DE2256482A1 - METHOD OF CONTROLLING THE VIBRATION FREQUENCY OF AN ELECTROMECHANICAL OR MECHANICAL OSCILLATOR - Google Patents

Description

Böblingen, den 18. Oktober 1972 gg-aaBöblingen, October 18, 1972 gg-aa

Anmelderin: International Business MachinesApplicant: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: NeuanmeldungOfficial file number: New registration

Aktenzeichen der Anmelderin: YO 971 017 2256482File number of the applicant: YO 971 017 2256482

Verfahren zur Steuerung der Schwingfrequenz eines elektromechanischen oder mechanischen Oszillators.Method for controlling the oscillation frequency of an electromechanical or mechanical oscillator.

Mechanische Oszillatoren sind mit einem frequenzbestimmenden Element ausgestattet, dessen Schwingverhalten durch die elastischen Eigenschaften bestimmt wird. Derartige Oszillatoren sind in vielfältiger Form bekannt. Ein wesentlicher Unterschied zwischen den einzelnen Typen besteht in der Art der Schwingungsanregung . Mechanical oscillators are equipped with a frequency-determining element whose vibration behavior is determined by the elastic Properties is determined. Such oscillators are known in various forms. One major difference between the individual types is the type of vibration excitation.

Es ist bekannt, daß bestimmte Materialien die Eigenschaft aufweisen, daß sich ihr Elastizitätsmodul E, der auch Youngseher Modul genannt wird und proportional zum reziproken Elastizitätsmodul ist, in Abhängigkeit von einem angelegten Magnetfeld nicht unwesentlich ändert. Diese Eigenschaft wird auch als ΔΕ-Effekt bezeichnet. Eine praktische Anwendung dieses ΔΕ-Effektes zur Schwingfrequenzänierung bei mechanischen Oszillatoren ist nicht bekannt. It is known that certain materials have the property that their modulus of elasticity E, which is also Youngseher Module is called and is proportional to the reciprocal modulus of elasticity, not depending on an applied magnetic field changes insignificantly. This property is also known as the ΔΕ effect. A practical application of this ΔΕ effect for Oscillation frequency change in mechanical oscillators is not known.

Die Schwingfrequenz schwingender Zungen oder Stäbe ist durch die Formel bestimmt:The vibration frequency of vibrating tongues or bars is determined by the formula:

^fn ⁼ - η _χζ y ρ ^f n ⁼ - η _χ ζ y ρ

dabei istis there

f = Frequenz der n. Oberwelle K = Konstante abhängig von η d = Dicke des Stabesf = frequency of the nth harmonic K = constant depending on η d = thickness of the rod

1 = Länge des Stabes1 = length of the rod

E - ElastizitätsmodulE - modulus of elasticity

ρ = Dichte des Materialsρ = density of the material

: f₂ : f₃ : f₄ - (1.2)² : 3² : 5² : 7², i.e,: f ₂ : f ₃ : f ₄ - (1.2) ² : 3 ² : 5 ² : 7 ² , ie,

1:6.26 : 17.5:34.4.1: 6.26: 17.5: 34.4.

Es ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, einen mechanischen oder elektromechanischen Oszillator anzugeben, dessen Frequenz sich in einfacher Weise genau einstellen und steuern läßt und der eine vielfältige Verwendung gestattet.It is the underlying object of the invention to provide a specify mechanical or electromechanical oscillator, the frequency of which can be set precisely in a simple manner and can be controlled and which allows a wide range of uses.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß als Schwinger ein Körper aus einem Material verwendet wird, dessen Elastizitätsmodul E sich in Abhängigkeit von einem Magnetfeld ändert (ΔΕ-Effekt) und daß die Schwingfrequenz durch ein den Schwinger durchsetzendes Magnetfeld gesteuert wird.According to the invention, this object is achieved in that A body made of a material is used as the oscillator, the modulus of elasticity E of which is dependent on a magnetic field changes (ΔΕ effect) and that the oscillation frequency is controlled by a magnetic field penetrating the oscillator.

Die Größe des ΔΕ-Effektes wird in einfacher Weise durch eine Wärmebehandlung des Schwingers in Gegenwart eines Magnetfeldes modifiziert.The size of the ΔΕ-effect is in a simple manner by a Modified heat treatment of the transducer in the presence of a magnetic field.

Eine vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß der Schwinger mindestens Teil einer akustischen Verzögerungsstrecke ist, die ausgangsseltig mit einem geeigneten Detektor versehen ist.An advantageous application of the method according to the invention is that the oscillator is at least part of an acoustic Delay line is the starting point with a suitable detector is provided.

Eine weitere vorteilhafte Anwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Messung von Stärke und RichtungAnother advantageous application of the invention Procedure consists in measuring strength and direction

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eines Magnetfeldes.a magnetic field.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der"Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben.The invention is described below with reference to the "drawing illustrated embodiments described in more detail.

Fig. IA zeigt in perspektivischer Ansicht eine schwingende Zunge, an die erfindungsgemäß ein den ΔΕ-Effekt zur Steuerung der Schwingfrequenz ausnützendes Magnetfeld anlegbar ist.Fig. IA shows a swinging perspective view Tongue to which, according to the invention, the ΔΕ effect to control the oscillation frequency utilizing magnetic field can be applied.

Fig. IB zeigt die Schwingungsformen des Schwingers gemäß Fig. IA:Fig. IB shows the waveforms of the oscillator according to Fig. IA:

Fig.· IC zeigt den Verlauf der Schwingungs amplitude in Abhängigkeit von der Frequenz und insbesondere die Abhängigkeit der Resonanzbreite von der Dämpfung.Fig. · IC shows the course of the oscillation amplitude as a function on the frequency and in particular the dependence of the resonance width on the damping.

Fig. ID zeigt das Abklingen der Schwingungsaraplitude in Abhängigkeit von der Zeit.ID shows the decay of the oscillation araplitude as a function from the time.

Die Fign. 2A, 2B, 2C und 2D geben Anordnungen wieder, mit denen sich das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft durchführen läßt. Dabei zeigt Fig. 2A das Anlegen des Magnetfeldes mit Hilfe eines Paares von Helmholtz-Spulen, Fig. 2B mittels einer einen Teil des Schwingers umgebenden Spule und Fig. 2C mittels eines durch den Schwinger fließenden Stromes:The FIGS. 2A, 2B, 2C and 2D represent arrangements, with which the method according to the invention can be carried out advantageously. 2A shows the application of the magnetic field with the help of a pair of Helmholtz coils, Fig. 2B by means of a a part of the transducer surrounding coil and Fig. 2C by means of a current flowing through the transducer:

Fig. 2D zeigt die Durchführung des Verfahrens, wenn der verwendete Schwinger nur einen Teil des Schwingsystems bildet.Fig. 2D shows the implementation of the method when the used Oscillator only forms part of the oscillation system.

Fig. 3 zeigt ein Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens für eine akustische Verzögerungsleitung.3 shows an application example of the method according to the invention for an acoustic delay line.

Fig. 4a gibt den Verlauf der Magnetisierung in Abhängigkeit von der Feldstärke bei ferromagnetischem Material wieder.,4a shows the course of the magnetization as a function of the field strength in the case of ferromagnetic material.,

Fig. 4B zeigt Verläufe des Elastizitätsmoduls in Abhängigkeit4B shows curves of the modulus of elasticity as a function

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von der Feldstärke.on the field strength.

Fign. 5A und 5B zeigen den gleichen Schwinger, aber in beträchtlich unterschiedlichen Abmessungen.Figs. Figures 5A and 5B show the same transducer, but considerably different dimensions.

Fig. 6 zeigt eine Anordnung zum Ausmessen eines Magnetfeldes als Anwendungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren.6 shows an arrangement for measuring a magnetic field as an application example for the method according to the invention.

Fig. 7 zeigt die Abhängigkeit des ΔΕ-Effektes von der Schwingfrequenz .Fig. 7 shows the dependence of the ΔΕ effect on the oscillation frequency .

Fig. 8 zeigt die Änderung der normierten Frequenz in Abhängigkeit vor der Feldstärke für verschiedene kristalline Materialien mit ΔΕ-Effekt.8 shows the change in the normalized frequency as a function before the field strength for various crystalline materials with the ΔΕ effect.

Fig. 9 enthält Meßergebnisse, die die Abhängigkeit der normierten Frequenz von der Feldstärke bei unterschiedlichen Wärmebehandlungen von amorphem Material mit ΔΕ-Effekt wiedergeben.9 contains measurement results which show the dependence of the normalized frequency on the field strength in different heat treatments of amorphous material with ΔΕ effect.

Fig. IO zeigt das Fehlen einer Hysteresis oberhalb eines Frequenzminimums bei einem Schwinger aus Fe₇₅P₁₅C.-.Fig. IO shows the absence of a hysteresis above a frequency _{minimum in a transducer made of Fe 75} P ₁₅ C.-.

Fig. 11 zeigt die Abhängigkeit des ΔΕ-Effektes von der vorausgegangenen Wärmebehandlung von Fe₇₅P₁₅C.-.Fig. 11 shows the dependence of the ΔΕ effect on the previous heat treatment of Fe ₇₅ P ₁₅ C.-.

Das in Fig. IA dargestellte Schwingungssystem dient der Erläuterung mehrerer physikalischer Parameter die im Zusammenhang mit den Fign. IB, IC und ID diskutiert werden.The vibration system shown in Fig. 1A is used for explanation several physical parameters in connection with FIGS. IB, IC and ID are discussed.

Der Schwinger 10 ist einseitig an der Stelle 14 in einen Block 12 eingespannt. Ein in Längsrichtung von rechts nach links verlaufendes Magnetfeld wird von einer Spule 16 erzeugt, die über eine Batterie 17, einen veränderlichen Widerstand 18 und Leitungen 19 und 19-1 mit Gleichstrom versorgt wird. Für den Schwinger 10 muß ein Material verwendet werden, dessen Elastizitätsmodul sich durch ein Magnetfeld selektiv ändern läßt.The oscillator 10 is clamped on one side at the point 14 in a block 12. One lengthways from right to left running magnetic field is generated by a coil 16, which is connected to a battery 17, a variable resistor 18 and Lines 19 and 19-1 is supplied with direct current. For the oscillator 10, a material must be used whose modulus of elasticity can be selectively changed by a magnetic field.

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Größtenteils handelt es sich um Metalle oder deren Verbindungen. Die Schwinger können auch so aufgebaut sein, daß den ΔΕ-Effekt zeigende Materialteilchen in andere Stoffe eingebettet sind. In Pig. IB ist die Grundwelle, die erste Oberwelle und die zweite Oberwelle der bekannten Schwingungsform eines einseitig eingespannten, stabförmigen Schwingers 10 dargestellt. Die Schwingungsamplituden eines derartigen Schwingers sind in Fig. IC in Abhängigkeit von der Frquenz für zwei unterschiedliche Dämpfungsgrade aufgezeichnet. Die Dämpfung kann ihre Ursache in innerer Reibung im Schwinger selbst oder in einer von außen zugeführten Reibungskraft haben, wie sie beispielsweise durch die umgebende Luft hervorgerufen wird. Selbstverständlich könnte die Dämpfung auch durch eine Flüssigkeit bewirkt werden. Beim Verlauf Cl mit der größeren Resonanzbreite ist die Dämpfung größer als beim Verlauf C2 mit der geringeren Resonanzbreite. Die Resonanzfrequenz ist unabhängig von der Dämpfung. Bei geringer Dämpfung erhält man also eine scharfe Resonanzstelle. Wie bekannt und in Fig. ID dargestellt schwingt ein derartiger Schwinger nach Ausschalten der Erregung aufgrund der stets vorhandenen Reibung aus.Most of them are metals or their compounds. The oscillators can also be constructed so that the ΔΕ effect showing material particles are embedded in other substances. In Pig. IB is the fundamental, the first harmonic and the second harmonic of the known waveform of a one-sided clamped, rod-shaped oscillator 10 shown. The vibration amplitudes of such a vibrator are shown in Fig. IC recorded as a function of the frequency for two different degrees of attenuation. The attenuation can be its cause in internal friction in the transducer itself or in an externally supplied frictional force, such as that caused by the surrounding air is caused. Of course, the damping could also be brought about by a liquid. In the case of the curve C1 with the larger resonance width, the damping is greater than in the case of the curve C2 with the smaller resonance width. The resonance frequency is independent of the damping. If the damping is low, a sharp resonance point is obtained. As is known and shown in Fig. ID oscillates such oscillator after switching off the excitation due to the always existing friction.

Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Oszillator 20 gemäß Fig. 2A enthält einen stabförmigen Schwinger 22Af der an der Einspannstelle 26 in den Block 24 eingespannt ist. Der Schwinger befindet sich in einem evakuierten Behälter 28. Der geerdete Schwinger 22A wird über das zwischen Platten 30 und 32 liegende elektrische Feld zum Schwingen angeregt. Die Schwingung wird über entsprechend angeordnete Platten 36 und abgefühlt. Die Anregung sum Schwingen erfolgt durch einen Impuls oder eine Serie von Impulsen eines Impulsgebers 40, der mit den Platten 30 und 32 elektrisch-magnetisch gekoppelt ist. Die Schwingungen werden über einen mit den Platten 36 und 38 verbundenen Detektor 42 abgefühlt.The oscillator operating according to the method according to the invention 20 according to FIG. 2A contains a rod-shaped oscillator 22Af which is clamped at the clamping point 26 in the block 24. Of the The transducer is located in an evacuated container 28. The grounded transducer 22A is via the between plates 30 and 32 lying electric field excited to oscillate. The vibration is via correspondingly arranged plates 36 and felt. The excitation sum oscillation is carried out by a pulse or a series of pulses from a pulse generator 40, the is coupled to the plates 30 and 32 electro-magnetically. The vibrations are generated by means of the plates 36 and 38 connected detector 42 sensed.

Die Verbindung des Impulsgebers 40 mit den Anregungsplatten, 30 und 32 erfolgt über Leitungen 44 und 46, die über die Schalt-The connection of the pulse generator 40 with the excitation plates, 30 and 32 takes place via lines 44 and 46, which via the switching

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arme 48 und 50 eines Umschalters 52 an die Primärwicklung 54 eines Übertragers 56 geführt sind. Die Sekundärwicklung 58 dieses Übertragers ist über eine Mittelanzapfung und eine Vorr Spannungsquelle 60 mit Masse verbunden. Die beiden Anschlüsse der Sekundärwicklung liegen über Leitungen 62 und 64 an den Anregungsplatten 30 und 32. Der Detektor 42 ist über Leitungen 66 und 68 mit den Abfühlplatten 36 und 38 verbunden. Im Schwinger 42A wird mit Hilfe der Helmholtζ-Spulen 70 und 72, ein Magnetfeld in Längsrichtung erzeugt. Die Erregung dieser Spulen erfolgt durch eine Stromquelle 74, die über einen variablen Widerstand 76 und Leitungen 78 und 80 mit den Spulen verbunden ist. Sobald der Schwinger über den Impulsgeber 40 beispielsweise in seiner Grundwelle in Schwingung versetzt ist, wird diese Schwingung durch die über die Abfühlplatten 36 und 38 erfolgende Rückkopplung zum Detektor 42 aufrechterhalten. Die Rückkopplungswege 82 und 84 verlaufen über die Schaltanne 48 und 50 des Schalters 52. Sobald die Schwingung eingesetzt hat, wird dieser Schalter 52 umgeschaltet, so daß der Detektor über die Leitungen 82 und 84 mit der Primärwicklung 54 des Übertragers 56 verbunden ist. Durch Veränderung der Stärke des durch die Spulen 70 und 72 in Längsrichtung des Schwingers 22A erzeugten Magnetfeldes läßt sich die Schwingfrequenz verändern.arms 48 and 50 of a changeover switch 52 to the primary winding 54 a transformer 56 are performed. The secondary winding 58 of this transformer is via a center tap and a Vorr Voltage source 60 connected to ground. The two connections of the secondary winding are connected via lines 62 and 64 to the Excitation plates 30 and 32. The detector 42 is connected to the sensing plates 36 and 38 by leads 66 and 68. In the Schwinger 42A is made with the help of Helmholtζ coils 70 and 72 Magnetic field generated in the longitudinal direction. The excitation of these coils is carried out by a current source 74, which is via a variable Resistor 76 and leads 78 and 80 are connected to the coils. As soon as the oscillator via the pulse generator 40, for example is set in oscillation in its fundamental wave, this oscillation is caused by that occurring via the sensing plates 36 and 38 Maintain feedback to detector 42. The feedback paths 82 and 84 run via the switchgear 48 and 50 of the Switch 52. As soon as the oscillation has started, this switch 52 is switched over, so that the detector over the lines 82 and 84 are connected to the primary winding 54 of the transformer 56 is. By changing the strength of the magnetic field generated by the coils 70 and 72 in the longitudinal direction of the oscillator 22A the oscillation frequency can be changed.

Um das Gehäuse 28 ist eine bifilare Heizwicklung 85 gelegt, die die Temperatur des Schwingers 22A steuert. Diese Heizwicklung kann auch zur erfindungsgemäßen Wärmebehandlung des Schwingers in Gegenwart eines Magnetfeldes verwendet werden. Die bifilare Heizwicklung 85 besteht aus einem Nickelchromiumdraht, der induktionsfrei doppelt schraubenförmig mit einem Umkehrpunkt 86 angeordnet ist. Die Heizwicklung wird von einer Stromquelle 87 durch Wechsel- oder Gleichstrom gespeist.A bifilar heating coil 85 is placed around the housing 28, which controls the temperature of the transducer 22A. This heating coil can also be used for the inventive heat treatment Oscillator can be used in the presence of a magnetic field. The bifilar heating coil 85 consists of a nickel chromium wire, which is arranged in a double helical manner with a reversal point 86 without induction. The heating coil is from a Power source 87 fed by alternating or direct current.

Die Anordnungen gemäß Fig. 2B, 2C und 2D sind in mehrerer Hinsicht mit der Anordnung gemäß Fig. 2A vergleichbar, deshalb sind entsprechende Teile mit entsprechenden Bezugsziffern versehen und nicht näher beschrieben. In der Anordnung gemäßThe arrangements according to FIGS. 2B, 2C and 2D are comparable in several respects to the arrangement according to FIG. 2A, therefore Corresponding parts are provided with corresponding reference numbers and are not described in more detail. In the arrangement according to

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Fig.. 2B wird das die Schwingfrequenz steuernde Magnetfeld durch die den linken Teil in der Nähe des Einspannpunktes 26 angeordnete Spule 90 erzeugt.Fig. 2B shows the magnetic field controlling the oscillation frequency through the left part near the clamping point 26 arranged coil 90 generated.

Die Anordnung gemäß Fig. 2C enthält einen Schwinger 22C> der als Schleife ausgebildet ist, so daß er selbst als Wicklung verwendet werden kann, über die das erforderliche, die Frequenz steuernde Magnetfeld erzeugt wird. D.h. also, durch Ändern des in dem Schwinger 22C fließenden Stromes läßt sich die Schwingfrequenz variieren*The arrangement according to FIG. 2C contains an oscillator 22C> which is designed as a loop, so that it is itself as a winding can be used, via which the required, frequency-controlling magnetic field is generated. I.e. by changing the The oscillation frequency can be varied in the current flowing in the oscillator 22C *

Die in Fig. 2D dargestellte Anordnung enthält einen Schwinger 22D, an dessen linkem Teil ein den ΔΕ-Effekt zeigendes Mäterialstück 92 fest angeordnet ist. Durch Regelung des dieses Materialsstück durchsetzendes Magnetfeldes kann das Schwingverhälten des Schwingers 22D verändert werden. Durch die Art und Größe der Anordnung dieses Materialstückes läßt sich eine bestimmte Frequenz einstellen.The arrangement shown in FIG. 2D contains an oscillator 22D, on the left part of which a piece of material showing the ΔΕ effect 92 is fixedly arranged. The oscillation behavior can be achieved by regulating the magnetic field penetrating this piece of material of the vibrator 22D can be changed. The type and size of the arrangement of this piece of material can be a certain Set the frequency.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren ist in Fig. 3 dargestellt. Hier wird der ΔΕ-Effekt bei einer Schallverzögerungsleitung angewendet. Eine Spule 100 umgibt eine Verzögerungsleitung 102. Diese Spule ist über Verbindungsleitungen 113 und 114 und einen veränderbaren Widerstand 112 an eine Stromquelle 111 angeschlossen. Durch Veränderung des Widerstandes 112 kann ein unterschiedliches Magnetfeld in der Verzögerungsleitung erzeugt werden. In Abhängigkeit von der Stärke dieses Magnetfeldes wird die Verzögerungszeit variiert, die ein von einer Impulsquelle 104 ausgesandter Impuls 110 erfährt, bis er den am anderen Ende der Verzögerungsleitung angeordneten Impulsdetektor 106 erreicht. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet demnach die Änderung der Schwingfrequenz eines Schwingers und eine Änderung der Verzögerungszeit in Verzögerungsleitungen»Another application example for the method according to the invention is shown in FIG. Here the ΔΕ effect is at applied to a sound delay line. A coil 100 surrounds a delay line 102. This coil is connected via connecting lines 113 and 114 and a variable resistor 112 connected to a power source 111. Through change of the resistor 112, a different magnetic field can be generated in the delay line. Dependent on the delay time depends on the strength of this magnetic field that a pulse 110 emitted by a pulse source 104 experiences until it reaches the one at the other end of the delay line arranged pulse detector 106 reached. The method according to the invention therefore allows the change to be made Oscillation frequency of a vibrator and a change in the delay time in delay lines »

In Fig. 4A ist ein typischer Verlauf der Magnetisierung bei4A shows a typical course of the magnetization at

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ferromagnetischem Material dargestellt. Die Magnetisierung E nimmt bis zu einem Sättigungswert I in Abhängigkeit von der angelegten Feldstärke A zu. Im gesättigten Zustand weist das Material den größten Elastizitätsmodul E₀ auf. Dies ist aus der Kurve gemäß Fig. 4B zu ersehen. Bei Magnetisierungen unterhalb des Sättigungswertes ist der ΔΕ-Effekt geringer. Die Abnahme des Elastizitätsmoduls hat ihre Ursache darin, daß eine gegenseitige Beeinflussung zwischen mechanischer Beanspruchung und Domänenkonfiguration im ferromagnetisehen Material stattfindet, wobei eine zusätzliche Spannungkomponente magnetostriktiven Ursprungs festzustellen ist. Wie aus den beiden Kurven CI und CII in Fig. 4B zu ersehen ist, hängt der Verlauf des Elastizitätsmoduls E beträchtlich von den Betriebsbedingungen ab. Die Kurve CI zeigt einen monotonen Anstieg vom Wert E_Q im entmagnetisierten Zustand bis zum Sättigungswert E . Dagegen ist im Verlauf CII zunächst ein Abfall des Elastizitätsmoduls auf einen Minimalwert E . festzustellen, so daßferromagnetic material shown. The magnetization E increases up to a saturation value I depending on the applied field strength A. In the saturated state, the material has the greatest modulus of elasticity E ₀ . This can be seen from the curve according to FIG. 4B. In the case of magnetizations below the saturation value, the ΔΕ effect is less. The reason for the decrease in the modulus of elasticity is that there is a mutual influence between the mechanical stress and the domain configuration in the ferromagnetic material, with an additional stress component of magnetostrictive origin being ascertained. As can be seen from the two curves CI and CII in FIG. 4B, the course of the modulus of elasticity E depends considerably on the operating conditions. The curve CI shows a monotonic increase from the value E _Q in the demagnetized state to the saturation value E. In contrast, there is initially a decrease in the modulus of elasticity to a minimum value E in the course CII. determine so that

minmin

sich hier ein größerer Variationsbereich für den ΔΕ-Effekt ergibt. Insbesondere zeigt sich, daß die Frequenz einen wesentlichen Einfluß auf den Verlauf des Elastizitätsmoduls E in Abhängigkeit von der Feldstärke H hat. Der Grund dafür ist darin zu sehen, daß durch die aufgrund der mechanischen Schwingungen und der damit verbundenen dynamischen Spannungsänderungen bewirkten Tendenz zur Änderung der Domänenkonfiguration ein Wirbelstromfeld entgegenwirkt. Bei der Frequenz f^, bei der aufgrund der Wirbelstrombildung ein Abschirmungseffekt auftritt, werden bestimmte physikalische Eigenschaften des Materials beeinflußt. Außerdem geschieht das umgekehrt proportional zum Quadrat der Dicke des Stabschwingers. Der Verlauf CII in Fig. 4B ist typisch für niedrige Frequenzen, also Frequenzen unterhalb der Frequenz f.,, bei denen die Abschirmeffekte noch nicht auftreten. Dagegen zeigt der Verlauf CI den Verlauf bei Frequenzen die größer als die Frequenz f sind.there is a larger range of variation for the ΔΕ effect results. In particular, it can be seen that the frequency has a significant influence on the course of the modulus of elasticity E in Dependence on the field strength H. The reason for this is to be seen in the fact that due to the mechanical vibrations and the associated dynamic voltage changes caused tendency to change the domain configuration counteracts an eddy current field. At the frequency f ^, at the a shielding effect occurs due to the formation of eddy currents, certain physical properties of the material are influenced. In addition, this happens inversely proportional to the square of the thickness of the rod transducer. The course CII in Fig. 4B is typical for low frequencies, that is to say frequencies below the frequency f. ,, at which the shielding effects do not yet exist appear. In contrast, the course CI shows the course at frequencies which are greater than the frequency f.

Dieses Verhalten wird durch die in Fig. 7 aufgezeichneten Meßergebnisse substantiiert. Es ist die mit der FrequenzThis behavior is substantiated by the measurement results recorded in FIG. It's the one with the frequency

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fortschreitende Änderung des Verlaufes dargestellt bei einem Stabschwinger mit einer Dicke von 1,5 mm. Die Frequenzen entsprechen der Grundwelle, der zweiten, dritten und vierten Oberwelle.progressive change in the course shown in a Rod transducer with a thickness of 1.5 mm. The frequencies correspond to the fundamental, the second, third and fourth harmonics.

Bei der Beschreibung der Anordnungen gemäß der Pign. 5A und 5B werden die anhand der Fig. 4B festgestellten Tatsachen in Betracht gezogen, die insbesondere darin bestehen, daß durch, geeignete geometrische Abmessungen des Schwingers die Möglichkeit eröffnet wird, durch Erfüllung der Bedingung f< <f_M cten ΔΕ-Effekt auszuweiten. Abgesehen von den gewählten geometrischen Abmessungen entsprechen die Schwinger gemäß der Fign. 4A und 4B dem in Fig. IA dargestellten Schwinger. Die beiden Schwinger weisen dieselbe Schwingfrequenz auf, wenn Dicke d und Länge 1 die Beziehung erfüllen ^^{2 2} When describing the arrangements according to the Pign. 5A and 5B, the facts established with reference to FIG. 4B are taken into account, which consist in particular in that suitable geometrical dimensions of the oscillator open up the possibility of expanding the ΔΕ effect _{by fulfilling the condition f <<f M cth.} Apart from the chosen geometric dimensions, the transducers according to FIGS. 4A and 4B the transducer shown in Fig. 1A. The two oscillators have the same oscillation frequency if the thickness d and length 1 satisfy the relationship ^ ^{2 2}

Bei den betrachteten Beispielen erhält man dieselben Schwing-* frequenzen, wenn der Schwinger gemäß Fig. <5A die doppelte Länge und die vierfache Dicke des Schwingers gemäß Fig. 5B aufweist· Während also die beiden Schwinger gleiche Betriebsfrequenzen aufweisen, unterscheiden sich aber die für den Abschirmungseffekt maßgeblichen Frequenzen-f _M um den Faktor 16, da sich die Frequenz f„ umgekehrt proportional zum Quadrat der Dicke ändert* Will man demnach bei einem Schwinger einen maximalen Variationsbereich für die Frequenz erreichen, muß ein Elastizitätsverlauf ClI gemäß Fig. 4B angestrebt werden. Dabei ist der Schwinger gemäß Fig. SB dem der Fig. 5A vorzuziehen.In the examples under consideration, the same oscillation frequencies are obtained if the oscillator according to FIG. 5A has twice the length and four times the thickness of the oscillator according to FIG. 5B Shielding effect of the relevant frequencies-f _M by a factor of 16, since the frequency f "changes inversely proportional to the square of the thickness. The oscillator according to FIG. 5B is to be preferred to that of FIG. 5A.

Die in Fig. 6 dargestellte Anordnung zeigt eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Feststellung von Richtung und Stärke eines vorhandenen Magnetfeldes. Zwei elektromechanische, zungenförmige Schwinger, die im Gesamtaufbau mit dem Schwinger gemäß Fig. 2A vergleichbar sind, aber ebenso in den Ausführungen gemäß Fig, 2B, 2C und 2D verwirkliehbar wären, werden mechanisch und elektrisch zusammenwirkend betrieben» um. dieThe arrangement shown in Fig. 6 shows an application of the Method according to the invention for determining direction and strength of an existing magnetic field. Two electromechanical, tongue-shaped transducers, which are integrated with the Oscillators according to FIG. 2A are comparable, but also in the Designs according to FIGS. 2B, 2C and 2D could be realized, are operated mechanically and electrically interacting »um. the

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Wirkungsweise im Zusammenhang mit der Anordnung gemäß Fig. 2A und der zugehörigen Beschreibung verständlich zu machen, werden für die dargestellten Teile entsprechende Bezugszeichen verwendet, die lediglich beim einen Schwinger mit einem beim andern Schwinger mit einem doppelten Strichindex versehen sind. Das mechanische Zusammenwirken der beiden Schwingsysteme Sl und S2 wird dadurch erreicht, daß die Schwinger 22A¹ und 22A¹' in einer Ebene, aber rechtwinklig zueinander in den Block 120 an den Einspannstellen 122 und 124 eingespannt sind. Der Einspannblock 120 ist auf einer auf einem Stab 128 befestigten Kugel 126 allseitig drehbar gelagert. Bringt man diese Anordnung in ein Magnetfeld und bringt die Ausgangssignale der jeweils zugeordneten, nicht dargestellten Detektoren in Beziehung zueinander, so ist es möglich, die Richtung, bezogen auf den Winkel α, und die Feldstärke des Magnetfeldes H zu ermitteln.To make the mode of operation understandable in connection with the arrangement according to FIG. 2A and the associated description, corresponding reference numerals are used for the parts shown, which are only provided with a double prime index for one transducer and a double prime index for the other transducer. The mechanical interaction of the two oscillating systems S1 and S2 is achieved in that the oscillators 22A ¹ and 22A ¹ 'are clamped in one plane, but at right angles to one another, in the block 120 at the clamping points 122 and 124. The clamping block 120 is mounted rotatably on all sides on a ball 126 fastened on a rod 128. If this arrangement is brought into a magnetic field and the output signals of the respectively assigned detectors, not shown, are related to one another, it is possible to determine the direction, based on the angle α, and the field strength of the magnetic field H.

Um die Größe des ΔΕ-Effektes für einige gebräuchliche kristalline, magnetische Materialien anzugeben, sind in Fig. 8 entsprechende Meßergebnisse aufgezeichnet. Die Kurve A entspricht Fe-30 % Ni, die Kurve B entspricht Fe-28 % Co, die Kurve C entspricht reinem Ni und die Kurve D entspricht Fe-2,5 % Si. Die Meßergebnisse wurden bei dünnen Stäben gewonnen, die die Bedingung f<f erfüllen. Um einen Vergleich zu ermöglichen, sind die tatsächlichen Frequenzen f auf die Frequenz f_ im entmagnetisierten Zustand bezogen. Die maximale Frequenzvariation erhält man in den durchgemessenen Ausführungsbeispielen für den Schwinger aus Fe-28 % Co. Man erhält hier eine Frequenzänderung von etwa 8 %, d.h., eine Änderung des Elastizitätsmoduls E von etwa 16 %. Größere Variationsbreiten sind bei Verbindungen mit höherem Kobaltgehalt zu erwarten.To determine the magnitude of the ΔΕ effect for some common crystalline, To indicate magnetic materials, corresponding measurement results are recorded in FIG. Curve A corresponds to Fe-30% Ni, curve B corresponds to Fe-28% Co, curve C corresponds to pure Ni and curve D corresponds to Fe-2.5% Si. The measurement results were obtained on thin rods which satisfy the condition meet f <f. To enable a comparison, the actual frequencies f are demagnetized to the frequency f_ im Condition related. The maximum frequency variation is obtained in the measured embodiments for the Oscillators made from Fe-28% Co. A frequency change of about 8% is obtained, i.e. a change in the modulus of elasticity E. of about 16%. Larger ranges of variation are to be expected for compounds with a higher cobalt content.

Zum Vergleich mit den Daten für die kristallinen Materialien gemäß Fig. 8 sind in Fig. 9 die entsprechenden Daten für die bereits erwähnte amorphe Verbindung Fe₇₅P₁₅C₁₀ dargestellt. Der ΔΕ-Effekt ist bei diesem Material im normalen unbehandelten Zustand relativ klein. Der ΔΕ-Effekt kann aber, wie bereitsFor comparison with the data for the crystalline materials according to FIG. 8, FIG. 9 shows the corresponding data for the already mentioned amorphous compound Fe ₇₅ P ₁₅ C ₁₀ . The ΔΕ effect is relatively small with this material in the normal untreated state. The ΔΕ effect can, however, as already

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erläutert, durch eine Wärmebehandlung wesentliche gesteigert werden. Bei dieser Wärmebehandlung werden interne Spannungen im Material beseitigt. Nach einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 400 ⁰C beträgt die maximale Frequenzvariation 15 %, ist also bereits doppelt so groß wie die für die kristallinen Materialien gemäß Fig. 8. Außerdem kann bei dem hier betrachteten Material mit relativ kleinen Feldstärkeänderungen eine relativ große Frequenzänderung erreicht werden, was für manche Anwendungen von Vorteil ist.explained, can be increased significantly by heat treatment. This heat treatment removes internal stresses in the material. After a heat treatment at a temperature of 400 ^° C., the maximum frequency variation is 15%, i.e. it is already twice as large as that for the crystalline materials according to FIG. 8. In addition, with the material considered here, a relatively large frequency change can be achieved with relatively small field strength changes which is advantageous for some applications.

Fig. 10 zeigt im Falle des mit 400 °C vorbehandelten ^Fe75^Pi5^Ci_O' daß für Feldstärken unterhalb des Minimums (E . in Fig. 4B)10 shows in the case of ^Fe 75 ^P i5 ^C i _O 'pretreated with 400 ° C. that for field strengths below the minimum (E. in FIG. 4B)

minmin

nahezu keine Hysterese bei den Frequenzänderungen mit zunehmender oder abnehmender Feldstärke feststellbar ist. Oszillatoren die in diesem reversiblen Bereich betrieben werden, können also hinsichtlich ihrer Frequenz/Feldstärkebeziehung durch eine einzige Eichkurve beschrieben werden.almost no hysteresis can be determined in the frequency changes with increasing or decreasing field strength. Oscillators which are operated in this reversible range, can therefore with regard to their frequency / field strength relationship by a single calibration curve can be described.

In Fig. 11 ist zu entnehmen, daß der ΔΕ-Effekt bei ferromagnetischen Verbindungen durch eine bei Vorhandensein eines Magnetfeldes vorgenommene Wärmebehandlung modifiziert werden kann. Dabei wird das Material über den Curie-Punkt erwärmt. Anschließend erfolgt eine langsame Abkühlung in Gegenwart eines in einer bestimmten Richtung angelegten Sättigungs-Magnetfeldes. Die in Fig. 11 angegebenen Daten für die Verbindung ^Fe75^Pi5^Cin ^ζβ*9^{βη zum} ersten Mal, daß eine amorphe Verbindung auf eine Wärmebehandlung in Verbindung mit einem Magnetfeld anspricht. Im in Fig. 11 betrachteten Beispiel erfolgte eine Erwärmung auf 380 C, d.h. also, auf 50 ⁰C über dem Curie-Punkt von 330 ⁰C, und eine mehrere Stunden dauernde Abkühlung auf Raumtemperatur, wobei gleichzeitig ein Sättigungs-Magnetfeld angelegt war. Eine weitere, der Fig. 11 zu entnehmende Erkenntnis besteht darin, daß der Frequenzbereich bei Anlegen des Magnetfeldes in Querrichtung weit mehr ausgedehnt werden kann als bei Anlegen des Magnetfeldes in Längsrichtung des Schwingers.In Fig. 11 it can be seen that the ΔΕ effect in ferromagnetic compounds can be modified by a heat treatment carried out in the presence of a magnetic field. The material is heated above the Curie point. This is followed by slow cooling in the presence of a saturation magnetic field applied in a certain direction. The data given in Fig. 11 for the compound ^Fe 75 ^P i5 ^C in ^ζβ * 9 ^{βη for the} first time that an amorphous compound responds to a heat treatment in connection with a magnetic field. In the example considered in FIG. 11, heating to 380 ° C., ie to 50 ^° C. above the Curie point of 330 ^° C., and cooling to room temperature lasting several hours, with a saturation magnetic field being applied at the same time, took place. A further finding, which can be taken from FIG. 11, consists in the fact that the frequency range can be expanded far more when the magnetic field is applied in the transverse direction than when the magnetic field is applied in the longitudinal direction of the oscillator.

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Claims (1)

- 12 ·* - 12 * PATENTANSPRÜCHEPATENT CLAIMS 1.! Verfahren zur Steuerung der Schwingfrequenz, eines elektromechanischen oder mechanischen Osζilators, dadurch gekennzeichnet, daß für den Schwinger ein Material verwendet wird, dessen Elastizitätsmodul E sich in Abhängigkeit von einem Magnetfeld ändert (ΔΕ-Effekt) und daß die Schwingfrequenz durch ein den Schwinger durchsetzendes Magnetfeld gesteuert wird.1.! Method for controlling the oscillation frequency, one electromechanical or mechanical oscillator, characterized in that a material is used for the oscillator whose modulus of elasticity E changes as a function of a magnetic field (ΔΕ effect) and that the oscillation frequency by a the oscillator penetrating magnetic field is controlled. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des ΔΕ-Effektes durch eine Wärmebehandlung des Schwingers in Gegenwart eines Magnetfeldes modifiziert wird.Method according to Claim 1, characterized in that the size of the ΔΕ effect is achieved by a heat treatment of the transducer is modified in the presence of a magnetic field. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld in Längsrichtung des Schwingers angelegt wird.Method according to Claim 2, characterized in that the magnetic field is in the longitudinal direction of the oscillator is created. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld in Querrichtung zum Schwinger angelegt wird.Method according to Claim 2, characterized in that the magnetic field is in the transverse direction to the oscillator is created. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingfrequenz durch Änderung der Richtung des Magnetfeldes gesteuert wird.Method according to claims 1 to 4, characterized in that the oscillation frequency by changing the Direction of the magnetic field is controlled. . Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingfrequenz durch Änderung der Magnetfeldstärke gesteuert wird.. Method according to claims 1 to 4, characterized in that the oscillation frequency by changing the Magnetic field strength is controlled. Die Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger mindestens Teil einer akustischen Verzögerungsstrecke ist, die aus-The application of the method according to claims 1 to 6, characterized in that the oscillator at least Is part of an acoustic delay line that consists of 309827/0994309827/0994 - 13 gangsseitig mit einem geeignetem Detektor versehen ist,- 13 is provided with a suitable detector on the aisle side, 8. Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6 zur Messung der Stärke eines Magnetfeldes; dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger in das Magnetfeld gebracht und die sich einstellende Schwingfrequenz als Maß für die Feldstärke verwendet wird. ' - · __ : ■ ■ - 8. Application of the method according to the invention according to claims 1 to 6 for measuring the strength of a magnetic field; characterized in that the oscillator is brought into the magnetic field and the oscillation frequency that is established is used as a measure of the field strength . '- · __: ■ ■ - 9. Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6 zur Messung der Stärke und Richtung eines Magnetfeldes dadurch gekennzeichnet/ daß zwei Schwinger in vorgegebener räumlicher Läge zueinander im Magnetfeld angeordnet und bewegbar sind und daß die sich einstellenden Schwingfrequenzen und die Frequenzdifferenz beider Schwinger als Maß für Feldstärke und Feldrichtung dienen.9. Application of the method according to claims 1 to 6 for measuring the strength and direction of a magnetic field characterized / that two oscillators in a predetermined spatial position to each other in the magnetic field are arranged and movable and that the adjusting Oscillation frequencies and the frequency difference between the two oscillators serve as a measure of field strength and field direction. 309827/0994309827/0994 Leer seifeEmpty soap