransistor, stetig einstellbar.
-
Die Stabilisierung. der mechanischen Schwingamplitude des Funktionsträgers
bzw. der dazu proportionalen, in der Rückkoppelspule induzierten Spannung wird daduch
erreicht, daß der Rückkoppelspule des mechanischen Schwingers ein Hilfsverstärker,
mit konstanter Verstärkung, ein Gleichrichter und ein gesteuerter ;iiderstand nachgeordnet
sind, die über den Verstärker mit der Erregerspule
gekoppelt sind.
Eine Temperaturkompensation orfolge durch einen Feldeffekttransistor, der mit Festwiderständen
und einem regelbaren Widerstand dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers
vorgeschaltet ist. Nach dem bekonnten Induktionsgesetz e = (# x #) . l ist die in
der Rückkoppelspule des Schwingers induzierte Spannung bei konstanter Schwingfrequenz
der mechaniechen Schwingamplitude direkt proportional.
-
Durch den beim Einschalten des Scnwjngspalttenerators entstehenden
Spannungsstoß an der Frregerspule wird der Funktionsträger ausgelenkt, der in seiner
Resenanzfrequenz, die von den Federabmessungen, dem Federmaterial, sowie der schwingenden
Hasse abhängt, schwingt.
-
Durch die mechanische Schwingung des Funktionsträgers mit den Permanentmagneten
wird in der Rückkoppelspule eine Spannung induziert, die über einen Widerstand zum
nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers gelangt, verstärkt wird und über einen
Emitterfolger wieder der Erregerspule zugeführt wird, so daß der Ftinktionsträger
Schwingungen ausfährt, deren Amplitude Vom Verstärkungsgrad des Verstärkers abhängt.
-
Der Verstärkungsgrad ist abhängig vom Rückkoppelwiderstand und von
dem steuerbaren Widerstand am invertierenden Eingang des Verstärkers. Durch einen
regelbaren Widerstand, insbesondere einem Potentiometer, im Spannun£steiler vor
dem steuerbaren Widerstand, ist der Verstärkungsgrad des Verstärkers bzw. die Spannung
der Erregerspule und damit die mechanische Schwingamplitude des Funktionsträgers
stetig einstellbar.
-
Die mechanische Amplitude und dawit die in der Rückkoppelspule induzierte
Spannung wird stabilisiert, indem diese Spannung über eine RC-Kombination einem
mit konstanter Verstärkung arbeitenden Hilfsverstärker zugeftüirt wird. Die verstärkte
Spannung wird über einen Kondensator an einem Gleichrichter gleichgerichtet, an
einem Tiefpaß geglättet und liegt dann am Spannungsteiler, wodurch über den regelbaren
Widerstand der steuerbare tideretand derart verändert wird, daß sich der Verstärkungsgrad
so einstellt, daß sich
eine stabile mechanische -iplitude ergibt.
-
An einem wahlweise einschaltharen Meßinstrument wird durch Messung
der verstärkten, induzierten Spannung an der Rückkoppelspule die mechanische Amphtude
des Funktionsträgers angezeigt.
-
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher
erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen : Fig. 1: Schnitt nach Fig.
2, Fig. 2 : Seitenansicht des schwingungsfähigen Systems, Fig. 3: Schaltbild des
Schwingspaltgenerators.
-
Zwei Bügelfedern 3 aus Pederbronze 0,2, die eiderseitig in der Grundplatte
1 fest eingespannt sind, werden durch einenFunktionsträger 2 aus 0,5 mm dickem Messngblech,
auf dem zwei radil polarisierte Permanentmagnete 5 aus Sinterkeramik 8 mm # angeordnet
sind, mittig starr verbunden, so daß der Funktionsträger 2 nur mechanische Bewegungen
in einer Koordinatenrichtung d.h. in der Längsachse des Funktionsträgers, ausführen
kann. Zwei @bertragungssymmetrische Spulen 4 mit je einem Weicheisenkern 6, das
sind Erreger, und Rückkoppelspule des Rückkoppelvierpols des Schwingspaltgenerators,
sind so angeordnet, deß ihre Symmetrieachsen ait denen der Permantentmagnete 5 übereinstimmen.
-
Durch den beim Einschalten des Schwingspaltgeneratos entstehenden
Spannungsstoß an der Erregerspule 4 wird ein Megnetfeld so aufbebaut, daß Durch
den Permanentmagnet 5 der Funktionstrper 2 ausgelenkt wird und das schwingungsfähige
System 2; 3; 5, bei keiner weiteren Erregung, nur gedämpfte Schwingungen in seiner
Reseonanzfrequenz ausfahrt. Durch die mechanische Schwingung des Funktionsträgers
2 mit den Permanentmagneten 5 wird in der Rückkoppelspule 4 eine Spannung induziert,
die über den ohmschen Widerstand R 15 an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers
V 1 gelangt, verstärkt wird und über den Emitterfolger T 1, mit einem Geriiianium-Leis
ttingstransistor, der Erregerspule 4 wieder zugeführt wird, so daß der Funktionsträger
2 Schwingungen ausführt, deren Amplitude vom Verstärkungsgrad des Verstärkers V
1 abhängt.
-
Der Verstärkungsgrad von V 1 ist abhängig von Rückkoppelwiderstand
R 1, 1 M-Ohm und von Drain-Source-Widerstand RLS des Feldeffekttransistors W 2:
Mit dem regelbaren Widerstnad im Spannungsteiler, einem Kohleschichtpotentiometer
P 1, läßt sich die Spannung am Gate des Feldeffekttransistors T 2 einstellen, as
einer stetigen Veränderung des Drain-Source-diderstandes dieses Transistors T 2,
des Verstärkungsgrades des Verstärkers V 1, der Spannung an der Erregerspule 4 und
damit der mechanischen Sollamplitude des Funktionsträgers entspricht. . Die in der
Rückkoppelspule 4 induzierte Spannung ist bei konstanter Schwingfrequenz proportional
der mechanischen Schwingamplitude. Die induzierte Rückkoppelspannung und damit die
mechanische ALiplitude wird stabilisiert, indem diese induzierte Spannung über einen
Widerstand R 14, 10-k-Ohm und einen Lack-Kondensator C 8, 2 F/63 V, einem Hilfsverstärker
V 2, integrierter Schaltkreis in Dünnschicht-Hybrid-Technik, der in Beotstrap-Schaltung
mit konstantem Verstärkungsgrad arbeitet, zugeführt wird, verstärkt wird und tiber
einen Kondensator,C 3, 2 F, an den Gleichrichter Glr 1, eine Silizium-Diode, gleichgerichtet
wird. Die Teilwiderstände R 6; R 7/8 dienen der Vorspannungserzeugung iur den Feldeffekttransistor
T 2. An dem Gleichrichter Glr 1 nachgeordneten Tiefpaß R 5; C 2 wird die verstärkte
Spannung geglättet und gelangt dann über das Potentiometer P 1 an das Gate des Feldeffekttransistors
T 2, wodurch dessen Drain-Source-Widerstand RDS derart verändert wird, daß sich
der Verstärkungsgrad des Verstärkers V 1 so einstellt, daß eine stabile mechanische
Amplitude erzielt wird.
-
Der Feldeffekttrunsistor T 3, in einem Gehäuse mit i 2, dient in Verbindung
mit dem Spannungsteiler R 10; R 11; P 3 der Temperaturkompensation des den Verstärkungsgrad
bestimmenden Feldeffekttransis.
-
tors T 2. Das Potentiometer P 3 ist als Trim-Potenmtiometer 10-k-Ohm
ausgebildet. Der Widerstand R 3, 1-k-Ohm und der Keramik-
Kondensator
C1, 1 nF, unterdrücken die Schwingneigung des Verstärkervierpols. Am Meßinstrument
J, ein Amperemeter, wird durch Messung der durch den Verstärker V 2 verstärkten,
induzierten Spannung der Rückkoppelspule 4 die mechanische Amplitu des Funktionsträgers
2 angezeigt.
-
Die geometrischen Absessungen des niechanischen Schwingeraufbaues,
einbaufertig als Einheit in einen Tubus, betragen: Außendurchmesser: 70 mm Einbautiefe:
38 mm