Механотронные, магнитные и струнные преобразователи

Механотронами называются электронные лампы (электровакуум­ные устройства), в которых имеется возможность взаимного переме­щения электродов. Действие механотрона основано на изменении анодного тока электронной лампы при взаимном перемещении ее электродов (анода и катода).

Наиболее распространенными являются преобразователи, вы­полненные в виде диода или двойного диода.

Двухэлектродная электронная лампа (диод) содержит два элек­трода: термокатод и анод, размещенные в стеклянном или металличе­ском баллоне, в котором создан глубокий вакуум. Термокатод нагрет до температуры 600—800 °С и эмиттирует свободные электроны (яв­ление термоэлектронной эмиссии), а анод собирает эти электроны за счет действия электрического поля, приложенного между катодом и анодом.

Анодный ток /, протекающий между анодом и катодом, описыва­ется выражением

_T_.SU^_ (6.7)

d² ’

где к — постоянный коэффициент; .S' — площадь катода; U — напря­жение между анодом и катодом (анодное напряжение); d — расстоя­ние между анодом и катодом.

Как видно из выражения (6.7), изменение расстояния между като­дом и анодом существенно влияет на анодный ток при прочих посто­янных условиях. Для обеспечения взаимного перемещения электро­дов в баллон электронной лампы встраивается упругая мембрана.

На рис. 6.8, а показана схема механотронного преобразователя перемещений, представляющего собой двойной диод. Во внутренней полости стеклянного баллона, снабженного упругой мембраной, раз­мещены два анода, механически соединенные с подвижным стерж­нем, впаянным в мембрану, и неподвижный термокатод, нагревае­мый нитью накала. Таким образом, диоды имеют общий термокатод и включены в схему неуравновешенного электрического моста (см. гл. 3), питающегося от стабилизированного источника питания. При воздействии перемещений на подвижный стержень расстояние меж­ду одним из анодов и катодом увеличивается, что уменьшает анодный ток, проходящий через этот диод.

0— 50 и 0—100 мкм с погрешностью ±1 %.

в

Рис. 6.8. Схемы механотронного (а), магнитного (б) и струнного (в) преобразо­вателей:

I — подвижный стержень; 2 — упругая мембрана; 3 — баллон; 4, 7— аноды; 5 — стабилизирован­ный источник напряжения; 6 — вольтметр; 8— нить накала; 9 — термокатод; 10— источник пере­мещений; постоянный магнит; 12—диамагнитная перегородка; 13— магнитометр; 14— стру­

на; 15 — изолятор; 16 — электронный усилитель

Принцип действия магнитных (магнитомодуляционных) преобра­зователей перемещения состоит в измерении напряженности маг­нитного поля между магнитной системой и измерительным преобра­зователем магнитной напряженности (см. гл. 4) при взаимном пере­мещении этих устройств.

На рис. 6.8, б показана обобщенная схема магнитного преобразо­вателя перемещений. При перемещении постоянного магнита под действием источника перемещения изменяется напряженность маг­нитного поля в пространстве между этим магнитом и неподвижным преобразователем напряженности магнитного поля (магнитомет­ром). При этом сигнал магнитометра является мерой перемещения. Известны схемы магнитных преобразователей перемещений, в кото­рых магнитная система неподвижна, а под действием источника пе­ремещений может перемещаться чувствительный элемент магнито­метра.

В магнитных преобразователях перемещений в качестве магнито­метров часто используют гальванические и магниторезисторные тес- ламетры (см. гл. 4).

Преимуществом магнитных преобразователей является возмож­ность в некоторых случаях отделения подвижной части от магнито­метра диамагнитной перегородкой.

В работе струнных преобразователей используется зависимость частоты собственных колебаний струны от растягивающей ее силы, описываемая выражением

(6.8)

где/ — частота собственных колебаний струны; / и S — длина и пло­щадь поперечного сечения струны; р — плотность материала струны; F — растягивающая сила.

Струна представляет собой отрезок проволоки длиной 5—50 мм и диаметром 0,01—0,25 мм, изготовленной из углеродистой (струнной) стали, вольфрама, бериллиевой бронзы или специальных сплавов. Она размещается на двух изоляторах (рис. 6.8, в) между полюсами по­стоянного магнита и включается в качестве одного из плеч в неурав­новешенный электрический мост, содержащий резисторы R_u R₂ и R₃. С измерительной диагонали а — с этого моста сигнал разбаланса по­дается на вход электронного усилителя, а выходной сигнал усилите­ля — на диагональ питания b — d неуравновешенного моста. Фаза сигнала питания, поступающего с выхода усилителя, и фаза входного его сигнала, поступающего с измерительной диагонали, совпадают, т. е. здесь реализуется положительная обратная связь. При протека­нии по струне переменного электрического тока вокруг нее возника­ет переменное по направлению магнитное поле, которое взаимодей­ствует с полем постоянного магнита. Струна с постоянным магнитом, электрически неуравновешенный мост и электронный усилитель об-

ра зуют электромеханический генератор, частота колебания которого определяется частотой колебания струны, а последняя зависит от растягивающей силы F. Колебания такого генератора поддерживают­ся за счет электрической энергии, поступающей к электронному уси­лителю от его источника питания.

Таким образом, выходным сигналом струнных преобразователей является частота электрических колебаний, которая обычно состав­ляет 10²—10⁴ Гц. При этом ток, протекающий через струну, не превы­шает 100 мА.

Струнные преобразователи используют как для измерения силы, гак и для измерения малых перемещений, так как при растяжении струна удлиняется. Удлинение А/ определяется выражением

где модуль упругости.

Как видно из выражения (6.8), статическая характеристика с трунных преобразователей нелинейна. Для ее линеаризации в неко­торых модификациях таких преобразователей применяют специаль­ные вычислительные устройства, реализующие операцию возведения выходного сигнала в квадрат — квадраторы.

Погрешность струнных преобразователей ± (0,5—1) %.

6.9.