SU758032A1 - Вибрационный преобразователь 1 - Google Patents

Description

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и предназначено для исследования в сейсморазведке сейсмических волновых полей методом трехкомпонентных наблюдений, контроля амп-5 литуд и фаз колебаний, возбуждаемых сейсмическими источниками, например вибраторами, формирования возмущающих воздействий на их первичные золотниковые. распределители.

Известен вибрационный преобразователь сейсмоприемника, содержащий постоянный магнит с кольцевым зазором, подвижную катушку, подвешенную на пружинах в зазоре магнита, каналы преоб- 15 разования и усиления информации[1] .

Недостатком известного преобразователя является невозможность получения дополнительной информации об ориентации оси преобразователя относительно вертикали, коррекции нуля и закона движения его подвижной части по цепям обратных связей с информацией о мгновенном положении катушки и воздействия на частотные характеристики подвижной системы.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является вибрационный преобразователь, содержащий постоянный магнит, подвижную

2

катушку с блоком управления ее перемещением в зазоре магнита, канал усиления и преобразования сигналов инфор мации, электрический мост, состоящий из обмоток катушки и сопротивлений, причем одна из диагоналей моста соединена с генератором высокой частоты, а другая - с обмоткой входного трансформатора усилительного устройства [2] .

Недостаток устройства состоит в сложности, определяемой включением в него дополнительного гальванометрического усилителя (Ф-117), усложняющего кроме того условия эксплуатации по причине необходимости выверки его оси по вертикали и исходной балансировке. Второй недостаток состоит в невозможности расширения частотной 20 характеристики электродинамического сейсмоприемника до нулевой частоты и перестройки в нем собственной резонансной частоты колебаний, необходимой для улучшения частотных свойств 25 сейсмоприемника.

Невозможность расширения частотной

характеристики вибрационных преобразователей с электродинамической системой в область низких частот обус30 •ловлена тем, что при частотах, близ3

758032

4

кия к нулю, ЭДС, наводимая в их обмотках, настолько мала, что никакими коррекциями частотных характеристик внешних преобразователей' с электронными усилителями невозможно получить информацию о процессах, протекающих в области этих частот или получить 5 суждения о постоянных смещениях подвижной системы, необходимых для анализа ориентации сейсмоприемника относительно вертикали.

Целью изобретения является расширение частотного диапазона.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователе в мост включены обмотки подвижной катушки, выполненные по дифференциальной схеме и сим- 15 метрично расположенные по катушке, причем устройство содержит регулятор тока в обмотках катушки, связанный посредством дифференциального соединения с входом блока управления пере- 20 мещением катушки.

На фиг. 1 приведена конструктивная схема преобразователя; на фиг. 2 принципиальная схема его включения в режиме датчика с использованием внеш- 25 него генератора; на фиг. 3 - то же, но с внутренним управляемым генератором; на фиг. 4 - в режиме возбудителя гармонических колебаний в сканаторе оптико-электронной следящей системы.

В корпусе 1 установлен магнит 2с 30 магнитопроводом 3 и полюсными наконечниками 4 и 5. В кольцевом магнитном зазоре между полюсными наконечниками на ирисовых пружинах 6 и 7 закреплена подвижная катушка 8 с обмотками 9 и 35

10. Обе обмотки расположены по длине катушки симметрично относительно оси симметрии ОХ магнитного потока -в зазоре. Соединение обмоток выполнено встречным. 40

В электрической схеме (см. фиг.2) обмотки 9 и 10 с двумя внешними комплексными сопротивлениями (конденсаторами) 11 и 12 объединены в электрический мост переменного тока. Одна 45 диагональ моста 13, 14 соединена с внешним генератором напряжения высокой частоты посредством обмотки 15 трансформатора 16. Точка соединения 13 обмоток подключена к нулевому про- 59 воду 17 биполярной системы питания 18 и 19. Вторая диагональ 20, 21 моста соединена с регуляторами постоянной составляющей силы тока обмоток 9 и 10, выполненных на транзисторах 22 и 23. $$

по схеме эмиттерных повторителей с ограничивающими резисторами 24, 25 и сдвоенным переменным резистором 26.

Ось переменного резистора.снабжена указателем и шкалой 27 "частота собственных колебаний". Цепи баз содер- 60 жат резисторы 28, 29, симметрично дифференциально соединенные через .стабилитроны 30, 31 с точкой 32 входа сигнала управления перемещением катушки. Кроме того, диагональ 20, 21 65

соединена с каналом преобразования и усиления информации, состоящим из согласующего трансформатора 33 с обмотками 34, 35 и разделительным конденсатором 36, балансного выпрямителя (БВ) 37 и усилителя 38 с выходом 39.

К выходу БВ 37 дополнительно подключен усилитель постоянного тока(УПТ)

40 с дополнительным входом 41 и точкой выхода 42. Перемычка 42-32 соединяет выход УПТ 40 с входом сигнала управления перемещением катушки. Если преобразователь предназначен для его использования в качестве датчика колебательных перемещений, то УПТ 40 снабжается фильтром постоянной составляющей ,

Напротив, если преобразователь предназначен для возбуждения механических колебаний с заданным законом движения и строгим положением нуля подвижной системы, то УПТ 40 выполняется с широкой полосой пропускания частот,.а дополнительный вход 41 соединяется с источником опорного напряжения с заданной амплитудой и формой колебаний.

БВ 37 выполнен по типовой схеме.

Он содержит трансформатор 16 с обмоткой 43, к клеммам 44 и 45 которой подключается внешний генератор высокой частоты, симметричных обмоток 46, 47 диодов 48, 49 и двух КС-фильтров 50, 51 и 52, 53, подключенных к выходу 54 .

На фиг. 3 электрический мост преобразователя образован его обмотками 9, 10, комплексными сопротивлениями конденсаторов 11, 12 и обмотками 55,

56 согласующего трансформатора 57.

Его обмотка 58 с конденсатором 59 подключена на вход управляемого генератора(УГ) 60. Обмотка 61 выходного трансформатора 62 соединена с питающей диагональю 13, 14 моста, а обмотки 63, 64 - с выходом УГ 60 и входом нормирующего преобразователя (НП) 65, Имеющего выход из блока 66. Внутренней цепью обратной связи(ОС) 67 НП 65 соединен с УГ 60.·

Аналогично схеме на фиг. 2, если преобразователь предназначен для возбуждения механических колебаний с теми же условиями, то УПТ 40 также выполняется с широкой полосой пропускания частот, а на вход 41 подключается источник 68 опорного напряжения (задающий генератор).

На схеме фиг. 4 используемой в сканаторе оптико-электронной следящей системы, электрический мост выполнен аналогично схеме фиг. 1, 2. Дополнительно схема снабжена регуляторами напряжения, выполненными на транзисторах 69, 70 с резисторами в цепях баз 71, 72. Регуляторы соединены последовательно с регуляторами тока- и соединены входами с УПТ 73, снабженным фильтром постоянной сос5

758032

ό

10

15

20

25

тавляющей. Вход УПТ соединен через фазочувствительный выпрямитель(ФЧВ)

74 с выходом усилителя 38. Задающий генератор 68 гармонических колебаний частоты сканирования подключен на вход 41 УПТ 40 и одновременно на вход опорного напряжения ФЧВ 74.

Преобразователь работает в режиме постоянного возбуждения в подвижной катушке высокочастотных колебаний с частотой, намного выше частоты преобразования с малыми амплитудами во всех схемах его включения. В случае возбуждения колебаний от внешнего генератора (см. фиг. 1, 2) они создаются током обмотки 15 трансформатора 16, поступающим в диагональ 13, 14 и протекающим по обмоткам 9, 10 и комплексным сопротивлениям конденсаторов 11, 12. При выполнении условия симметричного расположения обмоток 9, 10 по длине катушки 8 относительно оси ОХ магнитного потока в зазоре магнита 2 токи в параллельных ветвях 9,

12 и 10, 11 равны между собой. ЭДС индукции и реактивные составляющие падения напряжения на обмотках 9, 10

взаимно балансируются и, следовательно, сигнал напряжения, снимаемый с диагонали 20, 21 равен нулю. Приложением внешнего электрического и механического возмущающего воздействия, смещаю-30 щего катушку 8 с исходного нулевого положения, нарушается равенство ЭДС в обмотках 9, 10, поскольку охватывающие их магнитные потоки не будут теперь равны между собой. В результате в диагонали 20, 21 возникает сигнал, который через конденсатор 36 и обмотки 34, 35 трансформатора 33 поступает в БВ 37, питаемый тем же трансформатором 16 от обмотки 43 и внешнего источника, подключенного к клеммам 44, 45.

После выпрямления и исключения квадратурных помех сигнал поступает на узел 54, усилитель 38 и внешний выход 39. Поэтому напряжение на узел '

54 и выходе 39 изменяется пропорционально параметру перемещения подвижной катушки преобразователя в направлении оси ОУ относительно корпуса.

Кроме того, через обмотки 9, 10 от точки 17 нулевого потенциала схемы протекают постоянные токи к полюсам 18 и 19 источника стабилизированного питания. Величины токов задаются регуляторами, состоящими, например, из транзисторов 22, 23. Управляющие напряжения на базы транзисторов задаются через резисторы 28, 29 и диоды-стабилитроны 30, 31, имеющие симметричное дифференциальное соединение с входом 32 сигнала управления перемещением катушки. Магнитные потоки обмоток имеют встречное направление и, взаимодействуя с полем магнита 2, создают встречно направленные

35

40

45

50'

55

60

65

силы. Равнодействующая этих сил пропорциональна величине смещения катушки от исходного нулевого положения и в зависимости от направления токов может быть направлена или в одну сторону, или встречно равнодейству· ющей сил упругости пружин 6, 7 подвески. В первом случае достигается повышение, а во втором -- понижение собственной резонансной частоты подвижной системы, т.е. достигается возможность коррекции частотных характеристик подвижной системы. В преобразователе на фиг. 2 коррекция осуществляется изменением величины сдвоенного резистора 26 по шкале 27, что приводит к симметричному изменению токов в обеих обмотках. Изменяя соотношение токов, путем изменения напряжения на точке 32 входа, возможно задавать смещение катушке 8 в любую сторону от ее нулевого положения или прикладывать к ней дополнительное уси лие, компенсирующее действие на катушку осевой составляющей ее силы тяжести.

Соединением точек 32, 42 достигает ся замыкание контура внутренней системы автоматического регулирования баланса токов. С выхода 54 БВ 37 сигнал обратной связи по положению катушки поступает на вход УПТ 40, где фильтром постоянной составляющей выделяется сигнал ошибки между действительным средним положением колебатель ного движения катушки и заданным для нее нулевым положением. Сигнал ошибки формируется усилителем в управляющее воздействие, которое с выхода 42 подается на вход 32. регуляторов и восстанавливает заданное нулевое ложение катушки в ее колебательном движении. Этим достигается выполнение автоматизации коррекции нуля в соответствии с поставленной целью. Кроме того, измерением напряжения между точками 17 и 42 достигается получение информации об ориентации оси преобразователя относительно вертикали, так как величина этого напряжения пропорциональна силе, компенсирующей действие на катушку осевой составляющей ее силы тяжести - это отвечает еще одному условию цели изобретения.

В рассмотренном режиме работы преобразователь используется как датчик колебательных перемещений с частотой, лежащей выше корректированной собственной резонансной частоты колебаний подвижной системы преобразователя.

При необходимости использования преоб раэователя в качестве возбудителя механических колебаний, на дополнительный вход 41 УПТ 40 подается напряжение заданной- формы и частоты колебаний. В этом случае на входе УПТ образуется сигнал динамической ошибки

7

758032

8

между сигналом мгновенного положения катушки и опорным напряжением в данный момент времени. УПТ 40 формирует управляющее воздействие, необходимое для перемещения катушки с минимальной ошибкой относительно опорного напряжения и передает его·с выхода 42 на вход 32 регуляторов токов в обмотках 9 и 10 Таким образом, осуществляется выполнение условия цели в автоматизации коррекции закона движения подвижной системы.

В преобразователях по схеме на фиг. 3 используется не внешний источник высокочастотных колебаний, а внутренний управляемый генератор УГ 60. Эдесь сигнал с измерительной диагонали 20, 21 моста снимается через дифференциальный трансформатор 57 с обмотками 55", 56, включенными в мост. Обмотка 58 с конденсатором 59 образует колебательный контур, которым задается частота колебаний генератору УГ 60. Съем напряжения для возбуждения преобразователя происходит с обмотки 61 выходного трансформатора 62. Сигнал пропорциональный смещению катушки, поступает с обмотки 64 в НП 65 и на выход устройства 66. По параллельной цепи этот сигнал поступает на вход УПТ 40 и в цепь ОС 67 управляемого генератора. ОС 67 обеспечивает стабилизацию и линеаризацию характеристик преобразователя .Механические колебания катушки 8 вызывают изменения коэффициента обратной связи по контуру возбуждения высокочастотных колебаний и изменяют их амплитуду, которая в НП 65 преобразуется в выходной сигнал.

При необходимости использования преобразователя в качестве возбудителя механических колебаний в нем аналогично устройству по Фиг. 2, на дополнительный вход 41 УПТ 40 подается . напряжение от источника 68 заданной формы и частоты колебаний. Принцип автоматизации коррекции положения нуля и закона движения подвижной системы при этом остается без изменений.

В случае применения вибрационных преобразователей в электромеханических сканаторах оптико-электронных следящих систем к ним предъявляются особо высокие требования к стабильности нулевого положения, фазы и амплитуды колебаний относительно задающего (опорного) напряжения. Электро-, динамический вибрационный преобразователь, включенный по схеме фиг. 4, отвечает этим требованиям в режиме возбуждения гармонических колебаний.

Принцип действия регуляторов тока в обмотках 9, 10 аналогичен рассмотренному по фиг. 2 и 3, но здесь сдвоенным резистором 26 регулируется баланс положения подвижной системы в исходном состоянии, а по цепям питания регуляторы тока получают регулируемое напряжение, снимаемое с эмиттеров транзисторов 69, 70. Симметричное изменение напряжений на базах транзисторов приводит к соответствующим изменениям напряжений питания регуляторов тока и приращениям токов в обмотках 9, 10, т.е. к регулированию собственной частоты колебательной системы.

Параметры колебаний задаются источ ником 68 опорного напряжения синусоидальной формы, подаваемого на дополнительный вход 41 УПТ 40 и на вход ФЧВ 74. Автоматизация регулирования собственной·частоты и фазы колебаний осуществляется в замкнутом контуре системы регулирования, в котором БВ 37 работает как детектор колебаний катушки 8, УС 38 - как согласующий элемент, ФЧВ 74 - элемент сравнения фазы колебаний системы с Фазой опорного напряжения, УПТ 73 - усилитель и корректирующее звено, регуляторы напряжения 69, 70 с регуляторами тока 22, 23 - исполнительные устройства, а вибрационный преобразователькак объект регулирования. В этом контуре регулируемый параметр представлен фазой колебаний, являющейся функцией собственной резонансной частоты системы. Контроль фазового угла на величине 90® обеспечивает наиболее точное автоматическое регулирование частотной характеристики колебательной системы вибрационного преобразователя .

Автоматизация коррекции закона движения здесь обеспечивается автоматическим регулированием нулевого положения катушки 8 и амплитуды ее колебаний. Этот процесс регулирования протекает по схеме на фиг. 2. В данном случае УПТ 40 имеет канал с фильтрацией постоянной составляющей сигнала и канал с полосой пропускания в области частот возбуждаемых колебаний. В первом канале формируется сигнал управляющего воздействия для коррекции положения нуля, а во втором - для коррекции закона движения. Однако, поскольку фаза закона движения регулируется с повышенной точностью контуром регулирования частоты и фазы колебаний, то в данном контуре формируется сигнал управляющего воздействия, пропорциональный только амплитудной составляющей сигнала ошибки регулирования. Такое разделение формирования сигналов в системе многосвязного регулирования обеспечивает повышение точности в достижении общей поставленной цели - автоматизации коррекции нуля, закона движения и частотных характеристик подвижной системы (имеется в виду амплитудная и фазовая частотные характеристики) .

Claims (1)

1. Формула изобретения

   Вибрационный преобразователь, содержащий постоянный магнит, подвиж9

   758032

   10

   ную катушку с блоком управления перемещением ее в зазоре магнита, канал усиления и преобразования сигналов информации, электрический мост, состоящий из- обмоток катушки и сопротивлений, причем одна из диагоналей моста соединена с генератором высокой частоты, а другая - с обмоткой входного трансформатора усилительного устройства, отличающийся тем, что, с целью расширения частотного диапазона, в мост включены обмотки подвижной катушки, выполненные по дифференциальной схеме и симметрично

   расположенные на катушке, причем устройство содержит регулятор тока в обмотках катушки, связанный посредством дифференциального соединения с входом блока управления перемещением катушки .